楊海波 上海瑞寶造粒機(jī)有限公司，上海 201614
摘 要：應(yīng)國(guó)內(nèi)煉油企業(yè)硫回收裝置中液態(tài)硫磺冷卻成型的需要，在分析、吸收、消化國(guó)外旋轉(zhuǎn)式造粒機(jī)的基礎(chǔ)上，遵循機(jī)械設(shè)計(jì)原理及流體力學(xué)定律，設(shè)計(jì)出一套更加適合于國(guó)內(nèi)硫回收裝置配套使用的液態(tài)硫磺冷卻成型用尖嘴式造粒機(jī)。文章詳細(xì)論述尖嘴式造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作原理，以及生產(chǎn)中工藝參數(shù)的調(diào)整確定，如處理量、供料壓力、溫度、水流量、顆粒大小、冷卻水溫、卸料溫度的相互作用關(guān)系，最終確定最佳工藝參數(shù)及設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，為尖嘴式造粒機(jī)的廣大使用者能夠充分了解造粒機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，工作原理，從而正確使用造粒機(jī)，減少故障的發(fā)生，達(dá)到平穩(wěn)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：尖嘴式造粒機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工作原理；工藝參數(shù)
引言
隨著我國(guó)煉油企業(yè)硫回收裝置的增多，以及規(guī)模的增大，對(duì)液態(tài)硫磺的冷卻成型設(shè)備的需求也越來(lái)越多，國(guó)產(chǎn)化硫磺造粒機(jī)的應(yīng)用也迫在眉睫。本文通過(guò)詳細(xì)論述尖嘴式硫磺造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各種工藝參數(shù)的研究，為現(xiàn)有尖嘴式硫磺造粒機(jī)使用者能夠充分了解其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，正確操作造粒機(jī)，減少故障，提供理論依據(jù)。
1 尖嘴式造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 尖嘴式造粒機(jī)工藝過(guò)程
尖嘴式造粒機(jī)是將熔融液態(tài)硫磺冷卻成扁半球顆粒產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，為了達(dá)到這個(gè)目的，配套工藝過(guò)程設(shè)備是必不可缺少的。
克勞斯硫回收裝置產(chǎn)生的液態(tài)硫磺，大約在150-160度儲(chǔ)存在帶有蒸汽盤(pán)管的液硫地池內(nèi)，溫度進(jìn)一步冷卻到130-140度，然后由保溫潛液泵經(jīng)蒸汽保溫夾套管線送入尖嘴式造粒機(jī)的滴落機(jī)內(nèi)，滴落機(jī)把送過(guò)來(lái)的液態(tài)硫磺分成小液滴，布滿在下方運(yùn)行著的冷卻鋼帶上，鋼帶下方噴冷卻水，液滴的熱量經(jīng)鋼帶被冷卻水帶走，液滴運(yùn)行到機(jī)器尾部就冷卻凝固成扁半球顆粒，由刮刀刮下，經(jīng)下料斗流入料倉(cāng)打包裝袋。整個(gè)冷卻固化過(guò)程大約需要10秒鐘，液滴由130-140度降低到熔點(diǎn)119度，然后在119度完成相變過(guò)程，由液態(tài)變成固態(tài)，釋放固化熱，然后再由119度冷卻到65度以下，出料狀態(tài)。
1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了完成上述工藝過(guò)程，整個(gè)造粒系統(tǒng)主體設(shè)備是尖嘴式造粒機(jī)，它包含滴落機(jī)和鋼帶機(jī)二大部分，同時(shí)還需要有液硫儲(chǔ)存池或夾套罐、物料泵、過(guò)濾器、包裝機(jī)等配套設(shè)備聯(lián)合使用。物料泵的作用是要將所需的熔融液態(tài)硫磺輸送到滴落機(jī)內(nèi)，輸送量及壓力要達(dá)到滴落機(jī)的要求，一般由過(guò)濾器系統(tǒng)中的夾套球閥控制給料量，給料量不足供料壓力低，就會(huì)影響滴落機(jī)的造粒能力和顆粒度。也可以采用夾套齒輪泵由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)控制給料量的大小。過(guò)濾器是將物料中夾帶的雜質(zhì)過(guò)濾掉，防止堵塞造粒機(jī)中的分布孔眼，同時(shí)過(guò)濾系統(tǒng)中的夾套球閥，又起著調(diào)節(jié)給料量大小的作用。造粒機(jī)尾端的包裝機(jī)把造粒機(jī)造成的固體顆粒打包裝袋。
1.3 滴落機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
尖嘴式造粒機(jī)的核心技術(shù)就是滴落機(jī)分份滴落成型技術(shù)，就是把物料泵輸送過(guò)來(lái)的液態(tài)硫磺分成若干大小均等的液滴，噴落在下方的冷卻鋼帶上，外轉(zhuǎn)筒繞定子軸作高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，外轉(zhuǎn)筒表面鉆有數(shù)千個(gè)小孔，這些小孔呈一定方式排列，定子軸是一個(gè)圓棒，內(nèi)部開(kāi)有一個(gè)物料通孔和兩個(gè)加熱保溫通道，定子底部安裝有分布器，分布器底部開(kāi)有物料壓力均衡溝槽，當(dāng)外轉(zhuǎn)筒繞著定子軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外轉(zhuǎn)筒上的尖嘴經(jīng)過(guò)定子底部時(shí)，一定量的物料就會(huì)通過(guò)外轉(zhuǎn)筒上的小孔噴出，落到下方冷卻鋼帶的表面上，冷卻成固體顆粒。
1.4 鋼帶機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
鋼帶機(jī)的作用就是把滴落機(jī)噴灑在冷卻鋼帶上的液滴冷卻固化成固體顆粒。其主要作用是對(duì)滴落在鋼帶上表面的液態(tài)物料進(jìn)行冷卻、固化和輸送。鋼帶由設(shè)置在卸料端的電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)，空心軸直聯(lián)式，轉(zhuǎn)速采用變頻器進(jìn)行調(diào)整。在鋼帶的下部設(shè)置有噴淋冷卻段，對(duì)鋼帶的背面噴淋冷卻，在鋼帶運(yùn)行過(guò)程中實(shí)施對(duì)液態(tài)顆粒的間接冷卻，顆粒不會(huì)遇到水，冷卻水也不會(huì)被顆粒污染，被冷卻好的顆粒由卸料端刮刀刮下，經(jīng)下料斗流出至包裝機(jī)料倉(cāng)。
2 電路控制系統(tǒng)
2.1 工藝參數(shù)的控制
尖嘴式造粒機(jī)的所有電氣控制點(diǎn)由一臺(tái)PLC電腦編程控制軟件控制，電氣控制為現(xiàn)場(chǎng)正壓通風(fēng)型防爆控制柜一臺(tái)，控制柜內(nèi)安裝有總電源控制、常規(guī)的電氣控制儀表、變頻器、液晶顯示屏等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)正壓通風(fēng)型防爆控制柜上的開(kāi)關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)成型機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制，包括滴落機(jī)的開(kāi)停控制、鋼帶機(jī)開(kāi)停控制、引風(fēng)機(jī)開(kāi)停控制、保溫氣動(dòng)球閥開(kāi)/關(guān)的控制，緊急停車及安全連鎖停車的控制。系統(tǒng)啟動(dòng)連鎖順序：成型機(jī)的引風(fēng)機(jī)———成型機(jī)的鋼帶機(jī)———成型機(jī)的滴落機(jī)———夾套氣動(dòng)球閥。當(dāng)接受到包裝機(jī)系統(tǒng)緩沖料斗高料位報(bào)警信號(hào)時(shí)（開(kāi)關(guān)量），以及工藝參數(shù)超標(biāo)或緊急按鈕或拉線被拉動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)夾套球閥立即關(guān)閉，停止供料，造粒機(jī)也停止運(yùn)行。
2.2 滴落機(jī)參數(shù)的控制
滴落機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)變頻調(diào)速控制，保證外轉(zhuǎn)筒的運(yùn)行速度與鋼帶機(jī)的冷卻鋼帶速度相等。當(dāng)?shù)温錂C(jī)變頻器故障或電機(jī)故障，給料氣動(dòng)閥立即關(guān)閉。鋼帶機(jī)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)瞬時(shí)停機(jī)。
2.3 鋼帶機(jī)參數(shù)的控制
鋼帶機(jī)鋼帶運(yùn)行速度變頻調(diào)速控制，保證鋼帶機(jī)的冷卻鋼帶運(yùn)行速度與外轉(zhuǎn)筒的速度相等。鋼帶機(jī)變頻器故障或電機(jī)故障，給料氣動(dòng)閥立即關(guān)閉。滴落機(jī)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)瞬時(shí)停機(jī)。
2.4 鋼帶防跑偏的控制
鋼帶跑偏限位開(kāi)關(guān)被鋼帶跑偏時(shí)動(dòng)作撞擊，給料閥立即關(guān)閉，鋼帶機(jī)、滴落機(jī)、引風(fēng)機(jī)電機(jī)瞬時(shí)停機(jī)。
3 造粒機(jī)性能參數(shù)的研究
造粒機(jī)的產(chǎn)量主要取決于鋼帶機(jī)的物料冷卻能力。鋼帶速度和物料的冷卻時(shí)間決定產(chǎn)量。根據(jù)機(jī)器產(chǎn)量的要求，物料密度，冷卻時(shí)間，依據(jù)熱傳遞原理，即可計(jì)算機(jī)器尺寸大小和冷卻水的消耗。尖嘴式造粒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算：
尖嘴式造粒機(jī)的造粒能力主要取決于鋼帶冷卻器的冷卻固化性能即機(jī)頭滴落下的液滴，能否在鋼帶上冷卻固化成粒，這就需要確定出鋼帶冷卻器及產(chǎn)品顆粒的主要技術(shù)參數(shù)：（1）冷卻鋼帶有效寬度B（毫米）;（2）單位顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量M(千克/個(gè));（3）顆粒冷卻固化時(shí)間t（分鐘）;（4）鋼帶冷卻區(qū)長(zhǎng)度,即有效冷卻長(zhǎng)度L（米）;（5）所需冷卻水量。
（1）冷卻鋼帶有效寬度B（毫米）
根據(jù)造粒機(jī)造粒工作原理可知，鋼帶是顆粒產(chǎn)品的冷卻固化承載體或稱輸送體，鋼帶愈寬，承載的顆粒就愈多，冷卻固化的產(chǎn)品產(chǎn)量就愈大；根據(jù)目前機(jī)加工水平及生產(chǎn)的實(shí)際要求，鋼帶寬度確定為1.5米寬，上述1.5米寬鋼帶并非機(jī)頭布料寬度，由于鋼帶呈環(huán)形繞兩轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行時(shí)因制造、安裝及冷熱應(yīng)力不均等因素影響，會(huì)造成鋼帶跑偏，為了防止鋼帶跑偏，在鋼帶背面兩側(cè)邊緣粘有V形橡膠條起導(dǎo)向作用，亦稱V形導(dǎo)索，其耐熱溫度不大于80度，為了防止V形導(dǎo)索受熱脫落，所以產(chǎn)品布料液滴距鋼帶兩側(cè)邊緣應(yīng)為60毫米，故鋼帶的有效寬度為：B=1500毫米-120毫米=1380毫米。
（2）單位顆粒產(chǎn)品質(zhì)量（千克/個(gè)）
單位顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量主要由產(chǎn)品的密度、產(chǎn)品的熔融粘度、產(chǎn)品的顆粒形狀三個(gè)因素決定。其顆粒產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)算如下：
設(shè)：顆粒直徑為D毫米，其高度為H毫米，其體積為V立方毫米。其密度為P千克/立方米，其質(zhì)量為M千克
所以單位產(chǎn)品顆粒質(zhì)量為：M=V×P×109千克/個(gè)。
（3） 顆粒冷卻固化時(shí)間t(分鐘)
顆粒冷卻固化時(shí)間主要與鋼帶背面噴冷卻水效果、水溫、顆粒周圍空氣的溫度、產(chǎn)品熔點(diǎn)及其物理性質(zhì)有關(guān)，具體通常由實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)確定。
（4）鋼帶冷卻區(qū)長(zhǎng)度，即有效冷卻長(zhǎng)度L(米)
產(chǎn)品液滴在鋼帶上冷卻固化時(shí)間為t分鐘；造粒機(jī)的造粒能力為C千克/小時(shí)，顆粒間距為S毫米，呈正三角排列，則在鋼帶橫向布料顆粒數(shù)為n個(gè)：n=B/S+1；在造粒能力C下的顆粒數(shù)為N個(gè)/分鐘：N=C/60/M；在造粒能力C下鋼帶應(yīng)達(dá)到的速度v米/分鐘：v=（N/n-1）×S×0.866/1000；所以鋼帶冷卻區(qū)部分長(zhǎng)度，即有效冷卻長(zhǎng)度L(米)為：L=vxt。
（5）所需冷卻水量
所需冷卻水量計(jì)算因素主要如表1所示。
在該產(chǎn)品計(jì)算中：產(chǎn)品固化前所放熱量Q1千卡/小時(shí)：Q1=C×c1×(T1-T);
產(chǎn)品固化時(shí)所放熱量Q2千卡/小時(shí)：Q2=C×c；
產(chǎn)品固化后所放熱量Q3千卡/小時(shí)：Q3=C×c2×(T-T2)；
鋼帶所放熱量Q4千卡/小時(shí)：Q4=q×Cst×(T4-T3)×v×60，其中q-鋼帶單位長(zhǎng)質(zhì)量（千克/米）；Cst-鋼帶比熱0.12（千卡/千克度）；
泵所放熱量Q5千卡/小時(shí)：Q5=N×860，其中N-泵的功率（千瓦），1千瓦=860千卡/小時(shí)；
冷卻水罐吸熱Q6千卡/小時(shí)：Q6=8×Fkw，F(xiàn)kw-罐表面積；
考慮其它熱損失Q7千卡/小時(shí)：Q7=20×(Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 +Q6);
總熱量Q千卡/小時(shí)：Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7；因此所需冷卻水量W立方米/小時(shí)：W=Q/(Cw×Pwx△T), Cw-水比熱1(千卡/千克度)，Pw-水的密度1000千克/立方米，△T-冷卻水溫。
4 應(yīng)用效果
4.1 造粒機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例
廣州石化廠需一臺(tái)硫磺用尖嘴式造粒機(jī)，要求產(chǎn)量為6000千克/小時(shí)，顆粒直徑為6毫米，顆粒高度為1.7毫米，硫磺密度為1890千克/立方米，熔點(diǎn)為119度。卸料溫度為65度，因此其機(jī)器的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算如下：根據(jù)上述已知條件得單位顆粒產(chǎn)品質(zhì)量M千克/個(gè)：M=5.0×10-5；冷卻鋼帶有效寬度B=1380（毫米），則根據(jù)計(jì)算可得由產(chǎn)品液滴在鋼帶上冷卻固化時(shí)間為0.17分鐘；造粒機(jī)的造粒能力為6000千克/小時(shí)；顆粒間距為7毫米呈正三角排列：得鋼帶冷卻區(qū)部分長(zhǎng)度，即有效冷卻長(zhǎng)度L（米）：L=61×0.17=10.37米，機(jī)器總長(zhǎng)確定為13米；而根據(jù)用戶的實(shí)際使用，目前產(chǎn)量正常為6000千克/小 時(shí)，最大可達(dá)6500千克/小時(shí)，卸料實(shí)際溫度60度小于設(shè)定溫度，用水量24立方米/小時(shí)，水溫實(shí)測(cè)32度，回水溫度實(shí)測(cè)38度，伴熱蒸汽溫度145-150度。使用效果良好。
4.2 產(chǎn)量大小的影響因素
影響旋轉(zhuǎn)式造粒機(jī)的主要性能的參數(shù)有兩種，一種是工藝調(diào)節(jié)參數(shù)；另一種是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
工藝調(diào)節(jié)參數(shù)是獲得較好顆粒形狀的技術(shù)參數(shù)之一，必須嚴(yán)格控制，包括如下參數(shù)：
（1）進(jìn)料溫度：對(duì)于液態(tài)硫磺造粒最佳溫度為128度，當(dāng)溫度超過(guò)135度造粒效果差。
（2）進(jìn)料壓力：經(jīng)過(guò)測(cè)試硫磺進(jìn)料壓力在0.2-0.3MPa最佳。
（3）進(jìn)料量：進(jìn)料量應(yīng)在造粒能力范圍內(nèi)。
（4）筒帶速度：筒帶速度應(yīng)在可調(diào)范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)量的適當(dāng)變化及粒度的變化。
（5）外轉(zhuǎn)筒與鋼帶的速度關(guān)系因受物料性質(zhì)影響，一般機(jī)頭的速度要略高于鋼帶的速度。
（6）外轉(zhuǎn)筒與鋼帶間隙：取決于物料性質(zhì)、進(jìn)料溫度及壓力，經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)整間隙4-6毫米為最佳。
（7）滴落角度：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整比對(duì)，確定向前傾斜5度最佳。
（8）機(jī)頭位置：機(jī)頭安裝位置應(yīng)偏后，在一定距離內(nèi)。
（9）冷卻水溫度、本臺(tái)機(jī)器在進(jìn)水壓力0.2MPa時(shí)水量約24立方米/小時(shí)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)是指造粒機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)所確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不隨操作工藝而變，是造粒機(jī)固定技術(shù)參數(shù)，因此，對(duì)一定產(chǎn)量的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是確定不變的，它包括如下幾個(gè)方面：
（1）外轉(zhuǎn)筒通孔直徑及結(jié)構(gòu)：外轉(zhuǎn)筒通孔直徑對(duì)于不同物料及對(duì)顆粒直徑的大小要求不同，其外轉(zhuǎn)筒通孔直徑也作適當(dāng)變化。
（2）通孔間距：通孔間距取決于用戶要求產(chǎn)品的最大粒度。
（3）分布器：分布器結(jié)構(gòu)由產(chǎn)品的粘度而確定。
（4）冷卻長(zhǎng)度：造粒機(jī)的冷卻長(zhǎng)度取決于液滴冷卻固化時(shí)間，物料性質(zhì)及造粒最大產(chǎn)量，造粒機(jī)的冷卻長(zhǎng)度是按最大造粒產(chǎn)量條件下給出的，當(dāng)產(chǎn)量減小時(shí)仍然適用。
（5）水噴嘴：水噴嘴的結(jié)構(gòu)決定冷卻效果及產(chǎn)量。
4.3 顆粒成粒率的影響因素
一臺(tái)尖嘴式造粒機(jī)顆粒率大小受內(nèi)在影響因素和外在影響因素影響。內(nèi)在影響因素主要包括：外轉(zhuǎn)筒是否變形、孔眼是否堵塞；分布器是否變形；分布器方管孔眼是否堵塞等；外在影響因素主要包括：外轉(zhuǎn)筒與鋼帶間隙；滴落角度；滴落機(jī)速度。
4.4 產(chǎn)品含水量的影響因素
由于液態(tài)硫磺冷卻固化時(shí)，液滴和鋼帶的粘接力很大，在不加脫模劑時(shí)顆粒很難刮下，并有大量顆粒破碎，鋼帶表面加上脫模劑后，顆粒硫磺就很容易從鋼帶上刮下，并且不容易破碎，但顆粒硫磺含水量就增加了，最初使用單刮刀時(shí)，含水量就不容易控制，后來(lái)經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)在設(shè)計(jì)出一種雙刮刀脫模劑涂抹機(jī)構(gòu)就很好地解決了硫磺帶水量大的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)用戶實(shí)際使用效果良好，今后所有再出廠的機(jī)器全部配備雙刮刀機(jī)構(gòu)。
5 結(jié)論
本文探討的硫磺冷卻成型用尖嘴式造粒機(jī)，造粒能力6000千克/小時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，得出下列結(jié)論：
（1）工藝參數(shù)的確定：液態(tài)硫磺進(jìn)入造粒機(jī)的溫度在125-128度最佳，最高不能超過(guò)135度；供料壓力范圍在0.2-0.3MPa范圍內(nèi)最佳，低于0.2MPa產(chǎn)量不能達(dá)到6000千克/小時(shí)；蒸汽伴熱溫度在145-155度最佳，過(guò)低或過(guò)高都無(wú)法保證正常運(yùn)行；冷卻水溫度在32度以下最佳，過(guò)高卸料溫度無(wú)法滿足；冷卻水壓力入口處0.2-0.3MPa最佳冷卻水流量要求24立方米/小時(shí)。
（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定：鋼帶寬度1500毫米滿足使用要求；機(jī)器冷卻段長(zhǎng)度10米滿足使用要求；鋼帶線速度70米/分鐘滿足使用要求。
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