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(bǔ)強(qiáng)材料,也是油墨、涂料、塑料等行業(yè)不可缺少的原料之一。炭黑主要應(yīng)用于橡膠行業(yè),在橡膠用炭黑中,75%左右的炭黑用來(lái)制造各種類型的輪胎,因此對(duì)炭黑的需求將隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。而采用干法造粒生產(chǎn)炭黑,不但污染環(huán)境,而且產(chǎn)品的品種和質(zhì)量也不能適應(yīng)橡膠工業(yè)子午線輪胎的需要。因此,研究開(kāi)發(fā)濕法造粒生產(chǎn)炭黑新技術(shù)勢(shì)在必行。

河南天宏焦化公司目前的炭黑生產(chǎn)線是20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的干法造粒生產(chǎn)技術(shù),存在裝置設(shè)備老化,單爐生產(chǎn)能力小,生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性差,自控水平低,質(zhì)量波動(dòng)大,產(chǎn)品品種少,能耗和成本較高等問(wèn)題,這促使我們必須研究開(kāi)發(fā)新技術(shù),以滿足橡膠工業(yè)對(duì)子午線輪胎的需求。

1干法造粒與濕法造粒技術(shù)的比較

干法造粒是將炭黑連續(xù)通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(shè)備簡(jiǎn)單,造粒成本低,耗能少,但粒子強(qiáng)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(jī)中,經(jīng)混合、潤(rùn)濕和攪拌,成粒后再干燥,除去其中水分,成為粒狀炭黑產(chǎn)品。這種方法粒子牢固,可散裝運(yùn)輸,以減少炭黑在運(yùn)輸及使用過(guò)程中的污染,同時(shí)也增加了后處理的調(diào)節(jié)手段[1]。

2濕法造粒工藝技術(shù)及特點(diǎn)

濕法造粒工藝生產(chǎn)炭黑是以煤焦油和蒽油為原料,焦?fàn)t煤氣作為燃料,經(jīng)過(guò)燃燒、裂解反應(yīng),急冷活化,收集粉碎,濕法造粒,包裝成為產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。

該技術(shù)具有以下特點(diǎn):①工藝技術(shù)先進(jìn),生產(chǎn)穩(wěn)定,產(chǎn)品質(zhì)量好;②裝置技術(shù)屬國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平,能耗低、收率高;③主體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度高,設(shè)備布置緊湊,運(yùn)行可靠,維修方便;④裝置采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),可靠性好,自動(dòng)化程度高。

3研究的主要內(nèi)容與重點(diǎn)

3.1研究的主要內(nèi)容

隨著我公司焦炭生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大,造成大量焦?fàn)t煤氣富余,每天約有9萬(wàn)m3煤氣被燃燒放散,一方面浪費(fèi)了大量寶貴能源,另一方面又造成大氣污染。針對(duì)此問(wèn)題,我公司研究開(kāi)發(fā)出以焦?fàn)t煤氣替代原來(lái)燃油為燃料的新工藝,不但實(shí)現(xiàn)了富余煤氣的綜合利用,提高了炭黑生產(chǎn)工藝水平及炭黑生產(chǎn)的綜合效能,而且減少了富余煤氣和原來(lái)炭黑生產(chǎn)的污染。

新工藝的核心在于建立反應(yīng)爐燃燒室燃燒模型和尾氣當(dāng)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(yù)熱器出口空氣溫度、燃料溫度、燃料成分之間的工藝關(guān)系。

(1)燃燒模型的研究。根據(jù)新工藝中反應(yīng)爐燃燒室的允許工作溫度,在理想狀態(tài)下,假定燃燒室為絕熱反應(yīng)系統(tǒng),在入爐空氣量恒定,入爐燃料成分不變的情況下,通過(guò)入爐空氣溫度的變化來(lái)改變?nèi)霠t燃料量,從而達(dá)到燃燒室理論燃燒溫度維持不變的目的,為炭黑反應(yīng)裂解提供充足而穩(wěn)定的熱量,從而保證炭黑產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用上述原理,采用計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行衡算的計(jì)算方法,得出利用焦?fàn)t煤氣為燃料生產(chǎn)炭黑新工藝時(shí),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(duì)應(yīng)于N234、N229、N326、N339、N35l等5個(gè)品種的控制模型,并與原裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

在裝置試生產(chǎn)過(guò)程中,為了穩(wěn)妥起見(jiàn),在試車初期先裝入1 550℃下的數(shù)學(xué)模型,此模型運(yùn)行穩(wěn)定,生產(chǎn)出的炭黑質(zhì)量?jī)?yōu)良。對(duì)反映出的工藝參數(shù)進(jìn)行分析、論證,逐步提高燃燒溫度,并陸續(xù)裝入1 600℃、1 650℃、1 700℃及1 760℃火焰溫度下的數(shù)學(xué)模型,而且在每次更換模型時(shí),都力爭(zhēng)做到不停車更換。在耐火材料可以承受的情況下,適當(dāng)提高燃燒溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和能耗有好處。

(2)物料衡算與熱量衡算。對(duì)利用焦?fàn)t煤氣為燃料生產(chǎn)炭黑的新工藝進(jìn)行物料衡算與熱量衡算,這是工藝開(kāi)發(fā)的又一重點(diǎn)部分。我們對(duì)反應(yīng)爐總?cè)紵省⑷紵郎囟群涂偀崃?個(gè)主要條件,進(jìn)行了大量的研究工作,得出了利用焦?fàn)t煤氣為燃料生產(chǎn)炭黑新工藝裝置入爐空氣量、炭黑產(chǎn)量、原料油耗、焦?fàn)t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(shù)和控制指標(biāo),并將這些數(shù)據(jù)與其他裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析計(jì)算。

(3)新工藝炭黑反應(yīng)模型的研究。根據(jù)總?cè)紵?、空氣質(zhì)量流量、燃燒模型等,建立起不同品種下的反應(yīng)模型,以保持總?cè)紵屎愣?達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

(4)新型反應(yīng)爐筑爐方法的研究。以原有炭黑生產(chǎn)筑爐技術(shù)為基礎(chǔ),消化吸收國(guó)內(nèi)廠家的先進(jìn)筑爐技術(shù),設(shè)計(jì)了利用焦?fàn)t煤氣為燃料生產(chǎn)炭黑工藝反應(yīng)爐爐襯,耐火材料全部國(guó)產(chǎn)化,并且在耐火材料選擇、爐型設(shè)計(jì)、砌筑方法上作相應(yīng)的改進(jìn),采用了內(nèi)砌外澆的新方法進(jìn)行筑爐,通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明,此方法是可行的。

為盡量減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,在設(shè)計(jì)和施工時(shí),對(duì)引進(jìn)的反應(yīng)爐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整研究,在反應(yīng)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(shè)計(jì)的爐壁溫度達(dá)到300℃以上,工人在工作時(shí)要穿石棉衣才能進(jìn)行操作,特別是在氣溫高時(shí),操作極其不便。經(jīng)改進(jìn)后,工人可不穿石棉衣操作,同時(shí),也保護(hù)了反應(yīng)爐附近的儀表管線系統(tǒng)。

3.2研究的重點(diǎn)

在研究過(guò)程中,重點(diǎn)開(kāi)發(fā)了新型反應(yīng)爐、空氣預(yù)熱器、臥式濕法造粒機(jī)、脈沖袋濾器、DCS自動(dòng)化系統(tǒng)。

(1)研究開(kāi)發(fā)了新型反應(yīng)爐,新型反應(yīng)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(yīng)爐具有外型小、重量輕、熱強(qiáng)度大、操作彈性大、生產(chǎn)能力大等特點(diǎn)。單爐生產(chǎn)能力為每天生產(chǎn)55～65t炭黑(視品種而有變化),1臺(tái)反應(yīng)爐能生產(chǎn)多個(gè)品種硬質(zhì)炭黑,利用在線高溫空氣預(yù)熱器和原料油預(yù)熱器,把空氣預(yù)熱到650℃,原料油預(yù)熱到180℃,強(qiáng)化了反應(yīng)條件,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和收率,降低了單位產(chǎn)品的消耗。

(2)空氣預(yù)熱器。由于炭黑反應(yīng)爐能力大型化,提高空氣預(yù)熱溫度具有明顯的節(jié)能效果,因而研究制造了650℃級(jí)空氣預(yù)熱器,并能達(dá)到國(guó)外同類設(shè)備的技術(shù)水平和使用壽命。

(3)濕法造粒機(jī)為臥式帶蒸汽夾套的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。轉(zhuǎn)軸上的攪齒為雙螺旋排列。電機(jī)設(shè)有功率變送器,由微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)水和炭黑的比例。為了適應(yīng)不同產(chǎn)品的需要,轉(zhuǎn)軸可以進(jìn)行調(diào)速。該設(shè)備具有體積小、重量輕、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

(4)研究設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。工作時(shí),含塵氣體由進(jìn)風(fēng)道進(jìn)入灰斗,粗塵粒直接落入灰斗底部,細(xì)塵粒隨氣流轉(zhuǎn)折向上進(jìn)入中、下箱體,粉塵積附在濾袋外表面,過(guò)濾后的氣體進(jìn)入上箱體至凈氣集合管和排風(fēng)道,經(jīng)排風(fēng)機(jī)排至大氣。清灰過(guò)程是先切斷該室的凈氣出口風(fēng)道,使該室的布袋處于無(wú)氣流通過(guò)的狀態(tài)。然后開(kāi)啟脈沖閥用壓縮空氣進(jìn)行脈沖噴吹清灰,切斷閥關(guān)閉時(shí)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(xiàn)象,使濾袋清灰徹底,并由可編程序控制儀對(duì)排氣閥、脈沖閥及卸灰閥等進(jìn)行全自動(dòng)控制。該除塵器占地面積小、過(guò)濾效果好、處理能力大,能有效地減輕環(huán)境污染[2]。

(5)DCS自動(dòng)化系統(tǒng)的研究。目前,集散型控制系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)萬(wàn)噸級(jí)炭黑生產(chǎn)裝置中得到普遍應(yīng)用。實(shí)踐證明,采用集散型控制系統(tǒng),不僅可以穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程,提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,同時(shí)也提高了生產(chǎn)裝置的自動(dòng)化水平和工廠的技術(shù)管理水平。因此,采用目前先進(jìn)的集散型控制系統(tǒng)DCS進(jìn)行控制。主控裝置為DCS系統(tǒng),輔以先進(jìn)可靠的現(xiàn)場(chǎng)儀表,實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)線的控制。

4運(yùn)行效果

濕法造粒新工藝開(kāi)發(fā)運(yùn)行后,不但產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,而且增加了產(chǎn)品品種,從而提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。新工藝具有如下特點(diǎn):

(1)容易操作,爐溫穩(wěn)定性增加。

(2)杜絕燃燒爐結(jié)焦現(xiàn)象,減少雜質(zhì),提高產(chǎn)品質(zhì)量,避免停油吹焦。

(3)提高產(chǎn)品收率,每噸炭黑耗焦油量降低500kg。

(4)產(chǎn)品品種增加,質(zhì)量穩(wěn)定,性能好、適應(yīng)市場(chǎng)能力增強(qiáng)。

(5)充分利用公司富余煤氣,減輕環(huán)境污染,降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]李炳炎.《炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)》[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2000.168-169.

[2]李玉林,胡瑞生,白雅琴.《煤化工基礎(chǔ)》[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2006.361-365.