齒輪泵在炭黑生產中輸送BS溶液的應用效果分析

郝之勇，張勇

(山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司，山東 薛城 277000)

0 前言

炭黑生產過程中，為方便炭黑運輸和儲存，需將粉末炭黑制成粒子炭黑。BS就是粉末炭黑制粒過程需要添加的重要原料，BS溶液輸送的穩定性直接影響制粒效果和產品質量。

某炭黑生產企業原用螺桿泵輸送BS溶液。但由于BS溶液雜質較多，黏度較高，回流較大，螺桿泵在使用過程易產生氣穴和噪聲。而液體溫度升高甚至有可能導致螺桿泵泵變形損壞。

2018年初，某炭黑生產企業將螺桿泵更換為了齒輪泵。自使用齒輪泵以來，泵的出口壓力非常穩定，沒有發生異響、振動或機封泄露的現象，提高了炭黑造粒工段的穩定性，而且還節省了80%的用電。本文通過實踐應用，對炭黑生產中使用齒輪泵輸送BS溶液，使炭黑制粒控制穩定，運行過程中故障率低、壓力波動小、節能等方面進行分析。

1 BS溶液的性質指標

BS溶液，也叫木質素溶液，是由三種醇單體（對香豆醇、松柏醇、芥子醇）形成的一種復雜酚類聚合物，是一種非危險化學品，主要成份為木質素磺酸鈉。它是一種棕褐色黏性液體，無特殊異味，無毒，表面無雜質，易溶于水和堿液，長期密封儲存時性質穩定不分解，利用槽罐車或噸桶包裝運輸。溶流木質素的性質指標如表1所示。

炭黑生產制造中作為黏結劑使用的木質素溶液，是在通用木質素磺酸鈉的基礎上經過特殊工藝精制而成。

2 齒輪泵的工作原理

齒輪泵，也叫正排量裝置，它是由兩個尺寸相同的齒輪在一個緊密配合的殼體內相互嚙合旋轉，這個殼體的內部類似“8”字形，齒輪的外徑及兩側與殼體緊密配合。液體物料從吸入口進入兩個齒輪中間，并充滿這一空間，隨著齒的旋轉沿殼體運動，最后在兩齒嚙合時排出。

2.1 齒輪泵工作原理

齒輪泵的結構主要是由泵蓋和泵體，以及泵體內裝有一對齒數相同、寬度和泵體接近而又互相嚙合的齒輪組成。這對齒輪與兩端蓋和泵體形成一密封腔，并由齒輪的齒頂和嚙合線把密封腔劃分為兩部分，即吸油腔和壓油腔。兩齒輪分別用鍵固定在由滾針軸承支承的主動軸和從動軸上，主動軸由電動機帶動旋轉。

齒輪泵的結構見圖1所示，當齒輪泵的主動齒輪由電動機帶動不斷旋轉時，齒輪泵吸入腔齒輪脫開嚙合，齒輪的輪齒退出齒間，使密封容積增大，形成局部真空，油箱中的液體物料在外界大氣壓的作用下，經吸入管路、吸入腔進入齒間。隨著齒輪的旋轉，吸入齒間的液體物料被帶到另一側，進入壓出腔。這時輪齒進入嚙合，使密封容積逐漸減小，齒輪間部分的液體物料被擠出，形成了齒輪泵的泵出過程，這就是齒輪泵的工作原理。為了保證齒輪靈活轉動，同時又要保證泄露量最小，在齒輪端面和泵蓋之間應有適當間隙（軸向間隙），對小流量泵軸向間隙為0.025～0.04 mm，大流量泵為0.04～0.06 mm。齒頂和泵體內表面間的間隙（徑向間隙），由于密封帶長，同時齒頂線速度形成的剪切流動又和液體物料泄露方向相反，故對泄露的影響較小。這里要考慮的問題是：當齒輪受到不平衡的徑向力后，應避免齒頂和泵體內壁相碰，所以徑向間隙就可稍大，一般取0.13～0.16 mm。

2.2 齒輪泵的工作特點

（1）優點:結構簡單緊湊、體積小、質量輕、工藝性好、價格便宜、自吸力強、對油液污染不敏感、轉速范圍大、能耐沖擊性負載，維護方便、工作可靠。

（2）缺點:徑向力不平衡、流動脈動大、噪聲大、效率低，零件的互換性差，磨損后不易修復，不能做變量泵用。

3 BS溶液配比及泵送工藝流程

3.1 BS溶液配比

BS溶液配制參數設定見表2。

表2 BS溶液配制參數設定表

（1）外購液體木質素（原液）利用槽罐車運輸到達卸車位，通過液體木質素卸料泵（P-108D）將液體木質素卸到木質素原液罐（T-403）中儲存待用。

（2）根據炭黑生產造粒工藝要求，需要利用木質素原液罐（T-403）的木質素原液和水進行調配，配制成適合生產不同炭黑牌號需要的木質素溶液，再將配制好的木質素溶液泵送到造粒機中，與粉狀炭黑混合，從而實現炭黑造粒過程。從木質素原液罐(T-403)到木質素溶液罐（T-404、T-405）實施布置。

（3）打開木質素配制原液輸送泵（P-403A/B,一用一備，下同）前后閥門，關閉排液管及排氣閥門。

（4）在現場啟動木質素配制原液輸送泵（P-403A/B），先用于木質素原液罐(T-403)進行循環操作。

（5）把各個設備的設定值按照以下數值進行設定，從手動模式轉換到自動模式后，用木質素溶液罐（T-404、T-405）進行操作，把水和木質素原液進行混合。

（6）在自動模式下流量穩定的話，按以上數值設定水和木質素原液的比例后，從自動模式轉換至級聯模式。

（7）啟動木質素溶液罐攪拌器（A-404、A-405）,開啟攪拌。

3.2 BS溶液泵送（齒輪泵，P-404A/B，P-405A/B）

3.2.1 運行前巡檢

（1）啟動前確認BS溶液輸送泵（P-404A/B，P-405A/B，一用一備，下同）進口閥門是否打開，并確認木質素溶液罐（T-404、T-405）底部排污閥是否關閉。

（2）關閉向炭黑制造生產線方向的泵頭出口閥門。

（3）通過DCS控制系統對壓力控制閥（PIC-4043）進行控制，確保其在手動模式下保持50%左右的開度。

3.2.2 啟動

（1）按照作業順序啟動動BS溶液輸送泵（P-404A/B，P-405A/B）。

（2）壓力控制器PIC-4043在壓力穩定后，可以將其操作模式轉換至自動模式。

（3）打開流向炭黑制造生產線方向的泵頭閥門，將BS溶液輸送至不同炭黑制造生產線的造粒機中，BS溶液與同時進入造粒機的粉狀炭黑混合，實現對炭黑粉塵的造粒成型。

（4）為了保證對粉狀炭黑的造粒成型效果，需要保證BS溶液進入造粒機時的流量、壓力等參數的穩定。

3.2.3 停止

停止與造粒機的同時操作。

BS溶液配比及泵送工藝流程見圖2。

圖2 BS溶液配比及泵送工藝流程

P:108D-液體木質素卸料泵

P-404A/B:1號炭黑生產線木質素溶液輸送泵

P-405A/B:2號炭黑生產線木質素溶液輸送泵

P-403A/B:木質素配制原液輸送泵

T-403:木質素原液罐

T-404:1號炭黑生產線木質素溶液罐

T-405:2號炭黑生產線木質素溶液罐

A-404:T404木質素溶液罐攪拌器

A-405:T405木質素溶液罐攪拌器

4 齒輪泵在炭黑生產中輸送BS溶液的測試情況

2019年10月01日8:00～10月4日8:00，在某炭黑生產企業的BS溶液輸送效果進行了測試，測試情況如下：

4.1 測試方案

在1號炭黑制造生產線測試齒輪泵（P-404A/B）在BS溶液輸送過程中壓力穩定性，流量穩定性，關閉出口閥門后回流穩定性，溶液罐（T-404）內溫度變化，并截取連續運行3日的DCS歷史數據分析其變化趨勢。

4.2 測試步驟

（1）確認溶液罐（T-404）鼓泡，管線閥門狀態正常。

（2）啟動齒輪泵（P-404A/B），調節出口流量以及出口閥門開度，溫度控制在16～17 ℃。

（3）液體輸送完成后關閉出口閥門，觀察回流閥門開度。

4.3 測試結果

（1）10月1日08:00～10月4日08:00，齒輪泵（P-404A/B）測試結果見圖3，整個測試過程齒輪泵（P-404A/B）一直處于運行狀態。

圖3 齒輪泵測試曲線

（2）一共進行了四次出口輸液操作，每次出口流量和閥門開度都處于穩定狀態；其余時間關閉出口閥進行回流時，回流壓力和回流閥開度一直處于平穩狀態。

（3）回流過程未發現泵體溫度異常或異響，罐內溫度未見明顯變化。

5 結論

在2019年10月01日8:00至2019的10月4日8:00對齒輪泵（P-404A/B）在BS溶液輸送過程中相關性能進行了測試。齒輪泵（P-404A/B）輸出壓力和流量保持穩定，回流狀態正常。

齒輪泵應用在炭黑制造生產線的造粒工藝，能極大程度地保證BS溶液輸送過程的穩定性，減少炭黑造粒工段產品質量的波動。設備的穩定運行能減少設備損耗，降低故障率和維修費用，保證生產系統穩定性，降低維修成本。