何光發(fā)·基于機(jī)器視覺(jué)的胎面裁斷定長(zhǎng)測(cè)量與控制系統(tǒng)

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裁斷機(jī)在線測(cè)量要求，對(duì)射式和反射式光電開(kāi)關(guān)難以上下安裝而被否定 ；漫反射式光電開(kāi)關(guān)由于自身

檢測(cè)距離的穩(wěn)定性差，調(diào)整設(shè)定長(zhǎng)度很不方便，難于滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。而工業(yè)數(shù)字相機(jī)最早就是為

了工業(yè)測(cè)量而開(kāi)發(fā)，以一臺(tái) 512×480 分辨率的黑白數(shù)字相機(jī)為例，其每一條水平線有 512 個(gè)像素點(diǎn)，

以水平視野 200mm（測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn) ±100mm），工業(yè)上通用的測(cè)量冗余倍數(shù) 4 倍來(lái)計(jì)算，其實(shí)際測(cè)量精度

為 200*4/512=1.56mm，這對(duì)于裁斷工藝要求的胎面長(zhǎng)度精度來(lái)說(shuō)，已綽綽有余。

輪胎裁斷機(jī)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)定長(zhǎng)控制與測(cè)量解決方案原理示意圖見(jiàn)圖 1。

圖 1 胎面裁斷機(jī)機(jī)器視覺(jué)定長(zhǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)示意圖

相機(jī) 1 安裝在距離切刀盤(pán)口等于“設(shè)定長(zhǎng)度”的位置，水平檢測(cè)區(qū)域?yàn)?±100mm，在此范圍內(nèi)改

變?cè)O(shè)定長(zhǎng)度，可以不改變相機(jī) 1 的安裝位置。相機(jī) 2 安裝在相機(jī) 1 后距離等于“設(shè)定長(zhǎng)度”的位置，

稱為“復(fù)測(cè)長(zhǎng)度”，用于裁斷后的胎面實(shí)際長(zhǎng)度的測(cè)量，其水平檢測(cè)區(qū)域與相機(jī) 1 相同。每個(gè)相機(jī)后

面安裝一條漫放射條型光源，用于突出胎面膠切口的邊緣。每個(gè)相機(jī)前面安裝一個(gè)漫放射光電開(kāi)關(guān)，

如圖 1 所示，胎面膠切口的邊緣運(yùn)動(dòng)到 B5 檢測(cè)位置時(shí)，B5 上升沿起動(dòng)相機(jī) 1，并接通光源 1。當(dāng)胎面

膠切口的前邊緣運(yùn)行到相機(jī) 1 中設(shè)定長(zhǎng)度后，定長(zhǎng)測(cè)量完成，即可關(guān)閉相機(jī) 1 和光源 1。而 B6 上升沿

同時(shí)起動(dòng)相機(jī) 1 和相機(jī) 2，并接通光源 1 和光源 2，開(kāi)始進(jìn)入裁斷后的胎面膠實(shí)際長(zhǎng)度的復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)

完成后關(guān)閉相機(jī) 1，2 和光源 1，2。

相機(jī) 1，2 由圖像處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，每當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定長(zhǎng)度，圖像處理控制系統(tǒng)向裁斷機(jī)控制系統(tǒng)

發(fā)出裁斷信號(hào)，代替原系統(tǒng)的裁斷信號(hào)。原系統(tǒng)伺服控制器計(jì)算出的裁斷信號(hào)可以保留，通過(guò)一個(gè)選

擇開(kāi)關(guān)接入裁斷機(jī)控制系統(tǒng)，以備機(jī)器視覺(jué)定長(zhǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)調(diào)整維護(hù)時(shí)使用?！皬?fù)測(cè)長(zhǎng)度”值通過(guò)

工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線方式傳送到裁斷機(jī)控制系統(tǒng)，用于生產(chǎn)線上的 LED 大屏幕數(shù)字顯示。

機(jī)器視覺(jué)圖像處理系統(tǒng)可以存儲(chǔ) 20000 個(gè)實(shí)際長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，可以方便地打印，分析長(zhǎng)度波動(dòng)，以便

生產(chǎn)線的調(diào)整。

輪胎裁斷機(jī)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)定長(zhǎng)控制與測(cè)量系統(tǒng)包括光源、鏡頭、CCD 照相機(jī)、圖像處理單元、

圖像處理軟件、監(jiān)視器、PLC、通訊／輸入輸出單元等。如圖 2 所示。

圖 2 機(jī)器視覺(jué)定長(zhǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)組成

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2.3 輪胎裁斷機(jī)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量控制系統(tǒng)精度分析

機(jī)器視覺(jué)測(cè)量控制系統(tǒng)用于在線動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度通常受相機(jī)的分辨率和處理速度制約。目前，24

萬(wàn)像素的工業(yè)相機(jī)已非常成熟，其分辨率可達(dá)到微米級(jí)，而對(duì)于毫米級(jí)測(cè)量要求的輪胎裁斷機(jī)已不再

成問(wèn)題。因此機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處理速度成為唯一必須考慮的問(wèn)題。下面借助于圖 3 ，通過(guò)對(duì)裁斷機(jī)測(cè)量

控制精度的要求來(lái)分析對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處理速度的要求。圖 3 的上半部分表示定長(zhǎng)測(cè)量過(guò)程，下半部

分表示裁斷后的胎面膠實(shí)際長(zhǎng)度的測(cè)量過(guò)程。

圖 3 機(jī)器視覺(jué)定長(zhǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)精度分析

目前，24 萬(wàn)像素的黑白相機(jī)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處理速度一般在 30-50 幀 /s，彩色相機(jī)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

處理速度一般在 10-30 幀 /s。以 50 幀 /s 的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)為例，其每一幀圖像處理完成需要的時(shí)間

為 20ms，而對(duì)于 40m/min 的生產(chǎn)線，20ms 內(nèi)產(chǎn)品的位移量大于 13mm，相當(dāng)于裁斷機(jī)現(xiàn)有測(cè)量方式的

誤差范圍 ；即便生產(chǎn)線速度降到 20m/min，其測(cè)量誤差也要大于 6mm，顯然滿足不了提高裁斷精度的

要求。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處理時(shí)間包含成像時(shí)間，圖像傳輸時(shí)間和圖像處理時(shí)間，其中圖像傳輸時(shí)間大約占

整個(gè)時(shí)間的一半左右。要大幅提高機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)行速度，只有選擇多處理器并行運(yùn)行的機(jī)器視覺(jué)系

統(tǒng)才有可能。目前，24 萬(wàn)像素的黑白相機(jī)多處理器機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)處理速度已達(dá)到 200 幀 /s，相當(dāng)于 5

毫秒的處理周期 ；如果采用隔行掃描方式，并將傳輸?shù)膱D像限制在 1/3 范圍，如示圖中相機(jī)測(cè)量范圍

陰影部分，水平像素 160-320 之間處理周期可降到 4ms 內(nèi)。綜合其他因素，對(duì)于 40m/min 的生產(chǎn)線，

測(cè)量誤差小于 3mm ；對(duì)于 20m/min 的生產(chǎn)線，測(cè)量誤差小于 2mm。

由圖 3 還可以看到，相機(jī) 1 用于定長(zhǎng)測(cè)量控制，要求實(shí)時(shí)性高，此時(shí)相機(jī) 2 未進(jìn)入工作狀態(tài)，機(jī)

器視覺(jué)系統(tǒng)只需對(duì)相機(jī) 1 進(jìn)行處理 ；對(duì)裁斷后的胎面膠長(zhǎng)度的復(fù)測(cè)需要兩個(gè)相機(jī)同時(shí)工作，而此時(shí)對(duì)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高，裁斷后的胎面膠前后邊緣位于兩個(gè)相機(jī)的測(cè)量范圍內(nèi)的任一時(shí)刻完成

測(cè)量，對(duì)測(cè)量精度不產(chǎn)生影響。因此，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用一個(gè)控制器處理兩個(gè)相機(jī)，可以大幅降低成本。

2 輪胎裁斷機(jī)機(jī)器視覺(jué)測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法

胎面裁斷定長(zhǎng)測(cè)量與控制系統(tǒng)圖像控制器控制器采用日本基恩士公司的 CV-5000 系列機(jī)器視覺(jué)系

統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種介于智能像機(jī)和板卡式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)之間的新一代工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。CV-5000 系

列機(jī)型是由一個(gè)具有四個(gè)處理器的并行處理器系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的——一個(gè)超高速彩色圖像處理引擎，以及兩

個(gè)專門進(jìn)行圖像處理的 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），和一個(gè)高速 RISC（簡(jiǎn)化指令集計(jì)算機(jī)）CPU。該系統(tǒng)

達(dá)到了同類產(chǎn)品中最快的處理速度，CPU 和 DSP 都是最新的類型，具備較快速度的先進(jìn)同步處理系統(tǒng)。

CV-5000 系列機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)配置圖見(jiàn)圖 4。

何光發(fā)·基于機(jī)器視覺(jué)的胎面裁斷定長(zhǎng)測(cè)量與控制系統(tǒng)

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圖 4 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)配置圖

2.1 高速處理速度

CV-5000 系列機(jī)型中使用的 7X 高速相機(jī)使用全新的超高速 CCD 能在 4.7ms（240,000 像素相機(jī)）

或 20.5ms（1 百萬(wàn)像素相機(jī)）內(nèi)進(jìn)行全屏傳輸。這些相機(jī)支持對(duì)產(chǎn)量超過(guò)每分鐘 3,000 個(gè)單位的切割

邊緣超高速生產(chǎn)線的檢測(cè)。1 百萬(wàn)像素的相機(jī)能在以前機(jī)型中的 240,000 像素 2X 高速相機(jī)所需的相

同時(shí)間內(nèi)完成處理，支持以前不可能進(jìn)行的高分辨率相機(jī)高速生產(chǎn)線檢測(cè)。

圖 5 多處理器處理單元時(shí)序

圖 6 多處理器圖像處理單元

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當(dāng)圖像在處理過(guò)程中時(shí)，雙緩存器記憶允許 CV-5000 系列接收下一次觸發(fā)輸入。即使在非隔行

掃描模式中，檢驗(yàn)工作時(shí)間也只有大約 5.2ms（大約 11500 部件 / 分鐘 *）(* 使用 CV-H035C 時(shí)圖像

處理時(shí)間為 4ms)。

2.2 統(tǒng)計(jì)功能

CV-5000 系列相機(jī)具有內(nèi)建的統(tǒng)計(jì)功能，讓您能實(shí)時(shí)查看檢測(cè)狀態(tài)，圖像保存器功能讓您保存當(dāng)

前故障的圖像以備稍后查看。您無(wú)需連接 PC 就能在任何時(shí)候檢查狀態(tài)，把可選的不良種類和檢查數(shù)

字立即反饋到上層流程，能夠幫助提高產(chǎn)量。

圖 7 內(nèi)建的統(tǒng)計(jì)功能

2.3 8.4"TFT-LCD 彩色監(jiān)視器

CA-MP81/MN81 超薄、節(jié)省空間設(shè)計(jì)厚度僅為 40mm 的超薄設(shè)計(jì)使其可以很容易地安裝在控制面板

上。

高亮度和高清晰彩 TFT-LCD 采用 TFT 活性矩陣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 262，144 色高亮屏幕和高清晰顯示

可以選擇各種安裝方式除了選擇面板式安裝，也可以選擇新穎立架以及立柱式支架安裝，包括在有限

空間內(nèi)進(jìn)行安裝的各種安裝風(fēng)格。

圖 8 TFT-LCD 顯示器和檢測(cè)狀態(tài)畫(huà)面顯示

3 結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)器視覺(jué)的胎面裁斷定長(zhǎng)測(cè)量與控制系統(tǒng)，通過(guò)非接觸式直接測(cè)量目標(biāo)體，有效避免了被動(dòng)

式測(cè)量和主動(dòng)式測(cè)量中因接觸打滑造成的測(cè)量誤差，同時(shí)，基于機(jī)器視覺(jué)的胎面裁斷定長(zhǎng)測(cè)量與控制

系統(tǒng)設(shè)置有復(fù)測(cè)環(huán)節(jié)，能在線實(shí)時(shí)檢測(cè)裁斷產(chǎn)品的質(zhì)量，省去了人工抽檢環(huán)節(jié)，可有效避免不合格品

流入下一道工序。但是，本系統(tǒng)使用過(guò)程中也有需要注意的地方，比如胎面輸送中的胎面變形、光源

環(huán)境的污染都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差，因此在使用過(guò)程中的優(yōu)化和保養(yǎng)維護(hù)變得很重要，有待行業(yè)同仁

攜手改進(jìn)和提升。

許志勝·SIMOTION D435 在大口徑波紋管成型機(jī)上的應(yīng)用

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在橡塑波紋管行業(yè)中，成型機(jī)作為整條生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，在生產(chǎn) PP、PE、PVC 等原材料的波紋

管過(guò)程中，起到了非常重要的作用。以前的大口徑成型機(jī)均以立式為主，其模塊上下開(kāi)合，占地面積小，

結(jié)構(gòu)緊湊，但模塊更換較困難，在線擴(kuò)口成型也很困難，并且速度極慢。同時(shí)模塊對(duì)數(shù)多，更換時(shí)間長(zhǎng)，

模塊不易采用水冷，影響生產(chǎn)效率，一般最大內(nèi)徑可以達(dá)到 800mm。新一代大口徑成型機(jī)以臥式為主，

目前最大做到內(nèi)徑 1800mm。而本文所介紹的是臥式成型機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品 ：梭式成型機(jī)。它采用運(yùn)動(dòng)控制

器和伺服進(jìn)行控制，具有自動(dòng)回位、零位校準(zhǔn)、定位糾偏、在線偏差補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)不同的管材

時(shí)，可以根據(jù)管材型號(hào)進(jìn)行更換模具即可，模塊少，更換簡(jiǎn)單容易，而且模塊自然水冷，生產(chǎn)速度更快，

生產(chǎn)的管材質(zhì)量更好。

1 成型機(jī)介紹

波紋管成型機(jī)是生產(chǎn)波紋管的核心設(shè)備，主要由成型模具、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。成

型模具一般由 30~40 對(duì)上下（或水平）對(duì)開(kāi)的模片組成，沿一定的軌跡移動(dòng)，模具閉合構(gòu)成圓形管子

的成型腔，模具打開(kāi)，使制品脫離模具，模具可由水或空氣冷卻，使管材成型。其成型過(guò)程為 ：從擠

出機(jī)擠出原料，利用真空泵，形成真空負(fù)壓，經(jīng)過(guò)真空吸附，使內(nèi)外壁分別貼合在成型模具和機(jī)頭水

套上成型。而本文所介紹的新一代梭式傳動(dòng)的成型機(jī)，以最新 1800 生產(chǎn)線的 SBZ1800 成型機(jī)為例，

可以減少模塊的數(shù)量，生產(chǎn)在線擴(kuò)口管材只需要 9 對(duì)，而生產(chǎn)不帶擴(kuò)口的直管僅僅需要 7 對(duì)，通過(guò)梭

式運(yùn)動(dòng)完美曲線軌跡，減小成型機(jī)空間半徑，全方面減少投資成本。

所以波紋管成型機(jī)的關(guān)鍵就是成型模具運(yùn)行曲線軌跡的確定，首先建立模具運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，通

過(guò)電子凸輪，建立各軸運(yùn)動(dòng)曲線，然后打印出其軌跡，最后按照這一軌跡組合模具。雙壁波紋管生產(chǎn)

線如圖 1 所示。

圖 1 PE、PVC 和 PP 雙壁波紋管生產(chǎn)線

SIMOTION D435 在大口徑波紋管

成型機(jī)上的應(yīng)用

許志勝

( 大連三壘機(jī)器股份有限公司，遼寧 大連 116000)

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2 成型機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

此套 1800 生產(chǎn)線 SBZ1800 成型機(jī)系統(tǒng)以 Simotion D435 運(yùn)動(dòng)控制器為控制核心，通過(guò)工業(yè)以

太網(wǎng)與 Simotion D435 連接用于編程和調(diào)試的 PC/PG ；通過(guò)西門子工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS-DP 與

Simotion D435 連接的人機(jī)界面接口模塊及用于數(shù)字量 I/O 擴(kuò)展的接口模塊（見(jiàn)圖 2）；

圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖

通過(guò)西門子 DRIVE-CLIQ 總線與 Simotion D435 連接的驅(qū)動(dòng)單元各模塊及電機(jī)編碼器。模型框圖

見(jiàn)圖 3。所以在做實(shí)際方案時(shí)，配置了 Simotion D435 + KTP1200 +ET200M IM153 的方案。

圖 3 系統(tǒng)框圖

2.2 西門子 SIMOTION D 運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)

Simotion D 結(jié)構(gòu)緊湊，是一款基于 SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)系列。本例采用的運(yùn)動(dòng)控制器 Simotion

435-2 DP/PN 控制單元，最多支持 32 軸。

采用 Simotion D435 后， PLC 和運(yùn)動(dòng)控制功能以及 SINAMICS S120 驅(qū)動(dòng)器軟件都在同一控制硬

件上運(yùn)行。Simotion D 中集中了符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 以及符合 PLCOpen 標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制功

能塊。根據(jù) Simotion D 平臺(tái)的不同，HMI 設(shè)備可在 PROFIBUS、以太網(wǎng)或 PROFINET 接口上運(yùn)行，便

許志勝·SIMOTION D435 在大口徑波紋管成型機(jī)上的應(yīng)用

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于操作人員實(shí)施監(jiān)控。此外，也可以通過(guò)這些接口，使用遠(yuǎn)程維護(hù)、診斷和遠(yuǎn)程服務(wù)等功能。

優(yōu)點(diǎn) ：

（1） 驅(qū)動(dòng)器中直接集成了 PLC、運(yùn)動(dòng)控制和工藝功能，因此經(jīng)濟(jì)高效 ；

（2）采用了創(chuàng)新型 SINAMICS S120 設(shè)計(jì) ；

（3）結(jié)構(gòu)緊湊，可縮小控制機(jī)柜尺寸 ；

（4）非常適用于模塊化分布式機(jī)器方案 ；

（5）用戶友好型操作 ；

（6）可通過(guò)多種通信接口實(shí)現(xiàn)靈活聯(lián)網(wǎng) ：

（7）集成眾多工藝功能因而功能強(qiáng)大 ；

（8）工程配置非常簡(jiǎn)單，涵蓋從驅(qū)動(dòng)器調(diào)試到開(kāi)環(huán)控制以及運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的全部過(guò)程 ；

（9）使用 CF 卡，更換方便并且包含所有數(shù)據(jù)（程序、數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)器參數(shù)和授權(quán)證），因此便于維護(hù)；

（10）PLC 與運(yùn)動(dòng)控制之間不再需要接口，因此動(dòng)態(tài)性能非常高。

3 控制難點(diǎn)以及解決方案

3.1 梭式傳動(dòng)簡(jiǎn)介

下圖 4 為成型機(jī)模塊某一運(yùn)動(dòng)瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從圖中可以看出 ：

（1）在輸送軸 ( 返回區(qū) ) 成型模塊以加快速度返回，這樣，可以減少模塊的數(shù)量，進(jìn)而減少投資成本。

就本例，共 7 對(duì)模塊，在主軸（工作區(qū)）5 對(duì)模塊成型，輸送（返回區(qū)）2 對(duì)模塊。

（2）成型模塊在主軸（工作區(qū)）的進(jìn)入處（合模區(qū)）和返回處（分模區(qū)）的過(guò)渡，不通過(guò)曲線導(dǎo)軌，

模塊以直角的形式進(jìn)入主軸（工作區(qū)）并從其返回，因而減少了機(jī)器的寬度。

（3）成型模塊的全部動(dòng)作都通過(guò)同步伺服電機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而保證了成型機(jī)高度平穩(wěn)的運(yùn)行并

生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1- 合模軸（合模區(qū)） 2- 主軸（工作區(qū)）3- 輸送軸（返回區(qū)） 4- 分模軸（分模區(qū)）

圖 4 臥式成型機(jī)模塊排列圖

3.2 控制解決方案及編程

大連三壘臥式成型機(jī) SBZ1800 在控制系統(tǒng)上主要由 6 軸伺服構(gòu)成，分別為上下主軸，輸送軸，合

模軸，上下分模軸。如圖 5 所示，第一個(gè)模塊為 Simotion D435，后面是西門子新一代驅(qū)動(dòng) Sinamic

S120，分別為 1 個(gè)書(shū)本型電源模塊 SLM 和 6 個(gè)單軸電機(jī)模塊。Simotion D435 通過(guò)總線 DRIVE-CLiQ

接口與 Sinamic S120 的其它模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以寫(xiě)入讀取各軸的參數(shù)。

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圖 5 SIMOTION D435 和 SINAMICS S120

工作原理為成型模塊從左右通道返回成型通道的開(kāi)始位置，然后以垂直的角度形成成型管材通道，

運(yùn)行的軌跡為矩形而不是橢圓形，同見(jiàn)圖 4。

模塊要按照設(shè)計(jì)好的曲線來(lái)運(yùn)行，才能保證管材的成型。運(yùn)動(dòng)控制器使用西門子 SIMOTION

SCOUT 軟件的 Trace 功能，通過(guò)在軟件中預(yù)先輸入需要監(jiān)控的伺服參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)跟蹤功能，就可以

監(jiān)控到實(shí)際曲線，如圖 6 所示。

圖 6 曲線圖

本控制系統(tǒng)的難點(diǎn)在于各伺服軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行關(guān)系，所以必須以主軸位置為基本參考點(diǎn)，主軸

運(yùn)行方向 1 個(gè)模塊的長(zhǎng)度就是 1 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，然后周期反復(fù)。其他各軸需要跟隨主軸，進(jìn)行相應(yīng)的位

置移動(dòng)。按數(shù)學(xué)模型來(lái)說(shuō)，就是 X_Y 的 2 軸坐標(biāo)系，其他各軸，以主軸為 X 軸，自身為 Y 軸，各自建

立自己的坐標(biāo)，繪制曲線圖，然后各軸按各自曲線運(yùn)動(dòng)。而解決這一問(wèn)題的最好方法就是利用電子凸

輪功能。電子凸輪由機(jī)械凸輪演變而來(lái)，相對(duì)于機(jī)械凸輪，電子凸輪具有數(shù)據(jù)可修改性強(qiáng)，曲線隨時(shí)

優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。Simotion D435 中提供了電子凸輪功能，通過(guò)軟件的多軸授權(quán)，根據(jù)設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)建立

凸輪表和凸輪曲線。

許志勝·SIMOTION D435 在大口徑波紋管成型機(jī)上的應(yīng)用

235

本例采用的編程語(yǔ)言是 Simotion MCC,MCC 是為了降低生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化控制的復(fù)雜度而專門設(shè)

計(jì)的一種新型圖形化編程語(yǔ)言，它直接集成到西門子 SIMOTION SCOUT 軟件中。這里可以使用符合

PLCOpen 標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊，完成凸輪運(yùn)動(dòng)。

首先，要建立主軸，確定主軸的原位，保證主軸機(jī)械原位和電子凸輪相一致。然后賦值，確定實(shí)

際位置，詳見(jiàn)圖 7。

圖 7 Shift measuring system 指令

其次，建立各軸，使各軸使能啟動(dòng)，詳見(jiàn)圖 8。

圖 8 Switch axis enable 指令

再次，使用 Home axis 指令，程序中通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)在控制系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)間建立位置關(guān)聯(lián)，各軸

建立凸輪曲線，詳見(jiàn)圖 9。

圖 9 Home axis 指令

正常運(yùn)行時(shí)，使用各個(gè)軸與主軸之間的 Cam on 指令，使主軸和其他軸按著曲線圖，也就是根據(jù)

電子凸輪曲線，同步運(yùn)行，如圖 10 所示。

236

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

圖 10 Cam on 指令

最后，判斷各軸和主軸同步完成后。再啟動(dòng)主軸的 Start axis position-controlled 位置控制，

如圖 11 所示。同時(shí)給主軸初始速度，就能保證各個(gè)伺服軸按照上述的電子凸輪曲線同步運(yùn)行。主軸

增減速度，其他各軸根據(jù)曲線位置，相應(yīng)變化。

圖 11 Start axis position-controlled 指令

如果在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了某一個(gè)伺服軸滯后，當(dāng)滯后距離沒(méi)有超出設(shè)定的范圍，也可以使 Set

offset on camming 來(lái)對(duì)當(dāng)前滯后的伺服軸進(jìn)行位置的追趕，偏置校準(zhǔn)，如圖 12 所示。

圖 12 Set offset on camming 指令

在完成電子凸輪運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)還具有保護(hù)功報(bào)警能，如果出現(xiàn)某一個(gè)伺服軸或者其他

影響生產(chǎn)的錯(cuò)誤報(bào)警，通過(guò)對(duì)此伺服軸以及報(bào)警代碼的監(jiān)控，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)，從而避免了錯(cuò)誤

和危險(xiǎn)的發(fā)生。

4 結(jié)論

大連三壘的成型機(jī)是最早使用西門子 Simotion D435 運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)備，同時(shí)使用 KTP1200 觸

摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)整定、報(bào)警監(jiān)控、凸輪曲線監(jiān)視等，操作簡(jiǎn)單。各項(xiàng)工藝指標(biāo)滿足生產(chǎn)工藝

的技術(shù)要求，自調(diào)試完畢后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，效果良好，目前已經(jīng)出口歐洲。

參考文獻(xiàn) ：

[1] SIMOTION 用于生產(chǎn)設(shè)備，2018.

李剛 等·硫化群控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

237

在輪胎的加工工藝中，硫化有著非常重要的作用。硫化三要素溫度、壓力、時(shí)間直接影響硫化效應(yīng)，

決定硫化質(zhì)量。記錄每次硫化過(guò)程中的三要素曲線是硫化工序的重點(diǎn)工作。

最初硫化機(jī)使用三針記錄儀來(lái)記錄這些曲線，按體系要求留存十五年以備追溯。這種機(jī)臺(tái)獨(dú)立記

錄曲線又需要工藝技術(shù)人員反復(fù)核對(duì)工藝條件、檢查實(shí)際執(zhí)行情況的工作模式，隨著設(shè)備數(shù)量增加、

生產(chǎn)產(chǎn)量提高，不斷地耗費(fèi)更多人力、物力和時(shí)間。其次在工藝條件核對(duì)中，因?yàn)槿藛T疏忽、檢查不全，

導(dǎo)致模具字塊匹配錯(cuò)誤、硫化工藝條件執(zhí)行偏差、輪胎錯(cuò)硫等現(xiàn)象頻頻發(fā)生。另外，由于紙質(zhì)文檔存

在存放條件不良、缺乏系統(tǒng)梳理、記錄曲線不清晰等因素影響，導(dǎo)致在追溯過(guò)程中信息缺失，無(wú)法診

斷病疵輪胎的問(wèn)題所在。這些都嚴(yán)重影響企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。

組建硫化機(jī)組群控系統(tǒng)，將硫化條件參數(shù)和要素曲線等生產(chǎn)信息數(shù)字化處理、傳輸、儲(chǔ)存。通過(guò)

建立各項(xiàng)在線確認(rèn)流程，在減輕現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)人員工作強(qiáng)度的同時(shí)，提高硫化工藝過(guò)程監(jiān)管和追溯能

力，增強(qiáng)生產(chǎn)綜合管控水平。

1 群控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建

我公司硫化生產(chǎn)工序有 340 余臺(tái)（包括 B 型熱板機(jī)械式、液壓式及部分工程胎）硫化機(jī)，所用控

制系統(tǒng)為三菱 Q 系列 PLC，總線連接式三菱 GT 系列觸摸屏。在群控網(wǎng)絡(luò)中硫化機(jī) PLC 作為下位機(jī)從站，

每條硫化溝配置一個(gè)下位機(jī)主站，每個(gè)主站掛兩個(gè) CC-Link 網(wǎng)絡(luò)，單個(gè) CC-Link 網(wǎng)絡(luò)接 10 ～ 20 個(gè)

硫化機(jī)從站。下位機(jī)主站采用 CC-Link IE 雙環(huán)路組網(wǎng)通過(guò)電腦板卡（插于 PCI 插槽中）接入上位機(jī)，

采用光纖進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)處理上較快，能夠在幾個(gè)毫秒（光纖部分）里面處理完數(shù)據(jù)，且使用雙環(huán)路

網(wǎng)絡(luò)保證了數(shù)據(jù)可靠傳輸（見(jiàn)圖 1）。

上位機(jī)采用研華 IPC 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。使用 Delphi 程序編寫(xiě)上位機(jī)程序，完成下位機(jī)數(shù)據(jù)采集

及硫化參數(shù)下載等功能。采集的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便客戶端程序訪問(wèn)。

2 群控系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 工藝條件與模具匹配確認(rèn)

當(dāng)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整，硫化機(jī)更換模具后，工藝員需對(duì)模具規(guī)格字、層級(jí)、負(fù)荷指數(shù) / 速度級(jí)別、最

大負(fù)荷與氣壓等各字塊進(jìn)行檢查，避免換模時(shí)安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致輪胎硫化報(bào)廢。

在群控系統(tǒng)中設(shè)定流程 ：機(jī)臺(tái)結(jié)束換模狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)硫化機(jī)進(jìn)行鎖定無(wú)法進(jìn)缸硫化。需要工

藝員按照無(wú)線終端設(shè)備上的驗(yàn)?zāi)螌?duì)現(xiàn)場(chǎng)模具進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)各項(xiàng)內(nèi)容拍模具花塊及字塊照片提交。

提交驗(yàn)?zāi)魏?，群控系統(tǒng)才能允許試硫生產(chǎn)一缸。試硫結(jié)束后系統(tǒng)繼續(xù)自動(dòng)鎖定機(jī)臺(tái)禁止硫化。工藝

員需繼續(xù)使用無(wú)線終端設(shè)備對(duì)試硫的輪胎外觀進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)外觀無(wú)錯(cuò)誤和缺陷后拍輪胎規(guī)定部位照

片提交首缸檢驗(yàn)單。群控系統(tǒng)才能解鎖機(jī)臺(tái)，允許該機(jī)臺(tái)進(jìn)入連續(xù)生產(chǎn)狀態(tài)。

硫化群控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

李剛，鄭萬(wàn)利，王忻國(guó)，陳偉，樓鑫，林元表

( 杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

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圖 1 群控系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D

通過(guò)該流程的建立與實(shí)施，機(jī)臺(tái)在更換模具后的生產(chǎn)中出現(xiàn)批量錯(cuò)硫和輪胎外觀病疵概率大幅降

低。

2.2 硫化工藝參數(shù)下傳與確認(rèn)

當(dāng)硫化機(jī)更換規(guī)格后工藝步序時(shí)間及板模溫設(shè)定值需根據(jù)規(guī)格進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在沒(méi)有群控系統(tǒng)時(shí)，需

要工藝員在更換規(guī)格的機(jī)臺(tái)上進(jìn)行逐項(xiàng)修改，工作效率低且容易出錯(cuò)。

通過(guò)群控系統(tǒng)流程建立與功能拓展，在生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)模具更換指令，切換機(jī)臺(tái)狀態(tài)為換模時(shí)，系

統(tǒng)根據(jù)新規(guī)格的編碼從 BOM 中調(diào)取相應(yīng)的工藝步序時(shí)間參數(shù)及板模溫設(shè)定值，通過(guò)下位機(jī)主站送往更

換規(guī)格的機(jī)臺(tái)。工藝員只需在機(jī)臺(tái)觸摸屏上確認(rèn)參數(shù)是否正確并下載完成參數(shù)設(shè)定。

2.3 生產(chǎn)計(jì)劃與物料信息匹配確認(rèn)

胎胚進(jìn)缸硫化前，操作人員需對(duì)胎胚成型條碼和機(jī)臺(tái)條碼進(jìn)行掃描，讓系統(tǒng)識(shí)別輪胎規(guī)格、層級(jí)

以及機(jī)臺(tái)所綁定的模具規(guī)格層級(jí)等信息并進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。

比對(duì)成功則證明該條胎胚可在此硫化機(jī)進(jìn)缸硫化，允許繼續(xù)生產(chǎn)。如果比對(duì)失敗，系統(tǒng)將鎖定機(jī)

臺(tái)禁止進(jìn)缸硫化，直至掃描信息比對(duì)通過(guò)。

此功能有效杜絕生產(chǎn)人員因檢查疏漏導(dǎo)致錯(cuò)硫現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 硫化過(guò)程工藝監(jiān)控與記錄

下位機(jī)從站 PLC 實(shí)時(shí)采集硫化步序、硫化時(shí)間、熱板溫度、模套溫度、內(nèi)溫、內(nèi)壓數(shù)據(jù)，并在觸

摸屏上進(jìn)行顯示，3 天內(nèi)的數(shù)據(jù)可在觸摸屏上直接查詢（見(jiàn)圖 2）。

在下位機(jī)從站 PLC 中設(shè)置報(bào)警參數(shù)。由下位機(jī)從站 PLC 判斷硫化過(guò)程中各硫化步序的熱板溫度、

模套溫度、內(nèi)溫、內(nèi)壓的值是否超出工藝條件公差范圍。

當(dāng) PLC 檢測(cè)到生產(chǎn)中的硫化工藝已超差時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)臺(tái)通過(guò)聲光報(bào)警燈進(jìn)行提示，并將報(bào)警及封存

信息在觸摸屏上進(jìn)行顯示（見(jiàn)圖 3）。下位機(jī)主站把相關(guān)數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。群控系

李剛 等·硫化群控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

239

統(tǒng)掃描獲取報(bào)警數(shù)據(jù)字，自動(dòng)翻譯為相應(yīng)的信息，通過(guò)釘釘系統(tǒng)提供的群機(jī)器人接口，將機(jī)臺(tái)報(bào)警信

息定向推送到相應(yīng)的機(jī)臺(tái)責(zé)任人，提醒相關(guān)責(zé)任人進(jìn)行排查和修復(fù)處理。

通過(guò)上述改造，有效確保硫化過(guò)程工藝的監(jiān)管力度，大幅度提高工藝報(bào)警的處置效率，減少工藝

員在線巡查時(shí)間。

圖 2 下位機(jī)觸摸屏曲線 圖 3 下位機(jī)觸摸屏報(bào)警信息及輪胎封存信息

2.5 三要素曲線及報(bào)警記錄追溯查詢

為了能更好地對(duì)輪胎品質(zhì)進(jìn)行管控追溯，內(nèi)部開(kāi)發(fā)客戶端查詢軟件。

（1）可根據(jù)硫化機(jī)的機(jī)臺(tái)編號(hào)、時(shí)間區(qū)間、條碼信息對(duì)所有硫化曲線進(jìn)行查詢，并可使用拖拉框

方式放大顯示。如此可精確查詢每條輪胎在硫化過(guò)程中各時(shí)間段的硫化步序、溫度和壓力等數(shù)據(jù)。同

時(shí)還能對(duì)畫(huà)面曲線進(jìn)行打印及數(shù)據(jù)導(dǎo)出（見(jiàn)圖 4）。有效提升硫化工藝過(guò)程追溯能力和分析水平。

圖 4 客戶端使用查詢曲線

（2）可通過(guò)“機(jī)臺(tái)編號(hào)”、“時(shí)間區(qū)間”、“報(bào)警信息”等關(guān)鍵字對(duì)所有硫化機(jī)的報(bào)警記錄進(jìn)行查詢。

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

查詢結(jié)果列出所選機(jī)臺(tái)及時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)某一種報(bào)警的所有記錄，如同時(shí)選擇硫化步序則會(huì)篩選出同一

步序的所有報(bào)警記錄。由于某缸輪胎硫化中可能存在多個(gè)報(bào)警，可通過(guò)點(diǎn)擊復(fù)選框“按條碼分組”功能，

只顯示每個(gè)條碼的一項(xiàng)報(bào)警記錄，得出所選時(shí)段對(duì)應(yīng)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)不符工藝的輪胎數(shù)量。系統(tǒng)還能把記錄

導(dǎo)出至 Excel 進(jìn)行后期處理，對(duì)各報(bào)警產(chǎn)生的頻次、機(jī)臺(tái)、硫化步序時(shí)間等分布情況的分析及各種報(bào)

表的制作提供便利（見(jiàn)圖 5）。

圖 5 客戶端查詢報(bào)警

（3）客戶端程序還可對(duì)所有硫化機(jī)在執(zhí)行工藝步序時(shí)間進(jìn)行查詢，方便工藝員對(duì)眾多機(jī)臺(tái)的在執(zhí)

行工藝步序時(shí)間進(jìn)行檢查（見(jiàn)圖 6），無(wú)需前往現(xiàn)場(chǎng)逐臺(tái)檢查，提高了工作的便捷性。

圖 6 客戶端查詢工藝步序時(shí)間

2.6 群控系統(tǒng)的其它功能

李剛 等·硫化群控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

241

（1）輪胎病疵查詢功能?？蓪?duì)任意時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的輪胎進(jìn)行病疵規(guī)格分類查詢，方便對(duì)生產(chǎn)出的

輪胎病疵及時(shí)分析管控。

（2）產(chǎn)量信息統(tǒng)計(jì)功能。可對(duì)任意時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的輪胎依據(jù)機(jī)臺(tái)、班組、員工等要素分類查詢，

匯總該時(shí)段機(jī)臺(tái)員工所生產(chǎn)的各規(guī)格輪胎數(shù)量。

（3）機(jī)臺(tái)狀態(tài)查詢功能。顯示所有硫化機(jī)組當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)（如計(jì)劃?rùn)z修、更換模具、跟換膠囊、

胎胚脫節(jié)等），每間隔半分鐘更新?tīng)顟B(tài)信息?？稍谌我鈺r(shí)間段內(nèi)，通過(guò)選定機(jī)臺(tái)編號(hào)或某項(xiàng)設(shè)備狀態(tài)，

查詢機(jī)臺(tái)過(guò)往狀態(tài)詳情及機(jī)臺(tái)處于各狀態(tài)的匯總時(shí)間。

（4）生產(chǎn)規(guī)格查詢功能?？芍苯语@示所有機(jī)臺(tái)當(dāng)前對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)規(guī)格信息。也可按生產(chǎn)規(guī)格將對(duì)應(yīng)

機(jī)臺(tái)編號(hào)分組顯示。

（5）膠囊使用次數(shù)查詢功能?？蓪?duì)所有機(jī)臺(tái)在使用的膠囊次數(shù)進(jìn)行查詢，方便工藝員對(duì)膠囊使用

情況進(jìn)行監(jiān)控。

3 結(jié)束語(yǔ)

該群控系統(tǒng)在硬件選型上使用的都是工業(yè)級(jí)備件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在多年的使用中未出現(xiàn)異常死

機(jī)和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。系統(tǒng)功能也在工藝、生產(chǎn)、設(shè)備各方面的管理需求下不斷完善和升級(jí)。應(yīng)用此系

統(tǒng)后未再出現(xiàn)模具更換錯(cuò)誤、人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)硫現(xiàn)象，解決了很多硫化工序工藝和生產(chǎn)上的管理難

點(diǎn)，受到員工廣泛好評(píng)。

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

隨著各國(guó)對(duì)安全、環(huán)保、節(jié)能要求的不斷提高 , 改進(jìn)現(xiàn)有的工藝和技術(shù)，采用綠色環(huán)保的原料，

從而實(shí)現(xiàn)橡膠制品的綠色發(fā)展已成為必然趨勢(shì) ；聚碳酸亞丙酯（PPC）是由二氧化碳和環(huán)氧丙烷聚合

而成，CO2 含量約占一半，價(jià)格低廉，PPC 的利用可固定 CO2，有利于緩解目前的環(huán)境污染現(xiàn)狀，是實(shí)

現(xiàn)二氧化碳資源的循環(huán)利用的新途徑，因此，PPC 被認(rèn)為是一種綠色環(huán)保的材料 ；縱觀 PPC 在國(guó)內(nèi)的

應(yīng)用現(xiàn)狀，主要是高分子量 PPC 在生物降解材料，如農(nóng)作物地膜上的使用 [1-6] ；眾所周知，我國(guó)是釀

酒大國(guó)，糧食發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生了大量的二氧化碳，如直接排到大氣中，會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng) ；將其與環(huán)氧

丙烷初步反應(yīng)可得到低分子量 PPC，在對(duì)低分子量 PPC 進(jìn)行改性后，用于橡膠制品中 , 可產(chǎn)生獨(dú)特的

改性效果，不失為綠色橡膠研發(fā)的新方向 [7]。

炭黑是橡膠制品最重要的補(bǔ)強(qiáng)劑之一，炭黑的大量使用為橡膠制品貼上了黑色的標(biāo)簽 ；作為一種

新型淺色填料，勃姆石 (BM) 由 Al-O6 八面體層疊組成，呈堿性，可以促進(jìn)硫化，其來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，

在聚合物中具有較好的分散和浸潤(rùn)性能，可部分替代炭黑、白炭黑等補(bǔ)強(qiáng)劑，減少環(huán)境污染，降低混

煉能耗，提高膠料性價(jià)比 [8-11]。

丁腈橡膠是耐油密封圈膠料的主體材料，但其耐高溫性能差 [12-13]，采用乙烯丙烯酸酯橡膠（AEM）[14-15]

作為并用改性劑，從膠料的加工、物性及成本角度綜合考慮，優(yōu)選 NBR/AEM 的并用比為 80/20 ；將低

分子量 PPC、MA 和勃姆石制成預(yù)混料，在改善其 PPC 加工性能的同時(shí)，替代 DOP 等酯類增塑劑，符合

歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn) ；將 PPC 預(yù)混料與白炭黑添加到 NBR/AEM 并用膠中 ；研究了 PPC 預(yù)混料和白炭黑的用量

對(duì)膠料力學(xué)、耐老化、耐介質(zhì)以及壓縮性能的影響，以獲得綠色、高性價(jià)比的耐油密封圈膠 ；同時(shí)，

拓寬低分子量 PPC 在橡膠工業(yè)中的的應(yīng)用領(lǐng)域，為綠色橡膠的研究提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及設(shè)備

原料 : 丁腈橡膠（NBR-41），蘭州石化有限公司產(chǎn)品 ；乙烯丙烯酸酯橡膠（Vamac-GLS），美國(guó)杜

邦公司產(chǎn)品；聚碳酸亞丙酯 PPC（數(shù)均分子量：2000-4500），江蘇中科金龍化工有限公司產(chǎn)品；勃姆石，

濟(jì)南唐盛化工有限公司 ；堿性白炭黑 ：滄州鑫誠(chéng)盛化工有限公司 ；硫化劑 HMDC-70、加工助劑 VAM、

脫模劑 18D 和促進(jìn)劑 DOTG-75 ：無(wú)錫諾曼高分子材料有限公司產(chǎn)品 ；沉淀法白炭黑 , 山東立華新材料

有限公司產(chǎn)品 ；活性劑、促進(jìn)劑、防老劑等均為市售產(chǎn)品。

儀器 ：煉膠、硫化工藝采用無(wú)錫第一橡塑廠生產(chǎn)的 XK-160 型開(kāi)煉機(jī)和 QLB-50D/Q 型平板硫化機(jī) ；

性能測(cè)試主要采用臺(tái)灣高鐵科技有限公司生產(chǎn)的 GT-M2000-A 型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、高低溫電腦拉力機(jī)以

及上海實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠生產(chǎn)的 401-B 型熱老化箱等。

1.2 PPC/ 勃姆石預(yù)混料的制備

（1）將低分子量 PPC 加熱至 60 ～ 75℃，再加入順丁烯二酸酐 MA 進(jìn)行混合攪拌，使順丁烯二酸酐

低分子量 PPC 的改性及其在橡膠

綠色化研究中的應(yīng)用

王忠光 *

，趙桂英，楊昭，徐云慧，孔媛

( 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

王忠光 等·低分子量 PPC 的改性及其在橡膠綠色化研究中的應(yīng)用

243

在低分子量 PPC 中完全溶解，制備改性 PPC，按質(zhì)量配比為 ：低分子量 PPC ：順丁烯二酸酐 =10 ：2。

（2）將經(jīng)步驟（1）制得的改性 PPC，添加到操作改性劑勃姆石中，控制二者的質(zhì)量比為 1 ：3 ；

在加熱式捏合機(jī)中混合，控制攪拌速度在 40-45r/min，當(dāng)物料溫度升至 55℃時(shí)，繼續(xù)恒溫混合 1h 左右，

制得低分子量 PPC/ 勃姆石預(yù)混料。

1.3 混煉膠的組成

NBR-41，80（質(zhì)量份，下同）；Vamac-GLS,20 ；硬酯酸，1.5 ；氧化鋅，5 ；防老劑，1 ；促進(jìn)劑

CZ,1.5 ；TMTD-80，1.5 ；DTDM，2 ；硫 化 劑 HMDC-70，0.5 ；促 進(jìn) 劑 DOTG-75，1 ；PEG-4000，2 ；

KH-560，1 ；VAM，1 ；18D，1 ；堿性白炭黑，20 ；其余原料均為變量，詳見(jiàn)下表 1 所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)配方

配方 1# 2# 3# 4# 5#

白炭黑 30 24 15 9 0

增塑劑 10 8 5 3 0

PPC/ 勃姆石預(yù)混料 0 8.4 21 29.4 42

1.4 試樣制備

混煉膠的制備 ：調(diào)節(jié)輥距至 0.1mm，首先對(duì) NBR 薄通塑煉 3 ～ 4 次后，加入 AEM、硬脂酸、加工

助劑 VAM、脫模劑 18D，打三角包 5 個(gè)，使 NBR 和 AEM 在開(kāi)煉機(jī)輥筒上混合均勻，且不輾輥；調(diào)大輥距，

加入上述膠料并包輥，依次加入活性劑氧化鋅，防老劑等 ；再加入堿性白炭黑、沉淀法白炭黑、PPC

預(yù)混料及增塑劑等，最后加入硫化劑、促進(jìn)劑等小料，待小料吃完后，調(diào)小輥距至 0.5mm 左右，薄通

并打 5 個(gè)三角包，然后調(diào)大輥距至 2.5~3mm，打大卷、下片，即可制得混煉膠片 [16]。

硫化膠片 ：適當(dāng)停放后，采用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)試膠料的工藝性能，在平板硫化機(jī)上設(shè)定工藝參數(shù)，

硫化所需的膠片，其中，硫化溫度設(shè)定為 ：170℃，硫化時(shí)間按照 T90 進(jìn)行。

1.5 性能測(cè)試

工藝性能及各項(xiàng)物性均采用相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，壓縮試驗(yàn)采用 B 型試樣 ；老化、耐介質(zhì)以及壓

縮的實(shí)驗(yàn)條件均為 ：125℃ ×72h[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠加工性能的影響

表 2 為 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠加工性能的影響。

表 2 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠加工性能的影響

從表 2 中硫化特性參數(shù)可以看出，膠料的硫化時(shí)間 T90 均隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加而逐漸降低，

原因可能有兩方面，一方面 PPC 可通過(guò) MA 來(lái)參與橡膠的交聯(lián)反應(yīng)，另一方面 PPC 用量的增加，操作

改性劑勃姆石用量相應(yīng)增加，白炭黑用量減少，降低了白炭黑對(duì)促進(jìn)劑的吸附作用，因此膠料的硫化

時(shí)間縮短；各配方腳料的焦燒時(shí)間 T10 都在 1min 左右，確保硫化時(shí)有足夠的時(shí)間使膠料充滿整個(gè)模腔，

以得到完整的膠片 ；從表 2 還可以看出，隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加，膠料的最大轉(zhuǎn)矩 MH 和最小轉(zhuǎn)

矩 ML 逐漸減少，PPC 預(yù)混料具有增塑作用，改善了膠料的流動(dòng)性，便于加工成型。

2.2 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠力學(xué)性能的影響

PPC 預(yù)混料的用量

硫化特性參數(shù)

MH/dN·m ML/dN·m t c10/m:s t c90/m:s t c100/m:s

1# PPC 預(yù)混料 0 68.50 14.70 1:31 6:17 28:40

2# PPC 預(yù)混料 8.4 45.44 10.88 1:12 5:30 25:20

3# PPC 預(yù)混料 21 41.87 6.09 1:05 4:28 23:59

4# PPC 預(yù)混料 29.4 33.87 5.42 1:04 3:57 23:57

5# PPC 預(yù)混料 42 22.57 2.87 0:56 3:54 21:11

244

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠力學(xué)性能的影響如圖 1、圖 2 所示。

圖 1 300% 定伸應(yīng)力下膠料的力學(xué)性能

圖 2 膠料的撕裂強(qiáng)度變化

從圖 1、2 可以看出，隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加，膠料的硬度、300% 定伸應(yīng)力以及撕裂強(qiáng)度逐

漸減小，膠料剛性降低，抵抗變形能力以及抗裂紋擴(kuò)展能力變差，這可能與膠料中白炭黑的用量逐漸

降低有關(guān) ；而膠料的拉伸強(qiáng)度則隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng) PPC 預(yù)混料

用量 8.4 份時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，達(dá)到 14.88MPa，當(dāng) PPC 預(yù)混料用量大于 29.4 份時(shí)，拉伸強(qiáng)度明顯降低；

說(shuō)明適當(dāng)用量的 PPC 預(yù)混料和白炭黑并用，可改善白炭黑在橡膠中的分散性，提高其補(bǔ)強(qiáng)效果 ；同時(shí)，

PPC 預(yù)混料參與橡膠的交聯(lián)反應(yīng)，形成了更為緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達(dá)到較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，提高了抗拉伸

破壞的能力 ；當(dāng) PPC 預(yù)混料超過(guò)一定用量時(shí)，導(dǎo)致白炭黑的用量減少，補(bǔ)強(qiáng)性減弱，膠料的拉伸強(qiáng)度

明顯降低 ；從圖 1、2 中還可以看出，隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加，膠料的伸長(zhǎng)率明顯提高，當(dāng) PPC

預(yù)混料用量 8.4 份時(shí)，膠料的伸長(zhǎng)率最大，達(dá)到 665%，說(shuō)明添加 PPC 預(yù)混料能夠提高膠料的形變。

2.3 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠老化性能的影響

PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠老化性能的影響如圖 3 所示。

圖 3 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠老化性能的影響

王忠光 等·低分子量 PPC 的改性及其在橡膠綠色化研究中的應(yīng)用

245

從圖 3 可以看出，老化后膠料的硬度增加，拉伸強(qiáng)度降低，其中硬度增量均在 +2 左右 ；當(dāng) PPC 預(yù)

混料的用量為 0 份時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度變化率最大，達(dá)到 -12% ；老化后膠料的伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)下降的

趨勢(shì)，降幅最大的是 PPC 預(yù)混料用量 0 份時(shí)的膠料，為 -14.7%，最小的是 PPC 預(yù)混料用量 29.4 份和

42 份時(shí)的膠料，均為 -8% 左右 ；總體來(lái)看，各膠料均具有較好的耐老熱化性能 ；當(dāng) PPC 預(yù)混料的用量

為 29.4 份、堿性白炭黑用量為 9 份時(shí)，老化后膠料的性能變化率最小，其耐老化性能最優(yōu)。

2.4 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠耐介質(zhì)性能的影響

下圖 4 為 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠耐介質(zhì)性能的影響

圖 4 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠耐介質(zhì)性能的影響

從圖 4 可知，耐油后膠料的硬度、拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均小于耐油前，PPC 預(yù)混料用量 42 份時(shí)，膠

料的拉伸強(qiáng)度變化率最大，為 -11%；PPC 預(yù)混料用量 8.4 份時(shí)，膠料的拉伸強(qiáng)度變化率最小，為 -5%；

硬度降幅最大的是 PPC 預(yù)混料用量 0 份和 8.4 份時(shí)的膠料，均為 -3，最小的是 PPC 預(yù)混料用量 21 份

時(shí)的膠料，僅為 -1 ；當(dāng) PPC 預(yù)混料用量 0 份時(shí)，膠料的伸長(zhǎng)率變化率最大，達(dá)到 -21%，而 PPC 預(yù)混

料用量 21 份時(shí)，膠料的伸長(zhǎng)率變化率最小，為 -12% ；原因是油類在高溫作用下侵入橡膠內(nèi)部，對(duì)其

分子的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到了一定的破壞作用，導(dǎo)致膠料的強(qiáng)度、抗變形能力降低 ；由于 PPC 預(yù)混料參

與橡膠的交聯(lián)反應(yīng)，使膠料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為緊密，同時(shí)，操作改性劑勃姆石呈片狀，在一定程度上阻

止了油類介質(zhì)的侵入，因此，含有 PPC 預(yù)混料膠料的耐油性能較好。

從圖 4 還可以看出，耐油后膠料的體積變化率均為正值，說(shuō)明在高溫作用下，油類介質(zhì)侵入膠料

內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致膠料吸油后體積膨脹；但由于油類介質(zhì)的吸入量較少，膠料的體積變化率不明顯；

隨著 PPC 預(yù)混料在并用膠中用量的增加，膠料的體積變化率呈逐漸降低的趨勢(shì)，但 PPC 預(yù)混料的添加

量為 21 份時(shí)，并用膠的體積變化率達(dá)到最小值，僅為 +1.98%，說(shuō)明膠料內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密性，

阻止了油類介質(zhì)的侵入和腐蝕作用。

2.5 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠壓縮性能的影響

下圖 5 為 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠壓縮性能的影響。

圖 5 PPC 預(yù)混料對(duì) NBR/AEM 并用膠壓縮性能的影響

246

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

從圖 5 可以看出，隨著 PPC 預(yù)混料添加量的增加，并用膠的壓縮永久變形逐漸降低 ；當(dāng) PPC 預(yù)混

料添加量 42 份、沉淀法白炭黑添加量 0 份時(shí)，膠料的壓縮永久變形最小，為 34%，明顯小于 PPC 預(yù)混

料用量 0 份、白炭黑用量 30 份時(shí)膠料的壓縮永久變形 ；相對(duì)于白炭黑來(lái)講，勃姆石顆粒較粗，膠料

具有較好的彈性恢復(fù)能力，因此，膠料的抗壓變性能提高。

3 結(jié)論

⑴膠料具有較好的加工性能，隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加，膠料的硫化時(shí)間 T90 逐漸降低，高效

節(jié)能 ；PPC 預(yù)混料具有增塑作用，改善了膠料的流動(dòng)性，便于加工成型。

⑵隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加，膠料的硬度、定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度降低 ；拉伸強(qiáng)度先增加后降低，

當(dāng) PPC 預(yù)混料用量 8.4 份時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，為 14.88MPa；伸長(zhǎng)率隨著 PPC 預(yù)混料用量的增加明顯提高，

當(dāng) PPC 預(yù)混料用量 8.4 份時(shí)，膠料的伸長(zhǎng)率最大，達(dá)到 665%。

⑶當(dāng) PPC 預(yù)混料用量 29.4 份時(shí)，老化后膠料的性能變化率最小，其耐熱老化性能最優(yōu) ；隨著 PPC

預(yù)混料添加量的增加，并用膠的壓縮永久變形、體積變化率逐漸降低 ；當(dāng) PPC 預(yù)混料添加量為 21 份、

白炭黑添加量為 15 份時(shí)，膠料的綜合性能最好，且明顯優(yōu)于白炭黑填充膠 ；低分子量 PPC 替代酯類

增塑劑，可為綠色橡膠的研究提供有益的參考。

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彭森明·一種燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)的研究

247

各企業(yè)對(duì)廢氣處理方法有多種，有吸附法、吸收法、生物法、氧化法、燃燒法等。最近十年，工

廠對(duì)主機(jī)排風(fēng)口處理采用廢氣處理方式，一般做法是采用除塵風(fēng)機(jī)加布袋式除塵器，采用水沖洗處理、

電離子分離處理，或采用活性炭吸附除味或有些小風(fēng)量的利用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)直接外排。最近有的做法為采

用一種光觸媒強(qiáng)化抑菌除味過(guò)濾器制造技術(shù)，光觸媒強(qiáng)化抑菌除味過(guò)濾器屬于空氣過(guò)濾技術(shù)領(lǐng)域，通

過(guò)對(duì)過(guò)濾單元的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，使通過(guò)裝置的流速減緩、增大單位體積的光觸媒接觸面積和延長(zhǎng)

光觸媒反應(yīng)時(shí)間，從而達(dá)到更好的除臭、殺菌功效果。但這種做法存在超溫或漏電或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)?/p>

它是光催化電離分離技術(shù)?；钚蕴看嬖谖⒖锥讶?、易失效、使用時(shí)間不長(zhǎng)。為避免上述風(fēng)險(xiǎn)，克服上

述弊端，目前開(kāi)發(fā)一種燜燒法除味技術(shù)。我們與北京萬(wàn)向新元科技股份有限公司合作，開(kāi)發(fā)利用一種

新技術(shù)即燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體外形圖如圖 1 所示，其系統(tǒng)流程圖如圖 2 所示。

圖 1 燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)

圖 2 燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)流程圖

一種燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)

的研究

彭森明

( 萬(wàn)力輪胎股份有限公司，廣州 從化 510940)

248

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

1 采用燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)項(xiàng)目

該項(xiàng)目于 2018 年發(fā)布和實(shí)施，為萬(wàn)力輪胎（廣州從化基地）煉膠車間廢氣治理設(shè)備改造項(xiàng)目，

1500 萬(wàn)套項(xiàng)目共有十多臺(tái)密煉機(jī)，熱膠煙氣廢氣排放口 30 個(gè)，每個(gè)排放口風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量達(dá) 17000m3

/h。

原配置的廢氣處理藝為除塵 + 活性炭吸咐，本項(xiàng)目將對(duì)原處理方案進(jìn)行改造，拆除原活性炭吸附裝置

和改進(jìn)布袋除塵系統(tǒng)。

改造后的母煉生產(chǎn)線投料口、排料口廢氣治理系統(tǒng)從兩臺(tái)除塵器后端匯合后，先進(jìn)入 EPA 系統(tǒng)，

吸附濃縮燃燒處理 VOCs 廢氣。

2 治理方案

治理方案包括 3 套母煉生產(chǎn)線投料口、排料口廢氣治理系統(tǒng)達(dá) 98880m3

/h，2 套終煉生產(chǎn)線投料口、

排料口廢氣治理系統(tǒng)達(dá) 68880m3

/h ；2 套母煉生產(chǎn)線投料口、排料口、一次法生產(chǎn)線廢氣治理系統(tǒng)

兩臺(tái)除塵器后端匯合后，先進(jìn)入 EPA 系統(tǒng)，吸附濃縮燃燒處理 VOCs 廢氣。母煉投料口、排料口

和一次法線電加熱催化燃燒設(shè)備、吸收風(fēng)機(jī)、脫附風(fēng)機(jī)，噴淋塔塔體、排水泵及過(guò)濾器等各 10 多臺(tái) ；

循環(huán)水泵 20 多臺(tái)。配有 10 多套臭氧站、多套控制及軟件系統(tǒng)

2.1 二級(jí)除塵器

二級(jí)除塵器包括過(guò)濾器箱體、抽插式濾袋、壓差檢測(cè)儀表等，采用模塊化設(shè)計(jì)，方便快速更換濾袋。

該項(xiàng)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn) ：①過(guò)濾面積大，容塵量高 ；②風(fēng)量大，阻力低，使用壽命長(zhǎng) ；③適合在潮濕，

高氣流和塵埃負(fù)載大的環(huán)境下使用 ；④獨(dú)特的袋式結(jié)構(gòu)，確保氣流均衡充滿整個(gè)袋子，獨(dú)特的熱熔技

術(shù)可防止濾袋之間的滲漏。處理風(fēng)量 68800/98800m3

/h, 過(guò)濾風(fēng)速約 1m/min、過(guò)濾粒徑大于 0.5um、

過(guò)濾效率 94.88%。

2.2 廢氣高效凈化一體機(jī)（EPA）

（1）工作流程及原理 ：高效凈化一體機(jī)由濃縮腔室、廢氣催化燃燒裝置、分解氣體產(chǎn)生裝置、分

解廢氣預(yù)熱裝置、閥門、風(fēng)機(jī)、控制柜等組成，高效凈化一體機(jī)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。高效凈化一體機(jī)原理主

要是通過(guò)吸附濃縮加分解催化燃燒的處理方式。采用隔離分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用濃縮吸附材料對(duì)廢氣中

的有機(jī)化合物進(jìn)行濃縮，飽和之后的濃縮吸附材料通過(guò)分解氣體 ；反吹分解析出有機(jī)化合物，恢復(fù)濃

縮性吸附材料能循環(huán)使用，分解析放出高濃度小風(fēng)量有機(jī)廢氣進(jìn)入新型預(yù)熱裝置預(yù)熱至催化燃燒溫度

后進(jìn)入催化燃燒室開(kāi)始無(wú)火焰燃燒反應(yīng)，燃燒后產(chǎn)生 CO2 和水蒸氣，無(wú)需二次處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣的有

效治理。適用于輪胎廠橡膠廠母煉生產(chǎn)線廢氣處理。

（2）技術(shù)優(yōu)勢(shì) ：通過(guò)濃縮，將“低濃度大風(fēng)量的廢氣”轉(zhuǎn)換為“高濃度小風(fēng)量的廢氣”，大大降

低催化處理風(fēng)量，降低成本 ；濃縮后的高濃度廢氣在催化劑作用下加快有機(jī)物化學(xué)反應(yīng)，即保證了在

400-500℃，催化劑運(yùn)行安全放和節(jié)約能耗 ；利用燃燒后乏氣的熱能進(jìn)行分解釋析，降低了能耗，大

大節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用 ；濃縮吸附無(wú)傳動(dòng)部件，減少了廢氣的泄漏率和設(shè)備的故障率 ；系統(tǒng)集成化程序高，

體積小，采用模塊化集裝箱設(shè)計(jì)，運(yùn)輸方便，安裝簡(jiǎn)單，節(jié)省工期 ；即可實(shí)現(xiàn)單體設(shè)備 PLC 控制，也

可參與用戶 DCS 集中控制，在線精準(zhǔn)控制，靈活選擇 ；氧化徹底，外排氣體物主要為二氧化碳和水蒸

氣為主，完全實(shí)現(xiàn)“超低排放”，滿足環(huán)保要求。

（3）EPA 高效凈化一體機(jī)參數(shù) ：處理風(fēng)量 68800m3

/h 和處理風(fēng)量 99800m3

/h、再生風(fēng)機(jī)運(yùn)行濾芯

吸附風(fēng)速平均 0.3m/s、脫附風(fēng)速 0.058m/s，催化氧化平均溫度約 400℃

2.3 催化氧化一體機(jī)（COA）

技術(shù)原理 : 復(fù)合催化氧化一體化就是將臭氧氧化與吸收法高效結(jié)合。臭氧有很強(qiáng)氧化性，在適當(dāng)

的條件下，可把環(huán)境中的大多數(shù)化合物進(jìn)行氧化，生成一些單分子，對(duì)有機(jī)物有較強(qiáng)的氧化降解作用。

通過(guò)一種試劑直接噴淋廢氣，吸收廢氣中的污染物質(zhì)和粉塵顆粒。因吸收劑是堿性溶液，吸收劑能與

橡膠廢氣中的酸性物質(zhì)進(jìn)行中和反應(yīng)，特別適合于橡膠終煉生產(chǎn)線廢氣處理。將吸收法和臭氧氧化法

相結(jié)合，吸收液經(jīng)過(guò)氧化的單原子分子吸收，達(dá)到強(qiáng)化處理效果 ；另外，臭氧在水溶液中的分解度比

彭森明·一種燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)的研究

249

在氣相中大，快速得多，能快速分解還原氧氣，解決了臭氧消耗不完全、直接排放的問(wèn)題。

復(fù)合催化氧化一體機(jī)降解機(jī)理 : 復(fù)合催化氧化一體機(jī)由循環(huán)水泵、排污泵、噴淋塔、離心風(fēng)機(jī)、、

混合器、臭氧站、配液系統(tǒng)組成。復(fù)合催化氧化一體機(jī)工作流程為 ：①通過(guò)混合器的廢氣，先與臭氧

站來(lái)的臭氧反應(yīng)，將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物 ；②氧化后的廢氣進(jìn)入一體機(jī)，采用逆向霧化

噴淋，使得廢氣與吸收液充分接觸，經(jīng)過(guò)中和吸收，有機(jī)物小分子和酸性氣體分別與吸收液反應(yīng)到去除，

通過(guò)風(fēng)機(jī)將凈化后氣體排放排氣筒達(dá)到達(dá)標(biāo)排放。

復(fù)合催化氧化一體機(jī)處理密煉車間廢氣的優(yōu)勢(shì)如下 ：①處理效果好 ；臭氧對(duì)絕大部分有機(jī)物具有

降解效果，噴淋可降解廢氣中顆粒物和部分有機(jī)污染物，臭氧氧化和噴淋吸收相結(jié)合，處理效果好 ；

②應(yīng)用范圍廣 ；該設(shè)備適用于各種成分廢氣的處理，對(duì)廢氣預(yù)處理要求低 ；③自動(dòng)化程度高 ：系統(tǒng)通

過(guò)可編程控制器 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表閥門等各種信號(hào)的采集和執(zhí)行動(dòng)作控制 ；④裝置安全可靠 ：復(fù)合

催化氧化一體機(jī)內(nèi)無(wú)高溫、高壓電氣部件，廢氣中顆粒物和水汽不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響，運(yùn)行安全 ；⑤

防腐性能好 ：復(fù)合催化氧化一體機(jī)外殼采用 PP 制作，具有良好的耐腐蝕性能，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)。處

理風(fēng)量 70000~80000m3

/h。

臭氧裝置 : 該臭氧是由注入式低溫等離子裝置產(chǎn)生，注入式低溫等離子發(fā)生器的核心采用了先進(jìn)

的介質(zhì)阻擋雙間隙放電技術(shù)，原料氣流經(jīng)絕緣介質(zhì)與高壓電極之間以及絕緣介質(zhì)層和臭氧發(fā)生器罐體

接地極之間的狹小間隙，兩個(gè)環(huán)狀間隙之間的高壓電場(chǎng)雙面放電，將通過(guò)的氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧，臭氧產(chǎn)

生效率高。工業(yè)上一般采用電暈放電法制取。其工作原理為 ：當(dāng)空氣通過(guò)對(duì)高壓交流電極之間的放電

電場(chǎng)時(shí)，在高速電子流的轟擊下將氧分子離解為氧原子，氧原子迅速與氧分子反應(yīng)生成臭氧分子。

3 工藝說(shuō)明

本方案采用“吸附材料吸附濃縮”和“低溫催化氧化”復(fù)合技術(shù)，先對(duì)廢氣中的有機(jī)物進(jìn)行濃縮，

使低濃度大風(fēng)量的廢氣裝換為高濃度小風(fēng)量的廢氣，濃縮之后的高濃度廢氣在催化劑的作用下進(jìn)行低

溫?zé)o火焰燃燒（即催化氧化），同時(shí)自身燃燒產(chǎn)生的溫度可以滿足燃燒溫度，無(wú)需再外部預(yù)熱，催化

燃燒生成 CO2 和 H2O。

EPA 廢氣高效凈化一體機(jī)主要包含“廢氣吸附濃縮裝置”和“廢氣催化氧化裝置”，具體介紹如下。

3.1 廢氣吸附濃縮裝置

廢氣吸附濃縮裝置是通個(gè)多個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的廢氣濃縮吸附單元對(duì)收集之后的工業(yè)廢氣（主要成分

VOC）進(jìn)行吸附處理，當(dāng)吸附單元內(nèi)的吸附材料吸附至一定量（動(dòng)態(tài)飽和量）后，利用小風(fēng)量的高溫

熱空氣加熱吸附材料，使吸附材料表面的 VOC 脫附解析，經(jīng)廢氣催化氧化裝置處理，從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢

氣的高效處理。本裝置為機(jī)電儀一體化定制設(shè)備，主要設(shè)備包括風(fēng)機(jī)、VOC 有機(jī)廢氣預(yù)處理設(shè)備、廢

氣吸附濃縮裝置（塔或床）、自動(dòng)閥門、電器和自控集成系統(tǒng)等，設(shè)備規(guī)格設(shè)計(jì)依據(jù)工業(yè) VOC 有機(jī)廢

氣總風(fēng)量。VOC 有機(jī)廢氣進(jìn)入吸附單元之前，采取預(yù)處理工藝，包括濾袋過(guò)濾、洗滌、調(diào)濕等方法，

去除粉塵、高沸點(diǎn)或易聚合的有害物質(zhì)，延長(zhǎng)吸附材料使用壽命，經(jīng)處理后的 VOC 進(jìn)入廢氣吸附濃縮

單元，其中有機(jī)化合物被吸附，吸附之后的凈化氣經(jīng)排放煙囪高空排放。高溫?zé)峥諝庾鳛榻馕鰵怏w進(jìn)

行吸附材料解析再生，形成空氣與有機(jī)化合物混合氣體進(jìn)入催化氧化裝置發(fā)生催化氧化反應(yīng)。本裝置

為全自動(dòng)工藝控制設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)無(wú)需人員值守（可根據(jù)用戶需求采用手動(dòng)調(diào)節(jié)）。VOC 有機(jī)廢氣管路和

吸附器中的閥門執(zhí)行器均采用氣動(dòng)式，滿足廢氣處理過(guò)程的防爆要求。噴淋加水裝置如圖 3 所示。

250

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圖 3 噴淋加水裝置

3.2 廢氣催化氧化裝置

廢氣催化氧化裝置內(nèi)裝有耐高溫 VOC 高效凈化催化劑，使脫附之后的有機(jī)廢氣在溫度較低的條件

下迅速氧化成水和二氧化碳，達(dá)到處理廢氣的目的。與直接燃燒相比，催化氧化（又叫催化燃燒）溫

度較低，反應(yīng)平穩(wěn)完全。催化氧化過(guò)程是在催化氧化裝置中進(jìn)行的。有機(jī)廢氣先通過(guò)熱交換器預(yù)熱到

210~380℃，再進(jìn)入催化氧化室，通過(guò)催化劑床時(shí)，碳?xì)浠衔锏姆肿雍突旌蠚怏w中的氧分子分別被

吸附在催化劑的表面而活化。由于表面吸附降低了反應(yīng)的活化能，碳?xì)浠衔锱c氧分子在較低的溫度

下迅速氧化，產(chǎn)生二氧化碳和水。催化氧化反應(yīng)的關(guān)鍵是選擇合適的催化劑，要求 ：活性高，特別要

低溫活性好，以便在盡可能低的溫度下開(kāi)始反應(yīng)。燃燒反應(yīng)是放熱反應(yīng)，釋放出大量的熱可使催化劑

的表面達(dá)到 500℃以上的高溫，而催化劑容易因熔融而降低活性，所以要求催化劑能耐高溫。

3.3 催化劑系統(tǒng)工作流程

初次開(kāi)機(jī)并自動(dòng)運(yùn)行，首先會(huì)有一個(gè)碳箱處于待機(jī)狀態(tài)。處于待機(jī)狀態(tài)的碳箱不吸附也不脫附，

吸附閥和脫附閥都會(huì)關(guān)閉?？梢?24h 運(yùn)行，能更改設(shè)定時(shí)間。經(jīng)一段時(shí)間后，該碳箱吸附，其余碳箱

輪流脫附，不處于脫附狀態(tài)的碳箱則吸附（在同一時(shí)間內(nèi)，有一個(gè)碳箱處于脫附或待機(jī)狀態(tài)，即始終

遵循多用一備原則）。這些碳箱都脫附完一遍后，本輪最后一次脫附的碳箱進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)完成后，

此次待機(jī)的其余碳箱再進(jìn)行輪流脫附。如此往復(fù)循環(huán)。

碳箱吸附過(guò)程，即吸附閥打開(kāi)，脫附閥關(guān)閉，碳箱吸附來(lái)自車間的廢氣。碳箱脫附過(guò)程，即吸附

閥關(guān)閉，脫附閥打開(kāi)，將吸附來(lái)的雜質(zhì)通過(guò)高溫加熱轉(zhuǎn)換成清潔氣排出去，脫附開(kāi)始時(shí)，首選脫附風(fēng)

機(jī)會(huì)滿頻率空吹一次，然后其關(guān)閉，打開(kāi)加熱器，待加熱室溫度達(dá)到所設(shè)的下限值（約 300℃，可手

動(dòng)更改），脫附風(fēng)機(jī)再次開(kāi)啟，將加熱器中的熱能送往當(dāng)前處于脫附狀態(tài)的碳箱，對(duì)此碳箱中的活性

炭加熱，活性炭到達(dá)其設(shè)定的下限溫度值后（約 90℃，可手動(dòng)更改）保持此狀態(tài)再進(jìn)行一段時(shí)間（約

2h，可手動(dòng)更改）后，加熱器關(guān)閉，脫附風(fēng)機(jī)滿頻率吹掃幾分鐘至脫附過(guò)程結(jié)束，再轉(zhuǎn)入下一過(guò)程。

EPA 廢氣高效凈化一體機(jī)主要包含“廢氣吸附濃縮裝置”和“廢氣催化氧化裝置”，具體介紹如下。

3.4 廢氣吸附濃縮裝置

通個(gè)多個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的廢氣濃縮吸附單元的廢氣吸附濃縮裝置，。對(duì)收集后的廢氣（VOC）進(jìn)行吸附

處理，當(dāng)吸附單元內(nèi)的吸附材料吸達(dá)到一定的動(dòng)態(tài)飽和量后，利用小風(fēng)量的高溫?zé)峥諝饧訜嵛讲牧希?/p>

使吸附材料表面的 VOC 脫附分解析出，經(jīng)廢氣催化氧化裝置處理，最終實(shí)現(xiàn)高效處理有機(jī)廢氣。

本裝置為機(jī)電儀表一體化定制設(shè)備，主要設(shè)備有機(jī)廢氣預(yù)處理設(shè)備、廢氣吸附濃縮裝置（塔或床）、

風(fēng)機(jī)、自動(dòng)閥門、電器和自控集成系統(tǒng)等，設(shè)備規(guī)格依據(jù)工業(yè) VOC 有機(jī)廢氣總風(fēng)量。VOC 有機(jī)廢氣進(jìn)

入吸附單元之前，采取預(yù)處理方法，包括過(guò)濾、洗滌、調(diào)濕等方法，去除粉塵、高沸點(diǎn)或易聚合的有

害物質(zhì)，延長(zhǎng)材料使用壽命，經(jīng)處理后的 VOC 進(jìn)入廢氣吸附濃縮單元，其中有機(jī)化合物被吸附，吸附

彭森明·一種燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)的研究

251

之后的凈化氣經(jīng)排放煙囪高空排放。高溫?zé)峥諝庾鳛榉纸馕龇艢怏w進(jìn)行吸附材料解析再生，形成空氣

與有機(jī)化合物混合氣體進(jìn)入催化氧化裝置發(fā)生催化氧化反應(yīng)。燜燒噴淋注裝置如圖 4 所示。

本裝置為全自動(dòng)工藝控制設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)無(wú)需人員值守（可以根據(jù)用戶需要采用手動(dòng)工藝）。VOC 有

機(jī)廢氣管路和吸附器中的閥門執(zhí)行器均采用氣動(dòng)式，滿足廢氣處理過(guò)程的防爆要求。

圖 4 燜燒噴淋法裝置

3.5 廢氣催化氧化裝置 - 催化燃燒

廢氣催化氧化裝置內(nèi)裝有耐高溫 VOC 高效凈化催化劑，使脫附之后的有機(jī)廢氣在溫度較低的條件

下迅速氧化成水和二氧化碳，達(dá)到處理廢氣的目的。與直接燃燒相比，催化氧化（又叫催化燃燒）溫

度較低，反應(yīng)平穩(wěn)完全。催化氧化過(guò)程是在催化氧化裝置中進(jìn)行的。有機(jī)廢氣先通過(guò)熱交換器預(yù)熱到

220 到 380℃之間，再進(jìn)入催化氧化室，通過(guò)催化劑著床，碳?xì)浠衔锓肿雍突旌蠚怏w中的氧分子分

別被吸附在催化劑表面而活化。由于表面吸附降低了反應(yīng)的活化能，碳?xì)浠衔锱c氧分子在較低的溫

度下迅速氧化，產(chǎn)生二氧化碳和水。選擇合適的催化劑是催化氧化反應(yīng)的關(guān)鍵在于活性要高，低溫活

性要好，便于較低溫度下開(kāi)始化學(xué)反應(yīng)。燃燒反應(yīng)是釋放熱量的反應(yīng)，釋放出大量的熱致使催化劑的

表面溫度達(dá)到 500℃以上，催化劑容易因?yàn)槿廴诙档土嘶钚?，所以要求催化劑必需做到耐高溫?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)立項(xiàng)、招標(biāo)、評(píng)審后，2017 年投入改造 , 將新增的多套燜燒噴淋法的廢氣治理系統(tǒng)與原有各密

煉機(jī)生產(chǎn)線的廢氣處理后排放口分別相連。2018 年完成 3 套并投入使用，2020 年以增加 2 套并 2021

年投入使用。每天以 24hh 運(yùn)行。外排氣體獲得凈化，無(wú)異味，轉(zhuǎn)化分解的水質(zhì)及氣體達(dá)到環(huán)保檢國(guó)

家環(huán)保排放監(jiān)測(cè)要求，減少周邊市民投訴，確保了輪胎工廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

252

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

根據(jù)能量守恒定律，輸入的能量等于被有效利用的能量與損失的能量之和，即輸入能量 = 有效能

量 + 損失能量。因此，為提高能量的利用率，在實(shí)際工作中我們必須想法擴(kuò)大有效能量，盡量減少損

失能量。本文簡(jiǎn)要闡述能量平衡的內(nèi)涵和分析方法，結(jié)合鍋爐熱平衡和蒸汽熱平衡介紹能量平衡在輪

胎企業(yè)的應(yīng)用，以期發(fā)現(xiàn)熱力系統(tǒng)存在的問(wèn)題，逐步提高熱力系統(tǒng)的效率，進(jìn)而降低能耗成本。

1 能量平衡的內(nèi)涵及分析方法

1.1 能量平衡的內(nèi)涵

能量平衡是以企業(yè)或設(shè)備為對(duì)象，以能量守恒定律為基礎(chǔ)，進(jìn)行的各種能源收入與支出的平衡、

消耗與有效利用和損失之間的數(shù)量平衡。

能量平衡的目的是通過(guò)對(duì)企業(yè)能源利用系統(tǒng)及其各個(gè)環(huán)節(jié)用能狀況的定量分析，掌握企業(yè)的用能

情況，查找企業(yè)的節(jié)能潛力，明確企業(yè)的節(jié)能方向，為改進(jìn)能源管理、制定節(jié)能技術(shù)措施、降低產(chǎn)品

能耗、提高能源利用效果提供科學(xué)依據(jù)。

能量平衡有兩種方式，一種是以企業(yè)為對(duì)象的能量平衡，稱為企業(yè)能量平衡，平衡期通常為一年；

另一種是以設(shè)備為對(duì)象的能量平衡，稱為設(shè)備能量平衡，平衡期較短。

能量平衡的方法有三種，一是采用測(cè)試計(jì)算與統(tǒng)計(jì)計(jì)算相結(jié)合，二是采用從總體到局部方向進(jìn)行

能量平衡，三是采用正、反平衡相結(jié)合。能量平衡不是瞬時(shí)平衡，客觀上要求以平衡期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)

反映實(shí)際的用能情況，因此測(cè)試計(jì)算與統(tǒng)計(jì)計(jì)算相結(jié)合的方法是能量平衡的原則性方法 ；當(dāng)然，對(duì)若

干用能環(huán)節(jié)和設(shè)備進(jìn)行必要的測(cè)試來(lái)取得數(shù)據(jù)也是能量平衡的客觀需要。為保障數(shù)據(jù)流程與能量流程

客觀上的一致性，能量平衡應(yīng)以企業(yè)能源利用流程為參照系，從能源供應(yīng)到能源消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)和各個(gè)

部位進(jìn)行能量平衡，才能達(dá)到企業(yè)總體平衡與局部平衡的統(tǒng)一和完整。

1.2 能量平衡的依據(jù)及程序

國(guó)內(nèi)是從 70 年代末期開(kāi)始企業(yè)能量平衡工作的，由于能源利用大都是通過(guò)熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，初始階

段是以企業(yè)或設(shè)備熱平衡開(kāi)始 ；到 80 年代初才擴(kuò)展到能量平衡，并于 1983 年正式頒布國(guó)標(biāo) GB3484-

83《企業(yè)能量平衡通則》，把企業(yè)能量分析提高到一個(gè)新階段。

能量平衡的工作程序大體上可分為系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)分析、能量分析、能耗分析和總結(jié)分析等 5 個(gè)

階段。

輪胎企業(yè)的能量平衡主要是指電和熱以及部分主要用能設(shè)備的能量平衡，通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算與測(cè)試計(jì)

算相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合分析。

本文主要闡述輪胎企業(yè)的鍋爐熱平衡和蒸汽熱平衡。

2 鍋爐熱平衡

鍋爐熱平衡的目的是為了保證送入鍋爐的熱量與有效利用熱及各項(xiàng)熱損失的總和相平衡，并在此

基礎(chǔ)上計(jì)算出鍋爐的熱效率和燃料消耗量。

輪胎企業(yè)的熱平衡分析及利用

王其營(yíng)

( 天津國(guó)際聯(lián)合輪胎橡膠股份有限公司，天津 300452)

王其營(yíng)·輪胎企業(yè)的熱平衡分析及利用

253

2.1 鍋爐熱平衡的計(jì)算公式

鍋爐熱平衡的測(cè)量與計(jì)算應(yīng)該在鍋爐處于穩(wěn)定的熱力工況下進(jìn)行，其熱平衡計(jì)算公式為 ：

Qgr= Qg1+ Qg2+ Qg3+ Qg4+ Qg5+Qg6+Qg7+Qg8……………………………………[1]

式 [1] 中 : Qgr 為鍋爐輸入熱量，單位為 kj/kg(kj/m3

), 下同 ；

Qg1 為鍋爐的有效利用熱量 ；

Qg2 為排煙帶走的熱量 ；

Qg3 為氣體不完全燃燒損失的熱量 ；

Qg4 為固體不完全燃燒損失的熱量 ；

Qg5 為鍋爐向周圍環(huán)境散失的熱量 ；

Qg6 為燃料灰渣帶走的熱量 ；

Qg7 為鍋爐排污帶走的熱量 ；

Qg8 為鍋爐其他原因散失的能量。

在此公式中，鍋爐的有效利用熱量 Qg1 是我們需要的，鍋爐熱平衡的目的就是在鍋爐輸入熱量 Qgr

固定的前提下，盡量減小 Qg2、Qg3、Qg4、Qg5、Qg6、Qg7 和 Qg8 的數(shù)值。

2.2 影響鍋爐熱平衡的因素分析及相應(yīng)的措施

在鍋爐熱平衡計(jì)算公式中，鍋爐輸入熱量 Qgr 主要來(lái)自煤、重油及天然氣（包括 LNG 轉(zhuǎn)換的天然氣）

等。當(dāng)然，燃料不同，使用鍋爐的結(jié)構(gòu)就有較大的差別，但是鍋爐運(yùn)行符合最新環(huán)保要求是最基本的

條件，否則就無(wú)從進(jìn)行熱平衡統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

鍋爐的有效利用熱量 Qg1 是計(jì)算鍋爐熱效率的基礎(chǔ)，Qg1 越大，說(shuō)明燃料的熱量被利用的比例越高，

鍋爐的熱效率就越高，反之則越低。因此，想法把 Qg1 擴(kuò)大，是通過(guò)熱平衡計(jì)算后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并通過(guò)改

進(jìn)達(dá)到的目標(biāo)。

排煙帶走的熱量 Qg2 是燃?xì)忮仩t最主要的熱損失，它取決于排煙溫度與空氣系數(shù)。目前 , 燃?xì)忮仩t

的排煙溫度一般在 100% ～ 150℃之間，排煙溫度偏高 , 導(dǎo)致鍋爐的熱效率降低，排煙帶走的熱量 Qg2

隨排煙溫度的升高而增大。為減少排煙帶走的熱量，可采取三方面的措施 ：一是降低排煙溫度，排煙

溫度每降低 10℃，排煙熱損失可減少 0.6% ～ 0.8%，則鍋爐的熱效率相應(yīng)增加 0.6% ～ 0.8% ；二是降

低排煙處空氣系數(shù)，空氣系數(shù)每增加 0.1，排煙熱損失增加 0.35% ；三是回收煙氣蒸汽中的潛熱，燃

氣鍋爐排煙中含有蒸汽 , 過(guò)熱的蒸汽是煙氣中熱量的主要攜帶者。煙氣中除顯熱外 , 還有大量潛熱 ,

這部分熱損失的 70% 可以通過(guò)接觸式換熱設(shè)備進(jìn)行回收 ；煙氣露點(diǎn)一般為 58℃ , 如果將排煙溫度降到

煙氣露點(diǎn)以下 , 通過(guò)回收蒸汽潛熱可提高鍋爐熱效率 7% ～ 9%；如果將降低到煙氣露點(diǎn)之前的顯熱回收，

可使鍋爐熱效率提高 2% ～ 6% ；同時(shí)，由于排煙溫度降低高，煙氣中的水汽冷凝溶解的氮氧化物增加，

導(dǎo)致氮氧化物排放量減少，煙筒冒白煙的現(xiàn)象減輕。

氣體不完全燃燒損失的熱量 Qg3 主要是排煙中未完全燃燒或燃盡的可燃性氣體（如 CO、H、CH4 等）

所帶走的熱量，其大小取決于鍋爐的型式、燃料成分、爐膛溫度、爐膛空氣系數(shù)以及運(yùn)行操作是否合

理等。氣體不完全燃燒損失的熱量 Qg3 只要合理控制，可以在一定程度上得到控制。目前，燃?xì)忮仩t

燃燒器的燃燒效率一般為 99.0% ～ 99.5%, 即氣體不完全燃燒熱損失率為 1.0% ～ 0.5%。燃?xì)忮仩t在

燃燒良好的情況下 , 氣體不完全燃燒熱損失較小 ；但是在燃燒不良的情況下 , 氣體不完全燃燒的熱損

失率很高。燃?xì)忮仩t不同于燃油和燃煤鍋爐 , 燃油和燃煤鍋爐在燃燒不完全時(shí)容易冒黑煙，比較容易

被發(fā)現(xiàn)，而燃?xì)忮仩t燃燒不良時(shí)不會(huì)產(chǎn)生黑煙 , 加之未配置煙氣分析設(shè)備 , 直觀上很難判斷。但是可

以通過(guò)觀察火焰的顏色進(jìn)行判斷，如果火焰的顏色發(fā)藍(lán)、發(fā)亮則說(shuō)明燃燒充分 ；如果火焰的顏色發(fā)紅、

發(fā)暗則說(shuō)明燃燒不充分，需要隨時(shí)調(diào)整燃燒器的噴嘴等。

固體不完全燃燒損失的熱量 Qg4 是燃料中的碳未完全燃燒所引起，因此，Qg4 在燃煤鍋爐中顯得比

較重要，在燃油及燃?xì)忮仩t中影響的程度會(huì)小一點(diǎn)，為此，應(yīng)采取提高燃料燃燒效果的措施。對(duì)于燃

煤鏈條鍋爐，在操作時(shí)應(yīng)穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷、保持火床平整、合理配風(fēng)、及時(shí)調(diào)整煤層厚度和爐排轉(zhuǎn)速 ；

同時(shí)可以在煤中按比例添加化學(xué)助燃劑，以便降低煤的著火溫度、改善燃燒特性 ；在鍋爐給煤滾筒出

254

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口處加裝分層燃燒裝置，減少鍋爐漏煤量、提高燃燒效率 ；在尾部煙道增加煙氣置換器或熱管余熱回

收器，用于預(yù)熱助燃空氣。對(duì)于其它類型的鍋爐，應(yīng)該根據(jù)其結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的提高燃燒效率的措施。

鍋爐向周圍環(huán)境散失的熱量 Qg5 為是指鍋爐及其汽水管道、煙道、風(fēng)道等，由于壁面溫度高于環(huán)

境溫度而向外界散失的熱量。其中鍋爐散熱量最大，損失率一般為總量的 1% ～ 2%, 此損失長(zhǎng)久存在，

累計(jì)散失熱量較大 ；如果鍋爐燃燒使用的空氣取自鍋爐間 , 讓鍋爐自身散熱浪費(fèi)的能量充分把引進(jìn)的

空氣加熱，提高鍋爐維持燃燒的空氣溫度，可以在一定程度上消除部分浪費(fèi) ；另外 , 輔助間的設(shè)備和

管道散熱損失可以部分或全部用于輔助間供暖。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布局看，降低 Qg5 的措施應(yīng)從減小爐體周

圍的風(fēng)速、提高鍋爐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果、減少散熱面積和負(fù)荷波動(dòng)、保持鍋爐容量合理等方面著手。

燃料灰渣帶走的熱量 Qg6 是灰渣的物理顯熱損失，主要體現(xiàn)在燃煤鍋爐上。減少 Qg6 的方法要建

立在上述幾方面的基礎(chǔ)上，特別是要保持負(fù)荷穩(wěn)定，避免負(fù)荷忽高忽低；控制鏈條速度，減少細(xì)煤泄漏；

對(duì)于粒徑差別較大的燃煤，施行分層燃燒等。只要保證燃煤充分燃燒，就可以有效控制灰渣帶走的熱量。

鍋爐排污帶走的熱量 Qg7 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的鍋爐差別較大。對(duì)于燃?xì)鉄崴仩t , 由于排污量較小 ,

系統(tǒng)水容量大 , 排污熱損失可以忽略不計(jì)。在 GB50041—92《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了低壓蒸汽鍋

爐的排污率不宜大于 10%, 但該規(guī)定側(cè)重燃煤鍋爐根據(jù)節(jié)約能源的要求和燃煤的經(jīng)濟(jì)性提出的。所以

保障鍋爐用水合格，在爐水合格的前提下減少排污次數(shù)，也是一種很好的節(jié)約方法。排污水中含有較

高的熱值和熱量，應(yīng)該充分利用 ；排污水的水分因氯根（CL-）高、堿性大，在余熱利用后可以排放

到鍋爐水膜除塵的循環(huán)水池中，用來(lái)中和酸性較高的循環(huán)水。鍋爐排污方式有連續(xù)排污和定期排污兩

種，目前利用排污余熱的設(shè)備有連續(xù)排污膨脹器、連續(xù)排污擴(kuò)容器、定期排污膨脹器、定期排污擴(kuò)容

器等。連續(xù)排污擴(kuò)容器將鍋爐的連續(xù)排污水減壓擴(kuò)容，排污水在連續(xù)排污膨脹器內(nèi)絕熱膨脹，分離為

二次蒸汽和廢熱水，并在膨脹器內(nèi)經(jīng)擴(kuò)容、降壓、熱量交換，然后排放。定期排污擴(kuò)容器主要是將鍋

爐的定期污水降壓擴(kuò)容，定期排污水在較低壓力下發(fā)生二次沸騰，得到一部分二次蒸汽，同時(shí)使排污

水降溫 ；二次蒸汽與排污水在定期排污擴(kuò)容器內(nèi)進(jìn)行分離，分離出的蒸汽從上部的出口排出，排污水

從下部的污水口排出。二次蒸汽由專門的管道引出，可以用于鍋爐除氧加熱器的熱源或其它適當(dāng)?shù)挠?/p>

途。廢熱水通過(guò)浮球液位閥或溢流調(diào)節(jié)閥自動(dòng)排出，通過(guò)管道引入套管式換熱裝置加熱鍋爐除氧器的

供水，冬季用于附近區(qū)域的采暖 ；完成熱交換后，廢水溫度接近常溫，可以直接排入鍋爐水膜除塵的

循環(huán)水池中，進(jìn)行酸性中和，經(jīng)沉淀后循環(huán)使用，這樣鍋爐排污水及余熱就能得到充分利用。做到這

一點(diǎn)，鍋爐排污帶走的熱量 Qg7 就會(huì)減少，鍋爐的熱效率就會(huì)提高。

其他原因損失的熱量 Qg8 是屬于除上述原因之外的非正常原因造成的熱量損失。例如 ：鍋爐出現(xiàn)

故障，需要緊急排壓降溫處理，這時(shí)的熱量損失就屬于非正常原因造成的熱量損失。生產(chǎn)線出現(xiàn)異常，

生產(chǎn)不能延續(xù)，造成蒸汽瞬間的壓力上升，為保證安全，需要緊急排壓，保證鍋爐系統(tǒng)安全，這時(shí)的

熱量損失也屬于非正常原因造成的熱量損失。

鍋爐熱平衡計(jì)算公式雖然比較簡(jiǎn)單，但是只要控制好各項(xiàng)熱量損失，就能明顯提高鍋爐的熱效率。

3 蒸汽熱平衡

蒸汽熱平衡的目的是為了保證進(jìn)入蒸汽體系內(nèi)蒸汽的熱量與有效利用熱及各項(xiàng)熱損失的總和相平

衡，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出蒸汽的熱效率和單位產(chǎn)品蒸汽的消耗數(shù)量。

3.1 蒸汽熱平衡的計(jì)算公式

蒸汽熱平衡的測(cè)量與計(jì)算應(yīng)該在蒸汽流量和壓力處于穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行，其熱平衡計(jì)算公式為 ：

Qsr= Qs1+Qs2+Qs3+Qs4+Qs5+Qs6+Qs7………………………………………[2]

式【2】中 : Qsr 為蒸汽輸入熱量，單位為 kj/kg(kj/m3

)，下同 ；

QS1 為蒸汽的有效利用熱量 ；

Qs2 為蒸汽在輸送過(guò)程中損失的熱量 ；

Qs3 為用熱設(shè)備及其附件和連接管道的蓄熱及散失的熱量 ；

王其營(yíng)·輪胎企業(yè)的熱平衡分析及利用

255

Qs4 為進(jìn)入設(shè)備或工藝過(guò)程交換的熱量 ；

Qs5 為生產(chǎn)的產(chǎn)品或工質(zhì)帶走的熱量 ；

Qs6 為體系排出冷凝水帶走的熱量 ；

Qs7 為其他原因損失的熱量。

蒸汽熱平衡的計(jì)算公式雖然與鍋爐熱平衡的計(jì)算公式相同，但是涵蓋內(nèi)容、統(tǒng)計(jì)方式、計(jì)算方法

等差異較大，需要區(qū)別對(duì)待。

3.2 影響蒸汽熱平衡的因素分析

在蒸汽熱平衡計(jì)算公式中，蒸汽的輸入熱量 Qsr 是以蒸汽從鍋爐出汽或從熱電企業(yè)購(gòu)買開(kāi)始計(jì)量

的蒸汽熱值總量為基數(shù)，權(quán)衡蒸汽在輸送過(guò)程中的熱量損失、用熱設(shè)備及其附件和連接管道的蓄熱及

散熱、進(jìn)入設(shè)備或工藝過(guò)程交換的熱量、生產(chǎn)的產(chǎn)品或工質(zhì)帶走的熱量、體系排出冷凝水帶走的熱量、

以及其他熱量損失之間的關(guān)系。由于蒸汽參數(shù)受外界及蒸汽體系內(nèi)部的影響因素較多，蒸汽攜帶的熱

值總量（熱焓值）也隨之變動(dòng)。因此，輪胎企業(yè)蒸汽熱平衡準(zhǔn)確計(jì)算熱值的難度較大，一般都是進(jìn)行

整體的平衡和改進(jìn)。

蒸汽的有效利用熱量 Qs1 是指用于生產(chǎn)納入《輪胎單位產(chǎn)品能源消耗限額》（GB29449-2012）統(tǒng)

計(jì)范圍內(nèi)的合格成品輪胎所消耗的熱量。蒸汽的有效利用熱量 Qs1 是計(jì)算蒸汽系統(tǒng)熱效率的基礎(chǔ)，Qs1

越大，說(shuō)明蒸汽的熱量被利用的比例越高，蒸汽系統(tǒng)的熱效率就越高，反之則越低。因此，分析蒸汽

熱平衡的目的就是在蒸汽的輸入熱量 Qsr 一定的情況下，盡量多生產(chǎn)合格的成品輪胎 ；或生產(chǎn)一定數(shù)

量的合格輪胎，蒸汽的輸入熱量 Qsr 最少。

蒸汽在輸送過(guò)程中損失的熱量 Qs2 主要是因輸送距離造成蒸汽的壓力和溫度的損失，具體包括在

輸送管道上安裝的疏水閥組排出凝結(jié)水的熱量損失和管道保溫層散失的熱量。為此，要求選擇的疏水

閥組質(zhì)量要可靠，安裝的方式要符合要求，操作要正確，才能確保蒸汽質(zhì)量并控制熱量損失 ；對(duì)全部

裸露的熱力管道及管件要正確保溫，減少熱量傳遞。保溫設(shè)計(jì)的原則應(yīng)該使保溫對(duì)象的散熱損失小于

國(guó)家規(guī)定的“允許最大散熱值”；在保溫材料的物理、化學(xué)性能滿足工藝要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用

導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小、價(jià)格低廉的保溫材料 ；保溫材料和保溫厚度的選擇，應(yīng)使由于保溫所花的材料、

安裝、維修的成本和保溫后的散熱損失在整個(gè)壽命期內(nèi)達(dá)到最低的費(fèi)用。一般熱力設(shè)備及管道多使用

無(wú)機(jī)保溫材料。

用熱設(shè)備及其附件和連接管道的蓄熱及散失的熱量 Qs3 是在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的熱量損失，

但是一方面要把上述部位進(jìn)行合理保溫，盡最大可能地減少熱量的損失 ；另一方面就是盡量集中連續(xù)

生產(chǎn)，避免生產(chǎn)頻繁開(kāi)停，造成相關(guān)部位的頻繁蓄熱和散熱，減少無(wú)謂的熱量損失。

進(jìn)入設(shè)備或工藝過(guò)程交換的熱量 Qs4 相當(dāng)于生產(chǎn)合格成品輪胎之前的“熱身”，雖然過(guò)程必不可少，

但是無(wú)法列入有效利用熱量 QS1 中。由于蒸汽使用的方式是在設(shè)備或工藝過(guò)程中完成熱量交換，因此

提高蒸汽熱平衡效果必須強(qiáng)化傳熱。由傳熱原理可知，傳熱量 = 傳熱系數(shù) × 換熱面積 × 冷熱平均溫差，

因此強(qiáng)化傳熱的途徑就有提高傳熱系數(shù)、增大換熱面積、加大冷熱平均溫差等三條。強(qiáng)化傳熱不但可

以提高蒸汽的熱效率、增加產(chǎn)量，而且可以適當(dāng)縮小設(shè)備尺寸，產(chǎn)生綜合效益。蒸汽在進(jìn)行熱量交換

時(shí)，主要利用其攜帶的熱量和壓力，在完成熱交換后，溫度和壓力都會(huì)降低。為提高蒸汽利用率，可

將這部分壓力和溫度降低的蒸汽經(jīng)過(guò)處理作為二次蒸汽繼續(xù)使用，甚至還可以作為三次蒸汽再次使用，

充分利用其余熱和余壓，最后變成冷凝水。如果充分這個(gè)過(guò)程，則蒸汽的有效利用熱量 QS1 就會(huì)增加。

生產(chǎn)的產(chǎn)品或工質(zhì)帶走的熱量 Qs5 是必不可少的，但可以盡量減少或控制。例如，在輪胎正硫化

時(shí)需要蒸汽加熱，但正硫化結(jié)束后需要降溫，這時(shí)可以利用等效硫化原理，在正硫化結(jié)束前的適當(dāng)時(shí)

間減少或停止供應(yīng)蒸汽，利用蒸汽余熱完成正硫化，這樣不但可以減少蒸汽用量，而且可以縮短冷卻

時(shí)間，節(jié)約冷卻水 ；同時(shí)，在硫化結(jié)束進(jìn)行內(nèi)部冷卻時(shí)，可將內(nèi)冷軟化水與過(guò)熱軟化水剛開(kāi)始置換時(shí)

溫度較高的軟化水回收，可以節(jié)約熱量。

蒸汽在完成熱交換后最終都變成冷凝水，冷凝水也具有一定的熱量 Qs6。為此，一方面要合理安裝、

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使用功能適宜的疏水器，減少蒸汽直接排放 ；另一方面要充分利用冷凝水的熱量，并回收冷凝水。高

溫冷凝水回收后可以增壓用于生產(chǎn)車間或辦公區(qū)域采暖，然后經(jīng)過(guò)濾除去鐵銹及雜質(zhì)后輸送到鍋爐除

氧器，這樣冷凝水中的熱量就能得到有效利用。

其他原因損失的熱量 Qs7 是屬于除上述原因之外的熱量損失，一般都是非正常原因造成。像在蒸

汽輸送過(guò)程中，因遇到極端天氣造成管道凍結(jié)、凍裂等，在搶修過(guò)程中勢(shì)必會(huì)造成蒸汽的排放、泄漏，

其熱量損失可以列入 Qs7 中 ；在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中，所有廢次品生產(chǎn)所消耗的熱量不能列入有效利用熱

量 QS1，也只能列入其他原因損失的熱量 Qs7 中。雖然 Qs7 的產(chǎn)生都屬于偶然，但是只要做好事前預(yù)防、

事中控制、事后完善，也可以盡最大可能地減少。

保持蒸汽熱平衡的前提是蒸汽體系的穩(wěn)定運(yùn)行，因此，必須保證管道及設(shè)備的正常，減少泄漏及

其它可能造成熱量損失的幾率，則蒸汽熱平衡就可以持續(xù)、有效運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)輪胎企業(yè)而言，進(jìn)行熱平衡的目的就是通過(guò)熱平衡檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析，找出企業(yè)在用熱方面存

在的問(wèn)題，制定提高熱能系統(tǒng)效率的措施，降低熱能在輪胎生產(chǎn)成本中所占的比例，進(jìn)而使輪胎產(chǎn)品

更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

張宇·了解脫硫，循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路和潛在的市場(chǎng)影響

257

推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新方式——脫硫技術(shù)及其潛在的市場(chǎng)影響

脫硫是破壞硫化膠料中形成的硫交聯(lián)鍵的過(guò)程，幾十年來(lái)一直被認(rèn)為是橡膠回收的“圣杯”，因

為它可以提供廢棄橡膠再利用的最佳途徑。 盡管過(guò)去的脫硫技術(shù)在工業(yè)上不可行或不具有成本效益，

但是新的技術(shù)和行業(yè)對(duì)脫硫的采用證明脫硫技術(shù)值得更多關(guān)注。

脫硫有不同的方法，橡膠回收通常被誤認(rèn)為是脫硫或與脫硫同義。但與橡膠回收不同的是，現(xiàn)有

的脫硫技術(shù)可以優(yōu)先打破硫化橡膠中的硫鏈，而不破壞橡膠分子的完整性。合適地硫化后，橡膠的許

多優(yōu)良性能得以保留。這種硫化橡膠可用于各種高端和關(guān)鍵應(yīng)用，包括新輪胎和翻新輪胎。

此外，將脫硫和循環(huán)經(jīng)濟(jì)納入當(dāng)前的業(yè)務(wù)實(shí)踐中并不需要付出任何努力。通過(guò)協(xié)作和開(kāi)放式創(chuàng)新，

盡管需要組織和前瞻性思維，但各個(gè)線性經(jīng)濟(jì)體可以組合成一個(gè)行業(yè)循環(huán)解決方案。 脫硫?qū)κ袌?chǎng)和

行業(yè)的潛在影響是巨大的。 想象一下，通過(guò)充分利用廢舊輪胎和現(xiàn)有技術(shù)，全球橡膠消耗量將減少

10% 以上。廢輪胎橡膠的脫硫是可行的，應(yīng)引起輪胎橡膠工業(yè)的重視。還需要注意的是，盡管本文著

重于廢舊輪胎橡膠，但其他材料也是脫硫的理想選擇，包括三元乙丙橡膠和丁基橡膠。

1 脫硫與回收之間的區(qū)別

再生橡膠已被定義為通過(guò)加熱、化學(xué)試劑和強(qiáng)力研磨處理而得到的具有預(yù)硫化可塑性的硫化橡膠，

這是一種有用的橡膠復(fù)合材料。橡膠再生的研究活動(dòng)可以追溯到 19 世紀(jì)中期。不久之后，查爾斯·古

德伊爾先生獲得了硫化橡膠的專利。從那時(shí)起，各種回收技術(shù)得到了發(fā)展。橡膠的再生涉及橡膠的軟

化和溶脹，以及由于剪切變形和化學(xué)作用引起的斷裂反應(yīng)，橡膠的黏度降低，因此，加工條件對(duì)再生

橡膠性能的作用已在早期進(jìn)行了綜述。通過(guò)回收，實(shí)現(xiàn)了幾種鍵的斷裂，例如碳 - 碳（C-C），碳硫（C-S）

和硫 - 硫（S-S）。但是，回收方法降低的黏度和恢復(fù)的可塑性主要是由于 C-C 斷裂反應(yīng)縮短了聚合物

分子。如今，由于對(duì)化學(xué)溶液處理的重視，北美的傳統(tǒng)回收工藝幾乎已經(jīng)被淘汰。

橡膠的脫硫涉及破壞硫化橡膠中的硫化學(xué)交聯(lián)鍵。 ASTM STP183A 將脫硫定義為“解聚，氧化和

增加可塑性的組合”。然而，脫硫被理解為是硫化過(guò)程的逆轉(zhuǎn)，即在硫化過(guò)程中形成的化學(xué)鍵的斷裂。

硫磺硫化過(guò)程中形成的鍵是 C-S 和 S-S，只有這樣的鍵在脫硫過(guò)程中才被裂解。因此，脫硫是裂解硫

化橡膠的單硫化物（C-S-C），二硫化物（C-S-S-C）和多硫化物（C-Sx-C）交聯(lián)的過(guò)程，同時(shí)使橡膠

聚合物分子的骨架保持完整。根據(jù)這些定義，將廢橡膠轉(zhuǎn)化為可重復(fù)使用的橡膠的大多數(shù)物理和化學(xué)

方法應(yīng)歸類為再生而不是脫硫。這些方法涉及隨機(jī)切斷化學(xué)鍵，而不是針對(duì)性地切斷硫交聯(lián)鍵。表 1

將此類過(guò)程分為物理和化學(xué)兩類，之前已經(jīng)回顧過(guò)。通過(guò)這些不同的方法在研究實(shí)驗(yàn)室以較低的生產(chǎn)

量實(shí)現(xiàn)脫硫是可能的，但真正的可行性測(cè)試是擴(kuò)展到符合大型制造商需求的工業(yè)產(chǎn)量水平。

了解脫硫，循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路和潛在的

市場(chǎng)影響

張宇 譯

( 全國(guó)橡膠塑料設(shè)計(jì)技術(shù)中心，北京 100049)

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

表 1 橡膠回收 / 脫硫過(guò)程

物理過(guò)程 化學(xué)過(guò)程

機(jī)械的 自由基清除劑

熱機(jī)械 親核添加劑

微波 催化劑體系

超聲波 化學(xué)探針

要區(qū)分涉及隨機(jī)或交聯(lián)斷裂的過(guò)程，可以通過(guò)使用先前開(kāi)發(fā)的理論來(lái)研究聚合物輻照過(guò)程中的交

聯(lián)和斷裂反應(yīng)來(lái)完成。這一理論模型是基于這種反應(yīng)產(chǎn)生的可溶性聚合物的數(shù)量的確定，Horikx 進(jìn)一

步采用了該模型來(lái)模擬硫化橡膠中的隨機(jī)和交聯(lián)斷裂。該理論考慮了脫硫過(guò)程之前和之后，脫硫程度

（交聯(lián)組分密度的變化）與橡膠中可溶組分含量之間的關(guān)系。 硫交聯(lián)共聚物的選擇性裂解由等式（1）

表示，而隨機(jī)斷鏈由等式（2）表示，等式（3）用于計(jì)算交聯(lián)指數(shù) y。

圖 1 Tyromer 脫硫過(guò)程示意圖

選擇性交聯(lián)斷裂 :

脫硫度 = （1）

隨機(jī)斷裂 :

脫硫度 = （2）

（3）

Ve = 交斜分?jǐn)?shù)的密度

s= 可溶性餾分含量

y= 交聯(lián)指數(shù)

1 = 脫硫前的值所用的索引

2 = 脫硫后的值所用的索引

這些模型方程式的預(yù)測(cè)可用于評(píng)估脫硫前后的交聯(lián)密度和可溶性含量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 這是以

Horikx 圖的形式完成的，將可溶成分與脫硫程度進(jìn)行了比較。

2 Tyromer 為輪胎行業(yè)提供的解決方案

滑鐵盧大學(xué)化學(xué)工程系的 Tzoganakis 教授發(fā)明了一種超臨界 CO2 輔助雙螺桿擠出工藝，以對(duì)廢

舊輪胎橡膠進(jìn)行脫硫，如圖 1 所示。將橡膠屑送入擠出機(jī)中，沿?cái)D出機(jī)筒向橡膠中注入非常少量的超

臨界 CO2。圖 2 突出顯示了 CO2 的作用，CO2 的作用是使橡膠膨脹并使硫交聯(lián)鍵處于張力下，從而促進(jìn)

其斷裂并導(dǎo)致脫硫橡膠材料的生產(chǎn)。 這種脫硫的橡膠混合物被稱為輪胎衍生聚合物，簡(jiǎn)稱 TDP。

張宇·了解脫硫，循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路和潛在的市場(chǎng)影響

259

圖 2 超臨界 CO2 在 Tyromer 工藝中對(duì)交聯(lián)橡膠的溶脹和脫硫的作用

經(jīng)過(guò)十多年的研究和發(fā)展，Tyromer 已經(jīng)將這項(xiàng)發(fā)明商業(yè)化，并擴(kuò)大了產(chǎn)量。該公司已經(jīng)證明，

在不使用化學(xué)溶劑和化學(xué)試劑的情況下，有選擇地打破硫鏈以保護(hù)橡膠網(wǎng)絡(luò)是可能的。我們使用了

Horikx 圖來(lái)評(píng)估 Tyromer 脫硫過(guò)程的結(jié)果，圖 3 顯示了來(lái)自各種類型汽車密封件的三元乙丙橡膠樣

品的 Horikx 圖，對(duì)可溶物含量與脫硫程度作了標(biāo)繪。虛線表示根據(jù)方程式（1）的選擇性交聯(lián)斷裂模型，

實(shí)線表示根據(jù)方程式（2）的隨機(jī)斷裂模型，空心圓圈代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散在兩

條線之間。這說(shuō)明硫化程度和斷裂過(guò)程的類型取決于三元乙丙橡膠材料和硫化過(guò)程中使用的條件。

圖 3 從汽車密封件中脫硫的三元乙丙橡膠樣品的 Horikx 圖

圖 4 顯示了輪胎胎面切屑實(shí)驗(yàn)的 Horikx 圖。這種橡膠切屑是通過(guò)磨碎卡車輪胎的胎面而產(chǎn)生的。

同樣，虛線表示根據(jù)等式（1）的選擇性交聯(lián)斷裂模型，而實(shí)線表示根據(jù)等式（2）的隨機(jī)斷裂模型，

空心圓圈代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近虛線。這清楚地表明，由此產(chǎn)生的斷裂類

型具有高度選擇性，脫硫程度也相對(duì)較高。

260

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

圖 4 脫硫的輪胎胎面屑樣品的 Horikx 圖

Tyromer 的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)能力超過(guò) 700kg/h( 約 1500 磅 )。不使用脫硫化學(xué)品或化學(xué)溶劑，

不使用添加劑，制造過(guò)程中不產(chǎn)生廢物。該公司于 2019 年開(kāi)設(shè)了一家規(guī)模更大的工廠，為一家輪胎

制造商供貨，在歐洲和中國(guó)擁有許可證，并希望繼續(xù)在世界各地授權(quán)其技術(shù)，以對(duì)廢輪胎產(chǎn)生最大的

影響。

脫硫和再生之間的重要區(qū)別是橡膠的無(wú)效程度和最終用途。 例如，在輪胎胎面膠料中，通常以

10％ -20％的量添加 Tyromer 脫硫橡膠，效果極好，而再生橡膠或 MRP 等改性橡膠粉的添加量為 4%-8%

時(shí)效果較好。 優(yōu)化很重要，但是，在某些情況下，TDP 可以簡(jiǎn)單地放入母膠混煉膠中，效果也很好。

由于與廢橡膠或再生橡膠相比，TDP 的結(jié)構(gòu)更牢固，因此 TDP 可以用于更多的應(yīng)用場(chǎng)合和以更高的用

量使用。 其適用于 ：

（1）新輪胎，胎面和胎側(cè)。

（2）翻新輪胎（預(yù)硫化，模硫化）。

（3）輸送機(jī)和物料搬運(yùn)。

3 推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)

循環(huán)經(jīng)濟(jì)是一種經(jīng)濟(jì)模式，產(chǎn)品在使用壽命結(jié)束后，會(huì)被回收利用，回到原來(lái)的預(yù)定用途。艾倫·麥

克阿瑟基金會(huì)，其使命是加速世界向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，可歸結(jié)為以下幾個(gè)主要問(wèn)題 :

（1）廢物和污染處理計(jì)劃。

（2）保持使用中的產(chǎn)品和材料 ；延長(zhǎng)壽命。

（3）再生自然系統(tǒng)。

這意味著要確定將廢舊輪胎變成新輪胎的方法。在過(guò)去，事實(shí)證明很難將再生輪胎橡膠重新結(jié)合

到新輪胎中，因?yàn)樵撔袠I(yè)具有較高的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量要求，而再生橡膠尚未滿足這些要求。但是，通過(guò)調(diào)

整和組織各個(gè)線性經(jīng)濟(jì)體并在供應(yīng)鏈中共同努力，可以控制質(zhì)量，從而獲得高質(zhì)量、清潔、一致的可

回收材料，供輪胎行業(yè)輕松使用。

脫硫雖然很有前景，但并不是在輪胎行業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的唯一技術(shù)。熱解可以將廢舊輪胎還原為

其基本元素，回收再生炭黑 (rCB)、石油、天然氣和鋼鐵。通過(guò)低溫研磨工藝制成的微粉化橡膠粉（MRP）

張宇·了解脫硫，循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路和潛在的市場(chǎng)影響

261

的尺寸范圍在 50~200 目 +，并且在用途和用量方面也在不斷增長(zhǎng)。由于廢輪胎問(wèn)題是如此巨大和廣泛，

這些其他技術(shù)也將在更大的解決方案中發(fā)揮重要作用。

4 對(duì)市場(chǎng)的影響

脫硫?qū)喬ズ拖鹉z行業(yè)的潛在市場(chǎng)影響是巨大的。 有機(jī)會(huì)改變行業(yè)消耗資源的方式，并減少生產(chǎn)

的化學(xué)再生橡膠的數(shù)量。不僅有利于環(huán)境，而且制造商、經(jīng)銷商以及最終的消費(fèi)者都可以節(jié)省成本。

脫硫材料比原始材料便宜得多，現(xiàn)在將脫硫材料并入運(yùn)營(yíng)將使公司能免受未來(lái)天然橡膠成本上漲的影

響。

廢舊輪胎的平均重量約為 20 磅，每年生產(chǎn)的廢舊輪胎數(shù)量超過(guò) 10 億。全球新輪胎年產(chǎn)量接近 30

億條。利用廢舊輪胎和脫硫技術(shù)，即使只是取代 5% 的原始材料，也能節(jié)約數(shù)十億英鎊的資源，并有

效減少溫室氣體排放。市場(chǎng)對(duì)硫化橡膠和其他再生材料的需求正在增長(zhǎng)，但尚未達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。就像

任何新產(chǎn)品一樣，它需要致力于開(kāi)發(fā)。每個(gè)制造商都是不同的，每個(gè)公司都需要根據(jù)自己的配方和需

求優(yōu)化材料。現(xiàn)在，通過(guò)將脫硫材料應(yīng)用到生產(chǎn)中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以獲得對(duì)該產(chǎn)品的熟悉度和信心，從

而緩慢地提高負(fù)載水平和應(yīng)用數(shù)量。當(dāng)天然橡膠的價(jià)格上漲時(shí)，那些已經(jīng)使用脫硫材料的人將具有很

大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并增加了抵御這種價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)的能力。

中國(guó)是世界上最大的再生橡膠生產(chǎn)國(guó)，去年生產(chǎn)了約 500 萬(wàn)噸再生橡膠。 在許多情況下，中高端

再生橡膠可以用脫硫材料替代，價(jià)格相近，而且還具有額外的環(huán)境和可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)。在生產(chǎn)如此數(shù)量

的再生橡膠后，僅添加 1％的化學(xué)物質(zhì)（按重量計(jì)）就意味著每年將使用 1 億多磅的額外化學(xué)物質(zhì)。同樣，

這需要更多的工作和經(jīng)驗(yàn)，以優(yōu)化和找到最佳配合，但事實(shí)是，脫硫材料變得越來(lái)越可行。

5 需要開(kāi)放創(chuàng)新戰(zhàn)略

輪胎和橡膠行業(yè)可能是保密的產(chǎn)業(yè)。公司擁有專利和專有配方，并進(jìn)行秘密的研發(fā)項(xiàng)目。由于輪

胎制造業(yè)的龐大規(guī)模，微小的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)被放大，必須加以保護(hù)。但是，如同許多新材料，包括硫化橡

膠一樣，應(yīng)該有信息和技術(shù)資源來(lái)促進(jìn)研發(fā)與使用。

在脫硫方面，開(kāi)放式創(chuàng)新并不需要泄露敏感信息。開(kāi)放式創(chuàng)新更像是一種心態(tài)和共同努力的意愿。

各方之間應(yīng)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性對(duì)話，以制定一種對(duì)雙方都適用的解決方案。 這對(duì)于測(cè)試和開(kāi)發(fā)新配方和膠

料特別重要。 我們應(yīng)該考慮到，盡管每個(gè)公司都有自己的一套評(píng)估和測(cè)試的流程和方法，但通過(guò)協(xié)作，

我們通?？梢怨餐瑢?shí)現(xiàn)比個(gè)人努力總和更大的成就。共享信息和知識(shí)對(duì)輪胎行業(yè)成功和更廣泛地采用

再生材料至為重要。

6 脫硫過(guò)程中仍然存在的挑戰(zhàn)

盡管近年來(lái)脫硫技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然存在許多挑戰(zhàn)，包括公眾對(duì)回收材料的認(rèn)識(shí)不佳，

需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)合成橡膠膠料以及控制原料的一致性和質(zhì)量。

不幸的是，再生材料是次等質(zhì)量或更低質(zhì)量的代名詞，并且人們普遍認(rèn)為再生材料質(zhì)量較差。廢

舊輪胎的平均壽命為 5 年，因此橡膠的性能退化不可避免，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生降解。盡管脫

硫的輪胎橡膠質(zhì)量總是會(huì)比原始橡膠稍差，但在正確的條件下，它的性能與原始橡膠非常相近，并且

可以替代優(yōu)質(zhì)的母膠。 然而，改變看法并不是一項(xiàng)快速或輕松的任務(wù)。橡膠行業(yè)的許多工作人員幾

年前就聽(tīng)說(shuō)過(guò)脫硫或嘗試過(guò)脫硫，但卻陷入了死胡同，或認(rèn)為這行不通。它需要培養(yǎng)、溝通和實(shí)踐經(jīng)

驗(yàn)來(lái)打破歷史思維過(guò)程。

脫硫面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)合成橡膠的加工，為了產(chǎn)生改變世界的影響，必須成功地將乘用輪胎

或輕卡輪胎脫硫。 雖然可以對(duì)合成膠料進(jìn)行脫硫，但這些膠料的質(zhì)量和物理性能通常比卡車和工程

輪胎等天然橡膠含量較高的膠料要低。

值得注意的是，影響脫硫橡膠質(zhì)量的決定性因素是原料的來(lái)源和質(zhì)量。僅使用干凈的工廠廢料作

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為原料可以提供積極的結(jié)果，但這對(duì)廢輪胎問(wèn)題沒(méi)有影響。由于不同類型輪胎的組份以及天然橡膠和

合成橡膠的變化量，并非所有輪胎都能脫硫。天然橡膠的脫硫往往比合成橡膠要高，這意味著主要由

乘用輪胎組份的碎橡膠的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比履帶輪胎的碎橡膠低 25％，與工程機(jī)械輪胎和推土機(jī)輪

胎的橡膠渣相比，這一差距可能更大。但是，這并不意味著客運(yùn)輪胎不能被脫硫并且所得到的材料將

用于輪胎中，這僅意味著負(fù)載能力將略微降低，并且像任何新材料一樣，需要根據(jù)應(yīng)用和質(zhì)量要求進(jìn)

行優(yōu)化。由于脫硫材料幾乎總是混入母膠中，而不是以 100％的比例使用，因此獨(dú)立的性能并不能始

終提供最終膠料質(zhì)量的明確指示，脫硫材料必須首先混入母膠中，然后與對(duì)照物進(jìn)行比較。

由于不同類型的輪胎在硫化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，因此廢輪胎的收集和隨后的組織可以通過(guò)建立

標(biāo)準(zhǔn)化的碎屑橡膠等級(jí)來(lái)對(duì)脫硫產(chǎn)生有益影響。對(duì)于分類和組織廢舊輪胎，類似于 #2、#3 等塑料回

收的方式，將提供更高水平的一致性和可靠性，這是輪胎制造所必需的。 盡管有些加工商已經(jīng)這樣

做了，但仍有許多加工商對(duì)所有輪胎的處理方式都是一樣的，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的碎屑橡膠可用于次級(jí)應(yīng)

用，例如運(yùn)動(dòng)場(chǎng)填充料、田間草皮和性能不那么關(guān)鍵的基本成型產(chǎn)品。通過(guò)使各個(gè)線性經(jīng)濟(jì)體協(xié)同工作，

可以創(chuàng)建更可行的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

7 結(jié)論和行動(dòng)號(hào)召

最終，脫硫技術(shù)將得到改進(jìn)，為輪胎和橡膠行業(yè)創(chuàng)造真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了最大的機(jī)會(huì)。這需要

進(jìn)一步的技術(shù)和工藝開(kāi)發(fā)，但潛在的影響應(yīng)該超過(guò)所做的工作。如今，世界上最大的公司正在花費(fèi)數(shù)

百萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)可持續(xù)的天然橡膠和不同來(lái)源的橡膠，如銀膠菊，我們應(yīng)該同樣重視廢輪胎和開(kāi)發(fā)可持

續(xù)的回收解決方案。脫硫是為了從自然資源中提取更多的價(jià)值，并回歸到減少、再利用、回收和更新

/ 回收的 4R 戰(zhàn)略。當(dāng)購(gòu)買膠料時(shí)，買方應(yīng)詢問(wèn)有關(guān)脫硫材料和相關(guān)的成本節(jié)約情況。 對(duì)于從事制造

和混煉橡膠的人來(lái)說(shuō)，Tyromer 可以幫助客戶探索脫硫的潛力以及如何降低成本并改變可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)

略。

編譯自《Rubber World》No.5/2019

張宇·為可持續(xù)的“綠色”炭黑創(chuàng)建新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

263

廢輪胎是世界面臨的最成問(wèn)題的廢物之一。 在全球范圍內(nèi)，每年生產(chǎn)約 24 億條輪胎。隨著輪胎

到達(dá)壽命的盡頭，僅在歐盟內(nèi)部，每年約有 340 萬(wàn) t 輪胎成為廢物，其中大部分被焚燒了。在世界許

多地方，輪胎仍在扔掉或填埋，導(dǎo)致全球有超過(guò) 100 億條輪胎被扔到垃圾場(chǎng)中。每年在這些廢舊輪胎

中的 450 萬(wàn) t 炭黑都被浪費(fèi)了。

通常，超過(guò) 95％的炭黑都是使用 “ 熔爐 ” 工藝從原油中生產(chǎn)的，需要大約 2~2.5L 油才能生產(chǎn) 1kg

炭黑。 因此，目前的炭黑生產(chǎn)污染程度高，每年排放超過(guò) 3 500 萬(wàn) t 的 CO2，以滿足每年約 1 400 萬(wàn)

t 炭黑的全球需求。 如圖 1 所示，大量炭黑被用于輪胎工業(yè)。

圖 1　炭黑市場(chǎng)

黑熊公司的循環(huán)解決方案對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的積極影響。每條平均炭黑產(chǎn)量為 5,000t/ 年的生產(chǎn)

線可節(jié)省多達(dá) 100 萬(wàn)棵樹(shù)木所消耗的二氧化碳。在解決報(bào)廢輪胎的整個(gè)年產(chǎn)量問(wèn)題時(shí)，這等于減少了

8 億棵樹(shù)木的二氧化碳消耗量，并減少了 1.45 億桶的石油消耗，同時(shí)產(chǎn)生了超過(guò) 4 吉瓦的綠色能源。

從歷史上看，生產(chǎn)穩(wěn)定、高質(zhì)量的綠色炭黑來(lái)代替爐法炭黑遇到了一些困難，例如高揮發(fā)物含量、

難聞的氣味、高含量的有毒多環(huán)芳烴和其他有害物質(zhì)（例如二惡英、呋喃、多氯聯(lián)苯、五氯酚等），

低橡膠補(bǔ)強(qiáng)特性和產(chǎn)品可變性。雖然到現(xiàn)在為止，這些障礙基還沒(méi)有得到解決，但來(lái)自荷蘭的黑熊碳

黑公司已經(jīng)能夠在這些障礙方面取得突破。

1　過(guò)程

將廢舊輪胎 “ 分解 ” 為許多原始組成物質(zhì)。如圖 2 所示，可以使用機(jī)械切碎，切片和制粒技術(shù)將

橡膠與鋼死和織物分離。然后使用熱解工藝將橡膠顆粒轉(zhuǎn)化為兩種主要產(chǎn)品（圖 3）：

（1）±40 wt.％的碳質(zhì)炭，可用來(lái)生產(chǎn)黑熊的優(yōu)質(zhì)炭黑

（2）±60 wt.％的熱解氣可產(chǎn)生能量

為可持續(xù)的“綠色”炭黑創(chuàng)建新的

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

張宇 譯

( 全國(guó)橡膠塑料設(shè)計(jì)技術(shù)中心，北京 100049)

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

圖 2　機(jī)械輪胎造粒

圖 3 裂解步驟

黑熊公司技術(shù)的一個(gè)重要區(qū)別特征在于，它可以生產(chǎn)出殘留碳?xì)浠衔锏膿]發(fā)物含量非常低（<1

wt.％）的焦炭。 至關(guān)重要的是，該焦炭還具有 <5 ppm 的相應(yīng)低 PAH 含量，比 “ 低 PAH” 傳統(tǒng)炭黑

低四倍。然后，通過(guò)解團(tuán)聚工藝進(jìn)行提質(zhì)，從而將其氮表面積增加至一定水準(zhǔn)，使其橡膠補(bǔ)強(qiáng)物質(zhì)與

N330 爐法炭黑相當(dāng)，其動(dòng)態(tài)橡膠補(bǔ)強(qiáng)品質(zhì)等于 N660。最后，將炭黑造粒以便于加工。最終產(chǎn)品的外觀、

形式和體積密度與傳統(tǒng)的爐法炭黑沒(méi)有區(qū)別。

2　原料，化學(xué)成分和產(chǎn)品一致性

黑熊公司已充分評(píng)估了使用不同原料類型（來(lái)自不同輪胎種類）的效果，并研究了其化學(xué)成分的

潛在變化可在多大程度上影響其產(chǎn)品的增強(qiáng)質(zhì)量。 顯然，控制進(jìn)料的質(zhì)量非常重要，這樣可以最大程

度地降低產(chǎn)品質(zhì)量的潛在差異。 因此，黑熊公司①根據(jù)最佳化學(xué)成分對(duì)輪胎原料進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化 ；②開(kāi)

發(fā)了可驗(yàn)證每個(gè)單個(gè)輪胎化學(xué)成分的技術(shù) ；③嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，以確保最大的產(chǎn)品一致性。

產(chǎn)品中存在的無(wú)機(jī)成分包括二氧化硅、鋅和硫醚化合物，以及鐵、鎂、鈣、鈦的氧化物以及微量的鈉、

磷、鋁和鉀。

3　積極的環(huán)境影響

在黑熊工藝中使用廢輪胎作為原料，作為傳統(tǒng)熔爐過(guò)程中使用油原料的一種替代，對(duì)環(huán)境有巨大

的積極影響。每噸爐法炭黑不僅可以節(jié)省 2,000~2500L 原油，還可以減少空氣污染，具有非常誘人的

碳足跡，并產(chǎn)生凈綠色能源（圖 4）。

根據(jù)歐盟可再生能源指令（RED），廢棄物的碳足跡為零。 這導(dǎo)致每生產(chǎn)一噸炭黑可凈減少約

張宇·為可持續(xù)的“綠色”炭黑創(chuàng)建新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

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5tCO2（圖 5），并從剩余的石油和天然氣中產(chǎn)生凈綠色能源。 與特種炭黑相比，每生產(chǎn)一噸炭黑可減

少約 10~12t 二氧化碳。

圖 5 CO2 排放

4　產(chǎn)品測(cè)試選擇

本研究中描述的黑熊產(chǎn)品，BBC TR30 和 BBC TR30S，是由黑熊在德國(guó)和荷蘭利用各種工業(yè)規(guī)模

的研發(fā)收費(fèi)設(shè)施生產(chǎn)的，BBC TR30 和 BBC TR30S 的化學(xué)組成見(jiàn)表 1。

表 1 BBC TR30 和 BBC TR30S 的相關(guān)重要統(tǒng)計(jì)

特性 測(cè)試方法 單位 BBCTR30 BBCTR30S

BET表面

區(qū)域 ASTM D6556 M2

/g 86 77

STSA ASTM D6556 M2

/g 69 62

OAN ASTM D2414 cm3

/100 g 96 88

二氧化硅 DIN EN 15309 % 5-7 24-26

FAH含量 FDAM63/GS18 Ppm <5 <5

總無(wú)機(jī)物含量 DIN 51719 % 12-16 30-35

在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室以及頂級(jí)輪胎制造商和橡膠合成商方面已經(jīng)進(jìn)行了大量測(cè)試，可根據(jù)要求提供參考

資料。本文包括了這些測(cè)試的一部分 ：

（1）與標(biāo)準(zhǔn)爐法炭黑相比，BBC TR30 和 BBC TR30S 的技術(shù)特征在于 OAN 數(shù)和 BET 表面積。

（2）在荷蘭的一家獨(dú)立的橡膠測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中，對(duì) BBC TR30 和 BBC TR30S 的力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)

性能與多個(gè) ASTM 等級(jí)進(jìn)行了比較，包括 N326、N330、N347、N550 和 N660。 在 ASTM D3191，

圖 4　其他排放

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D3192 和其他天然橡膠應(yīng)用配方中測(cè)試了性能。

（3）將 BBC TR30 和 BBC TR30S 在 ASTM D3192 天然橡膠配方中分別與標(biāo)準(zhǔn) ASTM 等級(jí) N330

和 N660 進(jìn)行比較。對(duì)于 BBC TR30S，調(diào)整了交聯(lián)密度（MH-ML）以補(bǔ)償二氧化硅的影響。

（4）在包含約 30％ BBC TR30 的 EPDM 擠出配方中，將 BBC TR30 與 N550 進(jìn)行了比較。 由于

其較低的結(jié)構(gòu)，BBC TR30 的模量 / 硬度比 N550 低。因此，在該配方中，為了達(dá)到相當(dāng)?shù)挠捕?，?/p>

黑含量提高了 6%，油分含量降低了 7%。

圖 6 BBC TR30 和 BBC TR30S 以及標(biāo)準(zhǔn) ASTM 等級(jí) 圖 7 BBC TR30 和 BBC TR30S 之間的性能比較

5　測(cè)試結(jié)果匯總

（1）結(jié)果比較了 BBC TR30 和 BBC TR30S 與幾種標(biāo)準(zhǔn) ASTM 等級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖 6 所示。

（2）BBC TR30 和 BBC TR30S 的力學(xué)和動(dòng)態(tài)性能比較如圖 7 和圖 8 所示。

（3）圖 9 顯示了 BBC TR30 和 N330 之間比較的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，圖 10 顯示了 BBC TR30S 和 N660

之間性能比較的非標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果。注 ：對(duì)于所有值，高 = 好。

圖 8 BBC TR30 和 BBC TR30S 之間的性能比較 圖 9 BBC TR30 和 N330 的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果比較

圖 10 BBC TR30S 和 N660 之間的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果比較

張宇·為可持續(xù)的“綠色”炭黑創(chuàng)建新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

267

在三元乙丙橡膠參考膠料中，BBC TR30 與 N550 的非標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如圖 11 所示。注 ：對(duì)于所有值，

高 = 好。

圖 11 BBC TR30 與 N550 在 EPDM 參考膠料中的對(duì)比

6　結(jié)果與討論

（1）BBC TR30 和 BBC TR30S 已被證實(shí)是多爐黑等級(jí)的多功能替代品，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有

技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)。黑熊牌號(hào)的高表面積與相對(duì)低的結(jié)構(gòu) / 低的填料有效體積分?jǐn)?shù)相結(jié)合，提供了高機(jī)械

強(qiáng)度與極低的滯后性、低的剛度、低的正切增量和低的 Payne 效應(yīng)的非常獨(dú)特的組合。因此，主要的

應(yīng)用目標(biāo)包括那些需要出色的動(dòng)態(tài)補(bǔ)強(qiáng)性能的目標(biāo)，例如輪胎，傳送帶，三角皮帶，防振裝置，壓膠

料輥等。

（2）與 N330 相比，BBC TR30 具有可比或更高的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)具有較低的模量 / 剛度和滯后

性的逐步改善。

（3）與 N660 相比，BBC TR30S 和 BBC TR30 被證明可以提供更高水平的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)在動(dòng)

態(tài)性能方面也有一些改進(jìn)（較低的 tanδ）。

（4）與 N550 相比，BBC TR30 可以完全替代 N550; 但是，需要添加額外的 10％ -15％才能達(dá)到

相同的硬度。 一般觀察 ：

a. 更高的機(jī)械強(qiáng)度 ；

b. 大大改善了彎曲疲勞和更高的回彈力 ；

c. 擠出型材上的非光滑表面高光潔度。

7　結(jié)論

許多潛在的客戶和其他感興趣方的評(píng)估和意見(jiàn)都證實(shí)了 BBC TR30 和 BBC TR30S 的技術(shù)性能，

可以在許多應(yīng)用中完全替代 N330、N550 和 N660 爐法炭黑。 PAH 含量低于檢測(cè)極限也被認(rèn)為是一

個(gè)有吸引力的特征，特別是在食品和飲用水領(lǐng)域。

編譯自《Rubber World》No.5/2017

268

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

我國(guó)廢舊輪胎每年產(chǎn)生量已達(dá)到 1500 萬(wàn)噸，而這些廢舊輪胎都是難于降解的材料，常年累月堆放

容易滋生傳染病媒介，也容易產(chǎn)生火災(zāi)，而且占用大量的土地，形成了黑色污染 ；而在另一方面，這

些“黑色污染”的固體垃圾卻全身是寶——有國(guó)家戰(zhàn)略物資的橡膠，有工業(yè)糧食的鋼材。我國(guó)是一個(gè)

橡膠匱乏的國(guó)度，80% 需要進(jìn)口。因此廢舊輪胎循環(huán)再生利用成了許多國(guó)人議論的焦點(diǎn)和行動(dòng)的巨人，

廢舊輪胎再生利用成了我國(guó)一道有特色的風(fēng)景線。歐美國(guó)家基本沒(méi)有廢舊輪胎再生循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)，其

廢舊輪胎堆積成山，出臺(tái)了誰(shuí)處理消化多少?gòu)U舊輪胎，國(guó)家就補(bǔ)償多少錢 ；而在我國(guó)每年的循環(huán)再生

利用量達(dá)到了 500 萬(wàn)噸，占世界產(chǎn)量 80% 以上，使用的廢舊輪胎不但沒(méi)有得到補(bǔ)償，而相反需要處理

消化廢舊輪胎企業(yè)付費(fèi)購(gòu)買?？梢?jiàn)我國(guó)廢舊輪胎循環(huán)再生利用產(chǎn)業(yè)多么“火”。廢舊輪胎循環(huán)再生利

用產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了一項(xiàng)又一項(xiàng)脫硫技術(shù)與設(shè)備的誕生。如高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)與設(shè)備 ；高

溫常壓連續(xù)螺旋脫硫技術(shù)與設(shè)備 ；雙螺桿脫硫技術(shù)與設(shè)備 ；普通單螺桿脫硫技術(shù)與設(shè)備 ；超臨界 CO2

脫硫技術(shù)與設(shè)備 ；多螺桿組合式脫硫技術(shù)與設(shè)備以及單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫技術(shù)與設(shè)備等等。

目前雖然有很多廢橡膠再生方法，但是從成本、產(chǎn)品質(zhì)量及性能穩(wěn)定性，生產(chǎn)的環(huán)保性和技術(shù)成

熟程度等方面考慮，并不是所有的再生方法都適合工業(yè)化生產(chǎn)，然而人們?cè)谶@過(guò)程中，不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

和不斷解決問(wèn)題推動(dòng)著脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。在工業(yè)革命開(kāi)始后，出現(xiàn)了橡膠制品，然后又出

現(xiàn)了汽車輪胎，因橡膠輪胎制品在廢舊以后難以降解，造成環(huán)境污染，況且廢舊橡膠本身仍然具有使

用價(jià)值，因此人們很早就有通過(guò)再生利用廢舊橡膠的想法和實(shí)踐，促進(jìn)了廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫

工藝設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。

1 廢舊輪胎再生循環(huán)利用脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步

1.1 漂白粉沸煮脫硫工藝

在 1846 年，有人把廢舊橡膠與主要的漂白粉加熱煮沸。讓廢橡膠與漂白粉產(chǎn)生熱化學(xué)反應(yīng)，期待

其能達(dá)到斷裂或溶脹橡膠 S-C 鍵和 S-S 鍵的目的。這是脫硫工藝最早的脫硫方法，但是這種脫硫工

藝熱化學(xué)脫硫速度太慢需要沸煮幾十個(gè)小時(shí)，而脫硫產(chǎn)品質(zhì)量又低劣。為了提高脫硫工藝效率和產(chǎn)品

質(zhì)量，人們發(fā)明了水油法脫硫工藝。

1.2 水油法脫硫工藝（靜態(tài)脫硫工藝）

由于漂白粉沸煮脫硫工藝熱化學(xué)反應(yīng)速度太慢、效率低，同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量低劣，1858 年人們?yōu)榱颂?/p>

高脫硫工藝熱化學(xué)反應(yīng)速度和提高產(chǎn)品質(zhì)量，出現(xiàn)了水油法脫硫工藝。把原來(lái)漂白粉改成礦物油作為

脫硫的軟化劑，有效地和快速地溶脹廢舊橡膠中的 S-C、 S-S 鍵。為了進(jìn)一步加速其熱化學(xué)反應(yīng)在脫

硫罐中注入 0.5 ～ 0.7Mpa 的加熱蒸汽，同時(shí)為了增加熱化學(xué)的反應(yīng)面積，將按一定配合劑配比的物

料攤放在金屬盤(pán)中 , 由此，增加脫硫效率和斷裂 S-S、S-C 鍵的程度。初步解決了脫硫工藝的工業(yè)化

生產(chǎn)問(wèn)題。這種工藝使用了脫硫罐，但物料是靜止的，稱靜態(tài)脫硫工藝。然而，這種脫硫工藝雖然在

廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與

設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)

呂柏源 1,2，呂曉龍 1,2

(1. 青島科技大學(xué)，山東 青島 266042 ；

2. 青島高機(jī)科技有限公司，山東 青島 266000)

呂曉龍 等·廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)

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一定程度上提高了生產(chǎn)效率，從幾十小時(shí)降低到約 10 小時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量也得到一定程度的提高，但

是對(duì)現(xiàn)代工藝生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這種方法效率還是太低了，因此尋求一種更高效的脫硫工藝是人們追求的目

標(biāo)。

1.3 高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫工藝

為了在靜態(tài)脫硫工藝中進(jìn)一步提高脫硫效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量，人們?cè)陟o態(tài)脫硫工藝中做了兩大突

破 ：一是采用的蒸汽，從 0.5 ～ 0.7Mpa 提高 2.2 ～ 2.8Mpa，以加速物料的溶脹速度 ；二是采用了

攪拌裝置的脫硫罐以便提高軟化劑與物料之間的傳熱效果、溶脹速度與溶脹程度，達(dá)到了廢舊橡膠的

脫硫效率和效果。這是德國(guó)人在上世紀(jì) 70、80 年代發(fā)明的脫硫工藝，這為廢舊橡膠再生利用奠定了

工業(yè)化基礎(chǔ)。在 80 年代，我國(guó)由中國(guó)橡膠工業(yè)橡膠司牽頭，組織了“高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)與設(shè)備”

的攻關(guān)小組，并考察了德國(guó)的動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)，由此，我國(guó)有了第一代高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)與設(shè)備，

并以最快速度獲得了推廣，形成了我國(guó)廢舊橡膠再生利用的特色，一舉成為世界廢舊橡膠再生利用的

大國(guó)?？梢哉f(shuō)，動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)對(duì)我國(guó)廢舊橡膠工業(yè)的產(chǎn)業(yè)化作出了重大貢獻(xiàn)。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展，

人們生活水平的提高，對(duì)環(huán)境的要求也越來(lái)越高，而高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫工藝存在以下主要問(wèn)題 ：（1）

在脫硫工藝中，物料需加入軟化劑和有關(guān)配合劑，并加入大量的水，然后在脫硫罐中，用高壓蒸氣蒸

煮 2 ～ 4 小時(shí)，在加工過(guò)程中排出大量二次嚴(yán)重污染的水和二次污染的氣，對(duì)環(huán)境造成極大的污染；（2）

它的工作是間歇式的，難予提高效率。（3）它的工作壓力達(dá)到 2.2 ～ 2.8Mpa，有安全隱患等。為了

解決動(dòng)態(tài)脫硫工藝存在的問(wèn)題，人們發(fā)明了常壓螺旋連續(xù)脫硫工藝。

1.4 常壓螺旋連續(xù)脫硫工藝

高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫工藝能生產(chǎn)出最優(yōu)的再生膠，但是它非常嚴(yán)重的污染問(wèn)題，安全隱患問(wèn)題和間

歇操作問(wèn)題也是顯而易見(jiàn)的。在我國(guó)早在上世紀(jì) 80 年代就研制過(guò)常壓螺旋連續(xù)脫硫工藝，但是作為

一個(gè)全新的新生事物并不是完備的，即使鑒定了也推廣不下去，但是國(guó)內(nèi)的許多企業(yè)家和研究人員，

認(rèn)準(zhǔn)了常壓螺旋連續(xù)脫硫工藝能解決高溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫工藝存在的問(wèn)題 ：（1）可以用干法（不加入水

和高壓蒸氣）代替動(dòng)態(tài)脫硫工藝的濕法生產(chǎn)工藝，能有效的解決動(dòng)態(tài)脫硫工藝的污染問(wèn)題 ；（2）可以

用連續(xù)生產(chǎn)工藝代替動(dòng)態(tài)脫硫工藝的間歇操作 ；（3）沒(méi)有高壓的操作工藝，防止了安全隱患。因此，

自 21 世紀(jì)開(kāi)初以來(lái)，全國(guó)掀起了研制“常壓螺旋連續(xù)脫硫工藝”的巨大熱潮，并由國(guó)家工信部聯(lián)節(jié)

【2016】217 號(hào)文件中明確了 ：“再生膠行業(yè)推廣常壓連續(xù)脫硫生產(chǎn)工藝，徹底淘汰脫硫罐”。然而，

在使用實(shí)踐中出現(xiàn)了以下問(wèn)題 ：（1）由于螺旋脫硫只使用熱化學(xué)原理，導(dǎo)致 S-S、S-C 鍵斷裂不完全、

不徹底，因此再生膠性能嚴(yán)重下降，國(guó)家為了適應(yīng)常壓螺旋脫硫工藝的推廣，專門重訂再生膠標(biāo)準(zhǔn)，

全胎膠拉伸強(qiáng)度從原來(lái) 9MPa 降低到 7MPa，伸長(zhǎng)率從原來(lái)的 360% 降低到 240% ；胎面膠拉伸強(qiáng)度從原

來(lái) 14MPa 降低到 10MPa，伸長(zhǎng)率從原來(lái)的 420% 降低到 300% ；（2）可靠性降低，由于其核心原件使用

的材質(zhì)偏低以及密封件多，容易磨損和失效，導(dǎo)致無(wú)故障工作日的降低 ；（3）由于螺旋只有輸送功能

沒(méi)有自潔性功能，一旦造成停機(jī)，增加了維修和使用的難度 ；（4）由于螺旋轉(zhuǎn)速太低給生產(chǎn)中更換品

種帶來(lái)麻煩。在這種情況下。人們又在想辦法去尋求解決上述問(wèn)題的脫硫工藝。

1.5 雙螺桿脫硫工藝

根據(jù)脫硫原理，再生過(guò)程必須打斷 S-S、S-C 鍵，這時(shí)專家學(xué)者和專業(yè)研究工作者，很自然會(huì)想

到采用雙螺桿脫硫是最佳的選擇。一是解決了脫硫過(guò)程的剪切強(qiáng)度與剪切量問(wèn)題，這是動(dòng)態(tài)脫硫、螺

旋脫硫以及普通單螺桿脫硫所不能實(shí)現(xiàn)的 ；二是解決了粉狀物料的喂料問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)正位移喂料，對(duì)產(chǎn)

能有保證。同時(shí)雙螺桿脫硫滿足了連續(xù)生產(chǎn)、封閉作業(yè)以及干法脫硫工藝，因此，雙螺桿脫硫工藝應(yīng)

運(yùn)而生。然而，在實(shí)踐中雙螺桿脫硫工藝也存在以下問(wèn)題 ：（1）由于驅(qū)動(dòng)雙螺桿，其工作部分的機(jī)筒

螺桿系統(tǒng)增加了成倍摩擦面積，則必須加大驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)而，增大了能耗 ；（2）雙螺桿具有強(qiáng)大的剪

切功能，不易控制剪切量，而往往在脫硫過(guò)程中無(wú)論是 C-C 鍵，還是 S-S、S-C 鍵都在打斷之列，過(guò)

度的剪切量影響產(chǎn)品的物理性能 ；（3）由于螺桿過(guò)剪切的產(chǎn)生，容易形成物料膠粘狀，難予降低產(chǎn)品

的出料溫度，增加了冷卻的繁瑣工藝 ；（4）雙螺桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加制造與加工困難，造價(jià)高，同時(shí)帶

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

來(lái)維護(hù)保養(yǎng)的困難，運(yùn)行成本高，不利于“低碳”的目標(biāo)。

為了解決動(dòng)態(tài)脫硫工藝，螺旋脫硫工藝和雙螺桿脫硫工藝存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)又掀起了一股升級(jí)螺

旋脫硫工藝和普通單螺桿脫硫工藝。

1.6 升級(jí)版螺旋脫硫工藝。

螺旋脫硫工藝實(shí)現(xiàn)了干法脫硫、連續(xù)作業(yè)和常壓作業(yè)操作，對(duì)環(huán)保做出了貢獻(xiàn)，但卻影響了產(chǎn)品

的物理性能和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。針對(duì)這一工藝問(wèn)題，螺旋脫硫工藝做了以下升級(jí) ：（1）為了提高產(chǎn)品質(zhì)

量和穩(wěn)定性、均勻性，在螺旋脫硫機(jī)的前端增加螺旋攪拌系統(tǒng)，使排出的物料在較大容量的儲(chǔ)料罐進(jìn)

行均勻攪拌，實(shí)現(xiàn)在一段時(shí)間內(nèi)排出的物料的均勻穩(wěn)定性 ；（2）為了提高產(chǎn)品的物理性能和降低門尼

粘度，這里有多種升級(jí)版 ：一是采用多螺桿或捏煉螺桿或雙螺桿以及增加一臺(tái)擠出壓片機(jī) ；二是采用

多機(jī)一線進(jìn)行精煉壓片。以上升級(jí)版本，目標(biāo)都是為了提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的物理性能以及

降低門尼粘度，這些升級(jí)版會(huì)有一定提高產(chǎn)品性能的作用，但是因?yàn)槁菪摿蚬に嚲哂忻摿颉安桓蓛簟薄?/p>

“不徹底”的先天缺陷，所以很難獲得滿意的效果。

1.7 升級(jí)版普通單螺桿脫硫工藝。

普通單螺桿脫硫工藝最先是用在廢舊丁基膠脫硫生產(chǎn)中，因丁基膠鍵能比較低，門尼粘度比較低，

因此，丁基膠脫硫在一定溫度和較低的剪切作用下能實(shí)現(xiàn)脫硫功能。但用在廢舊輪胎脫硫中，因橡膠

烴分子間的鍵能較高，憑普通單螺桿的剪切量是難予打斷 S-S 鍵，S-C 鍵的，因此，普通單螺桿難予

生產(chǎn)出穩(wěn)定的、高性能的再生膠產(chǎn)品。為了提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和物理性能，同樣需采用上述螺旋脫硫

的升級(jí)版工藝，這樣一來(lái)，導(dǎo)致生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)龐大，工藝過(guò)程復(fù)雜，但仍生產(chǎn)不出高性能產(chǎn)品。

1.8 組合式升級(jí)版普通單螺桿脫硫工藝

為了解決螺旋脫硫和普通單螺桿脫硫工藝的穩(wěn)定性和物理性能問(wèn)題，出現(xiàn)了一種組合式升級(jí)版單

螺桿脫硫工藝，目的是為了強(qiáng)化打斷 S-S、S-C 鍵以及產(chǎn)品穩(wěn)定性功能。其工藝過(guò)程如下圖所示。

圖 1 組合式升級(jí)版普通單螺桿脫硫工藝

本脫硫工藝，用了三層（臺(tái)）大長(zhǎng)徑普通單螺桿代替六層的螺旋脫硫機(jī)，其目的有兩個(gè) ：一是具

有自潔性能，螺桿能高速運(yùn)轉(zhuǎn)和具有一定剪切功能，對(duì)提高產(chǎn)品物理性能有一定作用 ；二是即使突然

停電或事故，停車后也可以自行起動(dòng)正常生產(chǎn)。從塑化螺桿出來(lái)的物料達(dá)到了 230 ～ 240℃，通過(guò)冷

呂曉龍 等·廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)

271

卻螺桿降溫，然后輸送到捏煉擠出機(jī)，擠出機(jī)料斗容量很大，它具有兩個(gè)功能 ：一是把不同脫硫程度

的物料攪拌均勻 ；二是對(duì)物料進(jìn)一步塑化。目的是期待物料進(jìn)一步塑化，達(dá)到提高物理產(chǎn)性能的目的。

由于從捏煉機(jī)出來(lái)的物料其溫度仍超過(guò) 100℃。因此，在三機(jī)一線中的精煉壓片機(jī)均使用了致冷水。

這一組合式升級(jí)版普通單螺桿脫硫工藝，其對(duì)脫硫工藝思路很清晰，對(duì)脫硫效果有一定意義，也能起

到提高再生膠物理性能一定效果，但是工藝過(guò)程太復(fù)雜，設(shè)備太龐大，能耗太高。

1.9 超臨界 CO2 脫硫工藝

在脫硫工藝的技術(shù)進(jìn)步中，已解決了 ：濕法脫硫→干法脫硫 ；間歇脫硫→連續(xù)脫硫 ；開(kāi)放式脫硫

→封閉式脫硫。但是，到目前為止，脫硫工藝尚未解決需要使用礦物軟化劑或植物軟化劑問(wèn)題，國(guó)內(nèi)

外許多學(xué)者都有過(guò)研究，當(dāng)下加拿大滑鐵盧大學(xué)研究超臨界 CO2 脫硫工藝是最成功的。這種脫硫方法

從原理上來(lái)說(shuō)是可行的，它利用超臨界 CO2 具有超高的滲透物料能力，同樣起到礦物軟化劑的作用，

為后續(xù)打斷 S-S 鍵，S-C 鍵奠定了基礎(chǔ)。超臨界脫硫工藝，首先將膠粉喂入與超臨界 CO2 注入有密封

功能的雙螺桿塑化機(jī)中，經(jīng)塑化后進(jìn)入精煉擠出成筒狀，然后用割刀剖開(kāi)筒狀，并逐漸展開(kāi)在運(yùn)輸帶中，

隨后進(jìn)入光輥壓片，進(jìn)入冷卻水槽，冷卻后進(jìn)入定量（定長(zhǎng)）裁斷，最后打包為成品。

超臨界 CO2 脫硫工藝可以免除使用礦物等軟化劑，這是作為技術(shù)進(jìn)步的最大特點(diǎn)，但根據(jù)脫硫原

理和脫硫工藝來(lái)看，有以下方面需要思考 ：（1）物理性能低，難予生產(chǎn)中高性能再生膠產(chǎn)品 ；（2）工

藝過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備龐大，能耗高，造價(jià)高（據(jù)說(shuō)每套需 3000 萬(wàn)人民幣）；（3）生產(chǎn)線需添加超臨界高

壓 CO2 設(shè)備，多了一道約束脫硫過(guò)程的可靠性因素 ；（4）在當(dāng)今生產(chǎn)中都在追求“低碳”，而在脫硫過(guò)

程中一邊制造 CO2 一邊排放 CO2，不符合低碳原則。

1.10 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫工藝

廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與設(shè)備技術(shù)，經(jīng)過(guò)兩代人的努力已經(jīng)解決了以下問(wèn)題 ：（1）從濕

法工藝進(jìn)步到干法工藝 ；（2）從開(kāi)放式工藝進(jìn)步到封閉式工藝。從上述（1）（2）項(xiàng)的技術(shù)進(jìn)步，基

本上解決了循環(huán)利用脫硫工藝的污染問(wèn)題 ；（3）從間歇操作工藝進(jìn)步到連續(xù)操作工藝 ；（4）解決了循

環(huán)利用脫硫工藝過(guò)程中的安全隱患問(wèn)題等。 但到目前為止，綜合各種脫硫工藝仍存在如下問(wèn)題 ：（1）

脫硫過(guò)程要么“不徹底”、“不干凈”，要么“過(guò)脫硫”，目前的脫硫技術(shù)很難穩(wěn)定地（按常規(guī)配方工藝）

達(dá)到傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)脫硫技術(shù)的物理性能（含拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率）；（2）工藝過(guò)程復(fù)雜，脫硫輔助設(shè)備龐大，

如增加混合攪拌系統(tǒng)、雙螺桿、多螺桿或捏煉補(bǔ)充脫硫系統(tǒng)以及龐大的冷卻系統(tǒng)等 ；（3）能耗高 ；如

雙螺桿系統(tǒng)設(shè)備；（4）可靠性較差，如螺旋設(shè)備；（5）維護(hù)保養(yǎng)困難，運(yùn)行成本高等。根據(jù)社會(huì)的發(fā)展，

技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)，需要一種滿足以下綜合要求的脫硫工藝 ：（1）為了簡(jiǎn)化設(shè)備和工藝，要求脫硫過(guò)程

既能滿足物料熱化學(xué)功能和能同時(shí)滿足斷裂 S-S 鍵和 S-C 鍵的剪切功能 ；（2）在物料完成熱化學(xué)功能

和剪切功能后，能同時(shí)要滿足高溫下（220 ～ 240℃） 迅速高效的連續(xù)冷卻后處理功能。根據(jù)以上的

要求出現(xiàn)了一種單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫工藝與設(shè)備，其原理如圖 2 所示。

圖 2 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫工藝原理圖

從圖 2 中可以看到 ：整套脫硫設(shè)備主要由三部份組成，一是配料系統(tǒng)，二是由單螺桿連續(xù)復(fù)合脫

硫單元和連續(xù)封閉式快速冷卻單元有機(jī)組合的一體化脫硫系統(tǒng)，三是定量打包或三機(jī)一線。由于單螺

桿連續(xù)復(fù)合的脫硫與高效冷卻特殊功能，實(shí)現(xiàn)了 ：（1）能生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定性好的再生膠 ：全胎膠拉伸

強(qiáng)度 10MPa、伸長(zhǎng)率 360%，胎面膠拉伸強(qiáng)度 14MPa，伸長(zhǎng)率 420%, 門尼可控 40 ～ 80 ；（2）設(shè)備緊湊

272

2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

簡(jiǎn)潔 , 能耗低 ( 主輔機(jī)各 75KW)，占地面積小 ( 主輔機(jī)共長(zhǎng) 15m；工作可靠（主輔機(jī)只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副），

維護(hù)保護(hù)工作量小，運(yùn)行成本低 ；（3）生產(chǎn)效率高，在正常生產(chǎn)作業(yè)中，每小時(shí)產(chǎn)量約為 600Kg，可

達(dá)到 700 Kg，最高為 860 Kg ；（4）可生產(chǎn)絮狀再生膠，也可生產(chǎn)片狀再生膠 ；（5）初始投資小，同

時(shí)適合廢舊輪胎或高分子彈性體（包括廢舊丁基膠、丁晴膠、天然乳膠制品，三元乙丙膠等）工業(yè)化

推廣使用。

單螺桿復(fù)合脫硫設(shè)備如圖 3 所示。

圖 3 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫設(shè)備

社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，驅(qū)動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步。我國(guó)再生膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展與進(jìn)步也驗(yàn)證了這一規(guī)律。

但同時(shí)也要?dú)w功于我國(guó)再生膠行業(yè)老一輩奠定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，正因?yàn)橛辛诉@一豐厚“再生膠”產(chǎn)業(yè)的沃

土，為我國(guó)再生膠技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步提供了養(yǎng)分，為孕育了我國(guó)再生膠新技術(shù)的蓬勃發(fā)展作出了重大貢

獻(xiàn)。再生膠行業(yè)通過(guò)近 40 年的努力，其產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從小到大、從弱到強(qiáng)，從落后到先進(jìn)，成為

廢舊橡膠循環(huán)再生利用的大國(guó)，這是值得慶賀的，但技術(shù)的進(jìn)步是無(wú)止境的，行業(yè)的同仁們要繼續(xù)奮斗，

當(dāng)前擺在我們面前必須解決的核心技術(shù)——連續(xù)精煉技術(shù)代替多機(jī)一線技術(shù)在等待著我們！

2 廢舊輪胎脫硫再生循環(huán)利用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在人類社會(huì)中，社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，這是不為人們意志而轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律。大到整個(gè)社會(huì)，

小到小小的行業(yè)，就廢舊輪胎脫硫再生循環(huán)利用工藝和設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展而言也充分證明這一客

觀規(guī)律。從靜態(tài)（水油法）脫硫→高溫高壓濕法動(dòng)態(tài)脫硫→螺旋連續(xù)干法脫硫→雙螺桿連續(xù)脫硫→普

通單螺桿脫硫→螺旋 / 多螺桿脫硫→普通單螺桿組合脫硫→單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫。技術(shù)進(jìn)步是無(wú)止境

的，然而下一步脫硫技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如何？在這里筆者根據(jù)社會(huì)發(fā)展的要求，行業(yè)發(fā)展的規(guī)律以及筆

者多年思考、實(shí)踐、技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化過(guò)程的體會(huì)，談?wù)劽摿蛟偕h(huán)利用工藝與設(shè)備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，

期望能起到拋磚引玉的作用。

2.1 從降低物料鍵能和降低物料門尼技術(shù)看脫硫再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

“脫硫再生”應(yīng)該是說(shuō)“斷硫再生”，然而在處理廢舊橡膠時(shí)考慮到了 ：在塑化了的橡膠加上了 S

交聯(lián)劑，經(jīng)過(guò)加熱將塑性的膠料又變成了彈性體，那么硫化膠的逆過(guò)程則應(yīng)該是把硫“脫”出。其實(shí)“脫”

硫過(guò)程并沒(méi)有把硫“脫”出，而是把橡膠中的 S-S 鍵、S-C 鍵、C-C 鍵斷裂開(kāi)來(lái)，把網(wǎng)狀的分子結(jié)構(gòu)

呂曉龍 等·廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)

273

變回線狀結(jié)構(gòu)而恢復(fù)它的塑性體。人們根據(jù)這一再生機(jī)理，發(fā)明了各種各樣脫硫再生技術(shù)。再生機(jī)理

主要包括兩大技術(shù)，一是降低 S-S 鍵和 S-C 鍵的鍵能技術(shù)，當(dāng)鍵能趨近 0 時(shí)則結(jié)合鍵為趨于斷裂狀態(tài)，

降低鍵能是為下一步有效打斷 S-S 鍵和 S-C 鍵奠定基礎(chǔ)；二是如果“脫硫”再生到此結(jié)束的話，許多 S-S

鍵和 S-C 鍵沒(méi)能徹底斷裂，在一定條件下 S-S、S-C 鍵又逐步恢復(fù)到聯(lián)接狀態(tài)，為了較徹底斷裂 S-S 鍵，

S-C 鍵和打斷部分 C-C 鍵使再生膠的門尼粘度達(dá)到橡膠廠的工藝要求，這稱為降低門尼技術(shù)。

2.1.1 從降低物料鍵能技術(shù)看脫硫再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

脫硫再生的廢舊橡膠主要包含三種化學(xué)鍵，其鍵能分別為 C-C 鍵 332 KJ/mol、S-C 鍵 272KJ/

mol, S-S 鍵 268 KJ/mol。在脫硫第一階段是采用降低鍵能的介質(zhì)，如礦物油軟化劑，植物油軟化劑，

這類軟化劑在熱力作用下，對(duì)化學(xué)鍵產(chǎn)生溶脹達(dá)到降低鍵能目的 ；同樣可以采用超臨界 CO2 介質(zhì)，在

熱力和壓力的作用下能有效滲透化學(xué)鍵而降低鍵能。在這一階段從漂白粉沸煮膠粉法到水油法，到高

溫高壓動(dòng)態(tài)脫硫法，到螺旋連續(xù)高溫脫硫法，到普通單螺桿高溫脫硫法等，在這一階段中的發(fā)展解決

了干法代替了濕法脫硫，連續(xù)封閉脫硫代替間歇脫硫，進(jìn)而解決了脫硫中水與氣的二次污染問(wèn)題，但

是對(duì)降低再生脫硫物料分子中的鍵能作用被弱化。與動(dòng)態(tài)脫硫罐相比，動(dòng)態(tài)脫硫罐可通過(guò)高溫、高壓

和作用時(shí)間來(lái)提高和優(yōu)化降低鍵能的程度，而連續(xù)脫硫則受到了壓力和時(shí)間的限制，則對(duì)降低鍵能

的程度也受到限制，也就是說(shuō)連續(xù)脫硫“不干凈”、“不徹底”，這是連續(xù)脫硫的先天不足，也因此為

了推廣環(huán)保脫硫，對(duì)再生膠的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)也作了修改 ；拉伸強(qiáng)度全胎膠從 9MPa 降低到 7MPa，伸長(zhǎng)率從

360% 降低到 240% ；胎面膠從 14MPa 降低到 10MPa，伸長(zhǎng)率從 420% 降低到 300%。雖然連續(xù)脫硫影響

了脫硫再生產(chǎn)品的物理性能，但從國(guó)家層面來(lái)考慮，連續(xù)脫硫技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì)。

2.1.2 從降低門尼技術(shù)看脫硫再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

由于連續(xù)脫硫的先天不足，為了能改善這一缺陷，許多企業(yè)在連續(xù)脫硫工序后增加了大容量的儲(chǔ)

罐攪拌系統(tǒng)，雙螺桿（或多螺桿或行星螺桿），或捏煉擠出，然后再增加多機(jī)一線。所謂降門尼其本

質(zhì)就是盡量斷裂 S-S 鍵和 S-C 甚至涉及 C-C 鍵。在傳統(tǒng)的脫硫再生由于在脫硫罐已充分對(duì) S-S、S-C

鍵降低鍵能，因此在傳統(tǒng)脫硫再生技術(shù)降門尼工序比較簡(jiǎn)單，就直接用上三機(jī)一線或多機(jī)一線就可以

了，但是采用多機(jī)一線存在以下問(wèn)題 ：（1）能耗太高，其電耗約占了整個(gè)脫硫再生能耗的 50% ；（2）

由于是開(kāi)放式煉膠 / 壓片，產(chǎn)生環(huán)境污染 ；（3）難于適應(yīng)連續(xù)生產(chǎn) ；（4）只能生產(chǎn)片狀再生膠，不能

生產(chǎn)粉狀或粒狀再生膠，難以適應(yīng)工業(yè)化 4.0 的發(fā)展要求。到目前為止尚沒(méi)有既能獲得高質(zhì)量再生產(chǎn)

品，又能連續(xù)封閉多功能的降門尼技術(shù)，但時(shí)代的要求，高質(zhì)、高效、連續(xù)封閉多功能降門尼技術(shù)是

發(fā)展趨勢(shì)。

2.1.3 從降鍵能、降門尼縱合技術(shù)看脫硫再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從上述降鍵能、降門尼的過(guò)程都是涇渭分明的兩個(gè)工序，因此其設(shè)備也可分為兩類 ：一類是降鍵

能的設(shè)備，一類是降門尼的設(shè)備，導(dǎo)致技術(shù)和設(shè)備的復(fù)雜化，而且效果也不明顯。為解決降鍵能、降

門尼在同一設(shè)備完成，其設(shè)備應(yīng)具有以下功能 ：一是設(shè)備的傳熱強(qiáng)度與傳熱總量要滿足降低鍵能要求 ；

二是設(shè)備的對(duì)物料中剪切強(qiáng)度與剪切總量要滿足降門尼要求 ；三是對(duì)單元體的每一物料具有相同熱量

和剪切量。按此要求有兩種設(shè)備基本可以滿足 ：一是雙螺桿脫硫再生設(shè)備 ；二是單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫

再生設(shè)備。

（1）雙螺桿連續(xù)脫硫再生設(shè)備

雙螺桿最大的特點(diǎn)是正位移喂料，能保證物料持續(xù)有效的喂料 ；能保證物料在輸送過(guò)程中受到二

根螺桿互相嚙合的“C”小室的強(qiáng)力剪切 ；能保證物料在輸送與剪切過(guò)程中得到相同的熱量，因此雙

螺桿在同一設(shè)備中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫（降鍵能）和降門尼的復(fù)合功能。

（2）單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫再生設(shè)備

按照常規(guī)普通單螺桿它只具備輸送功能和較弱的剪切功能與較弱的混合功能，同時(shí)不具備正位移

的喂料功能，這與雙螺桿功能相比都是弱項(xiàng)。事實(shí)上普通單螺桿除了有強(qiáng)制自潔性能外，它的作用基

本與螺旋脫硫沒(méi)有多大的差別。然而，普通單螺桿突破了傳統(tǒng)擠出機(jī)理后，并運(yùn)用新的機(jī)理 ：①傳熱

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2022 年“青科大 . 高機(jī)杯”第十二屆中國(guó)（國(guó)際）橡塑技術(shù)、裝備與市場(chǎng)高峰論壇

強(qiáng)度與傳熱總量機(jī)理 ；②剪切強(qiáng)度與剪切總量機(jī)理 ；③單元體混合機(jī)理 ；④自強(qiáng)制喂料機(jī)理的單螺桿

設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單螺桿具備了高效的傳熱功能，強(qiáng)力的剪切功能，高質(zhì)量的混合功能以及快速的吃料功能。

由此實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的單螺桿結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足降鍵能和降門尼的綜合功能。

單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫再生設(shè)備的出現(xiàn)?？朔穗p螺桿能耗高，過(guò)度剪切的（脫硫）產(chǎn)品、物理性

能較低、制造困難、初始投資大、維護(hù)保養(yǎng)困難以及運(yùn)行成本高等缺陷。綜上所述，根據(jù)綠色環(huán)保、

節(jié)能降碳、高質(zhì)、高效、高性價(jià)比以及智能制造等要求，單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫技術(shù)與設(shè)備是當(dāng)前脫硫

技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 從精煉 / 壓片技術(shù)看脫硫再生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

精煉 / 壓片技術(shù)實(shí)質(zhì)是降門尼和包裝產(chǎn)品前的一道工序，目前主要使用的是開(kāi)放式精煉 / 壓片生

產(chǎn)線（稱多機(jī)一線），還有其他捏煉擠出技術(shù)的，因質(zhì)量問(wèn)題成不了主流精煉 / 壓片技術(shù)。由于精煉

/ 壓片技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、節(jié)能降碳、綠色環(huán)保以及智能制造有著重要作用，因此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)

專家和科技工作者都在研究，但從出現(xiàn)廢舊輪胎再生循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)以來(lái)，一直都沿用多機(jī)一線進(jìn)行精

煉 / 壓片，這也說(shuō)明要突破目前技術(shù)中的間歇作業(yè)的開(kāi)放式操作、污染環(huán)境和降低能耗等問(wèn)題有很大

的技術(shù)難度，但是社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，這一技術(shù)問(wèn)題遲早一定會(huì)得到解決，實(shí)現(xiàn)連續(xù)封閉、

高質(zhì)、高效、低耗的技術(shù)——擠出精煉技術(shù)代替多機(jī)一線技術(shù)是精煉 / 壓片發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 生產(chǎn)過(guò)程中恒溫加熱冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在脫硫再生過(guò)程中，恒溫加熱冷卻技術(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的作用。目前脫硫加熱有

采用電加熱、電磁加熱、遠(yuǎn)紅外加熱、微波加熱、蒸汽加熱和熱油循環(huán)加熱等，這些加熱方式有各自

的優(yōu)點(diǎn)，但也有各自的缺點(diǎn)。在特指脫硫再生過(guò)程中的加熱方式，如果采用電加熱、電磁加熱、遠(yuǎn)紅

外加熱或微波加熱存在以下三個(gè)問(wèn)題 ：①只能加熱機(jī)筒外殼，不能加熱螺桿或螺旋的芯部，這也只能

有一個(gè)外殼加熱（傳熱）的工作面，難予實(shí)現(xiàn)高效的傳熱效果，影響脫硫質(zhì)量；②由于機(jī)筒和螺桿（或

螺旋）質(zhì)量較大，有較大的熱容量，溫度滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，不容易控制脫硫溫度，影響脫硫質(zhì)量 ；③這

些加熱方式在加熱過(guò)程中只能升溫加熱，但沒(méi)有強(qiáng)制的冷卻降溫功能，當(dāng)脫硫物料在內(nèi)摩擦和設(shè)備摩

擦產(chǎn)生的熱量升溫時(shí)沒(méi)有冷卻功能，產(chǎn)生脫硫溫度波動(dòng)，影響脫硫質(zhì)量。前期的脫硫再生是采用蒸汽

加熱的，此方式能節(jié)省生產(chǎn)成本，但將為淘汰 ；如果采用恒溫?zé)嵊脱h(huán)加熱方式，可以解決由電或電

引伸加熱方式存在的問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的提高和質(zhì)量穩(wěn)定性很有幫助，但使用導(dǎo)熱油會(huì)帶來(lái)產(chǎn)生的油

氣影響環(huán)境，這需增加環(huán)保裝置。因此，如果考慮脫硫再生產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性則恒溫?zé)嵊脱h(huán)加熱是

發(fā)展趨勢(shì) ；如果考慮油氣的環(huán)保問(wèn)題則電加熱和電引伸的加熱方式是發(fā)展趨勢(shì)。

在脫硫再生過(guò)程中，恒溫加熱冷卻是必不可少的，恒溫?zé)崴忾]循環(huán)冷卻式是發(fā)展趨勢(shì)。

2.4 再生膠產(chǎn)品性狀的發(fā)展趨勢(shì)

目前再生膠產(chǎn)品是以片狀為主，這有它的歷史原因。在動(dòng)態(tài)脫硫罐脫硫出來(lái)的物料是顆粒狀，雖

然脫硫了，但尚未獲得穩(wěn)定的脫硫產(chǎn)品，則必須通過(guò)多機(jī)一線精煉這種方式的加工，這必然是片狀的。

由于傳統(tǒng)習(xí)慣，大家認(rèn)為再生膠應(yīng)該是片狀的，其實(shí)片狀在下一個(gè)工序混煉加工時(shí)存在與其他組分物

料不易分散，同時(shí)在定量時(shí)給定量細(xì)分增加了困難。還有就是在經(jīng)過(guò)多機(jī)一線高強(qiáng)度剪切打斷了過(guò)多

的 C-C 鍵而影響了產(chǎn)品的性能，更重要的是多機(jī)一線增加了太多的設(shè)備，消耗了太多的電能和污染環(huán)

境，因此，目前的片狀再生膠不是發(fā)展方向。在放棄片狀再生膠后，其形態(tài)只有粒狀、絮狀和粉狀再

生膠等。在加工中，粒狀產(chǎn)品需造粒裝置，同時(shí)給冷卻帶來(lái)困難 ；絮狀再生膠雖然達(dá)到了主要物理性

能，但門尼較高 ML100℃（1+4）80 ～ 110，對(duì)后續(xù)加工有較高要求，不過(guò)有利于終端產(chǎn)品性能的提

高，同時(shí)對(duì)節(jié)能降碳和環(huán)保要求有積極意義，絮狀再生膠若取得應(yīng)用共識(shí)，有望成為行業(yè)的發(fā)展方向；

粉狀再生膠是在絮狀再生膠的基礎(chǔ)上，增加一臺(tái)連續(xù)封閉式高精煉設(shè)備，在 20 ～ 40 目膠粉脫硫后經(jīng)

其連續(xù)精煉可獲得精細(xì) 60 目左右的再生膠粉末，同時(shí)其物理性能達(dá)到了《GBT 13460-2008 再生橡膠

通用規(guī)范》再生膠標(biāo)準(zhǔn)要求，其在通過(guò)空氣循環(huán)冷卻后，經(jīng)抽真空定量打包即成再生膠產(chǎn)品。這對(duì)再

生膠物理性能的提高，穩(wěn)定性提高，方便用戶使用，節(jié)能降碳，用途的擴(kuò)展以及運(yùn)輸方便均有潛在的

呂曉龍 等·廢舊輪胎循環(huán)再生利用脫硫工藝與設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)

275

積極意義。粉末狀抽真空打包再生膠將是最有潛能力的發(fā)展趨勢(shì)。

2.5 配料系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

按照目前脫硫再生技術(shù)與工藝配料的原理如圖 4 所示。

圖 4 脫硫再生技術(shù)工藝配料系統(tǒng)原理圖

從原理圖可以看到，原材料包括軟化劑，一般軟化劑在室溫下是固體，加熱到一定溫度變成液體，

在配合過(guò)程中軟化劑需加熱到一定溫度變成流體以便輸送和定量，這就必須注意管道中保證一定溫度，

如果溫度變化，則影響軟化劑流動(dòng)性能，甚至凝固，因此軟化劑保持恒溫加熱和整個(gè)系統(tǒng)的恒溫，這

對(duì)系統(tǒng)的恒溫配置（含全部輸送管道）都有較高的要求，不然會(huì)影響生產(chǎn)效率，影響產(chǎn)品的物理性能

以及加大維護(hù)保養(yǎng)工作量。在較大規(guī)?；纳a(chǎn)中，采用軟化劑供應(yīng)商由恒溫油罐（或共享油罐）直

接與用戶對(duì)接，這樣能極大節(jié)約能量和簡(jiǎn)化軟化劑系統(tǒng)，這將是軟化劑供料的一種發(fā)展趨勢(shì)。膠料在

配置中采用拆包人工供料的方法，不但勞動(dòng)繁重，而且需配備足夠的人工，為了解決這一問(wèn)題，膠粉

供應(yīng)商需與用戶對(duì)接，供應(yīng)商膠粉在生產(chǎn)中直接輸送到膠粉儲(chǔ)藏罐（或噸裝包）中，然后提供給用戶，

并直接輸送進(jìn)用戶的儲(chǔ)罐中，這既解決供應(yīng)商的包裝工序和包裝費(fèi)用，也解決了用戶的解包和上料花

費(fèi)的人工，也同時(shí)解決了供應(yīng)商和用戶在生產(chǎn)中的粉塵污染問(wèn)題。如果脫硫生產(chǎn)再生膠用戶延伸到上

游而生產(chǎn)膠粉，可將膠粉用輸送裝置直接輸送到配料系統(tǒng)。據(jù)此，軟化劑與膠粉單獨(dú)配料向供應(yīng)商與

用戶共享配料是配料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述再生膠循環(huán)利用技術(shù)有以下的發(fā)展趨勢(shì) ：

（1）廢舊輪胎脫硫再生循環(huán)利用的單螺桿連續(xù)復(fù)合降鍵能、降門尼與物料連續(xù)封閉強(qiáng)制冷卻的一

體化核心技術(shù)與相應(yīng)的裝備是發(fā)展趨勢(shì) ；

（2）連續(xù)精煉技術(shù)代替多機(jī)一線技術(shù)是發(fā)展趨勢(shì) ；

（3）粉末再生膠的真空定量打包代替多機(jī)一線片狀打包是發(fā)展趨勢(shì) ；

（4）配料系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將是供應(yīng)商與用戶共享相關(guān)技術(shù)代替?zhèn)€體技術(shù)。

廢舊輪胎脫硫再生循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)組合示意如圖 5 所示。

圖 5 再生膠循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)組合示意圖