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1、炭黑的湿法造粒和干燥控制 黄敬彬 ( 山西聚元炭黑有限公司，0 3 0 0 0 6 ) 摘要：本文提出了湿法造粒水函数式，干燥机出口炭黑温度超前型控制数学模型和解决干 燥机出口炭黑加热减量控制的新路径，为炭黑湿法造粒和干燥工序参与炭黑制造在线检测全过程 自动控制提供了一个平台。 关键词：炭黑；湿法造粒；干燥；现场总线；以太网；控制 1前言 在湿法造粒过程中，炭黑与水在搅齿式造粒机里混合，造粒水紧跟下料炭黑量。造粒机 是一个直径为0 5 - - - 0 7m ，长约3m 的圆柱体。造粒机沿轴向有一个旋转的轴，在轴上沿螺 旋线固定了钢制搅齿，其长度靠近圆筒壁。造粒机轴的转速为3 0 0 7 0 0
2、 转份钟。沿造粒机 不同的部位安装了喷嘴，造粒水通过喷嘴喷向造粒机的轴。对于大部分炭黑，水，炭黑之比大 约为1 ：1 。借助搅齿的作用形成直径0 2 2 0I I u I l 湿粒子。如果需要，黏结剂诸如糖蜜、木 质素磺酸盐或糖，可以加入到造粒水中来影响粒子强度。一般说来，所有的炭黑品种都能湿 法造粒。， 因为造粒水与炭黑的比值影响粒子的尺寸和增密程度，因此炭黑的D B P 吸收值是特别重 要的。造粒水与炭黑的比值是控制湿法造粒的一个重要参数，这个比值是保持恒定的吗? 现 代造粒机安装了一个控制装置，它用于造粒机所需动力很灵敏的控制造粒水与炭黑的比值。 本文解决的第一个问题就是造粒水与炭黑的关
3、系。 离开湿法造粒机后，湿粒子必须要干燥，由一个外加热和热烟气通过来补充加热的旋转 窑式干燥机完成。处理能力2 “ - - 4t h 的干燥机，其直径2 3m ，长度1 5 “ - 2 0m ，转速约6 r m i n 。 炭黑的运动和热传递，由干燥机内诸如抄板等附加构件来改善。 在干燥机里，湿炭黑粒子的床层深度和停留时间可用可调围堰来调整。干燥机出I ：I 炭黑 温度是1 5 0 2 5 0 “ C 。由于在这个温度下已可以发生炭黑表面氧化作用，在干燥机里可进行相 应的后续作业来改变炭黑的品质。因此，干燥机截面温度的精心控制是非常重要的。然而， 这只能用特殊的控制装置来实现。当离开干燥机时炭
4、黑温度过高的问题可能发生。这是本文 要解决的另一个问题。由于窑式干燥机的绝热性能，它的温度下降缓慢，在包装和供给用户 时，炭黑可能过热。这是本文要解决的又一个问题。 2炭黑湿法造粒中造粒水的控制 炭黑产品中，用油炉法生产的炭黑已占9 5 以上。油炉法生产是在一个以D C SP L C 为中 枢的精密控制反应器中进行的。油炉法生产使用的含高芳烃原料油，有来自石油炼制过程的 乙烯焦油、催化裂化渣油、糠醛抽出油和煤焦化过程的煤焦油、葸油、防腐油、屈油等。经 在线预热的来自周围大气的过程空气和燃料油，在衬有耐火材料的反应器燃烧段中燃烧，产 生高温热动能环境；喷入的原料油在反应段毫秒级瞬间生成炭黑和烟气
5、；在急冷段对炭黑烟 气喷水急冷，终止炭黑反应。炭黑烟气进入主袋滤器，滤袋将炭黑从烟气中分离出来。炭黑 被风送再分离成“松散炭黑“ ，进入湿法造粒系统。在湿法造粒机中，松散炭黑被加入的定量 造粒水湿润，在动量的作用下排气、成核、长大、抛光成0 5 “ - 2 0m l n 湿炭黑粒子。在干燥 机中被干燥成炭黑产品。 炭黑原料油对炭黑产品品质有本质的影响。主要表现在炭黑技术标准中不能凸现的表面 化学性质、聚集体物理形态方面对炭黑品质的影响。我提及的“周围大气的过程空气“ “燃 料油“原料油“急冷水“耐火材料“ ，是想凸现不大被人们注意的要素对炭黑品质 的影响。它们甚至对湿炭黑中的含水率都有一些影响
6、。 目前，湿法造粒控制还是用造粒机电机功率串级控制造粒水量的控制体系。湿粒子含水 量约为5 0 ，取决于炭黑品种。 实际上，湿法造粒过程中炭黑与造粒水之间存在着一定的关系。 湿炭黑中的适中含水率是炭黑D B P 吸收值的函数： H = 0 3 2 D B P - - I - 1 2 3 2 “ 式中，H 湿炭黑中的含水率，； D B P L 欲造粒炭黑的D B P 吸收值。 欲造粒干炭黑与适中造粒水质量比的函数： H z O C B = ( o 3 2 D B P + 1 2 3 2 ) ( 8 7 6 8 一O 3 2 D B P ) 式中，H 2 0 谴粒炭黑所需造粒水的质量，蚝； C B
7、 谴粒炭黑的质量，蚝。 假设松散炭黑的D B P - - - 1 0 0 则H = 4 4 3 2H 2 0 C B = 0 7 9 6 5 9 湿炭黑中的含水率与炭黑D B P 的对应值见表1 。 表l 湿炭黑中的含水率与炭黑D B P 的对应值 3干燥机出口炭黑温度控制 。 干燥机出口炭黑温度的控制一直困扰着炭黑制造者。目前仍沿用着以尾气，空气比( 空气 量为尾气燃烧理论空气量1 1 ) ，以干燥机出1 2 1 炭黑温度为自变量来改变输入到干燥机尾气 燃烧炉的尾气量的滞后型模式，来控制干燥机出口的炭黑温度。 实际上，干燥机出口炭黑温度是造粒水质量、造粒水温度和尾气热值的函数。尾气热值 又是
8、炭黑品种的函数。对于这类复变函数作如下数学简化处理： T o u t = f T w H t g ) 式中，T o u 广干燥机出口炭黑温度；W 造粒水质量； T w 造粒水温度；。 H t r 一尾气热值。 ， 对于给定品种炭黑，尾气热值是一个定值，造粒水温度一般也是一个定值，于是干燥机 出口炭黑温度可由造粒水质量精确控制。 干燥机尾气燃烧炉所用尾气量可用下式计算： V g = 1 5 1 5W + B 式中，V r 供给干燥机尾气燃烧炉的尾气量，m 3 h ；w 造粒水测量值，k g l l ； B 微调值，根据干燥机出口炭黑温度微调。 V t g V a i r 对给定品种炭黑是一个定值
9、，由造粒水测量值控制干燥机尾气燃烧炉所用尾气 量，再用V r t g V a i r 来控制输入到干燥机尾气燃烧炉的空气量。 一 ，： 结果是，干燥机出口炭黑温度，由紧跟造粒水测量值来改变输入到干燥机尾气燃烧炉的 尾气量的数学模型，实现超前型控制，这样就解决了通常以干燥机出口炭黑温度为自变量， 来改变输入到干燥机尾气燃烧炉的尾气量的滞后型控制模式带来的缺陷。 4 干燥机出口炭黑加热减量的控制 炭黑中的水分主要是吸附水，化合水极少。炭黑中的水分含量与炭黑的表面积、空隙度、 表面化学、物理形态以及周围大气温度、湿度有关。在炭黑技术指标中，N 1 0 0 系列炭黑的加 6 0 热减量3 O ；N 2
10、 0 0 、N 3 0 0 、N 4 0 0 系列炭黑的加热减量2 5 ；N 5 0 0 、N 6 0 0 、N 7 0 0 、N 9 0 0 系列炭黑的加热减量1 5 。 干燥机用炭黑尾气作为热源，除去湿炭黑粒子中的水分，达到用户要求的炭黑加热减量 的指标。由于通常以干燥机出口炭黑温度为自变量，来改变输入到干燥机尾气燃烧炉的尾气 量的滞后型控制模式来控制干燥机出口炭黑温度。湿炭黑从干燥机的入口，在抄板的作用下 走过略带斜度( 2 0 m 长) 的干燥机滚筒的加热干燥历程，从干燥机的出口排出时，炭黑温度 是4 0 分钟前的干燥状况的信息，以它为参数来调整干燥机的供热量，如此的滞后引起了干燥 机
11、出口炭黑温度较大波动的缺陷。 由于从干燥机排出的炭黑粒子温度较高，引起在料仓中炭黑的温度较高，有在料仓中炭 黑着火的危险；在包装中，使用聚丙烯袋，热老化；塑料袋早期老化；牛皮纸袋烧焦；给炭 黑仓库留下安全隐患。 为了解决上述问题，作了许多努力来降低干燥机出口炭黑温度，但处理不当，会使产品 湿度增大，造成不合格品。 印度勃拉公司采用干燥机出口端加装口0 1 4 2 7 4 3 m m 带外喷水冷却器的新型干燥机。加 装冷却器后，干燥机出口炭黑温度降至1 2 0 - - - 1 5 0 。C ，带来如下益处： ( 1 ) 可生产较低温度的炭黑产品，而不增加产品湿度； ( 2 ) 可以防止炭黑在料仓
12、中受压结块； ( 3 ) 包装袋不易破损，且易于包装； ( 4 ) 可消除因炭黑产品温度较高而引发的火灾。 加装干燥机冷却器，需设置一套冷却水系统，且我国大型炭黑生产线干燥机后没有安装 冷却器的空间，很难实施。只能另劈蹊径，采用冷却，冷冻一排热一数模综合法来解决干燥机 出口炭黑加热减量控制的问题。 5结语 ( 1 ) 炭黑湿法造粒和干燥是炭黑制造过程中继炭黑反应、炭黑收集之后，把松散炭黑制成 颗粒状商业产品的重要工序。 ( 2 ) 湿法造粒过程中炭黑与造粒水之间存在着函数关系。 湿法造粒炭黑适中含水率函数式： H - - 0 3 2 D B P + 1 2 3 2 式中，H i 显炭黑中的含水
13、率，；D B P _ 瑚造粒炭黑的D B P 吸收值。 6 1 欲造粒干炭黑与适中造粒水质量比的函数式： n n r W ；护O 一“j t * j J 扎17 , 臻 H 2 0 C B = ( o 3 2 D B P + 1 2 3 2 ) ( 8 7 6 8 0 3 2 D B P ) 式中，H 2 _ 造粒炭黑所需造粒水的质量，k g ；C B 造粒炭黑的质量，埏。 ( 3 ) 干燥机出口炭黑温度，由跟踪造粒水测量值来改变输入到干燥机尾气燃烧炉的尾气量 的数学模型实现超前型控制，4 解决了跟踪干燥机出口炭黑温度，来改变输入到干燥机尾气燃 烧炉的尾气量的滞后型控制模式带来的缺陷问题。 ( 4 ) 提出了适合国情的冷却冷冻一排热一数模综合法来解决干燥机出口炭黑加热减量控 制的路径，已在实践中。 ( 5 ) 炭黑湿法造粒和干燥是影响产品品质的重要工序。由于它的后续性和复杂性，与炭黑 反应技术进展相比，相对滞后。炭黑湿法造粒和干燥技术是炭黑制造研发中不可或缺的重要 部分。 ( 6 ) 本文的工作为炭黑湿法造粒和干燥工序参与炭黑制造在线检测全过程自动控制提供 了一个平台。