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炭黑行业节能减排绿色发展分析

来源:碳黑工业 | 作者:德隆导电炭黑 | 发布时间: 2023-02-19 | 1731 次浏览 | 分享到:

引言

2021 年2 月,国务院印发的《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》提出,推进工业绿色升级、壮大绿色环保产业和构建绿色供应链,加快实施钢铁、石化、化工、有色、建材、防治、造纸、皮革等行业绿色化改造[1]。炭黑生产作为我国化工行业的重要组成部分[2],从古至今一直被认为是高耗能、高污染的行业[3],所以其生产过程节能减排技术的应用,是实现炭黑行业清洁化生产、建设我国生态文明的需要,也是实现生态环境高标准保护、推动经济高质量发展的必由之路。

1 炭黑生产工艺概述

炭黑的生产工艺有很多种,主要有炉法、接触法和裂解法。目前随着天然气价格的上涨,油炉法已成为炭黑生成的主要方法。据统计,油炉法炭黑的产量已经占炭黑总产量的95%以上[4]。

油炉法生产炭黑,生产过程分为4 个阶段:炭黑生成反应、炭黑收集分离、炭黑造粒干燥和炭黑精制储运。

炭黑生产工艺,如图1 所示。

图1 油炉法炭黑生产工艺

1.1 炭黑生成反应

燃料焦炉煤气经煤气管线送入喷燃器中,与主供风机提供的并经高温空气预热器预热的空气在炭黑反应炉燃烧段进行混合、完全燃烧,产生高温燃烧气流进入反应炉的喉管段。原料油脱水处理后,经原料油过滤器、原料油泵送到原料油预热器预热后,再通过原料油喷咀径向喷入炭黑反应炉的喉管段,与高温燃烧气流混合后,迅速裂解并生成炭黑。含炭黑的高温烟气流进入反应炉急冷段进行一次急冷,终止炭黑裂解反应,并冷却炭黑尾气。从低温空气预热器排出的炭黑烟气进入余热锅炉、原料油预热器进行降温,并进入二次急冷段降温后进入炭黑收集系统。

1.2 炭黑收集分离

降温后的炭黑烟气进入主袋滤器,附着在袋滤器上的炭黑用主袋滤器反吹风机定期进行吹扫,使其落入袋滤器贮斗,由主袋滤器收集的炭黑经主袋滤器气密阀进入风送系统,主袋滤器排出的炭黑尾气可作为干燥机燃烧器的燃料和发电装置的燃料进行综合利用。

炭黑进入风送系统,采用空气输送,通过粉碎机对其进行粉碎(粒径20 m~30 m),再经风机送到收集袋滤器,炭黑被收集到粉状炭黑贮罐中,从收集袋滤器出来的烟气经排气筒排入大气中,粉状炭黑经炭黑贮罐内搅拌器搅拌后由主供料输送器送入湿法造粒机进行造粒。

1.3 炭黑湿法造粒、干燥

将粉状炭黑、造粒水、粘结剂等按比例输入造粒机,在搅齿的高速旋转作用下,粉状炭黑排出表面吸附的气体,与造粒水强烈混合,在造粒水的均匀浸湿作用下,使得炭黑表面具有一定的粘结力,物料之间相互碰撞粘结,形成不规则的颗粒,逐步变大,得到粒状炭黑。

湿法造粒机处理后的湿炭黑粒子进入干燥机,干燥机燃烧器以炭黑尾气作为燃料,供风机将空气和炭黑尾气一起送入燃烧器,燃烧产生的高温气体与炭黑进入干燥机滚筒逆流接触换热干燥。

1.4 炭黑精制储运

干燥处理后的炭黑粒子,经提升机送至筛选机、磁选机等进行精制,最后输送至成品储罐经包装机包装送入产品库。

炭黑生产装置,如图2 所示。

图2 油炉法炭黑主要生产装置

2 生产装置节能分析

2.1 反应炉

生产炭黑的核心装置是反应炉,分为燃烧段、喉管段、反应段、急冷段和停留段。炭黑粒子的大小和粒径分布取决于反应炉中能量的转换。实践证明,每对反应炉进行改造均会带来炭黑生产质的飞跃。根据产品炭黑的性能合理设计反应炉可有效降低能量的消耗。

炭黑生产过程中,需要大量的空气与燃料进行混合,经完全燃烧后,为原料油裂解提供热能。空气由主供风机提供,该设备是炭黑生产过程中主要的耗能设备,约占整个炭黑生产装置总耗能的30%。不同的炭黑型号生产时所需风量不同,建议在设计风机时采用调频电机,以满足生产不同型号炭黑所需[3]。

2.2 空气预热器

参与燃烧的空气预热温度是一个重要的工艺参数,合适的温度科技增加燃烧热、降低原料油的消耗,提高反应炉的效率。根据闫一野的相关研究,空气预热器温度升高100℃,可有效提高15%的炭黑产量[4]。高温空气预热器温度与节能降耗指标的关系,如表1 所示。

表1 高温空气预热器温度与节能降耗指标的关系 %

可充分利用炭黑生成后的高温烟气来预热空气预热器,避免高温烟气的热量损失。

2.3 余热锅炉

炭黑生成后的高温烟气经空气预热器换热后,温度显著降低,但此时的出口烟气温度仍高达625℃,利用此高温烟气可设置余热锅炉,通过软水与高温烟气的换热,既降低了烟气温度,又产生了低压蒸汽用于生产线的管道保温等。

2.4 原料油预热器

原料油温度升高时,粘度下降、表明张力降低,有利于原料油形成雾化。利用烟气预热原料油预热器的原理是:炭黑反应生成的含炭黑热气流经极冷和空气预热器、余热锅炉降温至450 ℃~550 ℃,进入原料油预热器,经换热后,原料油预热器温度达200 ℃~260 ℃,出口烟气温度将至350 ℃左右。原料油预热器的设计,改变了炭黑生产过程中余热利用率较低的现象,对余热的充分利用,有利于提高炭黑炭的产品质量,提高企业经济效益。

3 尾气综合利用分析

炭黑生产过程中经主袋滤器分离后的炭黑尾气具有一定的热值。尾气主要成分,如表2 所示。

表2 炭黑尾气主要成分组成表

炭黑尾气中含CO、H2、CH4等可燃气体,约占尾气总体积的20%,是可以回收和利用的能源。炭黑尾气经管道收集,部分炭黑尾气作为干燥机燃烧器的燃料;部分炭黑尾气进入锅炉房,利用燃气锅炉驱动汽轮机带动发电机发电,实现尾气综合利用。

4 炭黑生产其他节能措施

4.1 精制加工设备及炭黑回收系统

通过对精制加工设备和管道采取必要的保温措施,采用新技术、新材料和新设备等加强炭黑精制及回收率[5],有效提升产品的质量,降低废品产生率。

4.2 采用集散型微机控制系统

集散型微机控制系统通过对主要工艺参数进行自动逻辑处理调整,同时具备连锁报警功能,可大幅度提高生产工艺操作的稳定性和灵活性。

4.3 运用节水技术

对主供风机设备的冷却水、生产过程中的冷却水进行回收,重复利用,实现循环用水;对生产装置产生的高温高压蒸汽进行冷凝回收,可有效降低水资源的消耗,提高企业经济效益。

5 结语

随着炭黑生产工艺的不断创新、生产设施的升级改造,炭黑行业在污染防治方面取得了不错的成绩。但炭黑行业仍属于高耗能、高污染的“两高”项目。炭黑从业人员需不断提升自身管理水平和专业技术能力,增强自主创新能力,加强炭黑生产过程节能减排技术的应用,注重清洁化生产,努力实现企业绿色低碳循环发展,才能更好的推动企业经济高质量发展。