赵斌(河南天宏焦化公司,平顶山467021)炭黑是橡胶制品的重要补强材料,也是油墨、涂料、塑料等行业不可缺少的原料之一。炭黑主要应用于橡胶行业,在橡胶用炭黑中,75%左右的炭黑用来制造各种类型的轮胎,因此对炭黑的需求将随着汽车工业的发展而发展。而采用干法造粒生产炭黑,不但污染环境,而且产品的品种和质量也不能适应橡胶工业子午线轮胎的需要。因此,研究开发湿法造粒生产炭黑新技术势在必行。
河南天宏焦化公司目前的炭黑生产线是20世纪80年代开发的干法造粒生产技术,存在装置设备老化,单炉生产能力小,生产运行稳定性差,自控水平低,质量波动大,产品品种少,能耗和成本较高等问题,这促使我们必须研究开发新技术,以满足橡胶工业对子午线轮胎的需求。
1干法造粒与湿法造粒技术的比较
干法造粒是将炭黑连续通过一个旋转圆筒,使粉状炭黑因其物理附聚力而成为球状颗粒。干法造粒设备简单,造粒成本低,耗能少,但粒子强度低,在散装输送中粒子易破坏。
湿法造粒是将炭黑同一定比例的造粒水混合,在搅齿式湿法造粒机中,经混合、润湿和搅拌,成粒后再干燥,除去其中水分,成为粒状炭黑产品。这种方法粒子牢固,可散装运输,以减少炭黑在运输及使用过程中的污染,同时也增加了后处理的调节手段[1]。
2湿法造粒工艺技术及特点
湿法造粒工艺生产炭黑是以煤焦油和蒽油为原料,焦炉煤气作为燃料,经过燃烧、裂解反应,急冷活化,收集粉碎,湿法造粒,包装成为产品。工艺流程如图1所示。
该技术具有以下特点:①工艺技术先进,生产稳定,产品质量好;②装置技术属国内先进水平,能耗低、收率高;③主体设备国产化程度高,设备布置紧凑,运行可靠,维修方便;④装置采用国内先进的集散型计算机控制系统,可靠性好,自动化程度高。
3研究的主要内容与重点
3.1研究的主要内容
随着我公司焦炭生产规模日益扩大,造成大量焦炉煤气富余,每天约有9万m3煤气被燃烧放散,一方面浪费了大量宝贵能源,另一方面又造成大气污染。针对此问题,我公司研究开发出以焦炉煤气替代原来燃油为燃料的新工艺,不但实现了富余煤气的综合利用,提高了炭黑生产工艺水平及炭黑生产的综合效能,而且减少了富余煤气和原来炭黑生产的污染。
新工艺的核心在于建立反应炉燃烧室燃烧模型和尾气当量模型。所谓燃烧模型指入炉燃料与入炉空气的比值与空气预热器出口空气温度、燃料温度、燃料成分之间的工艺关系。
(1)燃烧模型的研究。根据新工艺中反应炉燃烧室的允许工作温度,在理想状态下,假定燃烧室为绝热反应系统,在入炉空气量恒定,入炉燃料成分不变的情况下,通过入炉空气温度的变化来改变入炉燃料量,从而达到燃烧室理论燃烧温度维持不变的目的,为炭黑反应裂解提供充足而稳定的热量,从而保证炭黑产品的产量和质量。利用上述原理,采用计算机编程进行衡算的计算方法,得出利用焦炉煤气为燃料生产炭黑新工艺时,原料油分别为乙烯焦油、煤焦油、蒽油以及它们的混合油的条件下,对应于N234、N229、N326、N339、N35l等5个品种的控制模型,并与原装置的相关数据进行分析计算。
在装置试生产过程中,为了稳妥起见,在试车初期先装入1
550℃下的数学模型,此模型运行稳定,生产出的炭黑质量优良。对反映出的工艺参数进行分析、论证,逐步提高燃烧温度,并陆续装入1 600℃、1 650℃、1
700℃及1
760℃火焰温度下的数学模型,而且在每次更换模型时,都力争做到不停车更换。在耐火材料可以承受的情况下,适当提高燃烧温度对产品质量和能耗有好处。
(2)物料衡算与热量衡算。对利用焦炉煤气为燃料生产炭黑的新工艺进行物料衡算与热量衡算,这是工艺开发的又一重点部分。我们对反应炉总燃烧率、燃烧温度和总热量3个主要条件,进行了大量的研究工作,得出了利用焦炉煤气为燃料生产炭黑新工艺装置入炉空气量、炭黑产量、原料油耗、焦炉煤气消耗、收率等系列在各种油品下较完整的重要工艺参数和控制指标,并将这些数据与其他装置的相关数据进行了分析计算。
(3)新工艺炭黑反应模型的研究。根据总燃烧率、空气质量流量、燃烧模型等,建立起不同品种下的反应模型,以保持总燃烧率恒定,达到稳定产品质量的目的。
(4)新型反应炉筑炉方法的研究。以原有炭黑生产筑炉技术为基础,消化吸收国内厂家的先进筑炉技术,设计了利用焦炉煤气为燃料生产炭黑工艺反应炉炉衬,耐火材料全部国产化,并且在耐火材料选择、炉型设计、砌筑方法上作相应的改进,采用了内砌外浇的新方法进行筑炉,通过生产实践证明,此方法是可行的。
为尽量减少工人的劳动强度,在设计和施工时,对引进的反应炉进行了结构调整研究,在反应炉和急冷段增加和增厚了外层隔热浇注料,降低了炉壁温度,原设计的炉壁温度达到300℃以上,工人在工作时要穿石棉衣才能进行操作,特别是在气温高时,操作极其不便。经改进后,工人可不穿石棉衣操作,同时,也保护了反应炉附近的仪表管线系统。
3.2研究的重点
在研究过程中,重点开发了新型反应炉、空气预热器、卧式湿法造粒机、脉冲袋滤器、DCS自动化系统。
(1)研究开发了新型反应炉,新型反应炉由燃烧段、喉管段、急冷段和停留段组成,拆卸较为方便。该反应炉具有外型小、重量轻、热强度大、操作弹性大、生产能力大等特点。单炉生产能力为每天生产55～65t炭黑(视品种而有变化),1台反应炉能生产多个品种硬质炭黑,利用在线高温空气预热器和原料油预热器,把空气预热到650℃,原料油预热到180℃,强化了反应条件,提高了产品质量和收率,降低了单位产品的消耗。
(2)空气预热器。由于炭黑反应炉能力大型化,提高空气预热温度具有明显的节能效果,因而研究制造了650℃级空气预热器,并能达到国外同类设备的技术水平和使用寿命。
(3)湿法造粒机为卧式带蒸汽夹套的转动设备。转轴上的搅齿为双螺旋排列。电机设有功率变送器,由微机自动调节水和炭黑的比例。为了适应不同产品的需要,转轴可以进行调速。该设备具有体积小、重量轻、运行可靠等特点。
(4)研究设计了新型脉冲袋式除尘器。除尘器由灰斗、上箱体、中箱体和下箱体等组成,上、中、下箱体为分室结构。工作时,含尘气体由进风道进入灰斗,粗尘粒直接落入灰斗底部,细尘粒随气流转折向上进入中、下箱体,粉尘积附在滤袋外表面,过滤后的气体进入上箱体至净气集合管和排风道,经排风机排至大气。清灰过程是先切断该室的净气出口风道,使该室的布袋处于无气流通过的状态。然后开启脉冲阀用压缩空气进行脉冲喷吹清灰,切断阀关闭时间足以保证在喷吹后从滤袋上剥离的粉尘沉降至灰斗,避免了粉尘在脱离滤袋表面后又随气流附集到相邻滤袋表面的现象,使滤袋清灰彻底,并由可编程序控制仪对排气阀、脉冲阀及卸灰阀等进行全自动控制。该除尘器占地面积小、过滤效果好、处理能力大,能有效地减轻环境污染[2]。
(5)DCS自动化系统的研究。目前,集散型控制系统已在国内万吨级炭黑生产装置中得到普遍应用。实践证明,采用集散型控制系统,不仅可以稳定生产过程,提高产品质量和产量,同时也提高了生产装置的自动化水平和工厂的技术管理水平。因此,采用目前先进的集散型控制系统DCS进行控制。主控装置为DCS系统,辅以先进可靠的现场仪表,实现全生产线的控制。
4运行效果
湿法造粒新工艺开发运行后,不但产品质量稳定,而且增加了产品品种,从而提高企业市场竞争力。新工艺具有如下特点:
(1)容易操作,炉温稳定性增加。
(2)杜绝燃烧炉结焦现象,减少杂质,提高产品质量,避免停油吹焦。
(3)提高产品收率,每吨炭黑耗焦油量降低500kg。
(4)产品品种增加,质量稳定,性能好、适应市场能力增强。
(5)充分利用公司富余煤气,减轻环境污染,降低生产成本。
参考文献
[1]李炳炎.《炭黑生产与应用手册》[M].北京:化学工业出版社.2000.168-169.
[2]李玉林,胡瑞生,白雅琴.《煤化工基础》[M].北京:化学工业出版社.2006.361-365.
