王 磊，万冬冬，杜宁辉 (焦作龙星化工有限责任公司，河南 焦作 454000)
摘 要：本文就炭黑生产原料煤焦油相关质量特性对炭黑生产、质量、收率方面影响展开阐述，着重分析煤焦油硫含
量、钾钠离子含量、元素组分等质量特性方面对炭黑生产的影响。
关键词：炭黑生产;煤焦油质量;硫含量;钾;钠离子含量;
1 前 言
目前以液态原料生产炭黑已成为炉法炭黑生 产的主流。因炭黑生产对原料油芳烃含量较高， 沥青质和杂质要少，目前使用主要液态原料有：催
化裂化澄清油，来自于由粗柴油生产汽油催化裂 解;乙烯焦油，来自石脑油 / 粗柴油生产烯烃蒸汽 裂解;煤焦油及其馏出油，煤炭制焦过程回收煤焦
油;考虑炭黑原料资源产能、供应稳定性、价格和 运行等问题，国内炭黑生产原料油主要为煤焦油 及其馏出油。
煤焦油是焦化工业的重要产品之一，其组成 极为复杂，多数情况下是在焦化工艺中回收粗煤 焦油，经过分离、提纯、除杂、脱水后提供给炭黑 生产厂家。
查阅文献对炭黑生产过程的热化学和动力学 研究结果[1]，炭黑原料油性质和组分直接对炭黑收 率、炭黑分散性有直接影响。而煤焦油本身具有
芳烃含量大、沥青质含量高、组分复杂等特点，受 各煤焦油厂家焦化炉型、原料煤组成、焦化工艺差 异影响煤焦油组分含量及性质稳定性较差。因此
如何稳定跟踪、控制煤焦油质量，对炭黑生产降低 产品单耗提升产品质量具有重要意义。
2 煤焦油质量指标对炭黑生产的影响
煤焦油入厂检测过程一般根据煤焦油标准(YB/ T 5075-2010)跟踪煤焦油水分、比重、粘度、灰分、
甲苯不溶物、萘含量指标是否符合煤焦油接收准则。 以上煤焦油质量指标对炭黑生产的影响如下：
2.1 煤焦油水分
煤焦油到厂后还需经过超级离心机去除煤焦 油的油渣和水分，一般将水分控制在 1.5% 以下。 原料油中微量的水和轻馏分，在枪咀喷嘴的分配
中形成蒸汽泡，水分过高时，在将原料油预热至 230-250℃时，容易在管线中发生“水击”现象， 使入炉压力形成脉动，影响油雾化的稳定性和均
匀性[2]，入炉后导致喉管反应温度降低，产品粒 径、结构下降，产品消耗上涨。
2.2 煤焦油粘度、比重和甲苯不溶物
炭黑生产过程中，煤焦油经过机械枪咀雾化后进入喉管，受切向高温燃余气影响，大的煤焦油 液滴快速被剪切、雾化形成更小的雾滴，然后吸热
汽化并继续吸热上涨至其裂解温度，最终汽化后 的各种烃类物质碳氢键断裂，释放出氢原子，碳原 子结合到一起形成炭核，炭核相关碰撞后形成炭 黑聚焦体[3]。
在焦化生产过程中受原煤组分、质量和装煤 方式、焦炉炉型、炉顶温度控制、焦炉运行维护情 况影响会出现部分轻组分高温裂解形成炭黑粉尘
和焦粒粉尘等物质，进入煤焦油后将直接使粘度、 甲苯不溶物、比重等指标上涨，在炭黑生产过程中 直接影响煤焦油在机械枪咀中的雾化效果和后续
喉管中煤焦油雾化颗粒增大、汽化时间延长、分散 度下降，具体影响情况如下：
在煤焦油经过原料油枪咀进行离心式雾化时 原油的粘度与比重直接影响油滴的直径，具体计 算方法可参考文献[4]，关于离心式雾化枪咀的分散
度可按以下公式进行计算：
式中d和d0——分别为原料油油滴的直径和喷 嘴出口的直径，米;
A——雾化喷嘴的几何特性;
μ——原料油的动力粘度;
ρ——原料油的密度;
σ——表面张力系数，公斤 / 米;
Vа——原料油的当量流速，米 / 秒;
ν——原料油的运动粘度，毫米2 / 秒。
煤焦油粘度指标与喉管内煤焦油雾化形成液 滴尺寸大小成正比关系，原料油粘度高时，液滴表 面张力越大，必须施加更大的能量才能使油滴较
好分散，煤焦油雾化变差。
焦油密度指标与喉管内煤焦油雾化汽化时间 成正比关系，煤焦油密度越小、汽化时间越短，炭 黑生成、反应速度越快，更有利于炭黑生产。
煤焦油在喉管雾化液滴尺寸估算公式如下：
dmax stable=7.7σ(ρV2 /2)
式中——表面张力系数，公斤 / 米;
ρ——气体的密度，公斤 / 立方米;
V——液滴的相对速度，米 / 秒;
2.3 煤焦油灰分
原料油中的灰分主要包括钾、钠、硅、铝、 铁、钙等物质，在炭黑生产过程中除钾、钠外其他 物质转入炭黑成为灰分，灰分含量越高产品定伸
越低。而钾、钠离子在炭黑反应过程中会影响炭 黑离子聚集，降低炭黑结构，使结构难以控制，尤 其是钾离子，其钾降低结构的作用是钠的10倍[5]。
3 煤焦油其他质量指标对炭黑生产的影响
除以上煤焦油指标在入厂检测外，在实际生 产过程中煤焦油的其他性质也需重点关注控制。
3.1 煤焦油硫含量
在焦化生产过程中受原煤硫含量影响，煤焦 油中硫一般以无机硫和有机硫的形式存在。在炭 黑生产反应中原料中硫高温下生产H2S、SO2、CS2
等，这些反应都将降低反应温度，部分硫与炭黑以 化学方式结合和物理吸附残留在炭黑颗粒中，降 低炭黑产品质量。炭黑原料中除部分残留在炭黑 中，剩余大部分硫最终以
SO2、H2S等形式存在于 炭黑尾气中，经过炭黑尾气燃烧利用最终以SO2形 式排放。受大气污染管控要求，目前各炭黑生产
厂家均需要对废气进行脱硫处理以达到满足其排 放要求。
从炭黑生产硫含量进行物理衡算，以年产12万 吨炭黑，原料油单耗1.450T/T，原料硫含量1.0%，
炭黑硫含量0.5%计算，年将产生SO22280吨，按脱 硫塔效率95%计算，以氨法脱硫为例每年就需要消 耗 6000 吨左右的 20% 氨水，单纯氨水采购费用就
达420万元/年左右，给公司增加额外运行费用。
因炭黑烟气含水量偏高的特性烟气露点偏 高。在实际运行过程中因管线、设备局部烟气下 降烟气中水蒸气和 SO2等酸性气体进行凝结形成
亚硫酸等酸性物质，对设备管道造成严重腐蚀、降 低设备寿命。因此部分炭黑生产厂家被迫提升设 备材质，以此来改善设备腐蚀问题和提高设备运
行稳定性，但大幅度增加了设备制作费用。
综合以上情况需要对各煤焦油厂商来油进硫含量检测，在价格允许情况下大量采购低硫原 料油;同时与煤焦油生产厂家加强沟通，在生产允
许情况下加强原煤硫含量管控和加强焦化煤气硫 膏回收工段运行效率，尽可能降低来油硫含量。另 外还需要积极探索原料油脱硫技术，最终降低SO2
的产生，降低运行费用，保护生态环境。
3.2 煤焦油钾、钠离子含量
原料油中的灰分主要包括钾、钠、硅、铝、 铁、钙等物质，其中钾、钠在炭黑生产过程中会 影响炭黑离子聚集，降低炭黑结构，因此在生产
高结构品种时需着重注意来油钾、钠离子含量情 况，避免出现因来油钾、钠离子含量偏低造成产 品吸油偏低长时间不能满足产品指标的情况发
生。在炭黑生产过程中因原料油钾、钠离子含量 波动，造成产品过程 DBP 控制造成波动，过程控 制能力下降。
以 N234 炭黑生产为例，正常生产时添加剂碳 酸钾用量一般在20kg/h(浓度2kg/780L)，处理量
在7900kg/h左右，查原料油钾、钠离子检测含量分 别在 6、27ppm 左右，经过计算将若原料油钾含量
+钠离子含量/10的和值超出12.5ppm以上时，N234 产品吸油控制将遇到困难，原料油钾、钠离子含量 继续上涨时，产品吸油将继续下降不再可以满足
产品吸油控制指标要求。
3.3 煤焦油元素组成
研究表明炭黑收率随原料中分子芳香环数的 增加而提高[6]，所以如何有效评价、控制原料芳烃 含量成为原料油品质把控的重要指标之一。
因煤焦油沥青质和胶质含量较高，入厂检测 BMCI指标数据已经不能有效表征油品芳烃含量。 油品正常评价方式结构族组成、芳构因素和特性
因素CF也受煤焦油组分复杂影响只能利用油品的 折射率、密度和平均分子量通过经验公式列线图 等方式进行计算[7]，计算繁琐数据准确性较差。
原料的氢碳比越低时，芳烃含量越高，有利于 炭黑生产。原料油碳、氢含量可以通过液相色谱 检测可以直接检测，通过煤焦油中 C、H 元素含量
占比，从而有效评价评价来油质量。
在煤焦油实际液相色谱检测时需要额外注意 样品含水和均匀性问题，避免因样品含水含量偏 高或分布不均造成H、O检测数据偏高，影响实际 数据。
3 小 结
通过原料油相关特性对炭黑生产影响分析， 炭黑实际生产过程中在要求煤焦油水分、粘度、灰 分、甲苯等指标外，还需要重点关注煤焦油硫含
量、钾钠离子、元素组成等情况，已便于稳定炭黑 生产、降低炭黑能耗和改善产品质量。
参考文献
[1] Т.Г.纠里米萨良.ЛП吉利亚泽季诺夫 著，炭黑原料油， 炭黑工业研究设计所技术情报室译，65-90，石油化学
工业出版社，北京，1978.
[2] 孙学良，硬质炭黑反应炉喉管与原料油雾化，2010年 中国炭黑展望会论文集[C].2010.
[3] 李炳炎，炭黑生产与应用手册，化学工业出版社，125- 136，北京，2000
[4] Т.Г.纠里米萨良 ЛП吉利亚泽季诺夫 著，炭黑原料油， 炭黑工业研究设计所技术情报室译，164，石油化学工
业出版社，北京，1978.
[5] 李炳炎，炭黑生产与应用手册，化学工业出版社，188- 189，北京，2000.
[6] Т.Г.纠里米萨良 ЛП吉利亚泽季诺夫 著，炭黑原料油， 炭黑工业研究设计所技术情报室译，68，石油化学工 业出版社，北京，1978.
[7] Т.Г.纠里米萨良 ЛП吉利亚泽季诺夫 著，炭黑原料油， 炭黑工业研究设计所技术情报室译，19-24，石油化学
工业出版社，北京，1978
