李? 健，王? 強(qiáng)，何宗霖，陳翌斌 (江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰?，江?景德鎮(zhèn) 333000)

摘? 要：?jiǎn)卧僮鞯墓に嚮A(chǔ)設(shè)計(jì)是化工生產(chǎn)線的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)源頭。根據(jù)我國(guó)炭黑技術(shù)發(fā)展的歷史，習(xí)慣用名 義的產(chǎn)能來(lái)定義生產(chǎn)線，而忽略了這些不同牌號(hào)炭黑的差異化和特點(diǎn)。因此，本調(diào)研確定了與炭黑生產(chǎn)相關(guān)的操作單元 的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)與測(cè)算，希望通過(guò)這些操作單元的去瓶頸思維來(lái)差異化產(chǎn)品、優(yōu)化產(chǎn)能和提高炭黑的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工藝設(shè)計(jì)參數(shù);質(zhì)量與產(chǎn)能技術(shù)去瓶頸

1? 引? 言

炭黑工藝屬于化工領(lǐng)域的氣固分離。炭黑工 藝的操作單元，除了反應(yīng)器外、其實(shí)并不是非常獨(dú) 特。但是，炭黑是一種復(fù)雜的化工原料，在單一的 生產(chǎn)在線很難生產(chǎn)出各種牌號(hào)的炭黑。因此，如 何進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，使生產(chǎn)效益和質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，是 一個(gè)非常重要和有趣的課題。

本研究為炭黑各工段單元設(shè)備的生產(chǎn)工藝基 本設(shè)計(jì)和各單元設(shè)備產(chǎn)能測(cè)算提供了依據(jù)。并在 Excel 程序中，對(duì)這些工作進(jìn)行了編碼和測(cè)算，其 目的是用于模擬運(yùn)行情境和評(píng)估運(yùn)行性能，作為 產(chǎn)能去瓶頸的參考。而與整條新生產(chǎn)線的擴(kuò)能相 比，去瓶頸是比較經(jīng)濟(jì)的增加單位產(chǎn)能方式。

　　2? 炭黑和工藝工段的特性

炭黑生成是由原料油中的高碳與氫含量，經(jīng)裂 解和脫氫、轉(zhuǎn)化為炭含量約99%以上的炭黑[1][2]。同 時(shí)，在形態(tài)方面，具有表面特征的原生粒子和聚集 體是其重要特性，因此，在應(yīng)用的角度方面來(lái)看， 炭黑比一般化學(xué)品是更為復(fù)雜的[2][3]。

一般來(lái)說(shuō)，炭黑的加工過(guò)程是由反應(yīng)、收集、濕 制和成品等工藝區(qū)段來(lái)區(qū)分的。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù) 屬于每一個(gè)業(yè)者的專有技術(shù)和機(jī)密，因此，本文不 作討論。其他主要工段的工藝參數(shù)整合如表1所示。

3? 各工藝區(qū)段單元操作設(shè)備的機(jī)理及工藝 參數(shù)測(cè)算方法

(1) 收集區(qū)

a、主要有五種裝置：主袋袋濾器、廢袋袋濾 器、凈袋袋濾器、粉塵袋濾器和風(fēng)源管系統(tǒng)。該區(qū) 的工藝目的是利用風(fēng)源管系統(tǒng)輸送處理袋濾器收 集下來(lái)的粉狀炭黑并與尾氣分離，這些裝置的性 能受煙氣中粉狀炭黑密度、炭黑結(jié)構(gòu)、沉淀機(jī)理及 袋濾器的類型等影響。

b、袋濾器室的工藝參數(shù)為粉狀炭黑密度和氣 布比，見表 2：

c、風(fēng)源管線的工藝參數(shù)為載氣流速和風(fēng)機(jī)靜 壓。管道設(shè)計(jì)正常流速約 30m/s，但是，避免粉體 炭黑堵塞，氣動(dòng)管線流速必須大于 45m/s，風(fēng)機(jī)前 各部件壓降見表 3。

(2) 濕制區(qū)

a. 造粒機(jī)

干法&濕法是炭黑造粒的兩種機(jī)理，其區(qū)別在 于濕法添加了造粒水。炭黑造粒是聚集體受外力 作功，彼此接近時(shí)，范德瓦爾斯力發(fā)生在炭黑集合 體附近，排出空氣而密實(shí)。而干法造粒的作功是 由干法造粒機(jī)的旋轉(zhuǎn)力提供的，同時(shí)，需要大量母 粒的回流來(lái)制造炭黑粒子。其缺點(diǎn)是處理量有限， 而且其旋轉(zhuǎn)爐體是在正壓情況操作，易造成工作 環(huán)境污染。

炭黑聚集體加水后，其氫鍵極性使聚集體緊密 受力的時(shí)間縮短，提高了其處理能力。完美的顆 粒，是增加其由水分形成聚集體間連結(jié)機(jī)率，在充 滿聚集體總空隙的完全架橋之前，稱為纜索狀態(tài)。 濕法粒子含水率與炭黑的結(jié)構(gòu)值有關(guān)，如下式。

※ 含水率 %=[DBP/(DBP+100)]-2~4%

造粒機(jī)的處理能力是由操作經(jīng)驗(yàn)所獲得的 值，該值由造粒水量來(lái)確定，該水量與炭黑的反應(yīng) 器產(chǎn)出量和粉狀炭黑回收回流量呈正相關(guān)，可由 炭黑在纜索狀態(tài)下的含水率來(lái)轉(zhuǎn)換測(cè)算。同時(shí)與 該設(shè)備的工藝參數(shù)與殼體直徑、長(zhǎng)度和軸承的攪 齒有關(guān)，如表 4 所示。

b. 鼓式干燥爐

鼓式干燥爐的處理量也是由蒸發(fā)的水量定義 而不是炭黑量，其設(shè)備型態(tài)有傳統(tǒng)火箱和殼式火 箱的兩種類型。殼式火箱的傳熱效率高于70%，比 傳統(tǒng)火箱的傳熱效率高 60%。但是，熱傳效率提 升、尾氣量消耗與產(chǎn)生的廢氣量也降低，整體的廢 袋袋濾器入口溫度曲線分布會(huì)收縮，導(dǎo)致袋式除 塵器出口溫度會(huì)降低到硫含量的露點(diǎn)，導(dǎo)致廢袋 袋濾器濾袋與箱體的腐蝕。作者建議傳統(tǒng)火箱變 更殼式火箱，同時(shí)，要配套對(duì)反應(yīng)器和主袋過(guò)濾器 進(jìn)行去瓶頸、提高處理能力，才能達(dá)到最大效益。

炭黑干燥的關(guān)鍵工藝參數(shù)是炭黑在本體內(nèi)、 燃燒后直接干燥廢氣帶動(dòng)的流態(tài)化速度。鼓式干 燥機(jī)的機(jī)理是直接干燥和間接干燥的傳熱，當(dāng)流 體化速度超過(guò)上限時(shí)，直接傳熱到鼓體內(nèi)的廢氣 會(huì)將造完粒的炭黑表面流體化，揚(yáng)起并排進(jìn)排廢 氣袋濾器。回流處理炭黑的量加上反應(yīng)器來(lái)的炭 黑量的造粒水量，超過(guò)了鼓式干燥機(jī)蒸發(fā)水的上 限容量，干燥爐的炭黑出口溫度會(huì)變低，那時(shí)就不 能保證把炭黑造粒的水全部帶走。

鼓式干燥機(jī)的工藝參數(shù)也是根據(jù)操作數(shù)據(jù)得 出的經(jīng)驗(yàn)值，包括不同直徑的鼓式干燥爐的單日 蒸發(fā)水量以及整個(gè)鼓式干燥機(jī)本體的單位面積鐵 皮蒸發(fā)水量。鼓式干燥機(jī)的工藝參數(shù)與處理量的 關(guān)系，如表5所示，而炭黑的產(chǎn)量也可以由其結(jié)構(gòu) 的含水率來(lái)轉(zhuǎn)換測(cè)算。

(3) 成品區(qū)

該區(qū)與工藝設(shè)計(jì)有關(guān)的設(shè)備應(yīng)只有風(fēng)冷器， 目前已知有的是空冷器和流化床冷卻器兩種。如 果生產(chǎn)線產(chǎn)量大或廠址在炎熱氣候區(qū)，炭黑出口 溫度高，在炭黑進(jìn)入料倉(cāng)前就必須安裝冷卻器。流 化床冷卻器在除粉、降溫方面優(yōu)于風(fēng)冷器，但是，流化床冷卻器在國(guó)內(nèi)黑線生產(chǎn)中尚屬少見。相關(guān) 工藝參數(shù)如下表 6 所示。

4? 各品級(jí)單元設(shè)備能力測(cè)算

油風(fēng)比的工藝參數(shù)是炭黑反應(yīng)最重要的工藝 參數(shù)，是炭黑原生粒子、過(guò)量氧含量和原料油質(zhì)量 的綜合指標(biāo)[5]。煤焦油中芳烴含量高，是一種高油 風(fēng)比的原料油。另一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)是原料油的 炭轉(zhuǎn)化率或收率。從原料油風(fēng)比和收率出發(fā)，可 以對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)能進(jìn)行了估算。通過(guò)炭黑樣品碘值 檢測(cè)來(lái)控制油風(fēng)比。因此，反應(yīng)器各品級(jí)的產(chǎn)能 就可按以下公式估算。

※ 反應(yīng)器日產(chǎn)能估算(MT/D)=[ 油風(fēng)比 * 燃 燒空氣流量 * 收率 *24 小時(shí) /1000]

產(chǎn)線的產(chǎn)能估算，首先必須選擇或是知道干 燥爐的處理量，然后決定想要的生產(chǎn)的品級(jí)來(lái)選 擇適當(dāng)?shù)脑炝C(jī)，最后推算主袋式過(guò)濾器的負(fù)荷。 經(jīng)過(guò)反復(fù)推算，最終，優(yōu)化了整條生產(chǎn)線的操作單 元與產(chǎn)能推估，如圖 5。

鼓式干燥爐由于工作時(shí)間和空間是最難去瓶 頸的，因此，是生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和測(cè)算最大生產(chǎn)能力的 標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上可知上述計(jì)算，N134 生產(chǎn)裝置 的瓶頸設(shè)備是主袋袋濾器，總產(chǎn)量?jī)H為 N330 的一 半(=52%)，原因是 N134 油風(fēng)比低、收率低，相 關(guān)測(cè)算結(jié)果請(qǐng)參考表 7。

若主袋過(guò)濾器是瓶頸設(shè)備，如果在一條生產(chǎn) 線上生產(chǎn)所有品級(jí)的產(chǎn)品，鼓式干燥爐將會(huì)有額 外的生產(chǎn)能力閑置。最好的方式是將具有高表面 活性的 N134/N234 等級(jí)在其它較小的鼓式干燥器 (例如8′ ×65′)，配套較高處理量的主袋袋濾 器生產(chǎn)。如果在工藝設(shè)計(jì)開始時(shí)忽略了這個(gè)問(wèn)題， 就要在考慮產(chǎn)線優(yōu)化時(shí)再進(jìn)行主袋袋濾器去瓶頸 的規(guī)劃。

5? 炭黑生產(chǎn)線的操作情節(jié)與其產(chǎn)能預(yù)測(cè)

針對(duì)國(guó)內(nèi)相同的炭黑設(shè)備、以煤焦油 (CTO, Coal Tar Oil) 和 石 油 系 的 澄 清 油 (FCC, Fluidized Catalytic Cracking)分別進(jìn)行了測(cè)算，并提出了名義 產(chǎn)品混合的最大產(chǎn)能估算結(jié)果。在使用澄清油 API=-2的條件下，油風(fēng)比降低10%、收率降低5%。 總產(chǎn)能降低 4,896mt，降低 15%，主袋袋濾器則仍 是瓶頸設(shè)備。

若主袋袋濾器變更為脈沖在線吹掃的形式， 配套目前已知最大產(chǎn)能的 11.5’*80’鼓式干燥爐 11.5’*80’(殼式火箱)，產(chǎn)能在使用煤焦油與澄 清油后，分別提高了16,384噸和16,121噸。相關(guān)測(cè) 算結(jié)果如表9所示。同時(shí)與表7比對(duì)，使用煤焦油， 產(chǎn)能提高 45%，用澄清油則提高 31%，如表 10 所 示。

能否得出炭黑廠，使用煤焦油會(huì)比石油有更 好的綜合生產(chǎn)效益結(jié)論呢?不確定。這個(gè)答案必 須取決于一開始設(shè)計(jì)的總能源的使用規(guī)劃。鼓式 干燥爐的處理量的基準(zhǔn)下，再增加澄清油，這種低 油風(fēng)比的燃燒空氣流量，同時(shí)主袋袋濾器中也有 足夠處理量來(lái)吸收，就會(huì)有更多的尾氣進(jìn)入汽電 共生的燃燒爐。如此一來(lái)，雖使用澄清油的單位 炭黑的耗油量高，而單位炭黑蒸氣產(chǎn)量也高，綜合 效益還是要看能源使用率指標(biāo)以及蒸氣與電力去 化的方式與邊際貢獻(xiàn)[6-7]。

測(cè)算生產(chǎn)N660和使用煤焦油在直徑 12’的鼓 式干燥爐，單線炭黑生產(chǎn)的產(chǎn)能可以達(dá) 77,000Mt/ y。所以，業(yè)界情資、炭黑單線產(chǎn)能為 80,000MT/ Y，應(yīng)該是有其可能性的 !

　　6? 討論與未來(lái)研究

國(guó)內(nèi)炭黑工業(yè)的大多數(shù)工程師大都希望通過(guò) 提高反應(yīng)效率，如產(chǎn)率、油單耗等來(lái)提高炭黑的生 產(chǎn)效益，比較少有人希望通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)線位置和 設(shè)備布局來(lái)平衡產(chǎn)品質(zhì)量和滿負(fù)荷運(yùn)行，這報(bào)告 提供給業(yè)者一個(gè)不同的切入角度。

單元設(shè)備去瓶頸的方法是提高生產(chǎn)能力的比 較有經(jīng)濟(jì)效益的，而不是直接建立新生產(chǎn)線，同 時(shí)，可以改善長(zhǎng)期慢性的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。但去瓶 頸工作需要更多的技術(shù)技能來(lái)克服，希望這份報(bào) 告能有助您面對(duì)挑戰(zhàn)。

但是，定制化產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)在未來(lái)會(huì)更為 明顯，與本報(bào)告在工藝設(shè)計(jì)的角度上是相反的立 場(chǎng)。然而，由于炭黑市場(chǎng)需求的變化，更具靈活性 和可靠性的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)技能是越來(lái) 越重要。

　　參考文獻(xiàn)

[1] 何宗霖，《2016年中國(guó)炭黑展望會(huì)》9-書面交流文，14- 從反應(yīng)時(shí)間與尾氣成分探討對(duì)硬質(zhì)炭黑生成的影響.

[2] 李健、何宗霖，《2018年中國(guó)炭黑展望會(huì)》碳黑反應(yīng)生 成與相關(guān)重要溫度測(cè)算.

[3] Vinod Taneja，Carbon Black Production，Quality Control & Handling Technology，Carbon Black 2003，perspective in Asia Pacific.

[4] Jean-Baptiste Bansel Donnet，Carbon Black，2003.

[5] 陳林東、何宗霖 硬質(zhì)反應(yīng)器不同爐溫狀態(tài)下反應(yīng)生成 溫度推算，炭黑工業(yè)，2014.

[6] CARBON BLACK 2017 Perspective in Asia Pacific, 13TH Conference Nov 07-09, 2017,” Energy Performance to Excellent -Black Cat Briefing” presented by Mr. Ho Chung Lin, JIANGXI BLACKCAT CARBON BLACK INC. LTD. 

       [7] CARBON BLACK World 2018, Duesseldorf, Germany, Sep. 25-26, 2018,” Energy Performance to Excellent -Black Cat Briefing”, Jiangxi Black Cat Carbon Black, China.