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炭黑用设备的改进和选型的探讨

6炭黑工业2005丘

炭黑用设备的改进和选型的探讨冰

赵宽明

（中橡集团炭黑工业研究设计院,四川自贡643000）

摘要:

根据多年从事炭黑设备设计的经验,提出炭黑用设备的改进方法,并对炭黑设备选型提出探

讨性的意见.

关键词:

炭黑;原料油泵;袋滤器;造粒机;空气预热器

1引言

炭黑生产装置中,设备投资约占30%左右,

其中专用设备和定型设备各一半,即各50%左

右.因炭黑生产的特殊性,需对一些定型产品和

专用设备进行改进,以满足不断提高的环保和生

产炭黑的品质要求.

本文根据多年从事炭黑装置设计,制造及炭黑

生产的经验,对炭黑生产设备存在的不足进行描

述,并提出已经实施的解决办法,以期抛石引玉.

2原料油泵

2.1使用要求

炭黑生产要求:

原料油泵要求低流量（4

～

6m/h）高扬程（出口压力为3.5MPa～

4.OMPa）.

环境要求:

炭黑原料油粘度大,不易清

除,要求无泄露.

2.2目前现状

齿轮泵:

由于齿轮泵价格便宜,在国内中

小厂家还有部分使用,主要缺点是扬程低

（2.5MPa）,密封泄露.

旋转喷射泵:

流量,扬程都满足生产要

求,高压部分采用静密封,不泄露;低压部分采

用机械密封,对石油系的原料油而言泄露量很小,

对煤焦油系的原料油而言,低压处机械密封很容

2004全国炭黑技术研讨会论文.

易损坏,导致大量漏油,且维护不便.

多级离心泵:

多级离心泵扬程和流量满足

工艺要求,主要不足还是密封问题.,

①填料密封.根据填料密封的结构特点,

往往存在泄漏,在高压侧泄漏量通常很大.

②机械密封.开车初期基本上无泄漏;根

据油品不同,密封寿命不定,一般为2～3个月,

当机械密封损坏后,出现喷射性泄漏,整个泵房

惨不忍睹.

2.3解决办法

根据几种泵存在的不足.我们的办法是选用

多级离心泵,采用填料密封,在填料密封外再加

一

接料盒,然后和泵的进口相联,从而解决了此

问题.

3袋滤器

3.1概况

袋滤器是炭黑生产的又一关键设备,它的使

用情况直接关系到环境保护和劳动强度.目前炭

黑行业通用的袋滤器有两种,第一种为反吹风袋

滤器,第二种为脉冲袋滤器.下面就二种袋滤器

的优缺点及选型进行探讨.

3.2反吹风袋滤器

3.2.1主要优点

箱体为封闭结构,密封性能好,尾气好利

用;

每个箱体单独清灰,对炭黑烟气的气流分

布要求不高.

第5期赵宽明:

炭黑用设备的改进和选型的探讨7

3.2.2主要缺点

更换袋滤器的劳动强度大,工人的操作环

境差（在箱体内部操作）,如不注意会出现安全

事故;

吊挂滤袋的张力要求高,（用气压挂袋机

挂滤袋时,对滤器尺寸精度要求高）,否则会出

现滤袋灌胀现象.

3.2.3投资

与15000t/a装置配套的反吹风袋滤器,总重

约lOOt,下锥体采用不锈钢,其余为碳钢,采用该收

集系统的总投资约137万元（不含滤袋）,其中本体

约100万元（含气密阀,不含滤器）;反吹阀12

台,约2O万元;反吹风机及管道约5万元.

3.3脉冲袋滤器

3.3.1主要优点

更换滤袋方便,工作环境好,工作强度

小;

便于检查破损滤袋的位置;

袋滤器过滤压降小.

3.3.2主要缺点

对炭黑尾气的气流分布要求较高;

螺旋输送器的轴封密封要求高,否则易漏

炭黑;

顶盖密封要求高,否则易漏炭黑尾气.

3.3.3脉冲袋滤器的改进

对螺旋输送器两端轴封的改进

（1）为了提高轴封的密封性,我们对轴封结

构进行改进.采用双层密封结构,从而在结构上

解决了轴封泄漏的问题,该结构正申报实用新型

专利,且在多家生产厂使用,未出现轴封泄漏问

题;

（2）提高螺旋输送器的同轴度和直线度.

炭黑锥体结构的改进

为了降低脉冲袋滤器对炭黑尾气的敏感性,

我们根据料仓的设计原理对锥斗进行了改进.改

成一边为直边,一边为斜边,从而避免了袋滤器

的架桥现象,降低了袋滤器对气流分布的敏感

性.

顶盖密封结构的改进

提高小U型槽加工尺寸精度

采用新型的密封填料,压板结构

经过改进后,袋滤器上盖门基本上无尾气泄

漏.

3.3.4投资

对于15000t/a装置采用4台DMBFC2000--II

袋滤器的投资如下:

（1）全不锈钢（不含滤袋）约120万元;

（2）锥体,螺旋输送器,小U型槽,隔板,

花板为不锈钢,其余为碳钢约88万元.

3.4袋滤器选型

根据以上分析,从工人的劳动强度,操作环

境及投资等因素综合考虑,建议选用脉冲袋滤器

作为主袋滤器.

4造粒机

4.1造粒机造粒类型

通常湿法造粒机由壳体,造粒轴,动力系统

组成,造粒轴由带螺旋线布置的搅齿焊接而成,

通常采用的类型有:

a）和10000—15000t/a装置配套,采用530

×3000;

b）和20000—25000t/a装置配套,采用750

×2500.

4.2粒子形成过程及影响造粒质量的因素

4.2.1粒子形成过程

炭黑的湿法造粒,是将粉状炭黑和含有一定

数量粘结剂的水溶液,在造粒机内经搅齿的旋转

对炭黑和水混合物进行搅拌分散,压实作用形成

颗粒状炭黑的一种方法.粉炭在造粒机内形成粒

子过程有以下几个阶段.

（1）粉炭的输送阶段.粉炭经螺旋进入造粒

机内,通常采用螺旋或搅齿螺旋对粉炭进行输

送,以保证造粒过程连续稳定.

（2）粉炭浸湿和粒子形成阶段.粉炭与具有

一

定比例的造粒水相遇时,在一定转速的搅拌齿

作用下,粉炭迅速排出表面所吸附的气体并受到

造粒水的浸湿,使炭黑表面具有一定的粘结力,

在离心力,壳体的磨擦力及搅齿的动力作用下,

炭黑相互碰撞,形成大小不一,干湿不均的附聚

体,这些附聚体就是最初形成的粒子.

（3）粒子抛光匀化阶段.最初形成的粒子形

状,密度,含湿量都不一致,粒子湿度也不大,

8炭黑工业2005年

在离心力和壳体的磨擦力及搅齿的动力作用下,

粒子一边向后移动,一边进行破碎重新附聚,并

得到进一步压实,匀化,从而形成粒径在1～

2mm左右的球形颗粒.

4.2.2影响造粒机造粒质量的因素

（1）外部因素

粉状炭黑下料的均匀性.粉状炭黑下料量

多少由气密阀转速来调整,由于气密阀,粉罐架桥

原因,将影响造粒效果,甚至使造粒无法进行.

再处理炭黑下料均匀性.再处理和回收袋

滤器的收集炭黑因密度比粉状炭黑大,气密阀下

料为定容排料,也会影响造粒效果和粒子质量的

稳定..

DCS串级调节整定值的影响.整定值每个

系统都不同,整定值太大,水量调节滞后.整定

值太小,粒子将出现周期性大小不均匀现象.

（2）内部结构对造粒质量的影响

颗粒在造粒机内的停留时间.搅齿在轴上

呈螺旋布置,具有和螺旋相似的输送功能.为了

保证粒子的质量,必须保证颗粒在造粒机内的停

留时间,停留时越长造粒粒子质量越好.

影响造粒机停留时间的因素有:

搅齿的布

置,转速,处理量,造粒机的长度,料层厚度.

4.3造粒机选型建议

根据上述分析,为了提高造粒质量,我们对

造粒机进行多次改型设计,并根据多条生产线的

实际使用情况,建议10000—15000t/a装置采用

30X3000三螺旋搅齿;20000～25000t/a硬质

装置采用+750X3000四螺旋搅齿,软质采用

50X3000五螺旋搅齿造粒机.

5空气预热器

5.1引言

利用换热器回收尾气显热来预热助燃空气,

从而降低燃料油消耗,提高全油收率和炭黑产品

产量,具有较高的经济效益和社会效益.但是,

随着空气预热温度的提高,换热器需要的传热面

增加,且换热器的制作需要更昂贵的耐高温材

料.投资费用相应增加.因此,在空气预热器选

型时,选择适宜的空气预热温度是一个重要的课

题.下面我们从经济角度对此进行讨论.

5.2预热空气温度与回收热量及燃料油油量的

关系

5.2.1回收的热量

Q=w2（t2"一t2）（5—1）

式中,t2——进换热器前的空气温度,o

t"——出换热器的空气温度.

5.2.2空气回收的热量与节省燃料油量的关系

W3=Q/kin（5—2）

5.3换热器传热面积与空气预热温度的关系

为了达到预期的预热温度,必须确定合适的

传热面积.根据换热器的基本传热方程式,换热

器所需传热面积

F=.

（5—3）K△t

式中,F——换热器的传热面积;

Q——炭黑烟气传递给空气的热流量W;

K——换热器的传热系数kcal/m?

hr?

oC.

因空气预热器的进口温度最高可达炭黑终止

反应温度,为了便于讨论,假设△tm保持不变,

则需要的换热面积和空气预热出口成线性关系.

即

（5—4）/Xtm'

5.4换热器的价格与空气预热温度的关系

由于换热器都采用钢材进行制作,随着预热

器的温度提高,为了保证设备长周期运行,往往

采用价格较为昂贵的高合金钢,导致设备的一次

投资费用增加.由于空气预热温度不同,采用材

料不同,费用也不一样..

如:

空气预热温度在350oC左右,烟气进口

温度在550~C左右,管材采用20g锅炉钢就可以.

空气预热温度在600～650~C,烟气进口温度

在750～850~C之间时,需要采用18～8系列钢或

0Cr23Nil3钢.'

空气预热温度在800~C,烟气进口温度在

900～950~C,材料采用253MA（见表1）.

表1

第5期赵宽明:

炭黑用设备的改进和选型的探讨9

5.5空气预热的合适温度

根据上面的讨论,为了求得经济效益好的预

热温度,我们以财务净现值（FNPV）作为目标

函数,来讨论最佳温度.

FNPV:

[（cI—cO）（1+ic）一]（5—5）

式中,CI——现金流人;

CO——现金流出;

N——设备使用年数;

Ic——财务内部收益率（15%）.

co0----QA=A

CO.——为第一年的设备投资.空气预热器

的维修费用较低.为了便于计算,Cot=0.

Cit×A油

cit——每年节省燃料油回收的资金,考虑空

气预热器温度升高的综合效益,A油=A油实+

200.

根据以上讨论对（5—5）式整理得:

FNPV=1Af$（1.15）～一

]

QP（5—6）

P值的计算如下:

NAA油

3170o80o

5170o80o

8170o80o

317001000

51700100o

8170o1ooO

31700120o

5170o120o

81700120o

3170o1400

517001400

817001400

3170o1600

51700160o

8170o1600

317001800

一

0.0927

0.0o23

0.1032

—

0.042

0.0768

0.2029

0.0o88

0.1513

0.3027

0.0595

0.2258

0.4024

0.1103

0.30o3

0.5021

0.161

170o

310o

3100

310o

3100

310o

12oo0

12ooO

120o0

1200o

12000

120o0

1200o

12000

180o

1800

80o

800

80o

1o00

10o0

100o

120o

12o0

120o

1400

140o

160o

180o

1800

180o

800

80o

1000

10o0

1200

1400

1600

1800

0.3748

0.6018

—

0.3362

—

0.2412

—

0.1403

—

0.2854

—

0.1667

—

0.O405

—

0.2347

—

0.0922

0.0592

—

0.184

—

0.0177

0.1589

—

0.1332

0.0568

0.2586

—

0.0825

0.1313

0.3583

一

1.884

—

1.789

一

1.6881

一

1.8333

—

1.7145

一

1.5884

—

1.7825

—

1.64

—

1.4886

—

1.7318

—

1.5655

一

1.3889

—

1.681

—

1.491

—

1.2892

—

1.6303

—

1.4165

—

1.1895

58358358358358358358358358358358358358

1O炭黑工业2005丘

5.6讨论

P为正值,说明1项目内部收益率>15%,

属于可投资项目,反之,经济效益不好.

设备的使用寿命越长,经济效益越好,越

值得投资.

规模越大,净现值越大,越值得投资.

判定是否值得投资的标准为（设备寿命5

年）.

/A./tm9000一<3——一<3|△|～

即:

堡生回皇焦垫量Q

原油价格（A油）,

从目前的油价和材料价格来看,空气预热温

度为650~C较为合适,还能满足油价上涨的需要.

5.7选型探讨

（1）根据目前的原料油价格和材料价格,使

用650~C级空气预热器为宜.

（2）使用厂家应精心操作,尽可能延长空气

预热器的使用寿命.

（3）空气预热器生产厂家应抓紧研制空气预

热温度高（800~C,900~C）,成本低的空气预热

器,以适应原料油不断上涨的形势,为使用厂家

创造更好的经济效益.

以上只是一点已见,供大家探讨斧正.

哥伦比亚任命技术副总裁强化新产品开发

据哥伦比亚公司报道,为了强化新产品开发和技术服务的能力,近日它任命R.莱穆巴（R.

Lamba）为主管炭黑技术的副总裁.他将专门负责该公司在全球各地的实验室服务中心以及新产品开

发和技术服务部的业务工作.

R.莱穆巴是在1997年以产品科学家的身份加盟哥伦比亚公司的,,2000年11月提升为公司全球轮

胎市场经理.他在加盟哥伦比亚公司之前,曾在哈里伯顿能源服务公司工作过,也作为副研究员在阿

克隆大学执教.R.莱穆巴早年就读于印度孟买大学,曾获化学学士学位,后来又赴美国俄亥俄州阿克

隆大学深造,获聚合物科学博士学位.目前,他还兼任美国化学学会学者委员会主席,美国化学学会

橡胶分会主席和美国化学学会教育委员会委员.

哥伦比亚公司主管炭黑市场,销售和技术工作的资深副总裁J.霍华德说,莱穆巴在炭黑技术和市

场方面积累有丰富的经验,是唯一有资格出任这一职位的人选.他的这些经验,有利于我们开发新的

高附加值的产品,以满足客户的需要,并通过设在世界各地的技术中心,来证明哥伦比亚公司在炭黑

技术开发方面的专长.（郭隽奎）

卡博特公司注资河南

世界炭黑业巨头——美国卡博特公司与上海焦化公司,河南省金马焦化公司三方联手,打造国内

最大的煤化工基地,共同出资3.8亿元在河南省济源市组建博海化工有限公司.

卡博特公司拥有38个跨国工厂,年收人超过18亿美元,炭黑总产量为180万吨/年,占世界总产

量的28%,居世界第一.河南省金马焦化有限公司是主要生产焦炭的大型炼焦企业,年产焦炭100万

吨,焦油5万吨,日产煤气106万立方米.

该合资公司将以金马焦化公司为依托,建设以焦油为原料进行深加工的煤化工循环经济利用项目.

建成投产后可将煤焦油深加工成炭黑,洗油,酚油,蒽油等18种化工产品,每年可实现销售收人5.6

亿元.-（明月）

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