李? 健，王? 強，何宗霖，陳翌斌 (江西黑貓炭黑股份有限公司，江西 景德鎮 333000)
摘? 要：單元操作的工藝基礎設計是化工生產線的關鍵問題和技術源頭。根據我國炭黑技術發展的歷史，習慣用名 義的產能來定義生產線，而忽略了這些不同牌號炭黑的差異化和特點。因此，本調研確定了與炭黑生產相關的操作單元 的工藝設計參數與測算，希望通過這些操作單元的去瓶頸思維來差異化產品、優化產能和提高炭黑的質量。
關鍵詞：工藝設計參數;質量與產能技術去瓶頸
1? 引? 言
炭黑工藝屬于化工領域的氣固分離。炭黑工 藝的操作單元，除了反應器外、其實并不是非常獨 特。但是，炭黑是一種復雜的化工原料，在單一的 生產在線很難生產出各種牌號的炭黑。因此，如 何進行工藝設計，使生產效益和質量達到最優，是 一個非常重要和有趣的課題。
本研究為炭黑各工段單元設備的生產工藝基 本設計和各單元設備產能測算提供了依據。并在 Excel 程序中，對這些工作進行了編碼和測算，其 目的是用于模擬運行情境和評估運行性能，作為 產能去瓶頸的參考。而與整條新生產線的擴能相 比，去瓶頸是比較經濟的增加單位產能方式。
2? 炭黑和工藝工段的特性
炭黑生成是由原料油中的高碳與氫含量，經裂 解和脫氫、轉化為炭含量約99%以上的炭黑[1][2]。同 時，在形態方面，具有表面特征的原生粒子和聚集 體是其重要特性，因此，在應用的角度方面來看， 炭黑比一般化學品是更為復雜的[2][3]。
一般來說，炭黑的加工過程是由反應、收集、濕 制和成品等工藝區段來區分的。反應器的設計參數 屬于每一個業者的專有技術和機密，因此，本文不 作討論。其他主要工段的工藝參數整合如表1所示。
3? 各工藝區段單元操作設備的機理及工藝 參數測算方法
(1) 收集區
a、主要有五種裝置：主袋袋濾器、廢袋袋濾 器、凈袋袋濾器、粉塵袋濾器和風源管系統。該區 的工藝目的是利用風源管系統輸送處理袋濾器收 集下來的粉狀炭黑并與尾氣分離，這些裝置的性 能受煙氣中粉狀炭黑密度、炭黑結構、沉淀機理及 袋濾器的類型等影響。
b、袋濾器室的工藝參數為粉狀炭黑密度和氣 布比，見表 2：
c、風源管線的工藝參數為載氣流速和風機靜 壓。管道設計正常流速約 30m/s，但是，避免粉體 炭黑堵塞，氣動管線流速必須大于 45m/s，風機前 各部件壓降見表 3。
(2) 濕制區
a. 造粒機
干法&濕法是炭黑造粒的兩種機理，其區別在 于濕法添加了造粒水。炭黑造粒是聚集體受外力 作功，彼此接近時，范德瓦爾斯力發生在炭黑集合 體附近，排出空氣而密實。而干法造粒的作功是 由干法造粒機的旋轉力提供的，同時，需要大量母 粒的回流來制造炭黑粒子。其缺點是處理量有限， 而且其旋轉爐體是在正壓情況操作，易造成工作 環境污染。
炭黑聚集體加水后，其氫鍵極性使聚集體緊密 受力的時間縮短，提高了其處理能力。完美的顆 粒，是增加其由水分形成聚集體間連結機率，在充 滿聚集體總空隙的完全架橋之前，稱為纜索狀態。 濕法粒子含水率與炭黑的結構值有關，如下式。
※ 含水率 %=[DBP/(DBP+100)]-2~4%
造粒機的處理能力是由操作經驗所獲得的 值，該值由造粒水量來確定，該水量與炭黑的反應 器產出量和粉狀炭黑回收回流量呈正相關，可由 炭黑在纜索狀態下的含水率來轉換測算。同時與 該設備的工藝參數與殼體直徑、長度和軸承的攪 齒有關，如表 4 所示。
b. 鼓式干燥爐
鼓式干燥爐的處理量也是由蒸發的水量定義 而不是炭黑量，其設備型態有傳統火箱和殼式火 箱的兩種類型。殼式火箱的傳熱效率高于70%，比 傳統火箱的傳熱效率高 60%。但是，熱傳效率提 升、尾氣量消耗與產生的廢氣量也降低，整體的廢 袋袋濾器入口溫度曲線分布會收縮，導致袋式除 塵器出口溫度會降低到硫含量的露點，導致廢袋 袋濾器濾袋與箱體的腐蝕。作者建議傳統火箱變 更殼式火箱，同時，要配套對反應器和主袋過濾器 進行去瓶頸、提高處理能力，才能達到最大效益。
炭黑干燥的關鍵工藝參數是炭黑在本體內、 燃燒后直接干燥廢氣帶動的流態化速度。鼓式干 燥機的機理是直接干燥和間接干燥的傳熱，當流 體化速度超過上限時，直接傳熱到鼓體內的廢氣 會將造完粒的炭黑表面流體化，揚起并排進排廢 氣袋濾器?；亓魈幚硖亢诘牧考由戏磻鱽淼奶? 黑量的造粒水量，超過了鼓式干燥機蒸發水的上 限容量，干燥爐的炭黑出口溫度會變低，那時就不 能保證把炭黑造粒的水全部帶走。
鼓式干燥機的工藝參數也是根據操作數據得 出的經驗值，包括不同直徑的鼓式干燥爐的單日 蒸發水量以及整個鼓式干燥機本體的單位面積鐵 皮蒸發水量。鼓式干燥機的工藝參數與處理量的 關系，如表5所示，而炭黑的產量也可以由其結構 的含水率來轉換測算。
(3) 成品區
該區與工藝設計有關的設備應只有風冷器， 目前已知有的是空冷器和流化床冷卻器兩種。如 果生產線產量大或廠址在炎熱氣候區，炭黑出口 溫度高，在炭黑進入料倉前就必須安裝冷卻器。流 化床冷卻器在除粉、降溫方面優于風冷器，但是，流化床冷卻器在國內黑線生產中尚屬少見。相關 工藝參數如下表 6 所示。
4? 各品級單元設備能力測算
油風比的工藝參數是炭黑反應最重要的工藝 參數，是炭黑原生粒子、過量氧含量和原料油質量 的綜合指標[5]。煤焦油中芳烴含量高，是一種高油 風比的原料油。另一個關鍵工藝參數是原料油的 炭轉化率或收率。從原料油風比和收率出發，可 以對反應器產能進行了估算。通過炭黑樣品碘值 檢測來控制油風比。因此，反應器各品級的產能 就可按以下公式估算。
※ 反應器日產能估算(MT/D)=[ 油風比 * 燃 燒空氣流量 * 收率 *24 小時 /1000]
產線的產能估算，首先必須選擇或是知道干 燥爐的處理量，然后決定想要的生產的品級來選 擇適當的造粒機，最后推算主袋式過濾器的負荷。 經過反復推算，最終，優化了整條生產線的操作單 元與產能推估，如圖 5。
鼓式干燥爐由于工作時間和空間是最難去瓶 頸的，因此，是生產線設計和測算最大生產能力的 標準。在此基礎上可知上述計算，N134 生產裝置 的瓶頸設備是主袋袋濾器，總產量僅為 N330 的一 半(=52%)，原因是 N134 油風比低、收率低，相 關測算結果請參考表 7。
若主袋過濾器是瓶頸設備，如果在一條生產 線上生產所有品級的產品，鼓式干燥爐將會有額 外的生產能力閑置。最好的方式是將具有高表面 活性的 N134/N234 等級在其它較小的鼓式干燥器 (例如8′ ×65′)，配套較高處理量的主袋袋濾 器生產。如果在工藝設計開始時忽略了這個問題， 就要在考慮產線優化時再進行主袋袋濾器去瓶頸 的規劃。
5? 炭黑生產線的操作情節與其產能預測
針對國內相同的炭黑設備、以煤焦油 (CTO, Coal Tar Oil) 和 石 油 系 的 澄 清 油 (FCC, Fluidized Catalytic Cracking)分別進行了測算，并提出了名義 產品混合的最大產能估算結果。在使用澄清油 API=-2的條件下，油風比降低10%、收率降低5%。 總產能降低 4,896mt，降低 15%，主袋袋濾器則仍 是瓶頸設備。
若主袋袋濾器變更為脈沖在線吹掃的形式， 配套目前已知最大產能的 11.5’*80’鼓式干燥爐 11.5’*80’(殼式火箱)，產能在使用煤焦油與澄 清油后，分別提高了16,384噸和16,121噸。相關測 算結果如表9所示。同時與表7比對，使用煤焦油， 產能提高 45%，用澄清油則提高 31%，如表 10 所 示。
能否得出炭黑廠，使用煤焦油會比石油有更 好的綜合生產效益結論呢?不確定。這個答案必 須取決于一開始設計的總能源的使用規劃。鼓式 干燥爐的處理量的基準下，再增加澄清油，這種低 油風比的燃燒空氣流量，同時主袋袋濾器中也有 足夠處理量來吸收，就會有更多的尾氣進入汽電 共生的燃燒爐。如此一來，雖使用澄清油的單位 炭黑的耗油量高，而單位炭黑蒸氣產量也高，綜合 效益還是要看能源使用率指標以及蒸氣與電力去 化的方式與邊際貢獻[6-7]。
測算生產N660和使用煤焦油在直徑 12’的鼓 式干燥爐，單線炭黑生產的產能可以達 77,000Mt/ y。所以，業界情資、炭黑單線產能為 80,000MT/ Y，應該是有其可能性的 !
6? 討論與未來研究
國內炭黑工業的大多數工程師大都希望通過 提高反應效率，如產率、油單耗等來提高炭黑的生 產效益，比較少有人希望通過優化生產線位置和 設備布局來平衡產品質量和滿負荷運行，這報告 提供給業者一個不同的切入角度。
單元設備去瓶頸的方法是提高生產能力的比 較有經濟效益的，而不是直接建立新生產線，同 時，可以改善長期慢性的產品質量問題。但去瓶 頸工作需要更多的技術技能來克服，希望這份報 告能有助您面對挑戰。
但是，定制化產品的發展趨勢在未來會更為 明顯，與本報告在工藝設計的角度上是相反的立 場。然而，由于炭黑市場需求的變化，更具靈活性 和可靠性的產品和工藝設計相關技術技能是越來 越重要。
參考文獻
[1] 何宗霖，《2016年中國炭黑展望會》9-書面交流文，14- 從反應時間與尾氣成分探討對硬質炭黑生成的影響.
[2] 李健、何宗霖，《2018年中國炭黑展望會》碳黑反應生 成與相關重要溫度測算.
[3] Vinod Taneja，Carbon Black Production，Quality Control & Handling Technology，Carbon Black 2003，perspective in Asia Pacific.
[4] Jean-Baptiste Bansel Donnet，Carbon Black，2003.
[5] 陳林東、何宗霖 硬質反應器不同爐溫狀態下反應生成 溫度推算，炭黑工業，2014.
[6] CARBON BLACK 2017 Perspective in Asia Pacific, 13TH Conference Nov 07-09, 2017,” Energy Performance to Excellent -Black Cat Briefing” presented by Mr. Ho Chung Lin, JIANGXI BLACKCAT CARBON BLACK INC. LTD.
[7] CARBON BLACK World 2018, Duesseldorf, Germany, Sep. 25-26, 2018,” Energy Performance to Excellent -Black Cat Briefing”, Jiangxi Black Cat Carbon Black, China.
