电子书材料~天然气化工工艺知识讲座（第六章）

第六章 天然气制炭黑

炭黑为工业中不可或缺的化工原料，是仅次于钛白粉的重要颜料。具有稳定、耐热、耐化学品、耐光等特点。同时，炭黑又是塑料、橡胶制品的改质添加剂。

第一节 概    述

1、炭黑定义：

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生成的无定形碳，为疏松、质轻而极细的黑色粉末。

2、炭黑发展：

我国古代焚烧动植物油、松树枝所得“炱”(tái)的黑灰；

     1872年，美国以天然气用“槽法” 生产炭黑；

     1912年，S. C. 莫特发现炭黑对橡胶的补强作用；

     20世纪20年代，以天然气为原料的气炉黑和热裂黑；

     后来，J. C. 克雷奇开发了油炉法工艺。

     当今，油炉法是效率最高、经济效益最好的炭黑生产方法，油炉黑的产量已占炭黑总量的70～90％。

3、炭黑的生产原料：

气体原料：天然气、矿坑瓦斯、炼油尾气、电石气等；

液体原料：煤焦油、石油炼制的馏分油等

固体原料：萘，蒽等

4、炭黑的分类：

按制造方法分类

(1)接触法炭黑：槽法炭黑、滚筒法炭黑和圆盘法炭黑；

(2)炉法炭黑：气炉法、油炉法、灯烟法；

(3)热裂法炭黑：热裂炭黑（天然气），乙炔炭黑（乙炔）

按用途和使用特点分类

(1)橡胶用炭黑： 硬质炭黑（补强）、软质炭黑（填充）；

(2)非橡胶用炭黑（特种炭黑）：

     色素炭黑、导电炭黑、塑料用炭黑以及其他专用炭黑（合成革用炭黑、黑色农膜用炭黑）等；

5、炭黑的性质：

(1)表面积：

        是鉴别和分类命名炭黑的重要性质之一，气相或    液相吸附法测定 。低温氮吸附法(即BET法) ，大分子吸附法(如CTAB) ，吸碘法。

(2)结构：

     取决于聚集体尺寸、形状以及每个聚集体内的粒子数和平均质量 。用DBP(dibutylphthalate，邻苯二甲酸二丁酯)吸油值表示炭黑的结构。

(3)着色强度 ：

     反映聚集体的平均体积和尺寸分布 ，高着色强度的炭黑，光吸收系数高而反射率低。

(4)炭黑的化学组成

不同炭黑的化学组成不尽相同，如橡胶工业用的油炉法炭黑的碳元素含量在97％以上；热裂法炭黑和乙炔炭黑的碳含量高于99％。部分炭黑的元素分析结果示于下表。

各种炭黑的化学组成

炭黑类型	橡胶用炭黑	热裂炭黑	乙炔炭黑
碳/%	97.3～99.3	99.4	99.8
氢/%	0.20～0.80	0.30～0.50	0.05～0.10
氧/%	0.20～1.50	0.00～0.12	0.10～0.15
硫/%	0.20～1.20	0.00～0.25	0.02～0.05
氮/%	0.05～0.30	NA	NA
灰分/%	0.10～1.00	0.20～0.38	0.00～0.40
挥发分/%	0.60～1.50

第二节 天然气制炭黑的生产方法

1、炭黑的生成机理

目前基本公认的炭黑生成历程包括如下几个阶段 :

(1)在高温下形成气态的炭黑先质

(2)晶核形成

(3)粒子的长大和聚集

(4)表面长大过程

(5)附聚过程

(6)聚集体的气化

生产设备

一座槽法炭黑厂由几十到几百个火房组成。每个火房内有天然气管、分配管、火嘴组成的灯车、槽钢、滑车、炭黑收集斗和与斗接通的螺旋输送机等。

     除了火房外，生产设备还有除渣器、旋风分离器、造粒机、袋滤器等。

工艺参数对槽法炭黑性能和收率的影响

火嘴形式、单个火嘴耗气量、火嘴与槽钢间距离、火嘴间距、加入火房的一次空气量、二次空气量、原料气中烃含量、烟幕高度和气相条件等。

(2)火嘴外截面积与内截面积比恒定：

    取决于生产炭黑的性能和原料气组成。火嘴槽口窄，火焰长度也变短变薄，炭黑粒径槽口(孔)的宽窄变小，收率下降。

(3)火嘴间距：在114～140mm范围为佳，该间距是为保护火房内设备所取的最小间距，即火嘴原料气流率上限。

(4)原料气量：

   气量增加，火房温度随之升高。随火焰的加大，炭黑产量增加，但炭黑收率也会下降。过大的火焰最后还会损坏槽钢。

(5)原料气成分：

    天然气的平均分子量越大，即天然气中乙烷、丙烷、丁烷或其它较重烃含量越高，炭黑收率越高。

生产工艺数据

(1) 火嘴：火嘴间距70～140mm；火嘴与槽钢距离50～90mm；每个火嘴气流率1～2.9m3/d；每个火嘴生产炭黑0.25～1.6g/h；火嘴槽口度0.6～1.2mm。

(2) 原料气压力：火嘴进口处100～250Pa，火嘴出口处100～250Pa。

(3) 耗气量：50～55 m3／kg炭黑；

(4) 天然气生成率：8～20g/ m3；

(5) 火房内温度：槽钢底面500～550℃；排出燃余气温度340～360℃；火焰温度1200～1400℃。

(6) 火房排出燃余气组成：O2为15～17%； CO2为2～3% ；N2为80～81%；CH4为0.1～0.2%；CO为0. 1%；H2为0. 1%。

技术改进：加油富化和富氧生产

加油富化，向炉内喷蒽油或煤焦油，可提高产量，降低成本。

    富氧生产，通入富氧空气代替空气生产炭黑。可降低尾气中的氮含量，使氮氢比适于作合成氨的原料气，实现富氧生产气炉法炭黑联产合成氨。

    影响气炉法炭黑性质和收率的因素较多，如天然气成分、炉温及烟道温度、空气和天然气比例等，其中，控制空气和天然气比例是最重要的工艺条件。  

生产设备

基本设备：反应炉，多为圆柱形，外为钢板焊制的炉壳，内层为粘土砖和轻质砖砌筑，或耐火浇注料和绝热浇注料。反应炉有单炉头、双炉头和多炉头三种。两个炉头为一组，一个总烟道。

冷却塔：是一个夹层的空心塔，夹层通入循环水，塔周围安装高压喷嘴向塔内喷入水雾；

收集设备：由收集箱、风送管道、振抖装置组成。箱体盖上安装32～40根玻璃纤维过滤袋，每个生产单元有30～36个过滤箱；

炉前鼓风机：将空气鼓入炉内燃烧；

抽风机：安装在冷却塔后，将燃余气鼓入滤袋；（若炉前风机风压较高，可以不用抽风机）

振抖装置：使滤袋上的炭黑用滤袋的吸胀交换动作振抖下来。

生产工艺数据

(1)天然气与空气比1:4～4.5；

(2) 高温区停留时间4～6s；

(3) 温度：炉内温度为1250～1350℃；进冷却塔温度为1050～1100℃；出冷却塔温度为350～380℃；进过滤箱温度为200～250℃；

(4)压力：火嘴箱压力为1000～3000 Pa；滤袋压力为900～1500Pa；

(5) 滤袋负荷为1.0～1.2 m3/ m2·min；

(6) 滤袋面积为1500～2000 m3/工段；

(7) 天然气生成率为140～150 g/Nm3；

(8) 燃余气组成(干基)：CO2为3.5～4.0%；CO为9～10%；O2为0.2～0.5%；H2为19～20%；CH4为0.5～1.0%；N2为67～69%；湿基含水为35～40%。

4、炭黑的加工处理

机械方法：以除去炭黑中的硬炭、杂质及将炭黑造粒等。

槽法炭黑和炉法炭黑的加工处理工序基本相同，各工序均在密闭系统内进行。

精制风机先将炭黑与空气混合送入杂质分离器，在此除去硬炭及较重灰分后再送入旋风分离器，分离的炭黑从下部回转气密阀进入造粒机，使炭黑进行造粒；从旋风分离器顶部排出的空气中含少量炭黑，进入回收过滤箱分离出炭黑，排出空气。造粒机流出的粒状炭黑经检验合格，称量包装后即为成品。

第三节我国炭黑的生产状况和前景

在汽车和轮胎制造业的带动下，中国炭黑工业近10年来取得了长足发展，主要表现在：一是产能和水平不断提高，二是产品结构调整成效显著。

   虽然我国炭黑产量增长很快，但我国炭黑企业较分散，规模普遍较小，产业结构很不合理。因此，必须依靠科技进步和创新、调整产品结构,提高管理能力,不断提升我国炭黑产业水平。

我国炭黑生产存在的问题

（1）产业结构不合理

（2）原料油资源紧缺

（3）炭黑总产能过剩

（4）生产技术仍有差距

（5）环境污染日益严重

我国炭黑生产的发展前景

（1）加大开发新品种力度

（2）充分利用油、气资源

（3）实施清洁生产和安全生产

（4） 提高生产效率

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