炭黑工藝及分析

一、概述

炭黑是氣態(tài)或液態(tài)的碳氫化合物在空氣不足的條件下進行不完全燃燒或熱裂分解所生成的無定形碳，為疏松、質(zhì)輕而極細的黑色粉末物質(zhì)，具有高度分散性。不溶于各種溶劑，相對密度1.8～2.1。其成分主要是元素碳，并含有少量氧、氫和硫以及其他雜質(zhì)和水分等，其微晶具有準石墨結(jié)構(gòu)。

炭黑的主要物理性質(zhì)有比表面積、密度、結(jié)構(gòu)性、表面性質(zhì)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和光學(xué)性質(zhì)等；主要化學(xué)性質(zhì)有氧化、接枝和磺化等反應(yīng)性以及催化作用、消除自由基作用和抗老化性作用等。各種炭黑的差異主要在表面積（或粒子大?。?、聚集體形態(tài)、粒子和聚集體的質(zhì)量分布和化學(xué)組成等方面。

炭黑主要用作橡膠的補強劑和填料，其消耗量約為橡膠消耗量的一半，橡膠用炭黑占炭黑總量的94％，其中約60％用于制造。此外，也用作油墨、和的著色劑以及塑料制品的紫外光屏蔽劑。在許多其他制品，如電極、干電池、電阻器、炸藥、化妝品及拋光膏中，它也是重要的助劑。

二、市場分析

炭黑系芳族石油或煤焦油等原料不完全燃燒的產(chǎn)物，作為重要的填充補強劑和優(yōu)良的著色或調(diào)色劑，目前廣泛應(yīng)用于橡膠及塑料加工、油墨、涂料、化纖、制革、電子，冶金等行業(yè)．橡膠用炭黑約占炭黑總耗用量的90％，其使用不僅能提高橡膠制品的強度，而且能改進膠料的工藝性能，賦予制品耐磨、耐撕。耐熱等多種性能，延長制品的使用壽命，適量填充炭黑還可以降低生產(chǎn)成本．

據(jù)不完全統(tǒng)計，根據(jù)輪胎和橡膠加工的發(fā)展，以及炭黑相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的需求，

據(jù)統(tǒng)計，全球工業(yè)企業(yè)每年消耗800萬～900萬噸炭黑，中國的炭黑年消費量為110萬噸，是僅次于美國的全球第二大炭黑消費國。目前國內(nèi)炭黑生產(chǎn)能力為200萬噸，2004年總產(chǎn)量為138萬噸，表現(xiàn)消費量已達到140萬噸．2006年我國炭黑產(chǎn)量為182.5萬噸。預(yù)計2010年全國炭黑的需求量將達到200-220萬噸．中國汽車制造業(yè)及輪胎制造業(yè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致近年來對炭黑的需求量急劇提高。我國高速公路近年來取得了快速發(fā)展，輪胎對高品質(zhì)的新工藝炭黑、及新工藝低滯后，低滾動阻力炭黑的需求日益增多．

目前，中國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)是世界第二大汽車產(chǎn)銷國；汽車工業(yè)的快速發(fā)展又帶動了輪胎工業(yè)的發(fā)展，中國目前已成為世界第一大輪胎生產(chǎn)國；而炭黑作為輪胎生產(chǎn)中的第二大原材料，也充分受益于輪胎工業(yè)的發(fā)展，輪胎工業(yè)擔(dān)當了炭黑行業(yè)發(fā)展的催化劑。

我國汽車工業(yè)和炭黑工業(yè)走勢見下表：

近幾年我國炭黑產(chǎn)、消費量如下 單位：萬噸

國內(nèi)炭黑主要生產(chǎn)廠家：

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，特別是橡膠工業(yè)需求快速增長，近幾年來，我國炭黑工業(yè)呈現(xiàn)空前發(fā)展的良好態(tài)勢。據(jù)中國橡膠工業(yè)協(xié)會公布的統(tǒng)計，2007年上半年，全國38家炭黑企業(yè)總產(chǎn)量77.11萬噸，同比增長27.34%；總銷量77.51萬噸，同比增長27.83%；銷售收入42.7億元，同比增長24.72%。由此可見，炭黑行業(yè)在我國正處于蓬勃發(fā)展期。

隨著國內(nèi)市場對炭黑需求的增加，眾多投資者已將目光瞄準炭黑行業(yè)?？ú┨毓居?/SPAN>2007年7月底正式擴建其位于天津開發(fā)區(qū)化學(xué)工業(yè)區(qū)的炭黑工廠，擴建工程將耗資6500萬美元，新增兩條炭黑生產(chǎn)線和全球最先進的廢氣脫硫環(huán)保裝置，屆時天津工廠年炭黑生產(chǎn)能力將提高到26萬至29萬噸，成為卡博特全球產(chǎn)量最大的炭黑工廠。日本東海炭素公司也準備將炭黑產(chǎn)能擴大至10萬噸/年；德固賽則計劃在山東（青島）成立炭黑合資企業(yè)，建設(shè)一條3萬噸/年的生產(chǎn)線；雙星將分3期5年建成年產(chǎn)10萬噸炭黑項目；而國內(nèi)炭黑老大黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰疽矊⒉粩鄶U大產(chǎn)能，擬到2008年新增10.5萬噸/年的產(chǎn)能，使總產(chǎn)能達到30萬噸/年。這也就意味著近幾年內(nèi)國內(nèi)炭黑行業(yè)將面臨產(chǎn)能過剩、競爭激烈的局面。

三、項目規(guī)模及產(chǎn)品方案

1、原料來源和裝置規(guī)模

炭黑原料油分為三類：煉油廠副產(chǎn)的催化裂化澄清油、乙烯焦油和煤焦油。歐洲和美國炭黑原料油以澄清油為主，我國炭黑秤原料以煤焦油和乙烯焦油為主。2004年我國生產(chǎn)炭黑消耗原料油235萬噸，其中乙烯焦油約占15%，其余主要為煤焦油和煤焦油加工得到的蒽油餾份。

本裝置原料來源煤焦油分離裝置生產(chǎn)的全部蒽油、改質(zhì)瀝青脫出油、各加工裝置殘油和部分中溫瀝青，30萬噸煤焦油油分離裝置可生產(chǎn)以上餾分約6萬噸，噸炭黑單耗原料油1.9噸，故新工藝炭黑裝置規(guī)模定為3萬噸/年，采用爐法生產(chǎn)工藝。操作時間按330天計。

本方案將上述原料餾分配合調(diào)質(zhì)后作為炭黑裝置的原料油，炭黑裝置產(chǎn)生的尾氣摻人少量煤氣作為廢熱鍋爐原料氣用以生產(chǎn)蒸汽，供焦油加工裝置和炭黑裝置使用。該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)了產(chǎn)品上下游一體化，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的目的，做到投資省、清潔生產(chǎn)、污染物排放少，在經(jīng)濟和環(huán)境方面有良好效益。

四、工藝方案

（一）主要生產(chǎn)工藝技術(shù)介紹

生產(chǎn)炭黑的工藝方法很多，因不同領(lǐng)域?qū)ζ湫阅芤蟮牟煌绕涫苌a(chǎn)成本等經(jīng)濟因素的影響，其制備方法各有不同。炭黑的生產(chǎn)方法中技術(shù)較成熟的有槽法、爐法及熱解法。

<1> 槽法

槽法以天然氣為原料，通過特制的火嘴，在火房內(nèi)與空氣接觸燃燒，火焰則與緩慢往復(fù)運動的槽鋼接觸，使炭黑沉積在槽鋼上并加以收集生產(chǎn)炭黑。因其原料主要使用以甲烷為主要成分的天然氣，所以又稱天然氣槽黑或瓦斯槽黑。因槽法炭黑的收率非常低，且天然氣的價格上漲，使槽法炭黑的經(jīng)濟狀況不好。由于槽法生產(chǎn)炭黑產(chǎn)生的空氣污染問題尚不能經(jīng)濟地解決，因而國內(nèi)外都不再采用此法。

<2> 爐法

爐法是以氣態(tài)烴、液態(tài)烴或按一定比例的氣態(tài)與液態(tài)烴的混合物為原料，供以適量的空氣，在特制的反應(yīng)爐內(nèi)，于一定的高溫下燃燒、裂解，生成的炭黑懸浮在煙氣中，然后經(jīng)冷卻、收集生產(chǎn)炭黑的方法。只使用氣態(tài)烴原料，如天然氣、油田氣生產(chǎn)的炭黑，稱為氣爐法炭黑;只使用液態(tài)烴原料，如煤焦油系統(tǒng)或石油系統(tǒng)的油類生產(chǎn)的炭黑，稱為油爐法炭黑;同時使用氣態(tài)烴和液態(tài)烴原料生產(chǎn)的炭黑，則稱油氣爐法炭黑。爐法炭黑，特別是油爐法能生產(chǎn)出各種性能的炭黑，現(xiàn)代炭黑工業(yè)中，油爐法炭黑的產(chǎn)量已占炭黑總產(chǎn)量的95%以上。油爐法已成為當今收率最高、能耗最少的生產(chǎn)方式。

爐法炭黑具有膠料高伸長率、低生熱、高彈性和良好的耐老化性能等，多用于胎體緩沖膠,簾布膠用各種橡膠制品。主要用于輪胎布布層、胎面下層、胎側(cè)及內(nèi)胎等膠料中。

爐法工藝流程簡圖如下：

<3> 熱解法

熱解法是以天然氣或乙炔氣為原料，在已預(yù)熱的反應(yīng)爐內(nèi)，隔絕空氣，進行間歇(燃燒蓄熱和熱分解二個階段)或連續(xù)(單一的熱分解)熱裂解生成炭黑的方法。以天然氣為主要原料裂解產(chǎn)生的炭黑稱為熱裂炭黑。按裂解生成的炭黑粒子大小不同，又分為細粒子熱裂炭黑和中粒子熱裂炭黑2種。使用乙炔氣作為原料熱裂解生成的炭黑稱為乙炔炭黑。乙炔炭黑具有低電阻或高電阻性能，可用于導(dǎo)電橡膠、無線電元件和電池工業(yè)中。

熱解法炭黑是現(xiàn)有炭黑中價格最低的一類。但是，由子在熱解法中碳的來源是天然氣，隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，夫然氣的用途越來越廣，其價格也隨之上漲，出于經(jīng)濟上的考慮，熱解法炭黑的生產(chǎn)量較少。

（二）推薦工藝簡介

從化學(xué)反應(yīng)的觀點來看，炭黑生產(chǎn)方法基本上分為烴類的不完全燃燒和烴類熱分解兩大類。其差異主要在于有氧和無氧條件。不完全燃燒過程，是重要的生產(chǎn)方法。不完全燃燒和熱分解的生產(chǎn)方法和原料特性見下表。油爐法能生產(chǎn)出各種性能的炭黑，與此同時，由于天然氣價格上漲及環(huán)境污染問題，槽黑法產(chǎn)量急劇下降，油爐法成為當今效率最高、能耗最少的生產(chǎn)方式。

故本項目推薦采用油爐法生產(chǎn)技術(shù)，工藝流程圖如下：

（三）工藝簡述

油爐法炭黑生產(chǎn)流程如上圖所示，蒽油由油庫泵送至儲油槽，加溫至85℃左右，靜置脫水。脫水后的原料油用齒輪油泵升壓，經(jīng)蒸汽夾套油管將油溫提高到110～130℃左右，再經(jīng)噴燃器內(nèi)的油嘴霧化噴射到用耐火材料砌成的反應(yīng)爐內(nèi)。由羅茨豉風(fēng)機送來的空氣經(jīng)孔板流量計進入第三級空氣預(yù)熱器，預(yù)熱后達到350～400℃左右離開第一級空氣預(yù)熱器，進入噴燃器與油霧充分混合后進入反應(yīng)爐內(nèi)。在燃料油的加熱下，反應(yīng)爐溫度維持在1300～1600℃。原料油在此高溫下裂解生成炭黑，些炭黑懸浮在燃余氣中，形成煙氣。煙氣離開反應(yīng)爐后，立即噴入冷至900～1000℃，以終止反應(yīng)。急冷后的煙氣再經(jīng)兩級廢熱鍋爐冷卻至600～650℃，隨后進入列管式冷卻器，使煙氣冷卻至450～550℃，進入三級空氣預(yù)熱器，煙氣與空氣逆向流動，降低煙氣溫度到200～250℃，送入三級旋風(fēng)分離器，分離出大部分炭黑，尾氣經(jīng)風(fēng)風(fēng)冷器冷卻至80～140℃后進入脈沖袋濾器中。經(jīng)過濾后尾氣由抽風(fēng)機抽吸至煙囪排放。由旋風(fēng)分離器和脈沖袋濾器中收集的炭黑，由氣力輸送系統(tǒng)送入濕法造粒機中。濕的粒狀炭黑在回轉(zhuǎn)式干燥器中于燥，然后送入貯罐，以散裝或袋裝方式運輸。