氮气保护分级式冲击磨制备硫磺粉体

李鹏超，陈俊冬，邹鹏程，刘侹楠，陈海焱

（西南科技大学环境与资源学院；固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川绵阳621000）

硫磺是化工领域重要的生产原材料，适用于橡胶轮胎、医药、造纸、农业、化学纤维、染料、制糖和农药化工等诸多行业。随着科学技术的不断进步，粉末状硫磺在很多行业发挥了很重要的作用，是不可或缺的基础材料[1-2]。硫磺粉在橡胶制品中起硫化交联作用，赋予橡胶使用基本物性[3]。硫磺粉能调节土壤pH值（主要是碱性土壤），影响植物对铁等营养元素的吸收能力[4]。目前，国内外生产制造硫磺粉大都采用机械破碎的方法[5]，硫磺颗粒在这个过程中会带上电荷，粉体堆积了大量的静电，加之硫磺易燃易爆特殊的化学性质，导致了生产和使用过程中存在很大的燃烧爆炸危险[6-8]。南京理工大学自主研发了用于粉碎易燃易爆材料的液固式LS型超细粉碎机[9]，但是该粉碎机不适用硫磺粉的干法粉碎；张方强[10]采用广义磨粉碎硫磺粉，在系统中使用保护气体发生器和阻燃装置，该装置并没有根本解决硫磺粉的燃烧爆炸危害。付瑜等[11]在分级式冲击磨制备硫磺粉的过程中，对系统进行加湿设计来防止静电积聚，但是加湿之后硫磺粉流动性会变差，导致系统堵塞。

虽然已有阻燃、防爆的设备与技术，但是现阶段已不再适合超细粉碎加工易燃、易爆的材料[12-13]。为了满足国家对化工行业安全生产的要求，对系统采用氮气保护，能够解决硫磺粉体粉碎加工过程中的燃爆危害。在氮气保护系统中，确定氧含量值是最重要的，通常情况下，低于极限氧含量值3～5个百分点作为上限，低于1～2个百分点作为上上限，对于硫磺粉，氧含量上限可控制为5%～6%，上上限为8%[14]。本文中采用氮气保护分级式冲击磨为实验装置，对制备硫磺粉的工艺进行了研究，并在系统运行过程中测试了相关数据并进行了分析。

1 设备与工艺

实验设备为绵阳流能粉体设备有限公司生产的LNI-330A型氮气保护分级式冲击磨系统，该系统主要包括氧含量分析仪、制取氮气系统（压缩空气净化组件、空气储罐、氮氧分离装置、氮气缓冲罐）、加料系统（料仓、星型卸料器）、粉碎主机（传动电机功率55 kW）、分级机（传动电机功率11 kW）、脉冲喷吹袋式除尘器、高压引风机（传动电机功率30 kW，最大风量4 900 m3/h）、冷却系统及可编程逻辑控制器（PLC）控制柜。该系统为闭式粉碎系统，气路系统设氧含量分析仪，能自动实时在线监测氧气含量，并在超过警戒值的时候自动补充氮气。工艺流程主要有制氮、粉碎、分级、收集4大部分，系统示意图如图1所示。

图1 氮气保护分级式冲击磨设备与工艺流程图Fig.1 Schematic diagram of nitrogen protection classify-im pact mill system

首先，开启氧含量分析仪进行预热，达到工作温度700℃；同时开启制备氮气系统，制取氮气达到工作压力0.8 MPa。开机时先在系统中持续充入氮气，直至全系统的氧含量达到氧含量分析仪设定的值（质量为数为8%以下）；然后开启加料系统，将粒径为3～5 mm的硫磺原料（中石化广元天然气净化有限公司）均匀加入粉碎腔。粉碎腔内一般用锤头、叶片、棒体等几种冲击件，然后通过高速旋转与物料发生猛烈撞击，同时颗粒之间也会发生相互挤压、摩擦、碰撞。此外在冲击件与衬板之间的间隙处，颗粒也会受到撞击、摩擦，从而实现对物料的粉碎。本实验中采用锤头对硫磺颗粒进行冲击粉碎。粉碎后的硫磺颗粒随着气流进入分级机的分级腔，形成自由涡形的气流，分级腔内有一个垂直放置的分级轮转子，通过分级轮转子的旋转，产生一个旋转气流场，使携带着硫磺颗粒的气体沿分级机转子边缘进入分级轮，呈螺旋状向涡轮中心运动。粗的颗粒由于其所受的离心力大于气流曳力而被甩出分级轮，返回至粉碎腔继续粉碎，符合粒径要求的颗粒随气流被吸入转子中心，进入脉冲喷吹袋式除尘器，完成对产品的收集。整个系统采用上位机、PLC等一系列自动化硬件设施及软件程序，实现了对系统的实时监控与自动化控制。

2 结果与分析

2.1 系统氧含量与压力分布

在氮气保护闭式系统中，系统氧含量和压力是两大重要的运行参数。氧含量的高低反应了氮气保护的好坏程度，系统主要部位压力则反应了整个系统运行的状态。这2个重要参数也有优先顺序级，系统必须满足氧含量达到技术要求时，才可以启动系统设备或者调节系统压力。该系统氧含量和主要部位压力的变化分别如图2、3所示。

图2 系统氧含量变化图Fig.2 Diagram of oxygen content variation of the system

图3 系统主要部位压力测点变化图Fig.3 Diagram of pressure variation of main parts of system

由图2可知，在系统运行过程中，氧含量质量分数稳定在2%左右。系统氧含量是通过减压阀调节的，控制系统氧含量的减压阀有2个，分别是补气阀2和排气阀2，它们同时开启或同时关闭。系统设定了氧含量上限值和下限值，当氧含量分析仪显示的当前值大于上限设定值时，2个阀门同时开启，氧含量当前值等于下限设定值时，2个阀门同时关闭。这里有个设定，当前值低于下限设定值时，2个阀门不会开启。

由图3可知，刚开始时，除尘器出口压力为-1 kPa，之后稳定在-1.1 kPa左右；主机压力为2.3 kPa，之后稳定在3.1 kPa左右；表冷器出口压力为14 kPa，之后稳定在12.8 kPa左右。在设备运行期间，系统各压力比较正常，基本保持平衡。系统压力也是由减压阀调节的，控制系统压力的减压阀也有2个，分别是补气阀1和排气阀1。2个阀门分别都设有上限值和下限值。值得注意的是，补气阀1的上限值与排气阀1的下限值相同，可认为系统压力阈值的中间值；补气阀1和排气阀1开启时的逻辑关系是有且只有一个开启，是互逆关系。

按照LNI-330A型氮气保护分级式冲击磨的操作流程加工硫磺粉，对该系统进行测试，整个系统在稳定运行时，系统压力从负压1.1 kPa至正压12.8 kPa，在此压力分布内，系统氧含量可以稳定在2%左右。具体运行参数如表1所示。

表1 氮气保护分级式冲击磨系统运行参数Tab.1 Operating parameters of nitrogen protection classify-impact mill system

表2 不同分级机转速下硫磺成品产量和粒径Tab.2 Yield and particle size of sulfur products at different classifier speed

2.2 成品产量与粒径分析

在保持粉碎主机和高压引风机转速不变的条件下，通过调节分级机转速来控制粉碎后的硫磺粉的产量、粒径，对于制备出的硫磺粉，采用贝克曼LS13-320激光粒径分析仪（美国贝克曼库尔特有限公司）进行分析测试。根据化工行业标准橡胶用不溶性硫磺技术指标的规定[15]，150 μm筛余物质量分数≤1%；袁福生等[16]的研究也表明，150 μm以上的硫磺会影响其在土壤中的氧化。用150 μm筛子筛分制备的硫磺成品，称量150 μm筛余物的质量。具体结果如表2所示。

由表2可知，在粉碎主机转速一定条件下，分级机转速从150 r/min增加到450 r/min，硫磺粉成品粒径d90从96.09 μm减小到72.17 μm，产量由1 500 kg/h减小到1 375 kg/h，减小了8.3%，150 μm筛余物质量分数由1.3%减小到0.74%；当分级机转速增大到1 200 r/min时，硫磺粉成品粒径d90减小至39.56 μm，产量减小了50%，150 μm筛余物质量分数几乎为0。出现这种情况是由于增大分级机的转速，分级轮转子的切割粒径变小，分级轮对硫磺颗粒的强制作用力变大，使颗粒获得更大的离心速度，且很容易在边缘沉降，较粗粒径穿过分级机的概率变小，因此增大分级机的转速，获得的硫磺粉成品粒径减小，150 μm筛余物质量分数随之减小，但是获得的硫磺粉成品产量也随之减小。硫磺粉在橡胶制品中起硫化交联作用，可以增强橡胶的物性（增强或者变柔软），有的橡胶原料很贵，但是其产品物价却很便宜，这时就需要大量的硫磺粉助剂来减少成本[17]。综合考虑硫磺粉成品产量和150 μm筛余物量，最优的分级机转速为450 r/min，产量为1375 kg/h，150 μm筛余物质量分数为0.74%。

2.3 能耗分析

粉碎硫磺的过程中，根据粉碎主机、引风机和分级机运行时的电流可折算生产每吨硫磺粉体的电耗和成本（成本不包含原料费、人工费和设备折旧费，用电价格按工业用电每千瓦时为0.8元）。制氮系统是由空气压缩机（功率30 kW）、冷冻式空气干燥机（1.1 kW）和制氮机（0.1 kW）组成，系统稳定运行时，氧含量稳定在安全值以内，氮气消耗功率在15.6 kW以下，不计入粉碎能耗。具体结果如表3所示。

由表3可知，生产每吨d90为39.56 μm的硫磺粉体的电耗为83.601 kW·h/t，是生产d90为96.09 μm的硫磺粉的2.1倍。结合表2中的成品粒径，粒径的减小导致了单位电耗和生产成本不断增加，而粒径太小使用效果却不是最佳的。林葆等[18]研究表明，硫磺经粉碎后与土壤混合会被土壤微生物氧化成SO42-，硫磺颗粒越小，其比表面积越大，硫氧化率越高，75～150 μm之间，硫磺粉在0～4 000 mg/kg时氧化率与粒径呈直线关系；95%的75 μm硫磺粉与5%的黏结剂和分散剂黏结成颗粒状硫磺，施于土壤中，刚开始硫氧化平缓，但随时间的推移氧化速率逐渐提高，作物在整个生长季都可以保持对硫的吸收，而且还不容易流失。综合考虑硫磺成品粒径和能耗，最优的分级机转速也为450 r/min，其成品粒径d90为72.17 μm，单位电耗为43.079 kW·h/t。

表3 氮气保护分级式冲击磨粉碎硫磺粉的能耗Tab.3 Energy consum ption of nitrogen protection classify-im pact mill to grand sulfur powder

3 结论

1）按照LNI-330A型氮气保护分级式冲击磨的操作流程粉碎硫磺粉，对该系统进行测试，整个系统在运行时，除尘器出口压力稳定在-1.1 kPa左右，主机压力稳定在3.1 kPa左右，表冷器出口压力稳定在12.8 kPa左右。系统压力从负压1.1 kPa至正压12.8 kPa，在此压力分布内，系统氧含量可以稳定在2%左右。系统在2个补气阀和2个排气阀的调节与控制下，可以保持运行稳定。

2）采用氮气保护分级式冲击磨，调节分级机的转速为150～1 200 r/min，生产出的硫磺粉体成品产量为750～1 500 kg/h，粒径d50在15～25 μm，单位电耗小于83.601 kW·h/t，转速在450 r/min以上时，达到橡胶用不溶性硫磺技术指标，即150 μm筛余物质量分数≤1%。

3）综合考虑硫磺粉成品产量、150 μm筛余物量、粒径和能耗，得到LNI-330A型氮气保护分级式冲击磨制备硫磺粉体的最优分级机转速为450 r/min，其成品产量为1 375 kg/h，150 μm筛余物质量分数为0.74%，粒径d50为24.50 μm，单位电耗为43.079 kW·h/t。

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