常溫和低溫相結(jié)合的橡膠粉碎工藝

摘 要

摘要：盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產(chǎn)品粒度小、表面光滑且均勻、產(chǎn)品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設(shè)備投資大、冷媒消耗量高、生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本也大大增加，導(dǎo)致其產(chǎn)品
摘要：盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產(chǎn)品粒度小、表面光滑且均勻、產(chǎn)品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設(shè)備投資大、冷媒消耗量高、生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本也大大增加，導(dǎo)致其產(chǎn)品價(jià)格失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為此，通過(guò)對(duì)比研究，提出了常溫-低溫結(jié)合橡膠粉碎工藝，即前段工藝采用常溫法粉碎廢舊輪胎，將廢舊輪胎處理成20～30目的粗膠粉，后段采用低溫法進(jìn)一步粉碎粗膠粉。該工藝產(chǎn)品的質(zhì)量完全可以達(dá)到全低溫深冷橡膠粉碎工藝產(chǎn)品質(zhì)量的水平，但投資成本卻大大降低，且較低的冷媒(液氮)消耗量也降低了產(chǎn)品成本，是一種經(jīng)濟(jì)合理、成熟先進(jìn)的橡膠粉碎工藝。
關(guān)鍵詞：LNG冷能利用；橡膠粉碎；低溫；液氮深冷；兩段法；設(shè)備投資；冷媒消耗量
    液化天然氣(LNG)在常壓和-162℃條件下液化后體積可縮小為氣態(tài)時(shí)的1/600，這一特性為天然氣高效輸送提供了新的途徑，也擴(kuò)大了天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域[1～5]。LNG在利用之前，需要海水或者空氣等介質(zhì)通過(guò)熱交換把它氣化為常溫氣體，在此過(guò)程中，會(huì)釋放大量的冷能。1t LNG氣化時(shí)放出的冷量大約860MJ，折合電量約為240kW·h，這些冷能若不加以利用將會(huì)造成巨大的浪費(fèi)。國(guó)家發(fā)改委能源局明確要求相關(guān)單位在利用清潔高效天然氣的同時(shí)，認(rèn)真研究LNG冷能的綜合利用，以提高LNG的使用效率，推動(dòng)能源資源的循環(huán)利用。其中利用LNG冷能進(jìn)行低溫橡膠粉碎就是一項(xiàng)較好的冷能利用項(xiàng)目。
   低溫橡膠粉碎工藝是利用LNG冷能將廢舊輪胎冷凍至玻璃化溫度以下，通過(guò)機(jī)械粉碎的方式將其制成精細(xì)膠粉。這種方法粉碎出的膠粉粒徑小、表面光滑、性能較好，可用于高性能和高附加值的橡膠制品中，能有效改善制品性能。根據(jù)LNG冷能利用方式的不同，該方法可以分為L(zhǎng)NG冷能直接利用法和LNG冷能間接利用法。LNG冷能間接利用法的工作原理是利用液態(tài)氮在低溫下粉碎一些在常溫下難以粉碎的物質(zhì)，與常溫粉碎工藝相比，它能把物質(zhì)粉碎成極小的微粒[6]。而直接利用LNG冷能的低溫橡膠粉碎工藝目前技術(shù)尚不成熟，還沒(méi)有工業(yè)化利用。以液氮為冷媒的深冷粉碎技術(shù)在國(guó)外已有50年的歷史，技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而在實(shí)際生產(chǎn)中，由于傳統(tǒng)的低溫粉碎工藝成本太高，國(guó)內(nèi)的低溫粉碎企業(yè)幾乎全部停產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)，造成了120目以上的膠粉無(wú)法直接生產(chǎn)。而目前國(guó)外的膠粉應(yīng)用情況卻表明，膠粉越細(xì)其應(yīng)用范圍越廣、替代率越高，其制品的附加值越高、質(zhì)量越優(yōu)。以輪胎生產(chǎn)為例，80～120目的膠粉添加量為5%～15%，如果用200目的膠粉，添加量可以達(dá)到20%，甚至更高。
1 傳統(tǒng)的橡膠粉碎工藝
1.1 常溫橡膠粉碎工藝
    常溫橡膠粉碎工藝是指在常溫或高于常溫的溫度下通過(guò)機(jī)械作用粉碎橡膠制成膠粉的一種粉碎法[7]，其原理是在常溫下，采用破碎機(jī)和切搓機(jī)等設(shè)備通過(guò)機(jī)械剪切力的作用對(duì)橡膠進(jìn)行擠壓、碾磨、剪切和撕拉，從而將其切斷和壓碎，生產(chǎn)出粒徑為20～100目的膠粉。
    該方法盡管可以生產(chǎn)出粒徑為20～100目的膠粉，但粒徑超過(guò)80目的膠粉產(chǎn)出率很低，此時(shí)，生產(chǎn)成本將大大增加。另外，常溫粉碎法生產(chǎn)粒徑大于80目的膠粉時(shí)，橡膠分子的物理性能就會(huì)在粉碎過(guò)程中因熱力作用而遭到破壞，從而影響膠粉的應(yīng)用性能?？偟膩?lái)說(shuō)，常溫橡膠粉碎工藝生產(chǎn)的膠粉目數(shù)較低，只能作橡膠地板、橡膠鞋底、膠帶和膠管等低附加值產(chǎn)品的回?fù)搅希瑧?yīng)用具有很大的局限性。
目前國(guó)內(nèi)常溫橡膠粉碎工藝一般是在敞開(kāi)的環(huán)境下對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行粉碎，粉塵污染問(wèn)題較為嚴(yán)重，需要采取除塵措施，設(shè)備產(chǎn)生的噪音經(jīng)處理后可達(dá)標(biāo)。
1.2 全低溫深冷橡膠粉碎工藝
    全低溫深冷橡膠粉碎工藝是利用液氮使廢舊輪胎冷至玻璃化溫度以下之后對(duì)其進(jìn)行粉碎。用這種方法粉碎出的膠粉粒徑小、表面光滑、受熱氧化程度低、性能較好，可用于高性能、高附加值的橡膠制品中，如改性瀝青、子午線輪胎胎面膠、高性能塑料、熱塑性彈性體、涂料、黏合劑和軍工產(chǎn)品等。
    全低溫深冷橡膠粉碎工藝生產(chǎn)精細(xì)膠粉現(xiàn)在已有成熟的設(shè)備及工藝，德國(guó)INTEC公司、加拿大RTI公司和美國(guó)Supercool公司生產(chǎn)線設(shè)備的綜合水平都已達(dá)到世界先進(jìn)水平，其生產(chǎn)線整胎粉碎過(guò)程由整胎投入、粉碎、冷卻研磨、鋼絲和纖維分離等環(huán)節(jié)組成。
    盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產(chǎn)品粒度小、表面光滑且均勻、產(chǎn)品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設(shè)備投資大，冷媒消耗高，生產(chǎn)成本及運(yùn)行成本也大大增加，導(dǎo)致其產(chǎn)品價(jià)格失去競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
2 常溫和低溫相結(jié)合的橡膠粉碎工藝
    常溫和低溫相結(jié)合橡膠粉碎工藝的前段工藝采用常溫法粉碎廢舊輪胎，將廢舊輪胎處理成20～30目的粗膠粉，后段采用低溫法進(jìn)一步粉碎粗膠粉[8]。該粉碎工藝的工藝流程如圖1所示。

    常溫和低溫相結(jié)合的橡膠粉碎工藝綜合了常溫法和全低溫深冷法粉碎廢舊輪胎的優(yōu)勢(shì)，克服了全低溫深冷橡膠粉碎工藝設(shè)備投資大、生產(chǎn)及運(yùn)行成本高的缺點(diǎn)，產(chǎn)品成本相對(duì)較低、性能穩(wěn)定、粒度小、表面光滑且均勻，適合高附加值的產(chǎn)品應(yīng)用要求。
2.1 常溫部分
    首先采用胎圈分離機(jī)將輪胎胎口圈鋼絲束完整干凈地分離，再采用輪胎破膠機(jī)把輪胎分解成粒徑為50mm的膠塊，然后由皮帶輸送機(jī)把膠塊送入輪胎破碎機(jī)組進(jìn)行破碎，破碎機(jī)的前后輥筒平行排列，兩輥筒間呈“U”字形，輥筒上有溝槽，溝槽深5～10mm，寬15～30mm，呈5°～10°傾斜，兩輥筒花紋溝呈交叉方向。粗碎后的粒徑為10mm左右。輥筒粉碎機(jī)對(duì)處理過(guò)的廢舊輪胎具有足夠的剪切力，有很好的粗碎性能，其粉碎能力與輥筒的直徑成正比，輥筒直徑愈大，粉碎能力也愈大。破碎后的膠塊通過(guò)輥輪篩選機(jī)進(jìn)行篩選，粒徑大于10mm的膠塊由返料皮帶送回破碎機(jī)組再次破碎直至達(dá)到要求，粒徑小于10mm的小膠塊由斗式提升機(jī)送入鋼絲分離機(jī)進(jìn)行處理，使鋼絲與橡膠完全分離，此時(shí)，已有超過(guò)20%的膠料成為20目以上的膠粉，然后再將其送入磁選系統(tǒng)進(jìn)行磁選，使鋼絲被選出。膠料通過(guò)膠粉篩進(jìn)行篩分后由螺旋提升機(jī)送入分料料倉(cāng)，再由螺旋輸送機(jī)送入中碎機(jī)進(jìn)行粉碎，并由膠粉篩進(jìn)行篩分，粒徑達(dá)到要求(一般為20～30目)的膠粉再一次進(jìn)行磁選和纖維分離后進(jìn)入中間料倉(cāng)，作為細(xì)碎工序的備料。粒徑未達(dá)到要求的膠粉通過(guò)螺旋提升機(jī)、分料料倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)進(jìn)入中碎機(jī)進(jìn)一步粉碎，直至其粒徑達(dá)到生產(chǎn)要求。20～30目的常溫膠粉存貯在常溫料倉(cāng)中。該流程如圖2所示。

2.2 低溫部分
    從常溫料倉(cāng)出來(lái)的20～30目的常溫膠粉通過(guò)螺旋輸送機(jī)輸送到冷凍室進(jìn)行冷凍。冷凍室由入口氣塞、出口氣塞和液氮控制系統(tǒng)組成。液氮將膠粉從常溫冷凍到玻璃化溫度，而冷凍室內(nèi)的螺旋推進(jìn)器可以推動(dòng)膠粉通過(guò)冷凍室。冷凍室由不銹鋼內(nèi)筒、電鍍外殼和中間絕緣部件組成，并安裝有橡膠涂層的傳動(dòng)輪，使裝置能有效旋轉(zhuǎn)并保持磨損最小。經(jīng)冷凍室冷凍過(guò)的膠粉再由螺旋輸送機(jī)輸送到細(xì)碎機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的粉碎。細(xì)碎機(jī)的電機(jī)功率一般為50～150kW，帶有變頻驅(qū)動(dòng)器，可以按要求粉碎出80目以上的膠粉產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)細(xì)碎機(jī)細(xì)碎的膠粉通過(guò)螺旋輸送裝置輸送到干燥系統(tǒng)進(jìn)行干燥，干燥系統(tǒng)配有熱風(fēng)爐，由風(fēng)機(jī)把加熱后的空氣送入干燥機(jī)對(duì)膠粉進(jìn)行加熱，以此來(lái)去除膠粉中的水分，防止膠粉在輸送過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)塊和堵塞現(xiàn)象。在干燥機(jī)的末端有1套分離系統(tǒng)負(fù)責(zé)不同粒度膠粉的分離，通過(guò)這套分離系統(tǒng)可以把大顆粒的膠粉分離出來(lái)送回冷凍室進(jìn)行進(jìn)一步的粉碎，分離后的合格固體膠粉進(jìn)入細(xì)粉料倉(cāng)進(jìn)行稱(chēng)重、包裝和成品入庫(kù)。該流程如圖3所示。
 

2.3 推薦的產(chǎn)品消耗定額
   如果廢舊輪胎的年處理量為20000t，那么就可年產(chǎn)精細(xì)膠粉13000t，副產(chǎn)鋼絲5000t，副產(chǎn)纖維2000t。每噸膠粉生產(chǎn)所需原材料及燃料動(dòng)力消耗為：廢舊輪胎1.54t，液氮1.45t，包裝袋20個(gè)，水2.4t，電610kW·h，天然氣12m3。
3 工藝方案的比較
    常溫橡膠粉碎工藝、全低溫深冷橡膠粉碎工藝和常溫和低溫相結(jié)合橡膠粉碎工藝的比較見(jiàn)表1[9]。

    由表1可以看出，無(wú)論是產(chǎn)品的品質(zhì)，還是生產(chǎn)成本，常溫和低溫相結(jié)合的橡膠粉碎工藝均具有較大的優(yōu)勢(shì)。
4 結(jié)論
    1) 目前LNG冷能具有多種利用方式，其中低溫橡膠粉碎法是一種較好的利用LNG冷能的方式。
    2) 雖然國(guó)內(nèi)膠粉產(chǎn)量逐年提高，但高端精細(xì)膠粉市場(chǎng)仍是空白。福建、浙江和上海等地LNG接收站的建成為利用LNG冷能進(jìn)行低溫橡膠粉碎提供了一個(gè)契機(jī)。
    3) 常溫橡膠粉碎工藝投資低，但產(chǎn)品粒度較大，產(chǎn)品不具備競(jìng)爭(zhēng)性。全低溫深冷橡膠粉碎工藝投資高、冷媒消耗量較大，提高了單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致產(chǎn)品利潤(rùn)減少。常溫和低溫相結(jié)合的橡膠粉碎工藝綜合了常溫橡膠粉碎工藝和全低溫深冷橡膠粉碎工藝的優(yōu)點(diǎn)，常溫段采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)工藝，低溫段采用國(guó)外成熟的先進(jìn)技術(shù)，降低了投資成本。
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(本文作者：呂俊1 呂志榕2 1.中海浙江寧波液化天然氣有限公司；2中海能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司)