爐法炭黑灰分的影響因素及定量預(yù)測

李金偉

（金能科技股份有限公司，山東　德州　251100）

爐法炭黑灰分的影響因素及定量預(yù)測

李金偉

（金能科技股份有限公司，山東德州251100）

影響爐法炭黑灰分的因素較多，如原料油、工藝用水、化學(xué)添加劑和生產(chǎn)設(shè)備銹蝕。本文對各影響因素做了分析論述，提出建立炭黑灰分定量預(yù)測模型進行實時監(jiān)控，提前調(diào)整，減少灰分超標(biāo)。

炭黑灰分；原料油；化學(xué)添加劑；定量預(yù)測

炭黑是橡膠制品主要原材料之一，是重要的填充劑和補強劑，一般在橡膠中的用量占生膠用量的20%~70%，對橡膠膠料的機械性能和加工工藝有重要影響。炭黑灰分是炭黑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中最基本也是最重要的一項指標(biāo)，必須控制在一定范圍內(nèi)，否則將影響炭黑在橡膠混煉中的作用和性能，從而影響成品橡膠性能，如拉伸強度減低、抗龜裂性下降，加速老化，縮短使用壽命。約90%的橡膠用炭黑采用爐法生產(chǎn)，因此有必要對爐法炭黑灰分的影響因素做定性分析和定量預(yù)測，以更好的控制生產(chǎn)，穩(wěn)定炭黑灰分。

1　炭黑灰分的定義及成分

炭黑的灰分可定義為炭黑在高溫爐中灼燒后殘留物的量[1]。國標(biāo)檢測方法中灼燒溫度為825℃，灼燒時間為2~3 h。碳在充足氧氣條件下完全燃燒，殘留物為無機鹽灰分，其主要成分是鐵、鎳、銅、錳等金屬的鹽或氧化物。我國國家標(biāo)準(zhǔn)和美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定炭黑產(chǎn)品灰分≤0.5%。

2　炭黑灰分的影響因素

在炭黑生產(chǎn)廠，影響炭黑灰分的主要因素有原料油（燃料油）灰分、工藝用水、化學(xué)添加劑和生產(chǎn)設(shè)備銹蝕。

2.1原料油灰分

大部分原料油的灰分在反應(yīng)后都轉(zhuǎn)入炭黑，成為炭黑的灰分。原料油的灰分主要是金屬硅、鋁、鎳、鐵、鈣、鈉、鉀的氧化物或鹽。

目前，我國炭黑生產(chǎn)企業(yè)原料油主要以煤焦油系原料為主，少數(shù)使用乙烯焦油。煤焦油重質(zhì)餾分含量高，瀝青質(zhì)含量大，灰分含量較高，約0.05%~0.1%，對炭黑灰分的貢獻值約0.07%~0.15%。炭黑生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強對原料油供應(yīng)的控制，防止灰份含量過高，可通過脫水去除部分可溶性金屬鹽類，還可通過混配的方式降低原料油灰分，如煤焦油與蒽油混配或煤焦油與乙烯焦油混配。

2.2工藝用水

炭黑的生產(chǎn)需要大量的水，包括反應(yīng)爐急冷水、工藝降溫水和造粒水。這些工藝用水會帶入一些無機鹽，影響炭黑的灰分。評價工藝用水對炭黑灰分影響的一個重要指標(biāo)是水中總?cè)芙夤腆w含量。天然水中溶解的離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、、 HCO3-、 CO32-、PO43-等。炭黑生產(chǎn)中，急冷水在急冷段噴入，與高溫炭黑煙氣接觸，會有碳酸鹽和碳酸氫鹽的分解。同時，國標(biāo)檢測方法中規(guī)定灼燒溫度為825℃，也會發(fā)生碳酸鹽類的分解反應(yīng)[2]。

由于地質(zhì)、水文等原因，不同地區(qū)水質(zhì)總?cè)芙夤腆w總量含量差異較大。據(jù)檢測，水中總?cè)芙夤腆w總量含量在1 000 mg/L時蒸發(fā)灼燒后灰分含量在0.05%左右。因炭黑生產(chǎn)中用水量大，水中總?cè)芙夤腆w含量過高時對炭黑灰分影響較大，不適合直接做炭黑生產(chǎn)用水，需進行脫鹽處理，常用處理方法有離子交換樹脂脫鹽和反滲透脫鹽。

2.3化學(xué)添加劑

炭黑生產(chǎn)使用多種化學(xué)添加劑，如結(jié)構(gòu)抑制劑碳酸鉀，造粒黏結(jié)劑糖蜜或木質(zhì)素磺酸鹽，以及直接換熱方式干燥時控制炭黑pH值的添加劑NaOH等。

炭黑生產(chǎn)中，碳酸鉀的添加量一般很少，個別低結(jié)構(gòu)炭黑如N326的添加量較多，對炭黑灰分影響較大。炭黑造粒時黏結(jié)劑用量一般較少，糖蜜灰分含量較低，基本不影響炭黑灰分。但木質(zhì)素磺酸鹽灰分含量較高，對炭黑灰分影響較大，使用時需嚴格監(jiān)控。濕法造粒炭黑直接換熱干燥的方式是尾氣爐出來的高溫?zé)煔庀冗M入干燥箱與濕炭黑粒子進行間接換熱，當(dāng)煙氣溫度降到一定程度后進入干燥機滾筒內(nèi)與炭黑粒子直接換熱，去除水分。但煙氣直接與炭黑粒子表面接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加了炭黑表面的酸性基團，降低了炭黑pH值。為保證炭黑pH值在規(guī)定范圍，需使用堿性添加劑中和酸性基團，如NaOH，Na2CO3。堿性添加劑用量因生產(chǎn)條件不同或牌號不同差異較大，當(dāng)用量較大時也會對炭黑灰分產(chǎn)生影響。

2.4生產(chǎn)設(shè)備銹蝕

生產(chǎn)設(shè)備帶來的灰分主要指耐火材料爐渣和鐵銹。耐火材料質(zhì)量差，抗沖刷、氧化能力差，耐火材料使用時間長，發(fā)生脫落，局部溫度高造成耐火材料燒熔等都會使耐火材料進入炭黑造成灰分升高。

炭黑原料油中含有一定量硫化物，在燃燒裂解時生產(chǎn)二氧化硫，二氧化硫進一步氧化成三氧化硫，進入炭黑尾氣增加其露點溫度。尾氣系統(tǒng)中如果某部位的溫度低于露點溫度會有硫酸析出，造成設(shè)備、管道腐蝕，產(chǎn)生鐵銹。因此，為防止露點腐蝕，生產(chǎn)過程中尾氣溫度應(yīng)不低于200℃[3]。同時，炭黑風(fēng)送系統(tǒng)因流速較大，也會沖刷管道產(chǎn)生鐵銹。這些鐵銹如果在后續(xù)磁選工序未被除去，就會造成炭黑產(chǎn)品灰分升高，甚至超標(biāo)。

3　炭黑灰分的定量預(yù)測

在生產(chǎn)監(jiān)控過程中，炭黑灰分的影響因素除生產(chǎn)設(shè)備銹蝕不能定量預(yù)測外，其他因素都可通過建立簡單的數(shù)學(xué)計算模型，進行實時監(jiān)控。

炭黑灰分H=（F油*H油+F水*H水+FK2CO3*HK2CO3+ F糖蜜*H糖蜜+FNaOH*HNaOH）/F油*Y收率

H—炭黑灰分含量，%或ppm；

F油—原料油流量，kg/h；

H油—原料油灰分含量，%或ppm；

F水—工藝用水流量，kg/h；

H水—工藝用水灰分含量，%或ppm；

FK2CO3—結(jié)構(gòu)抑制劑K2CO3溶液流量，kg/h；

HK2CO3—結(jié)構(gòu)抑制劑K2CO3溶液灰分含量，%或ppm；

F糖蜜—黏結(jié)劑糖蜜溶液流量，kg/h；

H糖蜜—黏結(jié)劑糖蜜溶液灰分含量，%或ppm；

FNa2OH—NaOH溶液流量，kg/h；

HNaOH—NaOH溶液灰分含量，%或ppm；

Y收率—使用某原料油時的炭黑經(jīng)驗收率。

以上各影響因素的使用流量一般在炭黑生產(chǎn)DCS控制畫面中均有顯示，在控制系統(tǒng)中加入各影響因素灰分含量輸入項，根據(jù)影響因素的流量、灰分含量、原料油流量和收率計算出該因素對炭黑灰分的貢獻值，各個影響因素的貢獻值加和即為炭黑中灰分含量。因此，只需要定期檢測原料油、工藝用水、各添加劑溶液的灰分，并輸入DSC控制系統(tǒng)，即可實時監(jiān)控各因素對炭黑灰分的影響大小及炭黑灰分含量的大小，提前調(diào)整。檢測各影響因素灰分時，最終灼燒溫度需與炭黑灰分灼燒溫度一致即825℃，確保預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性。

4　結(jié)論

炭黑灰分的影響因素較多，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)灰分超標(biāo)后再查找原因、進行調(diào)整具有滯后性，針對灰分各影響因素建立預(yù)測模型進行實時監(jiān)控，能夠有效的減少灰分超標(biāo)，降低生產(chǎn)返料成本。

[1]李炳炎.炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手冊.化學(xué)工業(yè)出版社. 2000.

[2]周曉東.水中總?cè)芙夤腆w對炭黑灰分的影響及對策[J].炭黑工業(yè)，2002,3:11~14.

[3]李鑫.炭黑產(chǎn)品出現(xiàn)雜質(zhì)的原因及對策[J].科技風(fēng)，2014 (14):195.

（R-03）

Infl uence factors and quantitative prediction of furnace black ash

TQ330.381

1009-797X(2016)20-0030-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.010

李金偉（1987-），男，碩士學(xué)位，主要從事炭黑的生產(chǎn)與技術(shù)研發(fā)。

2016-09-13