油炉法炭黑生产的清洁生产分析

１引言
炭黑的生产方法主要有接触法（包括槽法、滚筒法、圆盘法等）、炉法（气炉法或油炉法）、热裂法等，其中接触法生产炭黑由于能耗大、污染较重正逐渐被淘汰，气炉法和热裂解法则由于原料（如天然气等）紧缺和价格上扬等因素也日渐衰落，而油炉法随着生产技术和装备的引进及开发得到快速发展，目前在国内炭黑生产中占有绝对优势。

以往的油炉法炭黑生产能源浪费的现象十分突出，对环境的污染也很严重，清洁生产水平不高。

近年来由于工艺的不断改进和新设备、新技术的采用等，节能减排效果显著，清洁生产水平有了很大的提高，我国部分企业的清洁生产水平已接近国际同行业先进水平。

实践证明，清洁生产是炭黑行业节能降耗、解决环境污染问题、实现可持续发展的必由之路。

因此，开展炭黑行业的清洁生产分析，对促进炭黑行业的清洁生产具有重要的现实意义［１］。

由于国家至今尚未建立炭黑行业的清洁生产指标体系，本文根据清洁生产原则要求，从原料、产品、工艺、设备、资源回收利用等主要方面进行分析，提出了油炉法炭黑的清洁生产基本要求，为油炉法炭黑的清洁生产提供参考和借鉴。

２油炉法炭黑生产工艺
油炉法炭黑生产工艺是目前炭黑生产最主要的生产方法和最现代的生产过程，也是炭黑生产中清洁生产水平最高的生产工艺之一。

油炉法炭黑生产是把液烃原料喷射到火焰中来制取炭黑的一种方法。

脱水后的燃料油经过滤、预热后由压缩空气雾化喷入反应炉与预热后的空气在反应炉燃烧室内混合，充分燃烧，产生的高温燃烧气切向进入反应炉的反应室。

脱水后的原料油经过滤、预热后由压缩空气雾化喷入反应炉的反应室与高温燃烧气流接触混合，原料油迅速汽化并裂解生成炭黑。

在反应过程需加入一定量的添加剂控制炭黑的结构［２］。

在反应炉后部，将急冷水直接喷入含有炭黑的高温气流中使烟气迅速冷却以终止炭黑反应，然后经急冷烟道、空气预热器、原料油预热器、二次急冷烟道使烟气冷却后进入主袋滤器，收集的炭黑进入风送系统。

主袋滤器排出的尾气一部分送入干燥机尾气燃烧炉，其余的送入尾气锅炉做燃料使用。

炭黑进入风送系统后，经粉碎后送到收集旋风分离器中。

收集的炭黑经搅拌容重增加后送入湿法造粒机中造粒，分离出炭黑的尾气由回流风机送回主袋滤器。

从造粒机出来的湿粒炭黑（含水和黏结剂）进入干燥机进行干燥，热源由尾气锅炉供给。

干燥后的炭黑经筛选，粒度合格的炭黑再经磁选后送入产品贮罐，然后进行包装或由槽车散装。

干燥机排出的含炭黑废气送到排气袋滤器，捕集下的炭黑进入生产系统，净化后的废气达标排放。

筛选分离出的
油炉法炭黑生产的清洁生产分析
范广鹏
（鞍山市环境保护研究所，鞍山１１４００４）
摘要：依据清洁生产原则，从原料和产品、工艺和设备以及资源回收利用等方面对油炉法炭黑生产进行了清洁生产分析，提出了其清洁生产的基本要求。

关键词：炭黑；油炉法；清洁生产
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｃｌｅａｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｏｉｌｆｕｒｎａｃｅｐｒｏｃｅｓｓｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋａｎｄｇｉｖｅｓｉｔｓｂａｓｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｒｏｍｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｒｅｓｏｕｒｃｅｓｒｅｃｙｃｌｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｌｅａｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎｂｌａｃｋ；ｏｉｌｆｕｒｎａｃｅｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｌｅａｎｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
中图分类号：Ｘ３８３文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－１０２１（２００８）０７－００１８－０４
收稿日期：２００７－１１－２７；修订日期：２００８－０５－１５。

作者简介：范广鹏，男，１９６２年生，高级工程师，主要从事环境保护科研工作。

不合格大颗粒炭黑与生产中各产尘点捕集的无组织炭黑尘等均送至另行设置的再处理袋滤器，捕集下的炭黑进入生产系统，净化后的废气达标排放。

生产工艺流程见图１。

３油炉法炭黑生产的清洁生产分析
３．１原料
油炉法炭黑生产对原料油的主要要求是芳烃含量要高，沥青质和杂质要少，目前主要有催化裂化澄清油（ＤＯ）、乙烯焦油（ＥＴ）和煤焦油及其馏出物三大类。

催化裂化澄清油是炼油厂在流态化催化裂化装置上以粗柴油为原料生产汽油时，多余油浆通过澄清或过滤等方式得到的澄清油，或将油浆用糠醛抽提得到的抽出油。

乙烯焦油是乙烯裂解装置中Ｃ１０以上的渣油。

煤焦油是炼焦厂的副产品，包括蒽油、防腐油（杂酚油）等。

炭黑原料油主要组成成分有烷烃、环烷烃、芳烃以及硫化物、胶质和沥青质等。

受产地、加工方式等影响，原料油中各种有机化合物含量有所差别，但在主要组成上各种原料油的差别不是很大。

国产典型原料油的组成见表１。

原料油品中的硫主要以有机硫化物形式存在，如硫醇、硫醚等，也有极少量的元素硫和硫化氢溶于油品中，它们在炭黑反应过程中可生成ＳＯ２，ＳＯ３，Ｈ２Ｓ和ＣＳ２等硫化物，一部分以化学或物理吸附的方式存在于产品炭黑中，另一部分则进入炭黑尾气，是炭黑生产中的主要大气污染物。

一般油品中含硫量超过０．５％，可导致炭黑尾气焚烧后ＳＯ２排放浓度超标［３］。

因此，从清洁生产的角度分析，炭黑生产原料应优先选用芳烃含量高、硫含量低的原料油品，一方面有利于提高炭黑产品获得率，降低单位产品物耗能耗；另一方面可减少ＳＯ２排放，减轻对环境的危害。

由表１中炭黑原料油的组分综合看，蒽油、防腐油属于炭黑原料中的清洁原料，应优先选用，煤焦油的清洁性相对较差。

３．２产品
炭黑产品品种之间的差异主要表现为炭黑的粒径、结构和表面的物理化学性能的差异，没有本质上的不同。

油炉法生产的炭黑产品按用途分为橡胶用炭黑和非橡胶用炭黑，按炭黑产品的增密方式可分为干法造粒炭黑和湿法造粒炭黑。

湿法造粒炭黑粒子坚牢度好，可散装运输，减少了炭黑在运输、使用过程中的污染，便于生产、贮运和使用过程的机械化和密闭化，有利于改善劳动条件。

因此，从清洁生产的角度分析，湿法造粒炭黑是炭黑产品中的清洁产品，也是目前对油炉法炭黑产品的基本要求。

３．３生产工艺过程及设备
现代油炉法炭黑生产工艺的特征是采用单炉生产能力较大（１．５万ｔ／ａ以上）的高效反应炉，高效空气预热器、袋滤器，尾气锅炉，湿法造粒和先进的微机控制系统等。

３．３．１反应炉
炭黑反应炉是炭黑生产装置的核心设备，可划分为３代，第一代反应炉为早期的由燃烧室、反应室
过程空气
尾气
排气袋滤器
废气
粉状炭黑贮槽
湿法造
粒机
风送风机
原料油
急冷水
急冷水泵
原料油泵
原料油预热器
空
气
预
热
器
反应炉
燃料
添加剂
尾气
风机
筛分机
磁选机
产
品
罐
螺旋输送机
槽车
铁锈桶
不
合
格
品
罐
斗
式
提
升
机
干燥机
图１油炉法炭黑生产工艺流程
主袋滤气
表１国产典型原料油的主要成分
原料油名称烷烃和环烷烃芳烃胶质、沥青质硫澄清油２６．００～４０．００５２．００～６５．００４．００～１６．００—乙烯焦油４．３５７３．１７２１．５６０．７６煤焦油０．２０５９．７２２４．１７０．４９蒽油０．２０７９．００——防腐油０．１２８２．４０—０．６６
％
两部分组成的双室炉（
如菲利浦切向反应炉）。

２０世纪７０年代后出现的新工艺炭黑反应炉一般称为第二代反应炉，其特征是原料油在最高流速处由径向从外向内或从内向外喷射，反应炉的第一段是燃烧段，在这里燃料在过剩空气中燃烧；第二段是混合段，在这里注入炭黑原料并与从燃烧段来的热气体尽可能地混合均匀；第三段是反应段，一小部分原料和从燃烧段来的剩余氧反应，但原料的主要部分裂解成炭黑和排出气，与以往的反应炉相比，其炭黑收率提高约１５％，产品耐磨性能有较大提高，由于它的收率高、性能好，发展相当迅速。

第三代反应炉是生产具有宽分布的粒径和聚集体尺寸等性质稳定和可控制孔隙度的炭黑，即低滞后炭黑的炉型，它的特征是原料油已不再仅由最高流速处喷入，可根据所期望炭黑的性质，原料可在反应炉的不同段以不同方式注入。

不同炉型反应炉的差别主要表现在炭黑收率、品种多样化、品质、耐高温、寿命、生产能力等方面，目前第二代反应炉是国内炉法炭黑生产的代表性炉型，也是油炉法炭黑清洁生产的基本要求。

３．３．２热交换器
炭黑反应炉烟道直接连着热交换器—空气预
热器和油预热器。

一方面使含炭黑的反应炉排出气冷却以便进行炭黑收集；另一方面利用废热预热空气和油，以节约燃料油消耗。

通常空气预热器进口炭黑烟气温度为７００～１０００℃，出口为４００～
６００℃，预热后的过程空气温度在４００～９００℃的范
围内。

国内大型炭黑装置常用的空气预热温度为６５０℃和７５０℃，国外有的达到８００℃。

依据能量节约的原则，获得尽可能接近上限的空气预热温度是恰当的，这主要受到反应炉燃烧温度的制约和空气预热器材质的限制。

原料油通常预热到２６０～３００℃，残碳值和沥青质含量较高的油料预热温度需要控制低些，以防止管壁油膜的焦化和增厚甚至堵管。

炭黑反应烟气的余热利用，特别是过程空气预热温度的高低，可以从一个侧面体现出炭黑生产装置能源利用的清洁生产水平。

按目前油炉法炭黑生产的清洁生产基本要求，空气预热温度应不低于６５０℃。

３．３．３炭黑的分离和回收
来自热交换的炭黑烟气用袋滤器来分离烟气中
的炭黑，目前国内多用旋风分离器从炭黑烟气中预分离炭黑后再进主袋滤器分离炭黑，这种方式在国外已很少见了。

目前用得最多的有两种袋滤器，即反吹风袋滤器和脉冲袋滤器，滤袋广泛使用硅油、石墨、聚四氟乙烯处理过的玻璃纤维滤袋。

袋滤器的分离效率和使用寿命对减少产品损失及污染物排放有
直接关系，采用高效袋滤器，使用寿命长的滤袋，不仅是生产需要，也是清洁生产的要求。

同时炭黑生产中一些工序（如粉碎、包装等过程）不可避免地存在炭黑外泄现象，一般应相应设置袋滤器
（再处理袋滤器）收集外泄炭黑，经再处理成为产品，以有效保护和改善作业环境，同时提高炭黑的收率，提高清洁生产水平。

按目前油炉法炭黑生产的清洁生产基本要求，袋滤器应选用反吹风袋滤器或脉冲袋滤器，滤袋选用玻璃纤维滤袋，袋滤器的收集效率在９９％以上，滤袋使用寿命在１～３ａ，并设置再处理袋滤器收集系统。

３．３．４造粒
炭黑造粒有干法造粒和湿法造粒两种形式。

干
法造粒是将炭黑连续通过一个旋转圆筒，使粉状炭黑因其物理附聚力而成为球状颗粒。

湿法造粒是将炭黑同一定比例的造粒水和黏结剂混合，在湿法造粒机中经混合、润湿和搅拌，成粒后再经干燥成为粒状炭黑产品。

干法造粒设备简单，造粒成本低、耗能少，但粒子强度低、
易破坏，不利于橡胶厂的炭黑气力输送、罐贮和密炼机加料等，易产生污染。

湿法造粒虽然设备复杂，似乎能耗大、成本高，详细的经济评价表明，湿法造粒比干法造粒使炭黑成本提高８％，但从包装
（可散装运输，节约包装袋）、运输费和减少炭黑污染损失等方面节约的费用相当于炭黑成本的１０％，综合比较还有少许经济效益，是炭黑生产中的清洁生产工艺。

目前油炉法炭黑生产普遍采用湿法造粒，干法造粒已基本淘汰。

３．３．５控制系统
炭黑生产是一个复杂的过程，工艺参数操作的
稳定性和调节的灵活性不仅影响生产的正常和安全，也影响产品的质量以及能耗和废品率。

因此，生产装置的微机控制水平是整个装置技术水平的标志之一，也是清洁生产水平的标志之一。

目前，油炉法炭黑生产中的炭黑生产线已普遍采用ＤＣＳ微机控制系统，对流程中重要的工艺参数（如温度、压力、流量、液位等）实现自动控制和逻辑处理调节，并具有显示、记录、累计、报警连锁、打印等功能，以提高整个工艺装置的安全性、可靠性，减少污染、提高经济效益。

同时，主袋滤器出口烟气管道上设置在线粉尘浓度测试仪，以及时发现滤袋破损，防止产品流失及粉尘超标排放［４］。

３．３．６尾气利用
经袋滤器净化后的炭黑尾气中含有ＣＯ，Ｈ２，
ＣＨ４，Ｈ２Ｓ等可燃的低热值气体，这些气体中存在对
环境有害的成分，一般通过燃烧的方法回收利用这
部分热量，同时降低尾气对环境的危害。

利用方式主要是一部分送尾气燃烧炉，燃烧产生热量供给湿法造粒机用于炭黑加热干燥，其余部分送尾气锅炉燃烧生产蒸汽用于发电或供暖。

炭黑尾气是炭黑生产中产生的最主要大气污染源，同时也是炭黑生产中最具有可利用价值的废气。

炭黑尾气利用可显著减少炭黑生产能耗，降低产品生产成本，消除ＣＯ，Ｈ２Ｓ等对环境危害较大的有害气体排放，是炭黑生产中最具有经济效益的清洁生产措施和减轻环境污染最有效的措施，也是油炉法炭黑生产中的基本要求。

３．４资源消耗
炭黑生产中消耗的资源主要是原料油、电和水，一套生产装置由于使用原料油品不同，生产产品种类不同，资源消耗指标会有所差别，但一般而言，目前万ｔ级以上的油炉法炭黑生产装置每生产１ｔ炭黑需用原料油约２．２ｔ（包括库运损耗等）；万ｔ级以下的炭黑生产装置每生产１ｔ炭黑需用原料油约２．５ｔ。

代表国内清洁生产先进水平的生产装置一般吨产品原料油消耗在１．８ｔ左右，吨产品水耗（仅指工艺水）在４．５ｔ左右，吨产品电耗在４００ｋＷ・ｈ左右，而国际先进水平炭黑生产装置的吨产品原料油消耗一般在１．７ｔ左右［５］。

４结论
综合上述分析，油炉法炭黑生产从原料、产
品、工艺和设备、资源回收利用等方面的清洁生产基本要求可概括为：尽可能选用蒽油、防腐油作为原料油；产品为湿法炭黑；工艺过程应包括余热回收、湿法造粒、尾气利用、微机控制和无组织粉尘回收系统，并选用第二代反应炉、预热温度不低于６５０℃的空气预热器和收集效率在９９％以上的玻璃纤维滤袋反吹风袋滤器或脉冲袋滤器等关键设备；吨产品原料油消耗应小于２．５ｔ。

进一步提高清洁生产水平的途径目前主要包括采用第三代反应炉、超高温空气预热器和高收率高寿命袋滤器以及采用智能化生产监控系统等，以进一步降低原料消耗。

参考文献
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［５］张乃英．鞍山市炭黑厂１．５万吨／年湿法造粒新工艺炭黑生产线环境影响评价报告书［Ｚ］．鞍山市环境保护研究所，２００６．
低。

从这些表中最明显的可以看出行业教育和研发水平的评价排名及最终排名有很大的一致性，通信计算机及其他电子设备制造业、化学原料及化学制品制造业、交通运输设备制造业，这些在行业教育和研发水平较高排名中靠前的行业，在最终排名中排在了前３名。

由此可见，工资水平较高和科研能力投入较大的行业，其行业清洁化水平普遍较高，而工艺品及其他制造业、塑料制品业、纺织业这些技术含量相对较低、科研投入相对不足的行业，其在最终的清洁化水平排名中也比较靠后。

石油加工、金属制品、化学制品这些高污染的行业，在这次行业清洁化水平测度中并没有处于排名的后面，而是处于中游水平，很大程度上也是因为这些行业在行业教育和研发水平评价中排名靠前。

４结论
本文通过污染强度、物质减量以及行业教育和研发水平等方面构建了制造业分行业的清洁化水平
评价指标体系，并对具有代表性的制造业进行了对比评价研究。

结果表明，污染强度、物质减量以及行业教育和研发水平均对行业清洁化水平高低产生影响，一般高技术性、投资收益率相对较高的行业在污染控制方面普遍做得较好，而特别明显的是行业教育和研发水平对行业的清洁化水平的影响较大。

对科研投入越大、员工教育水平越高、产品技术含量越高的行业，其行业清洁化水平排名越靠前。

参考文献
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