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            炭黑工藝技術(shù)新進展


            來源:

            標(biāo)簽炭黑
            炭黑是一種高耗能產(chǎn)品,在油價不斷上漲和我國能源短缺的情況下,炭黑生產(chǎn)過程中的節(jié)能顯得尤為重要。同時,國際上對環(huán)保、安全和衛(wèi)生的要求日益嚴(yán)格,對炭黑生產(chǎn)也提出了更高的要求;谏鲜霰尘,炭黑產(chǎn)品正在向節(jié)能環(huán)保、多功能和專用化方向發(fā)展,生產(chǎn)工藝也在向高技術(shù)化、節(jié)能和環(huán)保化方向發(fā)展。  

               1.反應(yīng)爐和反應(yīng)工藝不斷改進

              炭黑反應(yīng)爐是油爐法炭黑生產(chǎn)裝置的核心部位,改進炭黑反應(yīng)爐型結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝是改變產(chǎn)品性能和提高產(chǎn)量和原料油收率的主要措施:
              
                ①提高單爐生產(chǎn)能力,減少單位生產(chǎn)能力的裝置建設(shè)投資和運轉(zhuǎn)時的動力消耗和其他費用,從而降低炭黑生產(chǎn)成本,目前單爐產(chǎn)能已經(jīng)達到4萬~5萬t/a。
              
                ②提高火焰溫度,可以加快炭黑核心的生成,提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率,由于受到耐火材料的限制,目前溫度一般為1900℃,最高為2100℃。
              
                ③在油爐法炭黑生產(chǎn)裝置中,采用富氧空氣或純氧取代過程空氣,可以顯著減少煙氣和尾氣的生成量,提高裝置的生產(chǎn)能力,減少急冷水用量,提高尾氣熱值。現(xiàn)在油爐法炭黑生產(chǎn)裝置中使用含氧量為27%的富氧空氣,已有報道。
              
                ④改進原料油霧化工藝,采用多點噴油、不規(guī)則噴油、添加各種添加劑或活化劑等手段,改進產(chǎn)品性能和提高收率。
              
                ⑤采用金屬水夾套喉管,以解決在高溫、高速焰氣沖刷下喉管容易變形的問題。

              2.節(jié)能技術(shù)

              除了改進反應(yīng)爐型結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝可節(jié)能外,炭黑生產(chǎn)過程中的節(jié)能主要表現(xiàn)在要充分利用煙氣的物理和化學(xué)熱。
              
                生產(chǎn)實踐表明,采用空氣預(yù)熱可以降低反應(yīng)爐燃料消耗、減少二次急冷水用量及尾氣量、提高尾氣熱值。空氣預(yù)熱溫度每提高100℃,可以降低總能耗的1.95%,因此提高空氣預(yù)熱溫度是炭黑生產(chǎn)節(jié)能的一項重要措施。但是空氣預(yù)熱溫度越高,對空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)、材料以及生產(chǎn)操作和控制的要求也越高,造價也越高。目前國外正在推廣應(yīng)用800℃級空氣預(yù)熱器,900℃級空氣預(yù)熱器已開始投入工業(yè)化運轉(zhuǎn),1000℃級空氣預(yù)熱器正在醞釀設(shè)計和制造階段。采用900℃空氣預(yù)熱器與采用800℃空氣預(yù)熱器對比,可節(jié)約燃料8.48%,增加產(chǎn)量5.60%。

                另外,在空氣預(yù)熱器之前采用急冷鍋爐取代全部或部分急冷水,使高溫?zé)煔饨档偷?50℃,可以顯著減少急冷水用量和尾氣量,從而進一步降低能耗,提高生產(chǎn)能力。目前印度正在進行新型急冷鍋爐工業(yè)化試驗。
              
                為了進一步節(jié)能,正在開發(fā)或醞釀的新技術(shù)有:將燃料氣預(yù)熱到500~600℃;將尾氣通過水洗塔,使溫度降低到40℃,脫除尾氣中的大部分水蒸氣,提高尾氣熱值,從而可以利用熱效率高的燃?xì)廨啓C發(fā)電,還可以脫除尾氣中的硫和炭黑粉塵,收到節(jié)能和環(huán)保雙重效果。

              3.環(huán)保、安全和衛(wèi)生領(lǐng)域

              環(huán)保、安全和衛(wèi)生領(lǐng)域的進展主要表現(xiàn)在:

              ①采用聚四氟乙烯覆膜濾袋 該濾袋在過濾時可防止炭黑微粒進入濾材孔隙內(nèi)部,從而降低過濾阻力,增加氣流流量。由于覆膜表面微孔較多,且較光滑,因此不僅過濾效率高,而且在清灰時更容易除去炭黑塵粒。
              
                ②“選擇性粘結(jié)”覆膜濾袋的開發(fā) 這種覆膜結(jié)構(gòu)由于薄膜沒有完全同背襯材料相粘結(jié),具有良好的初始滲透性和濾餅釋放性,可以顯著提高過濾效率。
              
                ③使用含有催化劑的覆膜濾袋 在背襯材料針刺氈中添加能夠在160~260℃下破壞廢氣中二口惡英/呋喃的催化劑,從而使廢氣排放進一步滿足環(huán)保要求。
              
                ④炭黑加壓成型 日本三菱化學(xué)公司用液壓機將粉狀炭黑壓成大塊或每塊重量在5g以上的集合體,然后再用真空法進行塑料包裝,使用時可將整包炭黑投入研磨機。這種包裝方法既可以消除在運輸和使用時可能產(chǎn)生的污染,又可以防止炭黑吸附空氣中的水蒸氣,影響炭黑在油漆和油墨中的性能! 

                4.等離子體法生產(chǎn)炭黑技術(shù)

              以等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫取代爐法炭黑以燃料油(或燃料氣)和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫,來裂解原料油(或天然氣)以生產(chǎn)炭黑,具有如下優(yōu)點:原料油(或氣)的收率高,而且不限于芳烴含量高的原料油,可以緩解原料油短缺問題;副產(chǎn)的氫氣可以用做化工原料或作為清潔汽車燃料;不產(chǎn)生和排放C0、C02、S02、NOX等有害廢氣,有利于環(huán)境保護;裂解反應(yīng)產(chǎn)生的含炭黑尾氣量少,可以減少炭黑收集系統(tǒng)的投資和運轉(zhuǎn)費用;等離子體的溫度較高,范圍較寬,有利于炭黑品種的多樣化。
              
                但是從等離子體法生產(chǎn)炭黑的試驗情況來看,也存在一些問題,如等離子體發(fā)生器耗用電能較多,等離子氣體往往要使用價格較高的氣體如氮氣;發(fā)生等離子體的電極可能損耗,反應(yīng)器內(nèi)部會產(chǎn)生積炭,使反應(yīng)過程難以連續(xù)穩(wěn)定進行;反應(yīng)器內(nèi)溫度分布較難控制,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,而且往往會因溫度過高使產(chǎn)品中混有石墨化的炭,或因溫度過低使炭黑表面附有未裂解完全的烴類。多數(shù)實驗所得產(chǎn)品比表面積偏低、表面孔隙度低,與常規(guī)橡膠用炭黑品種差距較大,其導(dǎo)電性能又不如乙炔炭黑和重油造氣副產(chǎn)炭黑。

              在法國政府資助下,1993年以來,法國礦業(yè)學(xué)院和幾個企業(yè)聯(lián)合進行等離子體法生產(chǎn)炭黑的中間試驗,最近的報道表明,在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝兩個方面都取得了新的進展?蒲腥藛T采用甲烷、乙烯、萘、乙烯焦油和菜子油等不同原料,制出了比表面積為52~90m2/g、DBP為90~250mL/100g、表面沒有孔隙的炭黑。其橡膠物理機械性能己接近常規(guī)橡膠用炭黑,并與這些炭黑各自的比表面積和結(jié)構(gòu)相一致。

              5. 采用γ射線處理炭黑

              法國的卡泰爾多用γ射線照射石墨、炭黑和白炭黑等填料后發(fā)現(xiàn),在填充這些經(jīng)過γ射線處理過的填料的膠料中,結(jié)合膠的含量明顯增加,其中石墨增加了67%、白炭黑增加20%、N660炭黑增加45%、N375炭黑增加40%、N234炭黑增加20%。喇曼光譜的測試表明,在石墨表面出現(xiàn)了類似富勒烯的峰值,其原因是γ射線的照射導(dǎo)致石墨表面產(chǎn)生一些缺陷或者“引進了缺陷”,從而使表面活性點增加。N234炭黑原有的表面活性點較多,因此結(jié)合膠的含量增加較少,但是填充照射過的N234炭黑的丁苯橡膠的膠料性能有明顯改善(如模量提高了20%)。因此,使用γ射線處理炭黑,很有可能成為一種提高炭黑性能的實用技術(shù)。

                國內(nèi)緊跟世界發(fā)展步伐

              從總體上看,我國炭黑生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢與世界潮流基本一致。

                近幾年的主要進展是:

             、偃f噸級新工藝炭黑生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)得到較為普遍的推廣應(yīng)用。
              
                ②單爐生產(chǎn)能力正在提高。硬質(zhì)炭黑單爐產(chǎn)能已由1.5萬t/a增加到2.0萬t/a,3.0萬t/a,4.0萬t/a的裝置正在開發(fā)。2萬t/a軟質(zhì)炭黑的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟。
              
                ③萬噸級裝置的配套專用設(shè)備和材料,如微米粉碎機、濕法造粒機、干燥機、耐火材料、濾袋等已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。以節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本為目標(biāo)的炭黑裝置開發(fā)取得實質(zhì)性進展,如650℃級空氣預(yù)熱器得到普遍應(yīng)用,800℃級空氣預(yù)熱器的開發(fā)應(yīng)用已進入實質(zhì)性階段,900℃級空氣預(yù)熱器開發(fā)已納入規(guī)劃。
              
                ④原料多元化開發(fā)取得可喜進展。我國炭黑生產(chǎn)用油的構(gòu)成有一個顯著的特點,就是煤焦油多、乙烯焦油少,催化裂化重油由于質(zhì)量和價格問題尚未應(yīng)用。能否完全使用煤焦油在萬噸級裝置上生產(chǎn)出符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的炭黑,是我國炭黑行業(yè)普遍關(guān)注的問題。經(jīng)過不斷的探索、改進,合理利用煤焦油的技術(shù)問題已得到基本解決。
              
                ⑤能量綜合利用和環(huán)境保護開始得到全行業(yè)重視,尾氣鍋爐、尾氣發(fā)電、尾氣集中處理、廢水綜合利用和達標(biāo)排放技術(shù)正在推廣應(yīng)用。

                ⑥中科院成都分院有機所、天津大學(xué)等科研院所開始進行等離子體法生產(chǎn)炭黑技術(shù)的研究開發(fā)工作,有的是以制造炭黑和氫氣為目標(biāo)產(chǎn)品,有的是在生產(chǎn)乙炔時副產(chǎn)炭黑,但是大多是小型探索性試驗,其研究深度和取得的數(shù)據(jù)還很有限。

              當(dāng)今世界炭黑行業(yè)競爭十分激烈,競爭的焦點是科學(xué)技術(shù)的競爭。國際上各大炭黑公司都在加大科技投資力度,努力開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)。例如美國的卡博特公司2003年用于研究開發(fā)的資金為6400萬美元,相當(dāng)于其當(dāng)年銷售額的3.6%;德國的德固薩公司在上海投入1000萬美元建立研發(fā)中心。我國炭黑生產(chǎn)總量目前已居世界前列,但在科技和新產(chǎn)品開發(fā)方面和國外相比仍有很大差距。為此,我們應(yīng)當(dāng)從國內(nèi)炭黑企業(yè)規(guī)模較小、技術(shù)和經(jīng)濟實力較弱的實際出發(fā),一方面要在優(yōu)化企業(yè)結(jié)構(gòu)、擴大企業(yè)規(guī);A(chǔ)上,鼓勵企業(yè)開展新技術(shù)和新產(chǎn)品研究開發(fā)工作;另一方面,應(yīng)當(dāng)組建工程技術(shù)中心,在國家及有關(guān)企業(yè)的共同支持下,積極開展關(guān)鍵性的、需要投入較多的新技術(shù)和新產(chǎn)品研究開發(fā)工作,不斷開發(fā)、創(chuàng)新,使我國的炭黑工業(yè)在激烈的競爭中實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
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