趙斌(河南天宏焦化公司,平頂山467021)炭黑是橡膠制品的重要補強材料,也是油墨、涂料、塑料等行業不可缺少的原料之一。炭黑主要應用于橡膠行業,在橡膠用炭黑中,75%左右的炭黑用來制造各種類型的輪胎,因此對炭黑的需求將隨著汽車工業的發展而發展。而采用干法造粒生產炭黑,不但污染環境,而且產品的品種和質量也不能適應橡膠工業子午線輪胎的需要。因此,研究開發濕法造粒生產炭黑新技術勢在必行。
河南天宏焦化公司目前的炭黑生產線是20世紀80年代開發的干法造粒生產技術,存在裝置設備老化,單爐生產能力小,生產運行穩定性差,自控水平低,質量波動大,產品品種少,能耗和成本較高等問題,這促使我們必須研究開發新技術,以滿足橡膠工業對子午線輪胎的需求。
1干法造粒與濕法造粒技術的比較
干法造粒是將炭黑連續通過一個旋轉圓筒,使粉狀炭黑因其物理附聚力而成為球狀顆粒。干法造粒設備簡單,造粒成本低,耗能少,但粒子強度低,在散裝輸送中粒子易破壞。
濕法造粒是將炭黑同一定比例的造粒水混合,在攪齒式濕法造粒機中,經混合、潤濕和攪拌,成粒后再干燥,除去其中水分,成為粒狀炭黑產品。這種方法粒子牢固,可散裝運輸,以減少炭黑在運輸及使用過程中的污染,同時也增加了后處理的調節手段[1]。
2濕法造粒工藝技術及特點
濕法造粒工藝生產炭黑是以煤焦油和蒽油為原料,焦爐煤氣作為燃料,經過燃燒、裂解反應,急冷活化,收集粉碎,濕法造粒,包裝成為產品。工藝流程如圖1所示。
該技術具有以下特點:①工藝技術先進,生產穩定,產品質量好;②裝置技術屬國內先進水平,能耗低、收率高;③主體設備國產化程度高,設備布置緊湊,運行可靠,維修方便;④裝置采用國內先進的集散型計算機控制系統,可靠性好,自動化程度高。
3研究的主要內容與重點
3.1研究的主要內容
隨著我公司焦炭生產規模日益擴大,造成大量焦爐煤氣富余,每天約有9萬m3煤氣被燃燒放散,一方面浪費了大量寶貴能源,另一方面又造成大氣污染。針對此問題,我公司研究開發出以焦爐煤氣替代原來燃油為燃料的新工藝,不但實現了富余煤氣的綜合利用,提高了炭黑生產工藝水平及炭黑生產的綜合效能,而且減少了富余煤氣和原來炭黑生產的污染。
新工藝的核心在于建立反應爐燃燒室燃燒模型和尾氣當量模型。所謂燃燒模型指入爐燃料與入爐空氣的比值與空氣預熱器出口空氣溫度、燃料溫度、燃料成分之間的工藝關系。
(1)燃燒模型的研究。根據新工藝中反應爐燃燒室的允許工作溫度,在理想狀態下,假定燃燒室為絕熱反應系統,在入爐空氣量恒定,入爐燃料成分不變的情況下,通過入爐空氣溫度的變化來改變入爐燃料量,從而達到燃燒室理論燃燒溫度維持不變的目的,為炭黑反應裂解提供充足而穩定的熱量,從而保證炭黑產品的產量和質量。利用上述原理,采用計算機編程進行衡算的計算方法,得出利用焦爐煤氣為燃料生產炭黑新工藝時,原料油分別為乙烯焦油、煤焦油、蒽油以及它們的混合油的條件下,對應于N234、N229、N326、N339、N35l等5個品種的控制模型,并與原裝置的相關數據進行分析計算。
在裝置試生產過程中,為了穩妥起見,在試車初期先裝入1 550℃下的數學模型,此模型運行穩定,生產出的炭黑質量優良。對反映出的工藝參數進行分析、論證,逐步提高燃燒溫度,并陸續裝入1 600℃、1 650℃、1 700℃及1 760℃火焰溫度下的數學模型,而且在每次更換模型時,都力爭做到不停車更換。在耐火材料可以承受的情況下,適當提高燃燒溫度對產品質量和能耗有好處。
(2)物料衡算與熱量衡算。對利用焦爐煤氣為燃料生產炭黑的新工藝進行物料衡算與熱量衡算,這是工藝開發的又一重點部分。我們對反應爐總燃燒率、燃燒溫度和總熱量3個主要條件,進行了大量的研究工作,得出了利用焦爐煤氣為燃料生產炭黑新工藝裝置入爐空氣量、炭黑產量、原料油耗、焦爐煤氣消耗、收率等系列在各種油品下較完整的重要工藝參數和控制指標,并將這些數據與其他裝置的相關數據進行了分析計算。
(3)新工藝炭黑反應模型的研究。根據總燃燒率、空氣質量流量、燃燒模型等,建立起不同品種下的反應模型,以保持總燃燒率恒定,達到穩定產品質量的目的。
(4)新型反應爐筑爐方法的研究。以原有炭黑生產筑爐技術為基礎,消化吸收國內廠家的先進筑爐技術,設計了利用焦爐煤氣為燃料生產炭黑工藝反應爐爐襯,耐火材料全部國產化,并且在耐火材料選擇、爐型設計、砌筑方法上作相應的改進,采用了內砌外澆的新方法進行筑爐,通過生產實踐證明,此方法是可行的。
為盡量減少工人的勞動強度,在設計和施工時,對引進的反應爐進行了結構調整研究,在反應爐和急冷段增加和增厚了外層隔熱澆注料,降低了爐壁溫度,原設計的爐壁溫度達到300℃以上,工人在工作時要穿石棉衣才能進行操作,特別是在氣溫高時,操作極其不便。經改進后,工人可不穿石棉衣操作,同時,也保護了反應爐附近的儀表管線系統。
3.2研究的重點
在研究過程中,重點開發了新型反應爐、空氣預熱器、臥式濕法造粒機、脈沖袋濾器、DCS自動化系統。
(1)研究開發了新型反應爐,新型反應爐由燃燒段、喉管段、急冷段和停留段組成,拆卸較為方便。該反應爐具有外型小、重量輕、熱強度大、操作彈性大、生產能力大等特點。單爐生產能力為每天生產55～65t炭黑(視品種而有變化),1臺反應爐能生產多個品種硬質炭黑,利用在線高溫空氣預熱器和原料油預熱器,把空氣預熱到650℃,原料油預熱到180℃,強化了反應條件,提高了產品質量和收率,降低了單位產品的消耗。
(2)空氣預熱器。由于炭黑反應爐能力大型化,提高空氣預熱溫度具有明顯的節能效果,因而研究制造了650℃級空氣預熱器,并能達到國外同類設備的技術水平和使用壽命。
(3)濕法造粒機為臥式帶蒸汽夾套的轉動設備。轉軸上的攪齒為雙螺旋排列。電機設有功率變送器,由微機自動調節水和炭黑的比例。為了適應不同產品的需要,轉軸可以進行調速。該設備具有體積小、重量輕、運行可靠等特點。
(4)研究設計了新型脈沖袋式除塵器。除塵器由灰斗、上箱體、中箱體和下箱體等組成,上、中、下箱體為分室結構。工作時,含塵氣體由進風道進入灰斗,粗塵粒直接落入灰斗底部,細塵粒隨氣流轉折向上進入中、下箱體,粉塵積附在濾袋外表面,過濾后的氣體進入上箱體至凈氣集合管和排風道,經排風機排至大氣。清灰過程是先切斷該室的凈氣出口風道,使該室的布袋處于無氣流通過的狀態。然后開啟脈沖閥用壓縮空氣進行脈沖噴吹清灰,切斷閥關閉時間足以保證在噴吹后從濾袋上剝離的粉塵沉降至灰斗,避免了粉塵在脫離濾袋表面后又隨氣流附集到相鄰濾袋表面的現象,使濾袋清灰徹底,并由可編程序控制儀對排氣閥、脈沖閥及卸灰閥等進行全自動控制。該除塵器占地面積小、過濾效果好、處理能力大,能有效地減輕環境污染[2]。
(5)DCS自動化系統的研究。目前,集散型控制系統已在國內萬噸級炭黑生產裝置中得到普遍應用。實踐證明,采用集散型控制系統,不僅可以穩定生產過程,提高產品質量和產量,同時也提高了生產裝置的自動化水平和工廠的技術管理水平。因此,采用目前先進的集散型控制系統DCS進行控制。主控裝置為DCS系統,輔以先進可靠的現場儀表,實現全生產線的控制。
4運行效果
濕法造粒新工藝開發運行后,不但產品質量穩定,而且增加了產品品種,從而提高企業市場競爭力。新工藝具有如下特點:
(1)容易操作,爐溫穩定性增加。
(2)杜絕燃燒爐結焦現象,減少雜質,提高產品質量,避免停油吹焦。
(3)提高產品收率,每噸炭黑耗焦油量降低500kg。
(4)產品品種增加,質量穩定,性能好、適應市場能力增強。
(5)充分利用公司富余煤氣,減輕環境污染,降低生產成本。
參考文獻
[1]李炳炎.《炭黑生產與應用手冊》[M].北京:化學工業出版社.2000.168-169.
[2]李玉林,胡瑞生,白雅琴.《煤化工基礎》[M].北京:化學工業出版社.2006.361-365.
