更新时间：2022-09-25 17:38
炉法炭黑就是将气态烃、液态烃或其混合物作为原料，供以适量的空气，在反应炉内形成密闭的湍流系统，将一部分原料烃和空气燃烧产生高温，使另一部分裂解产生炭黑。炭黑是烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质，其主要成分是元素碳，并含有少量氧、氢、硫等。炭黑粒子近似球形，粒径10-500μm。炭黑产品用在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂和填料。
炭黑是最古老的工业产品之一，早在公元前200年我国的汉朝，人们就用松枝来烧制灯烟炭黑作为墨的原料。欧洲和日本在 16 世纪后期开始用动物油、焦油等为原料生产炭黑。1982年美国人开始用天然气烧制炭黑并用金属槽板收集，并且将其命名为槽法炭黑，此举标志着近代炭黑工业的开始。炭黑生产经历了灯烟炭黑、槽法炭黑、气炉法炭黑、乙炔炭黑和色素炭黑、油炉法炭黑、新工艺炭黑及目前正在积极研究的节能环保炭黑时期。
炭黑是烃类在严格控制的工艺条件下经气相不完全燃烧或热解而成的黑色粉末状物质，其主要成分是元素碳，并含有少量氧、氢、硫等。炭黑粒子近似球形，粒径10-500μm。许多粒子常熔结或聚结成三维键枝状或纤维状聚集体。炭黑产品用在橡胶加工中，通过混炼加入橡胶中作补强剂和填料。
炭黑按其生产工艺可分为：炉法炭黑、槽法炭黑、灯烟法炭黑和气相法炭黑等。炉法炭黑就是将气态烃、液态烃或其混合物作为原料，供以适量的空气，在反应炉内形成密闭的湍流系统，将一部分原料烃和空气燃烧产生高温，使另一部分裂解产生炭黑。生成的炭黑悬浮在烟气，经冷却过滤、收集、造粒为产品。其中，使用气态烃为主要原料的称为气炉法，使用液体烃为主要原料的称为油炉法。
炉法炭黑生产工艺是 20 世纪 20年代在美国开发出来的，经过多年的发展，目前炉法工艺已经成为各原料在密闭的反应炉内、在精确控制条件下进行的连续快速反应。
炉法工艺的核心部件是反应器。在反应器中，高速喷入雾化的原料油在1200-1900℃高温下不完全燃烧裂解生成炭黑。反应所需的温度是由二次燃料（如天然气或燃料油）燃烧所提供。反应通过喷水冷却及时终止3反应产物炭黑及炭黑尾气经换热冷却后送入过滤系统将炭黑与尾气分离。由于分离出的粉状炭黑堆积密度很低（20-60g/L），不利于运输供给下游客户，通常需对其造粒加以压实。
干法造粒工序较简单，主要通过转筒将粉状炭黑机械碾压成为球状的炭黑小颗粒，以便后续运输。
湿法造粒则需通过将水、炭黑和少量粘结剂混合在一起，加入造粒机进行造粒。湿法造粒后的炭黑颗粒仍含有约50%左右的水分，需进一步干燥处理后才能成为成品。
结焦是炉法炭黑生产中时有出现的现象,致使焦粒增加,杂质增多,影响炭黑产品质量。因此必须找出原因,提高炭黑的质量和合格率。
炉法炭黑生产中,原料油和燃料油的雾化对炭黑质量有很大影响。雾化的液滴越小,与炉内空气接触面积越大,强化了油滴汽化所需的热交换和传质过程。雾化不良,空气和油气混合不均匀,造成结焦。现就影响雾化效果的主要因素分述如下。
1 温度的影响
反应室温度越低,难以保证原料油完全裂解;燃烧室温度越低,难以保证燃料油完全燃烧,雾化效果差,造成结焦,因此应尽量提高炉温,提高油的预热温度,可降低油的枯度,减小油的表面张力,使油滴分散更均匀,达到良好雾化的目的。
2 当喷枪结构一定时,如流量过大或流速过快或压力过大,原料油可能碰到对面的油流甚至在对面壁上结焦。
3 喷咀结构的影响
根据我厂的生产情况,喷嘴及喷燃器的结构对雾化有较大的影响。其中燃料油喷咀的雾化角度是我厂技术人员
经常注意的。
针对上述影响结焦的原因,为稳定产品质量,抑制结焦,我厂现已采用如下的控制措施:
1 燃烧室温度不低于1300℃,反应室温度不低于1200℃。原料油预热器温度通常控制在130℃一150℃范围内。
2 燃料油入口油压0.30一0.55MPa;原料油入口压力1.5一2.0MPa。
3 燃料油咀雾化角度60。一90。,原料油咀几乎无雾化角。喉口处把原料油喷枪90度径向辐射排列。原料油枪和燃料枪喷咀回缩一定的距离。总之,炉法炭黑结焦的原因是多方面的,固然喷燃结构等是主要影响因素,但操作不当也可引起结焦,因此建议生产时操作人员应有责任心注意调节入炉油的温度、压力和开、停机操作。
炉法炭黑生产的主要工艺流程大致相同，生产工艺路线的选择主要集中在造粒工序。干法造粒工序简单，同时不需要额外加水而后干燥，因此能耗较低。但干法造粒设备能力低，单个粒子强度差，在后续包装运输过程中易破碎散失，从而造成环境的二次污染，因此2002年我国《淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录》中规定，炭黑行业应在 2003 年淘汰生产能力小于或等于 1万t/a 的落后干法造粒炭黑装置。到 2009年，我国湿法造粒炭黑生产能力已达到了炭黑生产能力的 94%，新工艺湿法造粒炭黑已基本取代了干法造粒炭黑。因此，采用湿法造粒工艺应是对炉法炭黑清洁生产工艺的基本要求。文中对炉法炭黑清洁生产指标设置的建议也是基于湿法造粒工艺路线考虑。
炭黑反应炉是炭黑生产装置的核心设备。反应炉的大型化不仅可以降低热损失，减少原料和燃料消耗，还可以摊薄设备投资。在当前世界炉法炭黑生产工艺流程和设备渐渐趋同的情况下，反应炉大型化的同时，也代表着炭黑生产向低碳、节能和环保的方向发展。
过去由于受到生产技术、设备设计和制造等多方面的制约，我国炭黑反应炉规模较小。近年来随着设计、制造水平的不断提高，我国单炉生产能力已由原来的 2 万 , 提高到4万 t,，而从全球角度看，新建装置单炉产能大多为 4-5万t ，最大的年产能可达 8万t 。
因此，建议炉法炭黑清洁生产指标中考虑设置单炉生产规模 8万 以上为国际先进水平，2万以上为国内先进水平，2万 以下设置为国内基本水平。
除单炉规模外，炭黑生产厂也需要达到一定的产规模才能将单位产能投资控制在合理水平，同时保证资源的合理配置，达到单位产品能耗、物耗的最优化。目前国外炭黑生产厂的规模一般在 7-19万t/a ，我国的炭黑生产企业年生产规模能力基本上也都已经达到#万吨级。因此结合单炉生产规模的清洁生产指标设置情况，建议将全厂生产规模5万以上设置为炉法炭黑生产的国内先进水平，10万以上设置为国际先进水平。
炭黑反应炉温的控制对于生产效率具有重要意义。原则上炉温越高，反应效率越高，炭黑的收率也相应提高，单位产品的能耗则相应下降。一方面炉温升高意味着一次燃烧过程中过量空气的减少，即对燃料和原料油的节约；另一方面，炉温的提高可以使得原料油喷入反应室的汽化速度更快，形成更多核心，从而提高炭黑的收率。因此反应炉温度的控制水平不仅可以体现出炭黑生产企业的装备水平，也可以体现能源利用的清洁生产水平。
目前具备国际先进水平的炭黑生产企业的炉温可高达2000℃，国内先进水平也可达到 1600-1900℃。
炭黑反应炉后的热交换器----空气预热器，是炉法炭黑生产中的另一个重要设备。空气预热器的作用一方面体现为对反应炉中产生的含炭黑产品尾气进行冷却，以便下一步过滤收集产品；另一方面可以对反应所需的助燃空气进行预热，节约为维持反应温度消耗的燃料。因此从能源利用角度，空气预热温度越高，相应的能耗越低。空气预热器温度的高低一定程度上可以反映出炭黑生产装置能源利用的清洁生产水平。由于受到设备材质的制约，通常空气预热器进口炭黑烟气温度为700-1000℃，预热后的过程空气温度在400-900℃。根据目前超高温空气预热器的发展情况，建议设置空气预热温度900℃为国际先进水平，800℃为国内先进水平，600℃为国内基本水平。
炉法炭黑生产的核心反应是原料油在 1200-1900℃高温下的不完全燃烧3后续产品造粒、干燥处理工序中也要通过燃料燃烧提供热源。生产系统余热的利用程度也可以体现出炭黑生产装置能源利用的清洁生产水平。
目前国际先进水平的炭黑生产企业不仅实现了对炭黑产品干燥炉尾气余热的利用，同时通过在反应炉后设置在线急冷锅炉，实现了对含炭黑产品尾气余热的进一步利用。根据目前对急冷锅炉的试用情况，其烟气显热回收率提高了15%，且仍有进一步改善的空间。国内先进水平的炭黑企业应能对炭黑产品干燥炉尾气的余热加以利用。
炭黑尾气中可燃气态污染物净化及回收利用的方法主要有以下三种:直接燃烧的方法、化学工程分离的方法以及催化反应工程的方法。根据目前的技术条件及经济状况,以采用直接燃烧法净化状态最佳。
a)炭黑生产的尾气中残存的炭黑粒子和可燃气态污染
物CO、H2、CH4等,其产生量相当可观,如果直接排入大气,既浪费了能源,也污染了大气环境。
b)直接燃烧的方法是防治炭黑尾气污染大气环境的最佳控制方法。尾气中的炭黑子和CO、H2和CH4等可燃气态污染物经完全燃烧,转化成CO2和H2O后可完全达到并低于大气污染物的排放标准。
c)尾气发电是回收余热的最佳方法,年产万吨炭黑的工厂,配置装机容量1500 kW的尾气发电机组,需投资300万元～350万元人民币。年可发电10×106kWh,回收蒸汽7. 2万t,节约标煤1万tce,除去运转费用,年可获利180万元人民币以上,发电量既能自给自足,并可向社会提供服务,经济效益和社会效益十分可观。
d)尾气发电,采用直接燃烧的方法处理污染物,能有效地控制大气污染,具有良好的环境效益,同时对节约能源,回收利用能源具有普遍的意义。