節(jié)能技術(shù)在炭黑生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

孫魯光，丁利虎，陳新中

(山東耐斯特炭黑有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)自然資源需求量也在不斷增加，我國(guó)的炭黑生產(chǎn)工業(yè)由于在工藝流程、設(shè)備等方面的原因，在生產(chǎn)過程中對(duì)炭黑原料的如煤焦油、天然氣等損耗較大，從而消耗大量能量，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染并對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益造成不利影響。為響應(yīng)和貫徹落實(shí)國(guó)家建設(shè)生態(tài)文明、走可持續(xù)發(fā)展路線的方針政策，炭黑生產(chǎn)行業(yè)應(yīng)加大節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)加工設(shè)備，做好各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能降耗，從而達(dá)到節(jié)約能源損耗和生產(chǎn)成本，促進(jìn)炭黑生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益提高的目的。

1 炭黑生產(chǎn)過程原理概述

炭黑生產(chǎn)過程主要在硬質(zhì)炭黑生產(chǎn)線上完成。首先在反應(yīng)爐中使炭黑生產(chǎn)原料如燃油或天然氣進(jìn)行充分混合燃燒，所產(chǎn)生的熾熱氣流使溫度急劇上升并達(dá)到1400 ℃，這時(shí)生產(chǎn)原料中的油類物質(zhì)會(huì)因?yàn)檠鯕獠蛔愣a(chǎn)生一系列裂解反應(yīng)，在達(dá)到1800 ℃時(shí)最終形成顆粒較大且粗糙的炭黑。這時(shí)需要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)工藝控制，濕法造粒，通過大量的循環(huán)水和大量電能使炭黑半成品冷卻到270 ℃。最后收集并放入粉碎機(jī)粉碎，形成疏松而輕細(xì)的粉末即炭黑成品。

炭黑生產(chǎn)需要消耗大量重油、煤油或其他燃料油原料，冷卻水循環(huán)過程需要消耗大量水資源，整個(gè)炭黑生產(chǎn)過程所使用的設(shè)備會(huì)消耗大量電能資源。炭黑生產(chǎn)過程中還產(chǎn)生大量炭黑粉塵、污水、尾氣、固體廢棄物以及噪聲等污染，如果處理不當(dāng)極容易對(duì)環(huán)境造成不可估量的破壞和影響。因此炭黑生產(chǎn)過程引進(jìn)節(jié)能技術(shù)對(duì)于減少燃油、水、電能及其他環(huán)境污染問題具有重要意義，可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本并有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

2 當(dāng)前我國(guó)炭黑生產(chǎn)耗能情況分析

由于炭黑及其衍生產(chǎn)品的實(shí)用特性，在許多工業(yè)原材料生產(chǎn)、日用品制作等方面占據(jù)著重要地位。因?yàn)樘亢谏a(chǎn)需要耗費(fèi)大量能源與資源，所以做好其節(jié)能降耗工作尤為關(guān)鍵，同時(shí)亦是我國(guó)產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整后提出的新要求，這樣不但能夠有利于企業(yè)能耗的減小，而且還能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的降本增效。但由于炭黑需求量的與日俱增，我國(guó)炭黑生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，甚至躍居世界第一，其生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的能源消耗和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，甚至達(dá)到觸目驚心的地步。由于炭黑生產(chǎn)所損耗的能源和資源絕大部分屬于不可再生資源，盡管當(dāng)前炭黑生產(chǎn)工藝技術(shù)有了很大創(chuàng)新，但油類原料利用率居高不下的現(xiàn)實(shí)問題還沒到很好的改善。而且部分炭黑生態(tài)企業(yè)沒有開展工程能源預(yù)期管理，導(dǎo)致大量水資源的浪費(fèi)。相較于普通工業(yè)生產(chǎn)用水來說，炭黑生產(chǎn)過程中冷卻系統(tǒng)的水供給量要大得多。而且無法多次循環(huán)冷卻水資源導(dǎo)致供給端口發(fā)生浪費(fèi)，水資源損耗量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。除此之外，部分炭黑生產(chǎn)企業(yè)缺乏保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，生產(chǎn)觀念沒能及時(shí)更新，導(dǎo)致生產(chǎn)環(huán)節(jié)極易發(fā)生各類矛盾沖突。例如，在生產(chǎn)炭黑產(chǎn)品時(shí)，在高溫加熱與分解原料油的過程中會(huì)有巨大熱能的出現(xiàn)，無法快速被冷卻環(huán)節(jié)吸收，而且也沒能合理利用與評(píng)估余熱，導(dǎo)致大部分情況都無法使用余熱，導(dǎo)致熱能浪費(fèi)嚴(yán)重，并使得后期冷卻用水量增多。部分企業(yè)在以往檢查炭黑生產(chǎn)能源消耗情況下，僅僅是對(duì)其生產(chǎn)過程有無根據(jù)相應(yīng)規(guī)定流程來開展進(jìn)行查驗(yàn)，而忽略了具體使用水資源的量以及燃油加熱所產(chǎn)生的能源損耗，存在生產(chǎn)管理漏洞，制約著炭黑生產(chǎn)節(jié)能降耗工作的開展。

3 炭黑生產(chǎn)中節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 急冷鍋爐設(shè)備的應(yīng)用

在最初的炭黑生產(chǎn)步驟中，由于空氣和油類物質(zhì)接觸燃燒后所產(chǎn)生一系列的高溫裂解反應(yīng)，使鍋爐內(nèi)溫度達(dá)到近1800 ℃。而粗糙炭黑收集過程的解除限制需要大量噴水進(jìn)行急速冷卻，使鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的黑色煙氣降低溫度，這個(gè)過程中噴水使原有儲(chǔ)備熱量得不到充分利用，冷卻時(shí)又浪費(fèi)大量能量。因此為使反應(yīng)完成后剩余的熱量得到有效吸收和利用，可以在炭黑反應(yīng)開始前在原本的反應(yīng)爐旁添加急冷鍋爐裝置。急冷鍋爐裝置應(yīng)用還需避免炭黑堵塞問題，這需要對(duì)連接管道注意及時(shí)疏通和維護(hù)。

3.2 富氧節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

炭黑生產(chǎn)原料主要有油類物質(zhì)、煤氣或者空氣，空氣的含氧量較低使炭黑生產(chǎn)燃燒過程中因反應(yīng)不充分導(dǎo)致產(chǎn)量減少，從而影響了生產(chǎn)成本。這個(gè)弊端可通過將低含氧量的空氣替換成高含氧量的空氣氣體，使原料與氧氣充分接觸、消耗更加徹底，使裂解反應(yīng)更加充分成功，提高炭黑純度。富氧節(jié)能技術(shù)不僅可以減少煤氣等原料的添加，降低了生產(chǎn)成本，而且可以降低煤氣燃燒所產(chǎn)生的有害尾氣，減輕過濾裝飾負(fù)擔(dān)[1]。

3.3 變頻技術(shù)的應(yīng)用

雖然在很多工業(yè)設(shè)備上變頻技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，相對(duì)于消耗大量電能的炭黑生產(chǎn)來講，變頻技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)還相對(duì)薄弱。變頻技術(shù)使用原理主要是通過調(diào)節(jié)電流的頻率，使鍋爐設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)炭黑生產(chǎn)設(shè)備還可以根據(jù)不同情況自行選擇頻率，達(dá)到節(jié)電、節(jié)水等節(jié)能目的。變頻設(shè)備廣泛應(yīng)用于炭黑生產(chǎn)過程，一是可以避免部分線路管道回調(diào)技術(shù)問題，使人力和時(shí)間成本降低；二是可以降低炭黑生產(chǎn)過程中裝置因不斷運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常波動(dòng)而導(dǎo)致泵類裝置出現(xiàn)泄漏問題的發(fā)生；三是可以在保障生產(chǎn)過程安全的同時(shí)，杜絕有害物質(zhì)污染環(huán)境。

3.4 原料油預(yù)熱器的應(yīng)用

炭黑生產(chǎn)過程中炭黑反應(yīng)結(jié)束后會(huì)有煙氣存留，煙氣溫度可到400 ℃，而如果在此環(huán)節(jié)使用原料油預(yù)熱器，使煙氣預(yù)熱后，炭黑生產(chǎn)所需要的原料油溫度可從80 ℃上升到180 ℃，這樣可使原料油霧化程度增高并充分燃燒，這樣可以減少炭黑生產(chǎn)原料消耗，從而降低炭黑生產(chǎn)成本。

3.5 在線高溫空氣預(yù)熱器的應(yīng)用

由于炭黑反應(yīng)過程需要油料和空氣，為降低油料的使用，在空氣流量不變的情況下，可以采用850 ℃空氣預(yù)熱器對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱，使之達(dá)到830 ℃后直接通入反應(yīng)爐，和燃料混合充分燃燒并產(chǎn)生高溫?zé)煔?。高溫?zé)煔饪梢允乖嫌皖A(yù)熱達(dá)到160 ℃，這樣使整個(gè)裝載炭黑反應(yīng)產(chǎn)生過程的鍋爐溫度也隨之升高，從而使炭黑反應(yīng)所需溫度的時(shí)間減少。使用高溫空氣預(yù)熱器，可以改善反應(yīng)條件，有效減少一次能源消耗，節(jié)省油料和生產(chǎn)時(shí)間，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)還可以通過回收期間產(chǎn)生的二次能源進(jìn)行再利用，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在運(yùn)用該種方法時(shí)應(yīng)當(dāng)要根據(jù)整體生產(chǎn)方案來開展組織與規(guī)劃，確保其不僅與生產(chǎn)炭黑的要求相符，而且還能達(dá)到環(huán)保環(huán)境的目的。此外還應(yīng)當(dāng)要合理優(yōu)化與改造相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，根據(jù)指定的生產(chǎn)原則來開展全面的評(píng)估、對(duì)比與判斷，保證炭黑生產(chǎn)環(huán)節(jié)每項(xiàng)資源都能得以有效利用。而且應(yīng)當(dāng)要增設(shè)余熱處理環(huán)節(jié)到炭黑生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)空氣預(yù)熱器綜合利用水平的提高，繼而實(shí)現(xiàn)工藝的改善。

3.6 在線余熱鍋爐的應(yīng)用

由于炭黑反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生一次、二次熱能，且熱能的能量相對(duì)較大，如果能加以利用對(duì)于降低能源損耗具有重要意義。可以通過余熱鍋爐對(duì)炭黑反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收，進(jìn)而生產(chǎn)出蒸汽并再添加到后續(xù)的反應(yīng)過程中。

3.7 其他節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

一是設(shè)備及系統(tǒng)方面的回收再利用。由于原有主供風(fēng)機(jī)設(shè)備所用的冷卻水采取的是新鮮水，全部改用循環(huán)水可以減少浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)通過對(duì)系統(tǒng)加熱所產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)行冷凝回收，可以降低因軟水排放造成的浪費(fèi)。

二是采用較為先進(jìn)的精制加工設(shè)備以及廢品炭黑回收系統(tǒng)。通過對(duì)設(shè)備和管道采取必要的保溫措施，提高燃煤氣的指標(biāo)，通過采用新技術(shù)、新材料和新設(shè)備，這樣可以有效提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低廢次品率。

三是采用集散性微機(jī)控制系統(tǒng)。集散型微機(jī)控制系統(tǒng)通過對(duì)主要的工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)邏輯處理調(diào)整，可以使系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏而準(zhǔn)確。同時(shí)它兼有聯(lián)鎖報(bào)警，可以使工藝操作的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)靈活性大幅度提高[2]。

四是運(yùn)用節(jié)水技術(shù)。在炭黑生產(chǎn)節(jié)能降耗過程中，一項(xiàng)重要的內(nèi)容就是節(jié)水技術(shù)的運(yùn)用。通過回收炭黑生產(chǎn)過程中的冷卻水，來實(shí)現(xiàn)重復(fù)循環(huán)利用水資源的目的。因?yàn)樯a(chǎn)炭黑自身便要求進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)加熱，所以會(huì)有水蒸氣生成，在此環(huán)節(jié)設(shè)置冷凝，通過液化后得到新鮮水，以達(dá)到回收冷卻水的目的，同時(shí)凈化水蒸氣將其用作二次使用，保證炭黑生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)與穩(wěn)定。

五是再次回收利用炭黑尾氣。根據(jù)再次利用炭黑尾氣的環(huán)節(jié)可以將其分為兩類技術(shù)：第一種是把炭黑尾氣用作尾氣爐燃料，隨后將其回收到尾氣爐內(nèi)作熱源，用以進(jìn)行粒子烘干；第二種便是將尾氣直接流轉(zhuǎn)到尾氣鍋爐內(nèi)用在燃料。該種方式能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)煤的使用量大幅降低，有效減少了生產(chǎn)成本，而且對(duì)后期循環(huán)利用工藝廢料非常有利，不但節(jié)能減排而且還有利于生產(chǎn)效益的增加。大量生產(chǎn)實(shí)踐都表明利用鍋爐燃燒來回收利用熱量，并且運(yùn)用炭黑尾氣熱量進(jìn)行生產(chǎn)能夠有效實(shí)現(xiàn)能耗的降低。因此這就需要在優(yōu)化炭黑生產(chǎn)工藝初期便將其尾氣的排放與利用進(jìn)行綜合考量，不斷強(qiáng)化管理尾氣排放的效果，以保證尾氣排放問題得到有效處理。而且在選用相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備時(shí)還需要注重其節(jié)能管理工作的開展，盡量采取現(xiàn)代化環(huán)?？萍迹詫?shí)現(xiàn)其節(jié)能降耗的效果。

4 結(jié)語

炭黑生產(chǎn)工藝不斷得到創(chuàng)新和改革，并在不斷使用中取得不錯(cuò)的成績(jī)和進(jìn)步。但是，大規(guī)模的炭黑生產(chǎn)依然容易造成了高污染、高耗能的現(xiàn)實(shí)仍然不容忽視。炭黑行業(yè)人員要不斷提高自身管理水平和專業(yè)技術(shù)能力，在科技創(chuàng)新上投入更大的人力、物力和財(cái)力，對(duì)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行吸收消化并做到自主創(chuàng)新。炭黑生產(chǎn)從業(yè)人員應(yīng)用可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)思路開展生產(chǎn)，加大對(duì)炭黑行業(yè)自身資源循環(huán)利用的開發(fā)力度，更要加大跨行業(yè)跨領(lǐng)域資源循環(huán)利用的開發(fā)力度，從而達(dá)到變廢為寶、節(jié)能降耗的最終目的。