炭黑具有优良的补强作用，广泛用于轮胎等橡胶制品。由于炭黑粒径极小且易于飞扬，因此通常采用封闭式气力投料系统，可有效防止炭黑外溢造成污染。气力投料系统对炭黑粒子破碎、管道残余量有严格的要求，原因是炭黑中细粉含量直接影响胶料的力学性能，同时影响炭黑的流动性，延长炭黑投料时间，粉尘量增加还会造成实际进入密炼机炭黑量减少，影响炼胶质量和效率。本文中将讨论供料装置、空气流量控制元件、投料管道、分离过滤设备等主要部件在橡胶厂炭黑气力投料装置中的选用和设计注意事项。

1压送罐及其控制元件的选择

1.1压送罐的选择和布置形式

压送罐的布置形式有单发送罐形式、并联式和串联式。布置要求有足够的安装空间，对于炭黑投料，为了减少炭黑破碎率，应采用大容积发送罐，一般采用并联布置。最好将压送罐容积设计成与对应炭黑包装用太空包的体积相等，以提高投料效率。

压送罐设计压力一般不小于0.45MPa，最好设计为0.60MPa。压送罐属于压力容器，必须按相关国家标准进行设计、加工、检验。压送罐顶部需要安装安全阀，安全阀排气能力按国家标准GB150.1--2011《压力容器第1部分：通用要求》附录B的B.8条款中泄放装置的泄放面积计算。安全阀大小与压送罐容积、投料清扫空气流量(简称气量)、进气管尺寸有关。不同投料管径的投料系统的安全阀规格应不同。表1所示为安全阀泄放压力(绝对压力)为0.643MPa时压送罐不同进气总管需配置的安全阀规格。建议按表中所列的参数对安全阀规格进行选择。

1.2压缩空气流量控制装置

气力投料依靠压缩空气，压缩空气流量的大小影响气力投料的投料能力、投料状态、投料能耗等关键指标。合理的投料气量可以减小投料管道内空气速度(简称气速)，可以缓解管道的磨损，降低投料物料颗粒的破碎率，减小压力损失及能耗等。在设计炭黑气力投料系统时，对于气量的控制尤为重要，特别是对于减少炭黑颗粒的破碎率具有重要意义。目前炭黑的投料通常采用密相投料，这种投料方式可以达到较大的料气比，但是对于同一系统，一种物料在一定的投料条件下，所能达到的最大料气比是受限的，如果料气比过大，会出现堵管现象。设计时需要根据供料器的能力，同时根据投料管道内的压力变化来确定压缩空气的供应量，这样才能达到在不发生堵管的情况下取得最高投料料气比的效果。

橡胶厂炭黑气力输送机投料几何距离一般为30~200m，一套投料系统可以投料多品种炭黑，并且能提供多套上辅机系统炭黑用量，满足不同投料距离。根据不同的物料和不同的投料距离，采用不同的投料空气流量非常重要。目前空气流量控制方式有以下几种：1)手动减压阀与固定Laval管组合方式。空气流量不可自动调节，一旦调试完成，空气流量不变，对于短距离，一套上辅机系统(投料距离变化不大)比较经济。2)比例阀与固定Laval管组合方式。空气流量在一定范围内可控，通过自动改变比例阀设定压力来改变Laval管入口压力，从而调节流量。根据投料阻力和Laval管临界流对压力的要求，比例阀设定压力一般不能小于0.25MPa，一般为0.25~0.35MPa，太大的压力会影响铝合金内衬橡胶管的使用寿命。投料管道阻力最好小于0.20MPa，一般为0.10~0.15MPa，特别对不同目标罐投料距离相差超过100m以上的系统，将不同炭黑、不同目标罐的气速控制在合理范围非常困难。3)减压阀与自动可调式Laval管气量自动控制系统。该投料方式是目前国际知名气力投料设备公司普遍采用的一种气量控制方式，多数属于专利产品，其气量控制范围宽，尤其适合不同的物料和不同的投料距离，气量控制稳定、准确。4)减压阀和流量调节阀组合方式。目前德国Zeppelin公司推出一种由1个减压阀、2个流量调节阀自动控制压送罐和辅管空气流量的投料方式，辅管空气流量约占总投料气量的50%，投料距离小于100m，投料管末端空气流速小于7.5m/s。投料主辅管压力采用一个减压阀控制，需要使用大规格减压阀，比如投料管直径为225mm，气源总管内径为100mm，减压阀口径为100mm。不管采用何种控制方式，减压阀、比例阀、空气过滤器一般是必不可少的，它们的选择对气力投料系统性能的影响非常重要。

1.2.1减压阀、比例阀的选择

减压阀的作用是控制气压的变化，以达到系统投料所需要的压力。通过正确地选择减压阀，可以在较小的气源压力下，保证整个系统所需的气体流量，避免气源压力减小发生管道堵塞的情况，确保在管道清扫时不会出现残余物料，同时也减少了能源的消耗(气源压力从0.7MPa减小为0.6MPa，可以节能12%左右)。多数炭黑气力投料系统要求气源压力大于0.6MPa，储气罐压力不小于0.55MPa。根据经验，当储气罐压力小于0.55MPa时，发生管道堵塞的概率明显增大。原因就是减压阀、过滤器、空气管路配置存在问题，气源系统提供不了投料过程所需要的气量，出现了管道堵塞、清扫不干净的现象。

减压阀的压力特性曲线如图1”所示。设SMC(广州)气动元件有限公司的VEX193-20型比例阀的泄流口为R，进口P的压力为1.0MPa，出口A的压力为0.1~0.9MPa，对应的空气流量特性曲线如图2[2]所示。可以依据减压阀压力、流量特性和使用工况来选择减压阀的型号。目前大规格空气减压阀分为直动式和先导式。直动式减压阀又分为非平衡和平衡式2种，其中非平衡式减压阀结构简单，价格低廉，但是其压力特性不好，一般不能用于气力投料系统。由图1可知，平衡式减压阀压力特性非常好，在不同的输入压力时，出口压力非常平稳。

必须注意的是，相同进、出口尺寸的不同品牌减压阀的流量特性不同，比如口径为50mm的SMC(广州汽动元件有限公司的AR925型减压阀不仅与VEX193-20型比例阀最大允许流量相差比较大，而且与英国诺冠品牌的相同口径减压阀流量也不同，因此需要根据投料空气流量和清扫流量根据特性曲线选择。减压阀入口压力一定时，流量会随着设定出口压力的变化而变化。由图2可知，减压阀设定压力越大，流量越大。比如VEX193-20型比例阀，口径为50mm，当设定出口压力为0.2MPa时，最大体积流量为30000L/min，当压力设定增大为0.3MPa时，最大体积流量达到38000L/min，即质量流量为0.76kg/s。减压阀在不同压力时的质量流量可用公式[3]进行计算。

如果主管和辅管分别采用一个该规格比例阀，投料管道内径为250mm，控制末端气速为12m/s，则投料气体体积流量为2120m/h。对于该上料系统，若采用2个比例阀，可提供气体质量流量为0.56kg/s，即体积流量为1680m/h，无法满足要求。如果投料距离大，末端气速大于12m/s，或者调试过程中减小比例阀出口压力，气源压力在投料过程中小于0.45MPa(有些用户在投料过程中气源最小压力达到0.3MPa)等，投料气量更无法满足。建议对于该投料系统，采用口径为65mm的减压阀或比例阀，或者在清扫气路增加1个减压阀。

1.2.2Laval管喉径的选择

在气量控制中，Laval管起核心作用，而可调式Laval管对整个气力投料系统的控制有至关重要的影响。当Laval管的进口压力稳定时，可以通过改变调节杆的位移调节流量来实现气量控制。控制调节杆和Laval管的喉径部位，形成了可调Laval管的环状流通区域，在管道的最小截面处达到音速。由流体力学连续性方程可知，通过喉径处的流量与任何截面处的相等，因此管道内的流量不再发生变化，实现了Laval管流量控制。对于炭黑气力配料系统，选用可调式Laval管时，其喉径应根据所投料炭黑的牌号来确定，一般根据所需气量较大的炭黑来设计，如牌号为N660炭黑和大颗粒白炭黑。

2投料管道

炭黑气力投料管道一般采用外旁通管道方式进行投料，简称双管投料。投料管道有单辅管和双辅管2种投料形式。单辅管上气量助推阀采用串联布置，而双辅管助推阀采用并联布置，助推阀并联布置更有利于管道疏通，原因是它可以根据投料管上的压力传感器判断堵塞位置，单独在堵塞位置补气进行疏通，而单辅管在发生堵塞时需要在堵塞位置与压送罐之间全部补气，对于堵塞严重的情况可能会压实物料，使物料无法疏通。投料主管有铝合金内衬橡胶管，优点是不存在炭黑粘附，管道残余量小，但是橡胶内衬老化，因此容易破裂，而且价格较高。炭黑粒子的结构吸油值和比表面积对炭黑与设备和管道表面粘附影响很大，数值越小，粘附性越强。例如炭黑牌号为N772、N774，采用金属管道很容易出现管道粘附、堵塞。

旁通管外置式投料管道的结构，当炭黑投料管道有堵塞的迹象时，旁通进气管中的压缩空气经过旁通进气管进入投料管道，炭黑被气流切割成短料栓，从而实现正常投料。被投料炭黑的物性和投料距离与旁通管上2个进气管之间的距离有关，在旁通进气管中设置过滤喷嘴和单向阀，以防止旁通管中气流停止时炭黑回流到管中导致的旁通管失效。

根据对德国Zeppelin公司炭黑气力投料系统的分析，投料管道主管内径为225mm，辅管内径为100mm，辅管与主管横截面积比为5：1，投料主管和辅管在投料过程中进入的气量分别占总投料气量(主管气量和辅管气量之和)的50%。美国Cyclonaire公司在辽宁省某公司的投料系统中，投料管内径为150mm，辅管内径为50mm，辅管与主管横截面积比为9：1。辅管气量最大可达总投料气量的70%，在投料过程中压送罐顶部没有补气。日本安满能公司在广东省某公司的投料系统中，投料管内径为250mm，辅管内径为80mm，两者横截面积比为9.8：1。以上投料系统采用的投料管道、辅管横截面积比与管道内空气速度、面积有关，空气速度又反映投料状态。以上3种情况与国内一些研究关于主辅管直径比为4：1(横截面积比为16：1)的结果有很大差异，原因可能是这些研究主要针对粉煤灰投料。由于粉煤灰的流态化和存气性能非常好，因此辅管补气量小。对于炭黑投料，考虑到气量控制严格，末端气速必须控制在合理范围内，辅管在投料过程中的作用非常大，主要通过辅管助推使炭黑以短的栓流向前投料，不允许出现长的料栓，因此要求压送罐开泵压力小于0.3MPa，投料过程中压送罐顶部气量和下料速度均不应太大。

根据总投料和清扫气量，按辅管气量约占总气量的50%设计辅管直径，辅管压力比主管压力大0.05~0.1MPa，控制辅管内气速小于10~15m/s，在清扫时最大允许达到20m/s。建议炭黑投料助推距离为0.5~1.5m，采用接丝尺寸为6.35mm过滤喷嘴和单向阀组成的助推装置，投料管内径小于等于125mm时，助推距离可以确定为1.0m，内径为150mm的投料管助推距离为0.75m，内径为175mm的投料管助推距离最好为0.5m。投料管内径越大，需要的辅管补气量越大。减小助推距离可以增大补气量，也可以增大助推阀规格，比如采用接丝尺寸为0.95mm的喷嘴和单向阀，或者采用其他大流量防污单向阀，可以适当增加助推距离，但是最大不应超过1.5m。

随着高分子科学领域的不断发展，投料管道的材料也有了新的突破。现在国内外多家企业在生产投料管道时，应用了新型高分子材料一-超高分子聚乙烯。超高分子聚乙烯内部分子的特殊排列使其具有独特的性能，摩擦系数接近金属材料的1/6，可以防止物料粘附，尤其是针对炭黑的投料，能很大程度地减少颗粒的破碎率和磨碎率，而且投料阻力小。

3目标罐和除尘设备

炭黑气力投料分离过滤配料设备主要采用脉冲布袋除尘器，选用高质量的脉冲阀和脉冲控制装置非常重要。对于户外安装还需要考虑防冻脉冲阀。一旦除尘器清灰装置失灵，投料压力一般为0.25~0.35MPa，进人目标罐内的气体无法排出，会导