炭黑生產工藝及設備.doc

前言一、炭黑的發(fā)展史在近代石油化工原料中，炭黑是人類最早知道的重要產品之一，古時稱為“炱”、“煙炱“或”松煙“，”炱“這一名稱一直沿用至十九世紀末葉，自1872年近代炭黑工業(yè)出現之后，才逐漸被“炭黑”這一名詞所代替。我國是世界上生產炭黑最早的國家，距今三千年前殷代的甲骨文就是利用煙炱制墨記載的文字，我國古代的大量竹簡也都是用墨寫成的，魏代的韋誕（公元176-257年）就是從事炭黑制造（目的是用炭黑做制墨的優(yōu)質原料）的能手。三國時，魏國的曹植（公元192-232年）就有“墨出青松之煙”的記載。到了公元三世紀的晉朝，制造松煙炭黑的手工業(yè)生產已經相當普遍，南唐時（公元十世紀），我國開始使用桐油及其他動植物油，在空氣不足的情況下點燈，使油不完全燃燒，將炭黑凝聚在陶質的煙碗下收集，以制取優(yōu)質的炭黑。我國古代學者賈思勰、沈括、 貫之、宋應星等在他們的著作中，部分包括著并總結了我國古代勞動人民生產炭黑的豐富經驗，也曾作出了很大貢獻?！君R民要術】是公元六世紀以后賈思勰的的代表著作，是世界上最早記述炭黑性質、用途的科學史，在該書中對炭黑的性質和要求做了這樣的描述：“此物至輕微，不宜露篩，喜失飛去，不可不慎?！边@些同近代關于炭黑具有高度的散性、細小的膠體粒子的特點是相當吻合的。北宋杰出的學者沈括，在【夢溪筆談】一書中，首先提出了從石油制取炭黑的方法，并通過自己的親自實踐，證明這種由石油制取的炭黑所制成的墨，“墨光如漆松煙不及也”而且還科學的預見到石油制取炭黑的發(fā)展前途。這一精辟的見解已為近代油爐法炭黑的飛躍發(fā)展所證實，在宋代 貫之所著的【墨經】中不但對制造松煙的方法有詳細記載，而且還對當時的技術經驗做了概括的總結。名末的學者宋應星在1637年所著【天工開物】一書中，對炭黑生產設備和影響炭黑質量的因素都作了論述，宋應星所記述的煙窰上部是圓頂，“如舟中雨蓬式，每隔位數節(jié)，開有小孔出煙”這樣的結構設計是十分科學的，可以說是近代炭黑制造裝置的雉刑。 炭黑的制造，據日本及歐美各國文獻記載，是由我國傳入日本、東方各國，然后傳到希臘、羅馬，最后傳入歐洲的。公元十六世紀后，德國、法國、英國等國家，開始以焦油、豬油、樹脂等為原料制取炱。1864年美國開始以人造氣體經過燃燒，以石板為收集面，用刮板刮下而獲得優(yōu)質炱，。這和我國古代所使用的方法基本上是相同的，直到1872年世界上才首次實現了炭黑規(guī)模生產，同時出現了“炭黑”這一術語，這就是近代墨工業(yè)的開端，1982年發(fā)明了槽法炭黑，1944年出現了高耐磨炭黑，五十年代后期，中超耐磨爐黑，通用爐黑等相繼出現，到目前為止僅橡膠用炭黑的品種就已達四十余種。二、炭黑及其種類1、什么是炭黑在現實生活中，人們往往對炭黑缺乏了解，因為只有當炭黑配合于其他物質作為一種助劑而很少單獨使用，如橡膠中，制成輪胎等制品才能顯現出重要作用。其實炭黑、石墨、木炭等雖然同是由碳組成的黑色物質，但他們在內部結構上是不相同的，工業(yè)炭黑乃是由烴類（即碳氫化合物）不完全燃燒而制得的具有高度分散性的黑色粉末狀物質，它主要有碳元素組成，其微晶具有準石墨結構?！疤亢凇币辉~，實際上是包括著各類用途的炭黑產品 內的總稱，每一種炭黑均有其特定的物理化學性質，這種性質與所使用的原料、燃燒裂解過程、生產方式和操作條件緊密相關，把炭黑在真空或惰性氣體中經高溫處理，其粒子的準石墨微晶結構趨向石墨晶體的有序排列，稱為石墨化炭黑，這不但對炭黑粒子微觀結構研究具有理論意義，而且在碳素工業(yè)中也有實際用途。2、炭黑的分類及命名到目前為止盡管世界各國對炭黑的分類和命名進行了不少工作，但還沒有一種被普遍采用的，以各種產品物理化學性質為基礎的、統(tǒng)一的、合理的分類及命名法，炭黑的分類方法在我國按以往的習慣，大體上說來可歸納為兩類：按制造方法分類及按用途和使用特點分類。（1）、按制造方法分類 按制造方法可將炭黑分為接觸法炭黑、爐法炭黑、和熱解法炭黑三類，其接觸法炭黑按原料和生產過程不同分為槽法炭黑、槽法混氣炭黑（也稱混氣炭黑和粗 炭黑和滾筒法炭黑三種。 （2）、按用途和使用特點分類 按用途和使用特點也可以把炭黑分為三類：橡膠用炭黑、色素炭黑和導電炭黑，其中橡膠用炭黑根據其使用特點，如：操作工藝性能、制品的耐磨和補強性等又可分為快壓出炭黑、高空伸爐黑、半補強爐黑，通用爐黑等。3、炭黑的用途炭黑是現代國民經濟中不可缺少的重要產品之一，目前全世界的炭黑年產量已高達四百余萬噸，絕大部分用于橡膠工業(yè)，其余則用于油墨、涂料及其他國名經濟的許多部門中，炭黑對交通運輸業(yè)的發(fā)展、國防建設和農業(yè)機械化起著重要作用，（1）、在橡膠工業(yè)上的運用 橡膠工業(yè)所用的炭黑約占整個炭黑產量的90以上，主要用于各種類型的輪胎，每制造一條普通的汽車輪胎就需要10公斤左右的炭黑。在橡膠用炭黑中，約有四分之三以上的炭黑用于輪胎的制造，其余則用于其它橡膠制品，如膠帶、膠管、膠鞋等炭黑在橡膠中的用量之多，主要是由于它具有優(yōu)異的所謂“補強”能力。（2）、在油墨工業(yè)上的應用 炭黑是黑色印刷油墨的主要原料，近代的油墨多使用優(yōu)質的色素炭黑，使用優(yōu)質炭黑制成的印刷油墨字跡清晰，色澤鮮明，對各種報刊的印刷質量影響很大，直接與人民的文化生活緊密相關，用途廣泛，其中新聞墨用炭黑占全部油墨用炭黑的70左右，新聞墨中合有11-13的炭黑，每印刷一噸報紙要消耗約16公斤的新聞墨。油墨工業(yè)對炭黑的主要要求是黑度，色相、流動性、粘度、干燥性、觸變性等，各種油墨由于使用目的不同，對炭黑的要求不盡相同。（3）、在涂料工業(yè)上的應用 涂料就是我們通常所說的油漆，炭黑具有對化學物質、光、熱的穩(wěn)定性，這是其他的黑色無機原料和有機黑色染料不可比擬的。炭黑配合于涂料中，具有反應性小、黑度高，耐候性好，著色率高等特點。高級的色素炭黑用于合成樹脂，漆中可以作為轎車的面漆，也可用于自行車，縫紉機，及儀表的裝飾漆，具有導電性的炭黑可作為水溶性電泳涂漆的底漆。4、在塑料工業(yè)上的應用塑料中使用碳黑主要做炭黑的作色劑，填有炭黑的塑料，受熱時變形小，制品的尺寸變化小，可提高其剛性、硬度、導電性、導熱性及耐腐蝕作用等。更為突出的是，它具有防輻射、防紫外線和抗氧化的作用，塑料中炭黑的配合量，一般為1-2.755、其它應用 除了上述炭黑的主要用途之外，炭黑還用于干電池、電碳制品、電器及電子元件、硬質合金、高純石墨、印染、靜電攝影、感光膠片、火藥、水泥、皮革、潤滑脂、鑄造農業(yè)等各部門中，在這些部門中，炭黑的用量雖少，往往作用很大。炭黑的結構形態(tài)和生產工藝一、炭黑的結構形態(tài)炭黑粒子內部結構是怎樣的呢？對炭黑粒子內部結構的x射線衍射研究證明炭黑粒子中的炭黑原子是以三角平面構成二度有序的層平面的網狀排列。對炭黑粒子內結構研究的重大進展，是近年來采用所謂相襯電子顯微技術，應用這種技術，在電子顯微鏡的熒光屏上可直接觀察到炭黑粒子內部結構細節(jié)，在炭黑的內部結構中，只有熱裂炭黑呈球狀，層平面圍繞一個核心分布，其余的炭黑則是由層平面圍繞多個核心分布在聚熔體中。一個旋轉核心所形成的粒子猶如樹干截面的年輪，一層層的展開來，但不是很規(guī)整，看上去存在著像彎曲的石墨層的連續(xù)網格。炭黑的形態(tài)是近年來提出的新概念，早期雖然沒有明確提出“形態(tài)”一詞，實際上早已采用“粒徑”和“結構”來表征炭黑的形態(tài)，我們日常見到的炭黑乃是許多炭黑粒子的聚集態(tài)，炭黑粒子是這樣的小，以致我們用肉眼根本不能分辨出來， 甚至用最精密的光學顯微鏡也難于分辨，只是從1940年才首次用電子顯微鏡測得了炭黑的粒子大小和形態(tài)。當用電子顯微鏡測定炭黑的粒子大小時，只是熱烈炭黑的粒子較大，呈球狀或像桔子那樣的橢球狀，并能夠單獨的分開來，具有清晰的輪廓，其它炭黑，尤其是爐法炭黑并非球形，而且單個的炭黑粒子也是罕見的，同一種炭黑，其粒子大小不相同，通常所指的炭黑粒徑是用電子顯微鏡照片中粒子大小的統(tǒng)計平均值表示的。中超耐磨爐黑的生產工藝由于炭黑種類繁多，但生產設備和工藝流程都大同小異，在此介紹中超耐磨爐黑的生產過程和主要設備。一、工藝流程經脫水和預熱的原料油，呈汽化或半汽化狀進入反應爐中，天然氣或煤氣經風機升壓，輸送至炭黑反應爐，由切向噴入，空氣由空氣風機升壓，在空氣預熱器下，使其預熱到350攝氏度進入反應爐，供霧化原料和助燃用，原料油霧滴在1500-1600攝氏度，高溫燃余氣中，經一系列換熱設備，冷卻至450攝氏度，送入旋風分離器和濾袋器中，以便炭黑和燃余氣分離，從袋慮器排出的尾氣，可用作鍋爐燃料，產生蒸氣或帶動汽輪機發(fā)電，這樣既節(jié)省了部分能源，也使生產效率得到提高。往風分離器11和袋濾器12收集的炭黑，經風篩機除去雜質后，由風送系統(tǒng)送入造粒2段，粉狀炭黑經造粒機13造粒后，由埋刮板輸送機20和斗式提升機14經磁選機16后送入炭黑貯倉，貯倉中的炭黑，經自動稱量機21稱量，以紙袋方式包裝。1、操作要領生產操作要領主要包括，開氣前的準備、開氣順序、正常停氣操作和故障處理等。開汽前的準備、新爐必須按條件升溫到一定溫度（1750攝氏度）左右，舊爐爐溫要達1000-1200攝氏度以上。 、檢查各崗位設備、管線、閥門、和儀表是否正常、檢查油嘴、水嘴的霧化情況，流量是否符合工藝要求、開動油泵、原料油經計量罐循環(huán)，管式爐點火，預熱原料、打開鼓風機放空閥，啟動鼓風機，使空氣通入空氣預熱器中、檢查油預熱器出口的油溫是否達到工藝要求、開氣順序、打開放空壓蓋（或水封帽）、廢熱鍋爐給水、安裝好缺向噴熱器，通入夾套冷卻水、通入切向風，火把放入爐內并通入切向燃料、先少量通入軸向風，安正油槍，逐漸加大風量和油量、啟動送風機、聯控裝置、袋濾器、篩選機、磁選機、造粒機、埋刮板輸送機、斗式提升機和尾氣風機、當爐后已升溫到一定程度后，適當調整急冷水量，蓋好放空壓蓋、停氣操作、爐前回流旁通閥全開，關閉軸向油閥，停止進油，軸向風放空，取出油噴槍，抽出冷水嘴。、打開煤氣風機回流閥，關閉切向煤氣閥、打開空氣風機放空閥，關閉切向風閥、用石棉繩或橡膠石綿板堵住反應爐口，使爐內緩慢降溫、打開空氣預熱器放空閥，關閉尾氣風機進口蝶閥、切斷空氣風機、夾套水泵、廢熱鍋爐上水泵、煤氣風機電源、將管式爐各看火門空氣調節(jié)門，煙囪翻板全部打開、用蒸汽吹掃所有油管線，待設備冷卻后，放凈所有夾套和管路中的水、斷電操作、迅速關閉反應爐切向煤氣閥和管式爐燃料氣閥、關閉入爐油閥，打開油回流旁通閥，關閉入爐軸向和切向風閥，取出油噴槍、用蒸汽吹掃管式爐對流斷和輻射段油管，蒸汽連續(xù)通入，再抽出急冷水噴嘴、將總空閥煙囪翻板，防爆孔全部打開，關閉空氣風機出口閥、切斷各電源、斷水操作、打開爐前油回流旁通閥，關閉軸向入爐油閥，軸向放風空，取出油槍，抽出急冷水噴嘴、打開煤氣風機回流閥，和空氣風機放空閥，關閉切向煤氣閥和切向風閥、減少爐內燃料供給并用石棉繩或橡膠石棉板堵住反應爐口，使爐溫緩慢下降、打開空氣預熱器放空閥，關閉尾氣風機進口蝶閥2、原料油炭黑原料油主要分石油和煤焦油等兩類，煤焦油等油料，如 油、防腐油等歷來是理想的炭黑原料，用這種油料生產的炭黑，收率較高，質量較好 。但隨著炭黑需求增加，原料有需要量劇增，煤焦油等油量在數量上遠遠滿足不了需求，為了尋求更多資源和充分利用資源，必須專門加工或從石油化工副產油料中尋找合適的石油等油料。炭黑原料油是復雜的碳氫化合物，芳香烴含量是炭黑原料油最重要的質量指標，為了降低炭黑成本，炭黑工業(yè)應盡量選用廉價的高芳烴原料。由于我國煉產多為燃料油型，催化裂化油漿，催化裂化循環(huán)油和催化裂化澄清油料外，目前世界上廣泛采用溶劑抽提法，熱烈化法專門生產石油等炭黑原料油，隨著石油化工技術的發(fā)展，乙烯焦油也是炭黑原料的重要來源。3、主要設備、反應爐生產超耐磨和高耐磨爐黑的反應爐主要有單室爐和雙室爐兩種 、單室爐單室爐是一種臥式圓柱形反應爐，其內徑為300-600毫米，長3000-3800毫米。典型的單空爐結構如圖所示，圖反應爐殼體是由普通碳素鋼板剪制而成，殼體內砌有耐火材料，通常內層用剛玉磚，外層用高鉛磚和粘土磚砌筑，爐子壽面取決于耐火材料的性質。 、雙室爐 雙室爐也是一種臥式圓柱形反應爐如圖所示，其爐殼也是由普通碳素鋼板卷制而成，與單室爐不同的是，爐子分為兩個室，即燃燒室和反應室，燃燒室的直徑較大而長度較小，沿燃燒室的切向方向設置兩個通道，以通入氣體燃料或液體燃料和空氣，這樣在燃燒室中，形成高溫旋轉氣流。原料油和霧化空氣，從反應爐的軸向通入，經過燃燒室時，受到激烈的混合，吸收高溫旋流的熱能，使原料油霧達到裂解反應溫度，然后在反應室中裂解，生成炭黑，其炭黑質量與收率均比單室爐高。 雙室爐爐殼內，通常砌筑幾層耐火和保溫材料，反應爐的尺寸一般采用，燃燒室直徑是其自身長度的3倍：反應室直徑等于燃燒室長度，反應室長度是其自身直徑的10倍，目前，切向通入氣體燃料的雙室爐，大都為燃燒室800*300毫米，反應室300*3000毫米。、旋風分離器、結構及工作原理炭黑工業(yè)所用的旋風分離器，按其用途分可分為回收旋風分離器和風送旋風分離器兩種。前者主要用做預收塵設備，串聯于袋濾器之前，旋風分離器主要由三部分組成，上部為渦流式，中部為集塵錐體，下部為貯斗，其構造和工作原理如圖所示，渦流室呈渦牛狀柱體，沒有煙氣出口和入口。集塵錐體是氣一固分離的主要部位，利用離心力作用，使煙氣中的炭黑沉降。當煙氣沿入口進入渦流室后，呈旋轉運動，達到錐體部分時，由于旋轉半徑逐漸減小，氣流速度則逐漸增大，炭黑粒子在離心力的作用下，拋向器壁。當炭黑粒子與器壁接觸后便失去慣性而靠重力沿壁面下落，當煙氣分離，經錐體落入貯斗中，旋轉下降的升旋煙氣流隨圓錐的收縮向旋風分離器的中心靠攏，氣流達到錐體下端時反轉上升，形成一股自下向上的螺旋線運動，經頂部內圓筒向外排出。、分離效率和阻力計算旋風分離器炭黑的效率取決于炭黑粒子獲得的離心力的大小，玄風分離器內，炭黑所獲得的離心力可由以下方式獲得： 式中：F-炭黑粒子獲得的離心力 W-炭黑粒子旋轉的角速度 R-炭黑粒子的旋轉半徑 M-炭黑粒子的質量 D-炭黑粒徑 r-炭黑粒子的真比重 V-炭黑粒子的切線速度由上式可知，若旋風分離器入口的煙氣速度一定時，旋轉半徑越小，炭黑粒經越大，離心力便越大，若炭黑的粒徑及真比重一定，旋風分離器的進口速度越大，離心力便越大，旋風分離器的阻力按下式計算：式中： 旋風分離器的阻力，毫米水柱 W-煙氣進口速度，米/秒 r-煙氣或空氣密度，公斤/平方米 g-重力加速度，9.8米/秒 -阻力系數、結構尺寸通常進入旋風分離器的溫度控制在400攝氏度左右，工作壓力300-400毫米水柱。實踐證明旋風分離器的煙氣進口速度最好選擇12-16米/秒，旋風分離器的氣體進口速度過低，離心力太小，分離效果不好，速度過高，則設備阻力增大。在炭黑工業(yè)中，通常以旋風分離器煙氣進口的截面積作為設備結構尺寸的主要參數，它等于F=V/3600W其中，F-旋風分離器進口截面積，平方米： V-工作狀態(tài)下的煙氣量，立方米/時 W-煙氣進口速度，米/秒典型的旋風分離器結構尺寸如下，符號參見圖：錐體上部直徑D=(F10.11)錐體高度錐體下部直徑渦流式柱體高度煙氣進口管道寬度煙氣出口管道直徑套筒直徑貯斗直徑貯斗錐體部分高度貯斗柱體部分高度、故障及其排除出灰口堵塞 旋風分離器下部的貯斗，因保溫不好使煙氣中的水蒸氣凝結，導致炭黑的架橋、結塊，往往使出灰口堵塞。解決它的根本辦法是在設計時，其貯斗采用蒸汽夾套保溫殼體出現小孔 由于旋風分離器制作時，焊接質量不佳，在焊縫中出現小孔，會破壞旋風分離氣流的正常運動，降低收集效率。如果發(fā)現小孔，必須進行補焊，。如果由于煙氣腐蝕出現小孔并逐漸擴大，則不宜焊補，必須大修或更換設備、螺旋輸送器螺旋輸送器是一種最常用的粉體連續(xù)輸送設備，優(yōu)點是構造簡單，在機槽斗部除了傳動裝置斗，不再有傳動部件，占地面積小，容易密封、管理、維護，操作簡單，便于多點裝料和多點卸料，缺點是運行阻力大，這些阻力主要是機槽與螺旋葉片之間，螺旋面與物料之間，機槽與物料之間等，一般比其他輸送機的動力消耗大，而且機件磨損較快，因此不予輸送塊狀，磨 性大的物料，由于摩擦大，所以輸送過程中物料有較大的粉碎作用，因此需要保持粒度一定的物料不宜用這種輸送機，由于各部件有較大的磨損，所以這種輸送設備只用于較低和中等生產率的生產中，且輸送距離不宜太長。 、構造及工作原理 螺旋輸送機主要由螺旋軸、料操和驅動裝置所組成，料槽的下半部是半圓形，螺旋軸沿縱向放在槽內，當螺旋軸旋轉而產生的軸向推力就直接作用到物料上而成為物料運動推力，使物料沿軸向滑動，物料沿軸向滑動就像螺桿上的螺母，當螺母沿周向被持住而不能旋轉時，螺桿的旋轉就使螺母沿螺桿做平移，物料就是在螺旋軸的旋轉過程中朝著一個方向推進到卸料口處卸出的。 、在炭黑工業(yè)中的應用 炭黑工業(yè)應用的螺旋輸送器，直徑一般為200-500毫米，轉軸經減建器有電機驅動，轉速常為30-60轉/分，在輸送炭黑的過程中，對炭黑有壓縮作用，用 向造粒機輸送粉狀炭黑，有助于驅出部分吸附氣體，提高成立機的效率，也正是這個原因，用它長距離輸送造粒炭黑，勢必導致粒子破碎，增加細粉量。螺旋軸送器的輸送量，可按下列公式計算： -炭黑輸送量 n-螺旋輸送器軸的轉數，轉/分 D-螺旋輸送器的螺旋直徑，米 S-螺旋輸送器的螺距，米（一般取0.75-1.2D） -填充系數，取0.3-0.5 -炭黑容重，公斤/立方米（粒狀炭黑取300-350）4 、埋刮板輸送機、特點埋刮板輸送機是一