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炭黑工艺及分析 一、概述 炭黑是气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳，为疏松、质轻而极细的黑色粉末物质，具有高度分散性。不溶于各种溶剂，相对密度1.8～2.1。其成分主要是元素碳，并含有少量氧、氢和硫以及其他杂质和水分等，其微晶具有准石墨结构。 炭黑的主要物理性质有比表面积、密度、结构性、表面性质、导热性、导电性和光学性质等；主要化学性质有氧化、接枝和磺化等反应性以及催化作用、消除自由基作用和抗老化性作用等。各种炭黑的差异主要在表面积（或粒子大小）、聚集体形态、粒子和聚集体的质量分布和化学组成等方面。 炭黑主要用作橡胶的补强剂和填料，其消耗量约为橡胶消耗量的一半，橡胶用炭黑占炭黑总量的94％，其中约60％用于制造。此外，也用作油墨、和的着色剂以及塑料制品的紫外光屏蔽剂。在许多其他制品，如电极、干电池、电阻器、炸药、化妆品及抛光膏中，它也是重要的助剂。 二、市场分析 炭黑系芳族石油或煤焦油等原料不完全燃烧的产物，作为重要的填充补强剂和优良的着色或调色剂，目前广泛应用于橡胶及塑料加工、油墨、涂料、化纤、制革、电子，冶金等行业．橡胶用炭黑约占炭黑总耗用量的90％，其使用不仅能提高橡胶制品的强度，而且能改进胶料的工艺性能，赋予制品耐磨、耐撕。耐热等多种性能，延长制品的使用寿命，适量填充炭黑还可以降低生产成本． 据不完全统计，根据轮胎和橡胶加工的发展，以及炭黑相关应用领域的需求， 据统计，全球工业企业每年消耗800万～900万吨炭黑，中国的炭黑年消费量为110万吨，是仅次于美国的全球第二大炭黑消费国。目前国内炭黑生产能力为200万吨，2004年总产量为138万吨，表现消费量已达到140万吨．2006年我国炭黑产量为182.5万吨。预计2010年全国炭黑的需求量将达到200-220万吨．中国汽车制造业及轮胎制造业的迅猛发展导致近年来对炭黑的需求量急剧提高。我国高速公路近年来取得了快速发展，轮胎对高品质的新工艺炭黑、及新工艺低滞后，低滚动阻力炭黑的需求日益增多． 目前，中国汽车工业发展迅猛，已经是世界第二大汽车产销国；汽车工业的快速发展又带动了轮胎工业的发展，中国目前已成为世界第一大轮胎生产国；而炭黑作为轮胎生产中的第二大原材料，也充分受益于轮胎工业的发展，轮胎工业担当了炭黑行业发展的催化剂。 我国汽车工业和炭黑工业走势见下表：
近几年我国炭黑产、消费量如下 单位：万吨
国内炭黑主要生产厂家：
随着我国经济快速发展，特别是橡胶工业需求快速增长，近几年来，我国炭黑工业呈现空前发展的良好态势。据中国橡胶工业协会公布的统计，2007年上半年，全国38家炭黑企业总产量77.11万吨，同比增长27.34%；总销量77.51万吨，同比增长27.83%；销售收入42.7亿元，同比增长24.72%。由此可见，炭黑行业在我国正处于蓬勃发展期。 随着国内市场对炭黑需求的增加，众多投资者已将目光瞄准炭黑行业。卡博特公司于2007年7月底正式扩建其位于天津开发区化学工业区的炭黑工厂，扩建工程将耗资6500万美元，新增两条炭黑生产线和全球最先进的废气脱硫环保装置，届时天津工厂年炭黑生产能力将提高到26万至29万吨，成为卡博特全球产量最大的炭黑工厂。日本东海炭素公司也准备将炭黑产能扩大至10万吨/年；德固赛则计划在山东（青岛）成立炭黑合资企业，建设一条3万吨/年的生产线；双星将分3期5年建成年产10万吨炭黑项目；而国内炭黑老大黑猫炭黑股份有限公司也将不断扩大产能，拟到2008年新增10.5万吨/年的产能，使总产能达到30万吨/年。这也就意味着近几年内国内炭黑行业将面临产能过剩、竞争激烈的局面。 三、项目规模及产品方案 1、原料来源和装置规模 炭黑原料油分为三类：炼油厂副产的催化裂化澄清油、乙烯焦油和煤焦油。欧洲和美国炭黑原料油以澄清油为主，我国炭黑秤原料以煤焦油和乙烯焦油为主。2004年我国生产炭黑消耗原料油235万吨，其中乙烯焦油约占15%，其余主要为煤焦油和煤焦油加工得到的蒽油馏份。 本装置原料来源煤焦油分离装置生产的全部蒽油、改质沥青脱出油、各加工装置残油和部分中温沥青，30万吨煤焦油油分离装置可生产以上馏分约6万吨，吨炭黑单耗原料油1.9吨，故新工艺炭黑装置规模定为3万吨/年，采用炉法生产工艺。操作时间按330天计。 本方案将上述原料馏分配合调质后作为炭黑装置的原料油，炭黑装置产生的尾气掺人少量煤气作为废热锅炉原料气用以生产蒸汽，供焦油加工装置和炭黑装置使用。该联产系统实现了产品上下游一体化，发展循环经济的目的，做到投资省、清洁生产、污染物排放少，在经济和环境方面有良好效益。 四、工艺方案 （一）主要生产工艺技术介绍 生产炭黑的工艺方法很多，因不同领域对其性能要求的不同，尤其受生产成本等经济因素的影响，其制备方法各有不同。炭黑的生产方法中技术较成熟的有槽法、炉法及热解法。 <1> 槽法 槽法以天然气为原料，通过特制的火嘴，在火房内与空气接触燃烧，火焰则与缓慢往复运动的槽钢接触，使炭黑沉积在槽钢上并加以收集生产炭黑。因其原料主要使用以甲烷为主要成分的天然气，所以又称天然气槽黑或瓦斯槽黑。因槽法炭黑的收率非常低，且天然气的价格上涨，使槽法炭黑的经济状况不好。由于槽法生产炭黑产生的空气污染问题尚不能经济地解决，因而国内外都不再采用此法。 <2> 炉法 炉法是以气态烃、液态烃或按一定比例的气态与液态烃的混合物为原料，供以适量的空气，在特制的反应炉内，于一定的高温下燃烧、裂解，生成的炭黑悬浮在烟气中，然后经冷却、收集生产炭黑的方法。只使用气态烃原料，如天然气、油田气生产的炭黑，称为气炉法炭黑;只使用液态烃原料，如煤焦油系统或石油系统的油类生产的炭黑，称为油炉法炭黑;同时使用气态烃和液态烃原料生产的炭黑，则称油气炉法炭黑。炉法炭黑，特别是油炉法能生产出各种性能的炭黑，现代炭黑工业中，油炉法炭黑的产量已占炭黑总产量的95%以上。油炉法已成为当今收率最高、能耗最少的生产方式。 炉法炭黑具有胶料高伸长率、低生热、高弹性和良好的耐老化性能等，多用于胎体缓冲胶,帘布胶用各种橡胶制品。主要用于轮胎布布层、胎面下层、胎侧及内胎等胶料中。 炉法工艺流程简图如下： <3> 热解法 热解法是以天然气或乙炔气为原料，在已预热的反应炉内，隔绝空气，进行间歇(燃烧蓄热和热分解二个阶段)或连续(单一的热分解)热裂解生成炭黑的方法。以天然气为主要原料裂解产生的炭黑称为热裂炭黑。按裂解生成的炭黑粒子大小不同，又分为细粒子热裂炭黑和中粒子热裂炭黑2种。使用乙炔气作为原料热裂解生成的炭黑称为乙炔炭黑。乙炔炭黑具有低电阻或高电阻性能，可用于导电橡胶、无线电元件和电池工业中。 热解法炭黑是现有炭黑中价格最低的一类。但是，由子在热解法中碳的来源是天然气，随着天然气工业的发展，夫然气的用途越来越广，其价格也随之上涨，出于经济上的考虑，热解法炭黑的生产量较少。 （二）推荐工艺简介 从化学反应的观点来看，炭黑生产方法基本上分为烃类的不完全燃烧和烃类热分解两大类。其差异主要在于有氧和无氧条件。不完全燃烧过程，是重要的生产方法。不完全燃烧和热分解的生产方法和原料特性见下表。油炉法能生产出各种性能的炭黑，与此同时，由于天然气价格上涨及环境污染问题，槽黑法产量急剧下降，油炉法成为当今效率最高、能耗最少的生产方式。 故本项目推荐采用油炉法生产技术，工艺流程图如下： （三）工艺简述 油炉法炭黑生产流程如上图所示，蒽油由油库泵送至储油槽，加温至85℃左右，静置脱水。脱水后的原料油用齿轮油泵升压，经蒸汽夹套油管将油温提高到110～130℃左右，再经喷燃器内的油嘴雾化喷射到用耐火材料砌成的反应炉内。由罗茨豉风机送来的空气经孔板流量计进入第三级空气预热器，预热后达到350～400℃左右离开第一级空气预热器，进入喷燃器与油雾充分混合后进入反应炉内。在燃料油的加热下，反应炉温度维持在1300～1600℃。原料油在此高温下裂解生成炭黑，些炭黑悬浮在燃余气中，形成烟气。烟气离开反应炉后，立即喷入冷至900～1000℃，以终止反应。急冷后的烟气再经两级废热锅炉冷却至600～650℃，随后进入列管式冷却器，使烟气冷却至450～550℃，进入三级空气预热器，烟气与空气逆向流动，降低烟气温度到200～250℃，送入三级旋风分离器，分离出大部分炭黑，尾气经风风冷器冷却至80～140℃后进入脉冲袋滤器中。经过滤后尾气由抽风机抽吸至烟囱排放。由旋风分离器和脉冲袋滤器中收集的炭黑，由气力输送系统送入湿法造粒机中。湿的粒状炭黑在回转式干燥器中于燥，然后送入贮罐，以散装或袋装方式运输。 |
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