常溫和低溫相結合的橡膠粉碎工藝

摘 要

摘要：盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產品粒度小、表面光滑且均勻、產品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設備投資大、冷媒消耗量高、生產成本及運行成本也大大增加，導致其產品
摘要：盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產品粒度小、表面光滑且均勻、產品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設備投資大、冷媒消耗量高、生產成本及運行成本也大大增加，導致其產品價格失去市場競爭優勢。為此，通過對比研究，提出了常溫-低溫結合橡膠粉碎工藝，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，后段采用低溫法進一步粉碎粗膠粉。該工藝產品的質量完全可以達到全低溫深冷橡膠粉碎工藝產品質量的水平，但投資成本卻大大降低，且較低的冷媒(液氮)消耗量也降低了產品成本，是一種經濟合理、成熟先進的橡膠粉碎工藝。
關鍵詞：LNG冷能利用；橡膠粉碎；低溫；液氮深冷；兩段法；設備投資；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時的1/600，這一特性為天然氣高效輸送提供了新的途徑，也擴大了天然氣的應用領域[1～5]。LNG在利用之前，需要海水或者空氣等介質通過熱交換把它氣化為常溫氣體，在此過程中，會釋放大量的冷能。1t LNG氣化時放出的冷量大約860MJ，折合電量約為240kW·h，這些冷能若不加以利用將會造成巨大的浪費。國家發改委能源局明確要求相關單位在利用清潔高效天然氣的同時，認真研究LNG冷能的綜合利用，以提高LNG的使用效率，推動能源資源的循環利用。其中利用LNG冷能進行低溫橡膠粉碎就是一項較好的冷能利用項目。
   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，通過機械粉碎的方式將其制成精細膠粉。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LNG冷能利用方式的不同，該方法可以分為LNG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氮在低溫下粉碎一些在常溫下難以粉碎的物質，與常溫粉碎工藝相比，它能把物質粉碎成極小的微粒[6]。而直接利用LNG冷能的低溫橡膠粉碎工藝目前技術尚不成熟，還沒有工業化利用。以液氮為冷媒的深冷粉碎技術在國外已有50年的歷史，技術已經十分成熟。而在實際生產中，由于傳統的低溫粉碎工藝成本太高，國內的低溫粉碎企業幾乎全部停產或轉產，造成了120目以上的膠粉無法直接生產。而目前國外的膠粉應用情況卻表明，膠粉越細其應用范圍越廣、替代率越高，其制品的附加值越高、質量越優。以輪胎生產為例，80～120目的膠粉添加量為5%～15%，如果用200目的膠粉，添加量可以達到20%，甚至更高。
1 傳統的橡膠粉碎工藝
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機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，采用破碎機和切搓機等設備通過機械剪切力的作用對橡膠進行擠壓、碾磨、剪切和撕拉，從而將其切斷和壓碎，生產出粒徑為20～100目的膠粉。
    該方法盡管可以生產出粒徑為20～100目的膠粉，但粒徑超過80目的膠粉產出率很低，此時，生產成本將大大增加。另外，常溫粉碎法生產粒徑大于80目的膠粉時，橡膠分子的物理性能就會在粉碎過程中因熱力作用而遭到破壞，從而影響膠粉的應用性能。總的來說，常溫橡膠粉碎工藝生產的膠粉目數較低，只能作橡膠地板、橡膠鞋底、膠帶和膠管等低附加值產品的回摻料，應用具有很大的局限性。
目前國內常溫橡膠粉碎工藝一般是在敞開的環境下對廢舊輪胎進行粉碎，粉塵污染問題較為嚴重，需要采取除塵措施，設備產生的噪音經處理后可達標。
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其進行粉碎。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、黏合劑和軍工產品等。
    全低溫深冷橡膠粉碎工藝生產精細膠粉現在已有成熟的設備及工藝，德國INTEC公司、加拿大RTI公司和美國Supercool公司生產線設備的綜合水平都已達到世界先進水平，其生產線整胎粉碎過程由整胎投入、粉碎、冷卻研磨、鋼絲和纖維分離等環節組成。
    盡管全低溫深冷橡膠粉碎工藝的產品粒度小、表面光滑且均勻、產品性能很好，但較之常溫橡膠粉碎工藝其設備投資大，冷媒消耗高，生產成本及運行成本也大大增加，導致其產品價格失去競爭優勢。
2 常溫和低溫相結合的橡膠粉碎工藝
    常溫和低溫相結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勢，克服了全低溫深冷橡膠粉碎工藝設備投資大、生產及運行成本高的缺點，產品成本相對較低、性能穩定、粒度小、表面光滑且均勻，適合高附加值的產品應用要求。
2.1 常溫部分
    首先采用胎圈分離機將輪胎胎口圈鋼絲束完整干凈地分離，再采用輪胎破膠機把輪胎分解成粒徑為50mm的膠塊，然后由皮帶輸送機把膠塊送入輪胎破碎機組進行破碎，破碎機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。輥筒粉碎機對處理過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。破碎后的膠塊通過輥輪篩選機進行篩選，粒徑大于10mm的膠塊由返料皮帶送回破碎機組再次破碎直至達到要求，粒徑小于10mm的小膠塊由斗式提升機送入鋼絲分離機進行處理，使鋼絲與橡膠完全分離，此時，已有超過20%的膠料成為20目以上的膠粉，然后再將其送入磁選系統進行磁選，使鋼絲被選出。膠料通過膠粉篩進行篩分后由螺旋提升機送入分料料倉，再由螺旋輸送機送入中碎機進行粉碎，并由膠粉篩進行篩分，粒徑達到要求(一般為20～30目)的膠粉再一次進行磁選和纖維分離后進入中間料倉，作為細碎工序的備料。粒徑未達到要求的膠粉通過螺旋提升機、分料料倉和螺旋輸送機進入中碎機進一步粉碎，直至其粒徑達到生產要求。20～30目的常溫膠粉存貯在常溫料倉中。該流程如圖2所示。

2.2 低溫部分
    從常溫料倉出來的20～30目的常溫膠粉通過螺旋輸送機輸送到冷凍室進行冷凍。冷凍室由入口氣塞、出口氣塞和液氮控制系統組成。液氮將膠粉從常溫冷凍到玻璃化溫度，而冷凍室內的螺旋推進器可以推動膠粉通過冷凍室。冷凍室由不銹鋼內筒、電鍍外殼和中間絕緣部件組成，并安裝有橡膠涂層的傳動輪，使裝置能有效旋轉并保持磨損最小。經冷凍室冷凍過的膠粉再由螺旋輸送機輸送到細碎機進行進一步的粉碎。細碎機的電機功率一般為50～150kW，帶有變頻驅動器，可以按要求粉碎出80目以上的膠粉產品。經過細碎機細碎的膠粉通過螺旋輸送裝置輸送到干燥系統進行干燥，干燥系統配有熱風爐，由風機把加熱后的空氣送入干燥機對膠粉進行加熱，以此來去除膠粉中的水分，防止膠粉在輸送過程中出現結塊和堵塞現象。在干燥機的末端有1套分離系統負責不同粒度膠粉的分離，通過這套分離系統可以把大顆粒的膠粉分離出來送回冷凍室進行進一步的粉碎，分離后的合格固體膠粉進入細粉料倉進行稱重、包裝和成品入庫。該流程如圖3所示。
 

2.3 推薦的產品消耗定額
   如果廢舊輪胎的年處理量為20000t，那么就可年產精細膠粉13000t，副產鋼絲5000t，副產纖維2000t。每噸膠粉生產所需原材料及燃料動力消耗為：廢舊輪胎1.54t，液氮1.45t，包裝袋20個，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合橡膠粉碎工藝的比較見表1[9]。

    由表1可以看出，無論是產品的品質，還是生產成本，常溫和低溫相結合的橡膠粉碎工藝均具有較大的優勢。
4 結論
    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) 雖然國內膠粉產量逐年提高，但高端精細膠粉市場仍是空白。福建、浙江和上海等地LNG接收站的建成為利用LNG冷能進行低溫橡膠粉碎提供了一個契機。
    3) 常溫橡膠粉碎工藝投資低，但產品粒度較大，產品不具備競爭性。全低溫深冷橡膠粉碎工藝投資高、冷媒消耗量較大，提高了單位產品的生產成本，導致產品利潤減少。常溫和低溫相結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點，常溫段采用國內先進工藝，低溫段采用國外成熟的先進技術，降低了投資成本。
參考文獻
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[9] 聚合制品試驗工廠.從以天然或合成橡膠為基料的橡膠制取粉末的方法：中國，88100680[P].1988-09-07.
 
(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中海能源發展股份有限公司采油服務分公司)