1.反應(yīng)爐和反應(yīng)工藝不斷改進(jìn)
炭黑反應(yīng)爐是油爐法炭黑生產(chǎn)裝置的核心部位,改進(jìn)炭黑反應(yīng)爐型結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝是改變產(chǎn)品性能和提高產(chǎn)量和原料油收率的主要措施:
①提高單爐生產(chǎn)能力,減少單位生產(chǎn)能力的裝置建設(shè)投資和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力消耗和其他費(fèi)用,從而降低炭黑生產(chǎn)成本,目前單爐產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到4萬(wàn)~5萬(wàn)t/a。
②提高火焰溫度,可以加快炭黑核心的生成,提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率,由于受到耐火材料的限制,目前溫度一般為1900℃,最高為2100℃。
③在油爐法炭黑生產(chǎn)裝置中,采用富氧空氣或純氧取代過(guò)程空氣,可以顯著減少煙氣和尾氣的生成量,提高裝置的生產(chǎn)能力,減少急冷水用量,提高尾氣熱值,F(xiàn)在油爐法炭黑生產(chǎn)裝置中使用含氧量為27%的富氧空氣,已有報(bào)道。
④改進(jìn)原料油霧化工藝,采用多點(diǎn)噴油、不規(guī)則噴油、添加各種添加劑或活化劑等手段,改進(jìn)產(chǎn)品性能和提高收率。
⑤采用金屬水夾套喉管,以解決在高溫、高速焰氣沖刷下喉管容易變形的問(wèn)題。
2.節(jié)能技術(shù)
除了改進(jìn)反應(yīng)爐型結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝可節(jié)能外,炭黑生產(chǎn)過(guò)程中的節(jié)能主要表現(xiàn)在要充分利用煙氣的物理和化學(xué)熱。
生產(chǎn)實(shí)踐表明,采用空氣預(yù)熱可以降低反應(yīng)爐燃料消耗、減少二次急冷水用量及尾氣量、提高尾氣熱值。空氣預(yù)熱溫度每提高100℃,可以降低總能耗的1.95%,因此提高空氣預(yù)熱溫度是炭黑生產(chǎn)節(jié)能的一項(xiàng)重要措施。但是空氣預(yù)熱溫度越高,對(duì)空氣預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)、材料以及生產(chǎn)操作和控制的要求也越高,造價(jià)也越高。目前國(guó)外正在推廣應(yīng)用800℃級(jí)空氣預(yù)熱器,900℃級(jí)空氣預(yù)熱器已開始投入工業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn),1000℃級(jí)空氣預(yù)熱器正在醞釀設(shè)計(jì)和制造階段。采用900℃空氣預(yù)熱器與采用800℃空氣預(yù)熱器對(duì)比,可節(jié)約燃料8.48%,增加產(chǎn)量5.60%。
另外,在空氣預(yù)熱器之前采用急冷鍋爐取代全部或部分急冷水,使高溫?zé)煔饨档偷?50℃,可以顯著減少急冷水用量和尾氣量,從而進(jìn)一步降低能耗,提高生產(chǎn)能力。目前印度正在進(jìn)行新型急冷鍋爐工業(yè)化試驗(yàn)。
為了進(jìn)一步節(jié)能,正在開發(fā)或醞釀的新技術(shù)有:將燃料氣預(yù)熱到500~600℃;將尾氣通過(guò)水洗塔,使溫度降低到40℃,脫除尾氣中的大部分水蒸氣,提高尾氣熱值,從而可以利用熱效率高的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,還可以脫除尾氣中的硫和炭黑粉塵,收到節(jié)能和環(huán)保雙重效果。
3.環(huán)保、安全和衛(wèi)生領(lǐng)域
環(huán)保、安全和衛(wèi)生領(lǐng)域的進(jìn)展主要表現(xiàn)在:
①采用聚四氟乙烯覆膜濾袋 該濾袋在過(guò)濾時(shí)可防止炭黑微粒進(jìn)入濾材孔隙內(nèi)部,從而降低過(guò)濾阻力,增加氣流流量。由于覆膜表面微孔較多,且較光滑,因此不僅過(guò)濾效率高,而且在清灰時(shí)更容易除去炭黑塵粒。
②“選擇性粘結(jié)”覆膜濾袋的開發(fā) 這種覆膜結(jié)構(gòu)由于薄膜沒有完全同背襯材料相粘結(jié),具有良好的初始滲透性和濾餅釋放性,可以顯著提高過(guò)濾效率。
③使用含有催化劑的覆膜濾袋 在背襯材料針刺氈中添加能夠在160~260℃下破壞廢氣中二口惡英/呋喃的催化劑,從而使廢氣排放進(jìn)一步滿足環(huán)保要求。
④炭黑加壓成型 日本三菱化學(xué)公司用液壓機(jī)將粉狀炭黑壓成大塊或每塊重量在5g以上的集合體,然后再用真空法進(jìn)行塑料包裝,使用時(shí)可將整包炭黑投入研磨機(jī)。這種包裝方法既可以消除在運(yùn)輸和使用時(shí)可能產(chǎn)生的污染,又可以防止炭黑吸附空氣中的水蒸氣,影響炭黑在油漆和油墨中的性能!
4.等離子體法生產(chǎn)炭黑技術(shù)
以等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫取代爐法炭黑以燃料油(或燃料氣)和空氣混合燃燒產(chǎn)生的高溫,來(lái)裂解原料油(或天然氣)以生產(chǎn)炭黑,具有如下優(yōu)點(diǎn):原料油(或氣)的收率高,而且不限于芳烴含量高的原料油,可以緩解原料油短缺問(wèn)題;副產(chǎn)的氫氣可以用做化工原料或作為清潔汽車燃料;不產(chǎn)生和排放C0、C02、S02、NOX等有害廢氣,有利于環(huán)境保護(hù);裂解反應(yīng)產(chǎn)生的含炭黑尾氣量少,可以減少炭黑收集系統(tǒng)的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用;等離子體的溫度較高,范圍較寬,有利于炭黑品種的多樣化。
但是從等離子體法生產(chǎn)炭黑的試驗(yàn)情況來(lái)看,也存在一些問(wèn)題,如等離子體發(fā)生器耗用電能較多,等離子氣體往往要使用價(jià)格較高的氣體如氮?dú)猓话l(fā)生等離子體的電極可能損耗,反應(yīng)器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生積炭,使反應(yīng)過(guò)程難以連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行;反應(yīng)器內(nèi)溫度分布較難控制,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,而且往往會(huì)因溫度過(guò)高使產(chǎn)品中混有石墨化的炭,或因溫度過(guò)低使炭黑表面附有未裂解完全的烴類。多數(shù)實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)品比表面積偏低、表面孔隙度低,與常規(guī)橡膠用炭黑品種差距較大,其導(dǎo)電性能又不如乙炔炭黑和重油造氣副產(chǎn)炭黑。
在法國(guó)政府資助下,1993年以來(lái),法國(guó)礦業(yè)學(xué)院和幾個(gè)企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行等離子體法生產(chǎn)炭黑的中間試驗(yàn),最近的報(bào)道表明,在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝兩個(gè)方面都取得了新的進(jìn)展。科研人員采用甲烷、乙烯、萘、乙烯焦油和菜子油等不同原料,制出了比表面積為52~90m2/g、DBP為90~250mL/100g、表面沒有孔隙的炭黑。其橡膠物理機(jī)械性能己接近常規(guī)橡膠用炭黑,并與這些炭黑各自的比表面積和結(jié)構(gòu)相一致。
5. 采用γ射線處理炭黑
法國(guó)的卡泰爾多用γ射線照射石墨、炭黑和白炭黑等填料后發(fā)現(xiàn),在填充這些經(jīng)過(guò)γ射線處理過(guò)的填料的膠料中,結(jié)合膠的含量明顯增加,其中石墨增加了67%、白炭黑增加20%、N660炭黑增加45%、N375炭黑增加40%、N234炭黑增加20%。喇曼光譜的測(cè)試表明,在石墨表面出現(xiàn)了類似富勒烯的峰值,其原因是γ射線的照射導(dǎo)致石墨表面產(chǎn)生一些缺陷或者“引進(jìn)了缺陷”,從而使表面活性點(diǎn)增加。N234炭黑原有的表面活性點(diǎn)較多,因此結(jié)合膠的含量增加較少,但是填充照射過(guò)的N234炭黑的丁苯橡膠的膠料性能有明顯改善(如模量提高了20%)。因此,使用γ射線處理炭黑,很有可能成為一種提高炭黑性能的實(shí)用技術(shù)。
國(guó)內(nèi)緊跟世界發(fā)展步伐
從總體上看,我國(guó)炭黑生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與世界潮流基本一致。
近幾年的主要進(jìn)展是:
、偃f(wàn)噸級(jí)新工藝炭黑生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)得到較為普遍的推廣應(yīng)用。
②單爐生產(chǎn)能力正在提高。硬質(zhì)炭黑單爐產(chǎn)能已由1.5萬(wàn)t/a增加到2.0萬(wàn)t/a,3.0萬(wàn)t/a,4.0萬(wàn)t/a的裝置正在開發(fā)。2萬(wàn)t/a軟質(zhì)炭黑的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟。
③萬(wàn)噸級(jí)裝置的配套專用設(shè)備和材料,如微米粉碎機(jī)、濕法造粒機(jī)、干燥機(jī)、耐火材料、濾袋等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。以節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本為目標(biāo)的炭黑裝置開發(fā)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,如650℃級(jí)空氣預(yù)熱器得到普遍應(yīng)用,800℃級(jí)空氣預(yù)熱器的開發(fā)應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段,900℃級(jí)空氣預(yù)熱器開發(fā)已納入規(guī)劃。
④原料多元化開發(fā)取得可喜進(jìn)展。我國(guó)炭黑生產(chǎn)用油的構(gòu)成有一個(gè)顯著的特點(diǎn),就是煤焦油多、乙烯焦油少,催化裂化重油由于質(zhì)量和價(jià)格問(wèn)題尚未應(yīng)用。能否完全使用煤焦油在萬(wàn)噸級(jí)裝置上生產(chǎn)出符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的炭黑,是我國(guó)炭黑行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷的探索、改進(jìn),合理利用煤焦油的技術(shù)問(wèn)題已得到基本解決。
⑤能量綜合利用和環(huán)境保護(hù)開始得到全行業(yè)重視,尾氣鍋爐、尾氣發(fā)電、尾氣集中處理、廢水綜合利用和達(dá)標(biāo)排放技術(shù)正在推廣應(yīng)用。
⑥中科院成都分院有機(jī)所、天津大學(xué)等科研院所開始進(jìn)行等離子體法生產(chǎn)炭黑技術(shù)的研究開發(fā)工作,有的是以制造炭黑和氫氣為目標(biāo)產(chǎn)品,有的是在生產(chǎn)乙炔時(shí)副產(chǎn)炭黑,但是大多是小型探索性試驗(yàn),其研究深度和取得的數(shù)據(jù)還很有限。
當(dāng)今世界炭黑行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈,競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)是科學(xué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)際上各大炭黑公司都在加大科技投資力度,努力開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)。例如美國(guó)的卡博特公司2003年用于研究開發(fā)的資金為6400萬(wàn)美元,相當(dāng)于其當(dāng)年銷售額的3.6%;德國(guó)的德固薩公司在上海投入1000萬(wàn)美元建立研發(fā)中心。我國(guó)炭黑生產(chǎn)總量目前已居世界前列,但在科技和新產(chǎn)品開發(fā)方面和國(guó)外相比仍有很大差距。為此,我們應(yīng)當(dāng)從國(guó)內(nèi)炭黑企業(yè)規(guī)模較小、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱的實(shí)際出發(fā),一方面要在優(yōu)化企業(yè)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大企業(yè)規(guī);A(chǔ)上,鼓勵(lì)企業(yè)開展新技術(shù)和新產(chǎn)品研究開發(fā)工作;另一方面,應(yīng)當(dāng)組建工程技術(shù)中心,在國(guó)家及有關(guān)企業(yè)的共同支持下,積極開展關(guān)鍵性的、需要投入較多的新技術(shù)和新產(chǎn)品研究開發(fā)工作,不斷開發(fā)、創(chuàng)新,使我國(guó)的炭黑工業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。