李 健，王 强，何宗霖，陈翌斌 (江西黑猫炭黑股份有限公司，江西 景德镇 333000)
摘 要：单元操作的工艺基础设计是化工生产线的关键问题和技术源头。根据我国炭黑技术发展的历史，习惯用名 义的产能来定义生产线，而忽略了这些不同牌号炭黑的差异化和特点。因此，本调研确定了与炭黑生产相关的操作单元 的工艺设计参数与测算，希望通过这些操作单元的去瓶颈思维来差异化产品、优化产能和提高炭黑的质量。
关键词：工艺设计参数;质量与产能技术去瓶颈
1 引 言
炭黑工艺属于化工领域的气固分离。炭黑工 艺的操作单元，除了反应器外、其实并不是非常独 特。但是，炭黑是一种复杂的化工原料，在单一的 生产在线很难生产出各种牌号的炭黑。因此，如 何进行工艺设计，使生产效益和质量达到最优，是 一个非常重要和有趣的课题。
本研究为炭黑各工段单元设备的生产工艺基 本设计和各单元设备产能测算提供了依据。并在 Excel 程序中，对这些工作进行了编码和测算，其 目的是用于模拟运行情境和评估运行性能，作为 产能去瓶颈的参考。而与整条新生产线的扩能相 比，去瓶颈是比较经济的增加单位产能方式。
2 炭黑和工艺工段的特性
炭黑生成是由原料油中的高碳与氢含量，经裂 解和脱氢、转化为炭含量约99%以上的炭黑[1][2]。同 时，在形态方面，具有表面特征的原生粒子和聚集 体是其重要特性，因此，在应用的角度方面来看， 炭黑比一般化学品是更为复杂的[2][3]。
一般来说，炭黑的加工过程是由反应、收集、湿 制和成品等工艺区段来区分的。反应器的设计参数 属于每一个业者的专有技术和机密，因此，本文不 作讨论。其他主要工段的工艺参数整合如表1所示。
3 各工艺区段单元操作设备的机理及工艺 参数测算方法
(1) 收集区
a、主要有五种装置：主袋袋滤器、废袋袋滤 器、净袋袋滤器、粉尘袋滤器和风源管系统。该区 的工艺目的是利用风源管系统输送处理袋滤器收 集下来的粉状炭黑并与尾气分离，这些装置的性 能受烟气中粉状炭黑密度、炭黑结构、沉淀机理及 袋滤器的类型等影响。
b、袋滤器室的工艺参数为粉状炭黑密度和气 布比，见表 2：
c、风源管线的工艺参数为载气流速和风机静 压。管道设计正常流速约 30m/s，但是，避免粉体 炭黑堵塞，气动管线流速必须大于 45m/s，风机前 各部件压降见表 3。
(2) 湿制区
a. 造粒机
干法&湿法是炭黑造粒的两种机理，其区别在 于湿法添加了造粒水。炭黑造粒是聚集体受外力 作功，彼此接近时，范德瓦尔斯力发生在炭黑集合 体附近，排出空气而密实。而干法造粒的作功是 由干法造粒机的旋转力提供的，同时，需要大量母 粒的回流来制造炭黑粒子。其缺点是处理量有限， 而且其旋转炉体是在正压情况操作，易造成工作 环境污染。
炭黑聚集体加水后，其氢键极性使聚集体紧密 受力的时间缩短，提高了其处理能力。完美的颗 粒，是增加其由水分形成聚集体间连结机率，在充 满聚集体总空隙的完全架桥之前，称为缆索状态。 湿法粒子含水率与炭黑的结构值有关，如下式。
※ 含水率 %=[DBP/(DBP+100)]-2~4%
造粒机的处理能力是由操作经验所获得的 值，该值由造粒水量来确定，该水量与炭黑的反应 器产出量和粉状炭黑回收回流量呈正相关，可由 炭黑在缆索状态下的含水率来转换测算。同时与 该设备的工艺参数与壳体直径、长度和轴承的搅 齿有关，如表 4 所示。
b. 鼓式干燥炉
鼓式干燥炉的处理量也是由蒸发的水量定义 而不是炭黑量，其设备型态有传统火箱和壳式火 箱的两种类型。壳式火箱的传热效率高于70%，比 传统火箱的传热效率高 60%。但是，热传效率提 升、尾气量消耗与产生的废气量也降低，整体的废 袋袋滤器入口温度曲线分布会收缩，导致袋式除 尘器出口温度会降低到硫含量的露点，导致废袋 袋滤器滤袋与箱体的腐蚀。作者建议传统火箱变 更壳式火箱，同时，要配套对反应器和主袋过滤器 进行去瓶颈、提高处理能力，才能达到最大效益。
炭黑干燥的关键工艺参数是炭黑在本体内、 燃烧后直接干燥废气带动的流态化速度。鼓式干 燥机的机理是直接干燥和间接干燥的传热，当流 体化速度超过上限时，直接传热到鼓体内的废气 会将造完粒的炭黑表面流体化，扬起并排进排废 气袋滤器。回流处理炭黑的量加上反应器来的炭 黑量的造粒水量，超过了鼓式干燥机蒸发水的上 限容量，干燥炉的炭黑出口温度会变低，那时就不 能保证把炭黑造粒的水全部带走。
鼓式干燥机的工艺参数也是根据操作数据得 出的经验值，包括不同直径的鼓式干燥炉的单日 蒸发水量以及整个鼓式干燥机本体的单位面积铁 皮蒸发水量。鼓式干燥机的工艺参数与处理量的 关系，如表5所示，而炭黑的产量也可以由其结构 的含水率来转换测算。
(3) 成品区
该区与工艺设计有关的设备应只有风冷器， 目前已知有的是空冷器和流化床冷却器两种。如 果生产线产量大或厂址在炎热气候区，炭黑出口 温度高，在炭黑进入料仓前就必须安装冷却器。流 化床冷却器在除粉、降温方面优于风冷器，但是，流化床冷却器在国内黑线生产中尚属少见。相关 工艺参数如下表 6 所示。
4 各品级单元设备能力测算
油风比的工艺参数是炭黑反应最重要的工艺 参数，是炭黑原生粒子、过量氧含量和原料油质量 的综合指标[5]。煤焦油中芳烃含量高，是一种高油 风比的原料油。另一个关键工艺参数是原料油的 炭转化率或收率。从原料油风比和收率出发，可 以对反应器产能进行了估算。通过炭黑样品碘值 检测来控制油风比。因此，反应器各品级的产能 就可按以下公式估算。
※ 反应器日产能估算(MT/D)=[ 油风比 * 燃 烧空气流量 * 收率 *24 小时 /1000]
产线的产能估算，首先必须选择或是知道干 燥炉的处理量，然后决定想要的生产的品级来选 择适当的造粒机，最后推算主袋式过滤器的负荷。 经过反复推算，最终，优化了整条生产线的操作单 元与产能推估，如图 5。
鼓式干燥炉由于工作时间和空间是最难去瓶 颈的，因此，是生产线设计和测算最大生产能力的 标准。在此基础上可知上述计算，N134 生产装置 的瓶颈设备是主袋袋滤器，总产量仅为 N330 的一 半(=52%)，原因是 N134 油风比低、收率低，相 关测算结果请参考表 7。
若主袋过滤器是瓶颈设备，如果在一条生产 线上生产所有品级的产品，鼓式干燥炉将会有额 外的生产能力闲置。最好的方式是将具有高表面 活性的 N134/N234 等级在其它较小的鼓式干燥器 (例如8′ ×65′)，配套较高处理量的主袋袋滤 器生产。如果在工艺设计开始时忽略了这个问题， 就要在考虑产线优化时再进行主袋袋滤器去瓶颈 的规划。
5 炭黑生产线的操作情节与其产能预测
针对国内相同的炭黑设备、以煤焦油 (CTO, Coal Tar Oil) 和 石 油 系 的 澄 清 油 (FCC, Fluidized Catalytic Cracking)分别进行了测算，并提出了名义 产品混合的最大产能估算结果。在使用澄清油 API=-2的条件下，油风比降低10%、收率降低5%。 总产能降低 4,896mt，降低 15%，主袋袋滤器则仍 是瓶颈设备。
若主袋袋滤器变更为脉冲在线吹扫的形式， 配套目前已知最大产能的 11.5’*80’鼓式干燥炉 11.5’*80’(壳式火箱)，产能在使用煤焦油与澄 清油后，分别提高了16,384吨和16,121吨。相关测 算结果如表9所示。同时与表7比对，使用煤焦油， 产能提高 45%，用澄清油则提高 31%，如表 10 所 示。
能否得出炭黑厂，使用煤焦油会比石油有更 好的综合生产效益结论呢?不确定。这个答案必 须取决于一开始设计的总能源的使用规划。鼓式 干燥炉的处理量的基准下，再增加澄清油，这种低 油风比的燃烧空气流量，同时主袋袋滤器中也有 足够处理量来吸收，就会有更多的尾气进入汽电 共生的燃烧炉。如此一来，虽使用澄清油的单位 炭黑的耗油量高，而单位炭黑蒸气产量也高，综合 效益还是要看能源使用率指标以及蒸气与电力去 化的方式与边际贡献[6-7]。
测算生产N660和使用煤焦油在直径 12’的鼓 式干燥炉，单线炭黑生产的产能可以达 77,000Mt/ y。所以，业界情资、炭黑单线产能为 80,000MT/ Y，应该是有其可能性的 !
6 讨论与未来研究
国内炭黑工业的大多数工程师大都希望通过 提高反应效率，如产率、油单耗等来提高炭黑的生 产效益，比较少有人希望通过优化生产线位置和 设备布局来平衡产品质量和满负荷运行，这报告 提供给业者一个不同的切入角度。
单元设备去瓶颈的方法是提高生产能力的比 较有经济效益的，而不是直接建立新生产线，同 时，可以改善长期慢性的产品质量问题。但去瓶 颈工作需要更多的技术技能来克服，希望这份报 告能有助您面对挑战。
但是，定制化产品的发展趋势在未来会更为 明显，与本报告在工艺设计的角度上是相反的立 场。然而，由于炭黑市场需求的变化，更具灵活性 和可靠性的产品和工艺设计相关技术技能是越来 越重要。
參考文献
[1] 何宗霖，《2016年中国炭黑展望会》9-书面交流文，14- 从反应时间与尾气成分探讨对硬质炭黑生成的影响.
[2] 李健、何宗霖，《2018年中国炭黑展望会》碳黑反应生 成与相关重要温度测算.
[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] 陈林东、何宗霖 硬质反应器不同炉温状态下反应生成 温度推算，炭黑工业，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.
