炭黑生产工艺及设备.doc

前言一、炭黑的发展史在近代石油化工原料中，炭黑是人类最早知道的重要产品之一，古时称为“炱”、“烟炱“或”松烟“，”炱“这一名称一直沿用至十九世纪末叶，自1872年近代炭黑工业出现之后，才逐渐被“炭黑”这一名词所代替。我国是世界上生产炭黑最早的国家，距今三千年前殷代的甲骨文就是利用烟炱制墨记载的文字，我国古代的大量竹简也都是用墨写成的，魏代的韦诞（公元176-257年）就是从事炭黑制造（目的是用炭黑做制墨的优质原料）的能手。三国时，魏国的曹植（公元192-232年）就有“墨出青松之烟”的记载。到了公元三世纪的晋朝，制造松烟炭黑的手工业生产已经相当普遍，南唐时（公元十世纪），我国开始使用桐油及其他动植物油，在空气不足的情况下点灯，使油不完全燃烧，将炭黑凝聚在陶质的烟碗下收集，以制取优质的炭黑。我国古代学者贾思勰、沈括、 贯之、宋应星等在他们的著作中，部分包括着并总结了我国古代劳动人民生产炭黑的丰富经验，也曾作出了很大贡献。【齐民要术】是公元六世纪以后贾思勰的的代表著作，是世界上最早记述炭黑性质、用途的科学史，在该书中对炭黑的性质和要求做了这样的描述：“此物至轻微，不宜露筛，喜失飞去，不可不慎。”这些同近代关于炭黑具有高度的散性、细小的胶体粒子的特点是相当吻合的。北宋杰出的学者沈括，在【梦溪笔谈】一书中，首先提出了从石油制取炭黑的方法，并通过自己的亲自实践，证明这种由石油制取的炭黑所制成的墨，“墨光如漆松烟不及也”而且还科学的预见到石油制取炭黑的发展前途。这一精辟的见解已为近代油炉法炭黑的飞跃发展所证实，在宋代 贯之所著的【墨经】中不但对制造松烟的方法有详细记载，而且还对当时的技术经验做了概括的总结。名末的学者宋应星在1637年所著【天工开物】一书中，对炭黑生产设备和影响炭黑质量的因素都作了论述，宋应星所记述的烟窰上部是圆顶，“如舟中雨蓬式，每隔位数节，开有小孔出烟”这样的结构设计是十分科学的，可以说是近代炭黑制造装置的雉刑。 炭黑的制造，据日本及欧美各国文献记载，是由我国传入日本、东方各国，然后传到希腊、罗马，最后传入欧洲的。公元十六世纪后，德国、法国、英国等国家，开始以焦油、猪油、树脂等为原料制取炱。1864年美国开始以人造气体经过燃烧，以石板为收集面，用刮板刮下而获得优质炱，。这和我国古代所使用的方法基本上是相同的，直到1872年世界上才首次实现了炭黑规模生产，同时出现了“炭黑”这一术语，这就是近代墨工业的开端，1982年发明了槽法炭黑，1944年出现了高耐磨炭黑，五十年代后期，中超耐磨炉黑，通用炉黑等相继出现，到目前为止仅橡胶用炭黑的品种就已达四十余种。二、炭黑及其种类1、什么是炭黑在现实生活中，人们往往对炭黑缺乏了解，因为只有当炭黑配合于其他物质作为一种助剂而很少单独使用，如橡胶中，制成轮胎等制品才能显现出重要作用。其实炭黑、石墨、木炭等虽然同是由碳组成的黑色物质，但他们在内部结构上是不相同的，工业炭黑乃是由烃类（即碳氢化合物）不完全燃烧而制得的具有高度分散性的黑色粉末状物质，它主要有碳元素组成，其微晶具有准石墨结构。“炭黑”一词，实际上是包括着各类用途的炭黑产品 内的总称，每一种炭黑均有其特定的物理化学性质，这种性质与所使用的原料、燃烧裂解过程、生产方式和操作条件紧密相关，把炭黑在真空或惰性气体中经高温处理，其粒子的准石墨微晶结构趋向石墨晶体的有序排列，称为石墨化炭黑，这不但对炭黑粒子微观结构研究具有理论意义，而且在碳素工业中也有实际用途。2、炭黑的分类及命名到目前为止尽管世界各国对炭黑的分类和命名进行了不少工作，但还没有一种被普遍采用的，以各种产品物理化学性质为基础的、统一的、合理的分类及命名法，炭黑的分类方法在我国按以往的习惯，大体上说来可归纳为两类：按制造方法分类及按用途和使用特点分类。（1）、按制造方法分类 按制造方法可将炭黑分为接触法炭黑、炉法炭黑、和热解法炭黑三类，其接触法炭黑按原料和生产过程不同分为槽法炭黑、槽法混气炭黑（也称混气炭黑和粗 炭黑和滚筒法炭黑三种。 （2）、按用途和使用特点分类 按用途和使用特点也可以把炭黑分为三类：橡胶用炭黑、色素炭黑和导电炭黑，其中橡胶用炭黑根据其使用特点，如：操作工艺性能、制品的耐磨和补强性等又可分为快压出炭黑、高空伸炉黑、半补强炉黑，通用炉黑等。3、炭黑的用途炭黑是现代国民经济中不可缺少的重要产品之一，目前全世界的炭黑年产量已高达四百余万吨，绝大部分用于橡胶工业，其余则用于油墨、涂料及其他国名经济的许多部门中，炭黑对交通运输业的发展、国防建设和农业机械化起着重要作用，（1）、在橡胶工业上的运用 橡胶工业所用的炭黑约占整个炭黑产量的90以上，主要用于各种类型的轮胎，每制造一条普通的汽车轮胎就需要10公斤左右的炭黑。在橡胶用炭黑中，约有四分之三以上的炭黑用于轮胎的制造，其余则用于其它橡胶制品，如胶带、胶管、胶鞋等炭黑在橡胶中的用量之多，主要是由于它具有优异的所谓“补强”能力。（2）、在油墨工业上的应用 炭黑是黑色印刷油墨的主要原料，近代的油墨多使用优质的色素炭黑，使用优质炭黑制成的印刷油墨字迹清晰，色泽鲜明，对各种报刊的印刷质量影响很大，直接与人民的文化生活紧密相关，用途广泛，其中新闻墨用炭黑占全部油墨用炭黑的70左右，新闻墨中合有11-13的炭黑，每印刷一吨报纸要消耗约16公斤的新闻墨。油墨工业对炭黑的主要要求是黑度，色相、流动性、粘度、干燥性、触变性等，各种油墨由于使用目的不同，对炭黑的要求不尽相同。（3）、在涂料工业上的应用 涂料就是我们通常所说的油漆，炭黑具有对化学物质、光、热的稳定性，这是其他的黑色无机原料和有机黑色染料不可比拟的。炭黑配合于涂料中，具有反应性小、黑度高，耐候性好，着色率高等特点。高级的色素炭黑用于合成树脂，漆中可以作为轿车的面漆，也可用于自行车，缝纫机，及仪表的装饰漆，具有导电性的炭黑可作为水溶性电泳涂漆的底漆。4、在塑料工业上的应用塑料中使用碳黑主要做炭黑的作色剂，填有炭黑的塑料，受热时变形小，制品的尺寸变化小，可提高其刚性、硬度、导电性、导热性及耐腐蚀作用等。更为突出的是，它具有防辐射、防紫外线和抗氧化的作用，塑料中炭黑的配合量，一般为1-2.755、其它应用 除了上述炭黑的主要用途之外，炭黑还用于干电池、电碳制品、电器及电子元件、硬质合金、高纯石墨、印染、静电摄影、感光胶片、火药、水泥、皮革、润滑脂、铸造农业等各部门中，在这些部门中，炭黑的用量虽少，往往作用很大。炭黑的结构形态和生产工艺一、炭黑的结构形态炭黑粒子内部结构是怎样的呢？对炭黑粒子内部结构的x射线衍射研究证明炭黑粒子中的炭黑原子是以三角平面构成二度有序的层平面的网状排列。对炭黑粒子内结构研究的重大进展，是近年来采用所谓相衬电子显微技术，应用这种技术，在电子显微镜的荧光屏上可直接观察到炭黑粒子内部结构细节，在炭黑的内部结构中，只有热裂炭黑呈球状，层平面围绕一个核心分布，其余的炭黑则是由层平面围绕多个核心分布在聚熔体中。一个旋转核心所形成的粒子犹如树干截面的年轮，一层层的展开来，但不是很规整，看上去存在着像弯曲的石墨层的连续网格。炭黑的形态是近年来提出的新概念，早期虽然没有明确提出“形态”一词，实际上早已采用“粒径”和“结构”来表征炭黑的形态，我们日常见到的炭黑乃是许多炭黑粒子的聚集态，炭黑粒子是这样的小，以致我们用肉眼根本不能分辨出来， 甚至用最精密的光学显微镜也难于分辨，只是从1940年才首次用电子显微镜测得了炭黑的粒子大小和形态。当用电子显微镜测定炭黑的粒子大小时，只是热烈炭黑的粒子较大，呈球状或像桔子那样的椭球状，并能够单独的分开来，具有清晰的轮廓，其它炭黑，尤其是炉法炭黑并非球形，而且单个的炭黑粒子也是罕见的，同一种炭黑，其粒子大小不相同，通常所指的炭黑粒径是用电子显微镜照片中粒子大小的统计平均值表示的。中超耐磨炉黑的生产工艺由于炭黑种类繁多，但生产设备和工艺流程都大同小异，在此介绍中超耐磨炉黑的生产过程和主要设备。一、工艺流程经脱水和预热的原料油，呈汽化或半汽化状进入反应炉中，天然气或煤气经风机升压，输送至炭黑反应炉，由切向喷入，空气由空气风机升压，在空气预热器下，使其预热到350摄氏度进入反应炉，供雾化原料和助燃用，原料油雾滴在1500-1600摄氏度，高温燃余气中，经一系列换热设备，冷却至450摄氏度，送入旋风分离器和滤袋器中，以便炭黑和燃余气分离，从袋虑器排出的尾气，可用作锅炉燃料，产生蒸气或带动汽轮机发电，这样既节省了部分能源，也使生产效率得到提高。往风分离器11和袋滤器12收集的炭黑，经风筛机除去杂质后，由风送系统送入造粒2段，粉状炭黑经造粒机13造粒后，由埋刮板输送机20和斗式提升机14经磁选机16后送入炭黑贮仓，贮仓中的炭黑，经自动称量机21称量，以纸袋方式包装。1、操作要领生产操作要领主要包括，开气前的准备、开气顺序、正常停气操作和故障处理等。开汽前的准备、新炉必须按条件升温到一定温度（1750摄氏度）左右，旧炉炉温要达1000-1200摄氏度以上。 、检查各岗位设备、管线、阀门、和仪表是否正常、检查油嘴、水嘴的雾化情况，流量是否符合工艺要求、开动油泵、原料油经计量罐循环，管式炉点火，预热原料、打开鼓风机放空阀，启动鼓风机，使空气通入空气预热器中、检查油预热器出口的油温是否达到工艺要求、开气顺序、打开放空压盖（或水封帽）、废热锅炉给水、安装好缺向喷热器，通入夹套冷却水、通入切向风，火把放入炉内并通入切向燃料、先少量通入轴向风，安正油枪，逐渐加大风量和油量、启动送风机、联控装置、袋滤器、筛选机、磁选机、造粒机、埋刮板输送机、斗式提升机和尾气风机、当炉后已升温到一定程度后，适当调整急冷水量，盖好放空压盖、停气操作、炉前回流旁通阀全开，关闭轴向油阀，停止进油，轴向风放空，取出油喷枪，抽出冷水嘴。、打开煤气风机回流阀，关闭切向煤气阀、打开空气风机放空阀，关闭切向风阀、用石棉绳或橡胶石绵板堵住反应炉口，使炉内缓慢降温、打开空气预热器放空阀，关闭尾气风机进口蝶阀、切断空气风机、夹套水泵、废热锅炉上水泵、煤气风机电源、将管式炉各看火门空气调节门，烟囱翻板全部打开、用蒸汽吹扫所有油管线，待设备冷却后，放净所有夹套和管路中的水、断电操作、迅速关闭反应炉切向煤气阀和管式炉燃料气阀、关闭入炉油阀，打开油回流旁通阀，关闭入炉轴向和切向风阀，取出油喷枪、用蒸汽吹扫管式炉对流断和辐射段油管，蒸汽连续通入，再抽出急冷水喷嘴、将总空阀烟囱翻板，防爆孔全部打开，关闭空气风机出口阀、切断各电源、断水操作、打开炉前油回流旁通阀，关闭轴向入炉油阀，轴向放风空，取出油枪，抽出急冷水喷嘴、打开煤气风机回流阀，和空气风机放空阀，关闭切向煤气阀和切向风阀、减少炉内燃料供给并用石棉绳或橡胶石棉板堵住反应炉口，使炉温缓慢下降、打开空气预热器放空阀，关闭尾气风机进口蝶阀2、原料油炭黑原料油主要分石油和煤焦油等两类，煤焦油等油料，如 油、防腐油等历来是理想的炭黑原料，用这种油料生产的炭黑，收率较高，质量较好 。但随着炭黑需求增加，原料有需要量剧增，煤焦油等油量在数量上远远满足不了需求，为了寻求更多资源和充分利用资源，必须专门加工或从石油化工副产油料中寻找合适的石油等油料。炭黑原料油是复杂的碳氢化合物，芳香烃含量是炭黑原料油最重要的质量指标，为了降低炭黑成本，炭黑工业应尽量选用廉价的高芳烃原料。由于我国炼产多为燃料油型，催化裂化油浆，催化裂化循环油和催化裂化澄清油料外，目前世界上广泛采用溶剂抽提法，热烈化法专门生产石油等炭黑原料油，随着石油化工技术的发展，乙烯焦油也是炭黑原料的重要来源。3、主要设备、反应炉生产超耐磨和高耐磨炉黑的反应炉主要有单室炉和双室炉两种 、单室炉单室炉是一种卧式圆柱形反应炉，其内径为300-600毫米，长3000-3800毫米。典型的单空炉结构如图所示，图反应炉壳体是由普通碳素钢板剪制而成，壳体内砌有耐火材料，通常内层用刚玉砖，外层用高铅砖和粘土砖砌筑，炉子寿面取决于耐火材料的性质。 、双室炉 双室炉也是一种卧式圆柱形反应炉如图所示，其炉壳也是由普通碳素钢板卷制而成，与单室炉不同的是，炉子分为两个室，即燃烧室和反应室，燃烧室的直径较大而长度较小，沿燃烧室的切向方向设置两个通道，以通入气体燃料或液体燃料和空气，这样在燃烧室中，形成高温旋转气流。原料油和雾化空气，从反应炉的轴向通入，经过燃烧室时，受到激烈的混合，吸收高温旋流的热能，使原料油雾达到裂解反应温度，然后在反应室中裂解，生成炭黑，其炭黑质量与收率均比单室炉高。 双室炉炉壳内，通常砌筑几层耐火和保温材料，反应炉的尺寸一般采用，燃烧室直径是其自身长度的3倍：反应室直径等于燃烧室长度，反应室长度是其自身直径的10倍，目前，切向通入气体燃料的双室炉，大都为燃烧室800*300毫米，反应室300*3000毫米。、旋风分离器、结构及工作原理炭黑工业所用的旋风分离器，按其用途分可分为回收旋风分离器和风送旋风分离器两种。前者主要用做预收尘设备，串联于袋滤器之前，旋风分离器主要由三部分组成，上部为涡流式，中部为集尘锥体，下部为贮斗，其构造和工作原理如图所示，涡流室呈涡牛状柱体，没有烟气出口和入口。集尘锥体是气一固分离的主要部位，利用离心力作用，使烟气中的炭黑沉降。当烟气沿入口进入涡流室后，呈旋转运动，达到锥体部分时，由于旋转半径逐渐减小，气流速度则逐渐增大，炭黑粒子在离心力的作用下，抛向器壁。当炭黑粒子与器壁接触后便失去惯性而靠重力沿壁面下落，当烟气分离，经锥体落入贮斗中，旋转下降的升旋烟气流随圆锥的收缩向旋风分离器的中心靠拢，气流达到锥体下端时反转上升，形成一股自下向上的螺旋线运动，经顶部内圆筒向外排出。、分离效率和阻力计算旋风分离器炭黑的效率取决于炭黑粒子获得的离心力的大小，玄风分离器内，炭黑所获得的离心力可由以下方式获得： 式中：F-炭黑粒子获得的离心力 W-炭黑粒子旋转的角速度 R-炭黑粒子的旋转半径 M-炭黑粒子的质量 D-炭黑粒径 r-炭黑粒子的真比重 V-炭黑粒子的切线速度由上式可知，若旋风分离器入口的烟气速度一定时，旋转半径越小，炭黑粒经越大，离心力便越大，若炭黑的粒径及真比重一定，旋风分离器的进口速度越大，离心力便越大，旋风分离器的阻力按下式计算：式中： 旋风分离器的阻力，毫米水柱 W-烟气进口速度，米/秒 r-烟气或空气密度，公斤/平方米 g-重力加速度，9.8米/秒 -阻力系数、结构尺寸通常进入旋风分离器的温度控制在400摄氏度左右，工作压力300-400毫米水柱。实践证明旋风分离器的烟气进口速度最好选择12-16米/秒，旋风分离器的气体进口速度过低，离心力太小，分离效果不好，速度过高，则设备阻力增大。在炭黑工业中，通常以旋风分离器烟气进口的截面积作为设备结构尺寸的主要参数，它等于F=V/3600W其中，F-旋风分离器进口截面积，平方米： V-工作状态下的烟气量，立方米/时 W-烟气进口速度，米/秒典型的旋风分离器结构尺寸如下，符号参见图：锥体上部直径D=(F10.11)锥体高度锥体下部直径涡流式柱体高度烟气进口管道宽度烟气出口管道直径套筒直径贮斗直径贮斗锥体部分高度贮斗柱体部分高度、故障及其排除出灰口堵塞 旋风分离器下部的贮斗，因保温不好使烟气中的水蒸气凝结，导致炭黑的架桥、结块，往往使出灰口堵塞。解决它的根本办法是在设计时，其贮斗采用蒸汽夹套保温壳体出现小孔 由于旋风分离器制作时，焊接质量不佳，在焊缝中出现小孔，会破坏旋风分离气流的正常运动，降低收集效率。如果发现小孔，必须进行补焊，。如果由于烟气腐蚀出现小孔并逐渐扩大，则不宜焊补，必须大修或更换设备、螺旋输送器螺旋输送器是一种最常用的粉体连续输送设备，优点是构造简单，在机槽斗部除了传动装置斗，不再有传动部件，占地面积小，容易密封、管理、维护，操作简单，便于多点装料和多点卸料，缺点是运行阻力大，这些阻力主要是机槽与螺旋叶片之间，螺旋面与物料之间，机槽与物料之间等，一般比其他输送机的动力消耗大，而且机件磨损较快，因此不予输送块状，磨 性大的物料，由于摩擦大，所以输送过程中物料有较大的粉碎作用，因此需要保持粒度一定的物料不宜用这种输送机，由于各部件有较大的磨损，所以这种输送设备只用于较低和中等生产率的生产中，且输送距离不宜太长。 、构造及工作原理 螺旋输送机主要由螺旋轴、料操和驱动装置所组成，料槽的下半部是半圆形，螺旋轴沿纵向放在槽内，当螺旋轴旋转而产生的轴向推力就直接作用到物料上而成为物料运动推力，使物料沿轴向滑动，物料沿轴向滑动就像螺杆上的螺母，当螺母沿周向被持住而不能旋转时，螺杆的旋转就使螺母沿螺杆做平移，物料就是在螺旋轴的旋转过程中朝着一个方向推进到卸料口处卸出的。 、在炭黑工业中的应用 炭黑工业应用的螺旋输送器，直径一般为200-500毫米，转轴经减建器有电机驱动，转速常为30-60转/分，在输送炭黑的过程中，对炭黑有压缩作用，用 向造粒机输送粉状炭黑，有助于驱出部分吸附气体，提高成立机的效率，也正是这个原因，用它长距离输送造粒炭黑，势必导致粒子破碎，增加细粉量。螺旋轴送器的输送量，可按下列公式计算： -炭黑输送量 n-螺旋输送器轴的转数，转/分 D-螺旋输送器的螺旋直径，米 S-螺旋输送器的螺距，米（一般取0.75-1.2D） -填充系数，取0.3-0.5 -炭黑容重，公斤/立方米（粒状炭黑取300-350）4 、埋刮板输送机、特点埋刮板输送机是一种连续输送粉体输送设备，由于它在水平和垂直方向都能很好的输送粉体和散粒状物料，因此近年来在工业各部门得到较多的应用。在炭黑工业输送炭黑的过程中造粒炭黑受到刮板链条沿运动方向的压力及物料自身重力的作用，在物料间产生了内摩擦力，这种摩擦力保证了炭黑粒子之间的稳定状态，便是以克服物料在机槽中移动而产生的外摩擦阻力，使物料形成连续料流而被输送。主要特点是：物料在机壳内封闭运输，扬尘少，布置灵活，可多点装料和卸料，设备结构简单，运行平稳电耗低，水平运输长度可达80-100m，垂直高度可达20-30m.、工作原理埋刮板输送机有两个部分的封闭料槽，一部分用于工作分支，另一部分用于回程分支，固定有刮板的无端链条分别绕在头部的驱动链轮和尾部的张紧链轮上，如图所示：物料在输送时并不由各个刮板一份一份的带动，而是以充满料槽整个工作断面或大部分断面的连续流的形式运动，这种连续牵引物料过程分析如下：水平输送时埋刮板输送机槽道中的物料受到刮板在运动方向的压力及物料本身质量的作用，在散体内部产生摩擦力，这种内摩擦力保证了散体层之间的稳定状态，并大于物料在槽道中滑动而产生的外摩擦阻力，使物料形成了连续整体的料流而被输送。 、应用和类型埋刮板输送机主要用于输送粒状、小块状或粉状物料，对于块状物料一般要求最大粒度不大于3毫米，对于硬质物料要求最大粒度不大于1.5毫米，不适用于输送磨琢性大，硬度大的块状物料，也不适用于输送粘性大的物料，对于流动性特强的物料，由于物料的内摩擦系数小，难于形成足够的内摩擦力来克服外部阻力和重力，因而输送困难。通用型埋刮板输送机主要有三种：MS型-为水平输送，最大倾角可达30摄氏度，MC-为垂直输送，但进料端仍为水平段，MZ型-为“水平”-“垂直”-“水平”的混合型，形似Z字型所以有Z型埋刮板输送机之称。选用时，首先对物料要有一定的要求，物料密度r=0.2-1.8t/立方米。其中