炭黑节能技术

炭黑节能技术 李永田 新奥工业节能中心 摘要：炭黑工业是一种高能耗产业。本文对炭黑生产工艺的描述及烟道气成分特点，从烟道气的化学燃烧热和显热利用两方面分别介绍几种炭黑生产节能技术及对每种技术的应用做出相应的优缺点分析。 关键词：炭黑；节能；余热回收； 0 前言 炭黑工业是一种高能耗的，也是典型的大气污染源化学产业。生产炭黑的原料主要是煤焦油和乙烯焦油，这些原料也都可以作为工业燃料，本身也是能源。故此对炭黑工业节能降耗，提高有效能源的利用率，具有现实的经济效益和保护环境及清洁生产的双重意义。节能对炭黑工业已是相当重要。 1 炭黑工艺概述 目前，油炉法炭黑产量占总我国炭黑总产量的95%以上。目前已成熟、较先进的双油路炭黑生产工艺见图1。这类炭黑工艺图多用于年万吨级别的生产。已采用的节能装置有：空气预热器、油预热器、尾气锅炉。炭黑尾气中除含微量的炭黑微粒外，还含有CO、H2、CH4、N2、CO2、O2、CnHm、Sox、H2S及H2O等，如某碳黑生产企业的碳黑尾气成分（体积比）为： 碳黑 品种 H2 CO CH4 C2H2 N2 CO2 H2O A N330 10.71 9.37 0.31 0.61 35.77 2.13 40.65 0.45 N660 12.55 8.62 0.56 0.24 38.06 2.26 37.23 0.48                   注：除了中的成分外，还有少量O2、SO2、H2S等；A为灰份。 从上述表中可以得出： 1、炭黑尾气是一种热值很低的可燃性气体，大约为650Kcal/NM3； 2、炭黑尾气是一种剧毒气体； 3、炭黑尾气是一种易爆气体； 4、炭黑尾气中含有大量的水分；水分来源有两处：①工艺冷却水；②烃类物质燃烧而生成水。 5、炭黑尾气中的各种成分的含量是很不稳定； 炭黑生产中的尾气量是很大的，其所含的总能量约合炭黑生产总能量的30%～40%左右。 急冷水 尾气1300℃ 80% 生产 生活 用汽 电 汽轮发电 机组 生产用汽 尾气燃烧炉 锅炉 20% 原料油 260℃ 预热 140℃ 燃料油 ＜350℃ 包装 成品贮罐 磁选 筛选 干燥机 粉碎 造粒 水 袋滤器 反应炉 空气 800℃ 加热泪盈 预热 图1：炭黑工艺生产流程 2 炭黑尾气利用技术 炭黑尾气利用技术可分为两块： ① 尾气燃烧热回收技术； ② 炭黑反应炉的高温炭黑烟气显热回收技术。 ㈠炭黑尾气燃烧热利用技术 目前炭黑尾气燃烧生产蒸汽供热的方法在20世纪70年代就被有些炭黑生产厂家采用。1978年，邵阳炭黑厂第一台1500KW的炭黑尾气发电机组建成投产。目前的尾气燃烧发电技术大部分采用上述工艺，如：年产2万吨硬质炭黑按先进生产线可产生尾气约为22000NM3/h，炭黑尾气全部回收利用，其中20%部分作炭黑回转干燥机热源的燃料，80%部分尾气送至尾气锅炉作燃料。来自袋滤器的炭黑尾气，经加压风机输送到余热锅炉的喷燃器内和预热到250℃热空气混合燃烧，产生900～1000℃的烟气，加热锅炉内的水，产生2.45Mpa的饱和蒸汽。此饱和蒸汽，经过热器过热，成为温度为400℃、2.45Mpa的过热蒸汽。该过热蒸汽在透平机内膨胀做功，带动发电机高速旋转发电。如目前已采用的QC12及QC22型低热值尾气预热器锅炉性能参数如下： 技术 性能 QC12-10-25/400 QC12-10-13 QC12-10-25/400 QC12-10-25/300 尾气流量(NM3/h) 12000 12000 22000 22000 额定蒸汽压力 （Mpa） 10 10 20 20 过热蒸汽温度 （℃） 400 饱和 400 300 给水温度 （℃） 105 30 105 105 空气预热温度 （℃） 250 250 262 250 排烟温度 （℃） 180 180 190 180 锅炉本体换热面积（m2） 226 226 334 334 过热器换热面积（m2） 47   88 44 省煤器换热面积（m2） 238 149 151 151 空气预热器换热面积（m2） 330 330 550 550 节能标煤量 (t/a) 10000 10000 20000 20000 热效率（%） 81.28 81.28 81.28 81.28           装机容量及相应的配套 装机容量 （MW） 炭黑产量 （t/a） 尾气流量 （NM3/h） 尾气热值 （MJ/NM3） 余热锅炉 发电机 1.5 10000 12000 3.0 QC12-10-25/400 QFC-1.5-2 3.0 20000 22000 3.0 QC22-20-25/400 QFC-3.0-2             从表中，我们可以看出炭黑尾气余热发电机组，回收得到的电能及热能的经济效益十分可观。一台年产1万吨的油炉法炭黑厂，安装发电机组后每年发电10MKv，按照工业用电0.7元计算，每年电费直接经济效益700万元。采用背压式发电机组，每年还可得到1.2Mpa、7.2万吨的蒸汽，每吨蒸汽按照120元计算，每年回收蒸汽的费用达864万元。整套装置合计年直接经济效益1564万元。 ㈡炭黑尾气显热利用技术 ①原料油预热器 对原料油进行预热，可以增加原料油的流动性和雾化效果，通过原料油喷嘴注入反应炉的油滴更小，和高温燃烧气的混和更快更完全和均匀，可以有效地增加产能和收率，同时还可以有效地利用显热，减少冷却水量。在以前的生产中一般原料油的预热温度是200℃左右，现在工艺均提高到260℃～280℃。从效果上看，200℃提高到260℃产能可以提高5%左右，收率可以提高3%左右。 ②空气预热器 对于炭黑生产过程中的热量用来加热炭黑反应炉过程空气技术，早在20世纪五六十年代就已使用，但由于和制造工艺的限制，回收利用的水平较低，只能使用管壳式空气预热器，是过程空气加热到300℃左右。据资料：假定原料油价1000元/吨和1500元/吨的情况下做出以下的评价： 各种温度的空气预热器评价 预热温度(℃) 设备价格 (万元) 设备寿命 （年） 年节能收入 （万元/年） 设备折旧 （万元/年） 利润 （万元/年） 利润率 （%） 设备回收期 （年） 400 200 10 92.8 139.2 20 72.8 119.2 364 595 0.27 0.17 650 360 10 154.4 231.6 36 118.4 195.6 329 543 0.3 0.18 800 468 8 195.2 292.8 58.5 136.7 234.3 234 400 0.43 0.25 900 585 5 226.4 339.6 117 109.4 222.5 94 290 1.06 0.34                         从上表中可以看出，在两种油价和上述的设备价格情况下，目前采用800℃的空气预热器是最经济的。当然，随着能源资源的短缺、油价的上涨及设备制造水平的提高和设备价格的下降，选用温度更高一些的空气预热器是将来的一个趋势。 ③急冷锅炉及低温余热锅炉 油炉法炭黑生产的特点决定了炭黑的生成都是在高温下进行的。生产炭黑的原料油在1800℃以上的环境下裂解后，烟气的温度仍有1300℃以上。而炭黑的收集又因为袋滤器材料的限制，必须在280℃以下。目前，此段工艺热利用仅仅局限在空气预热器和油预热器技术方面，为达到终止生成炭黑的反应和冷却烟气的目的，其余热量均通过喷水的方式来冷却炭黑烟气。采用喷水方式虽简单易行，冷却速度快，但缺点很有如下几点： ①大量的热能由水蒸气带走，无法回收； ②增大烟气量，增大风机能耗及袋滤器的负荷； ③炭黑尾气的热值降低，增加尾气回收难度； ④耗费大量的冷却水； 如采用急冷锅炉将高温烟气降至950℃左右，然后烟气进入800℃的空气预热器，加热空气后，炭黑烟气被冷却至600℃以下，再加装锅炉水预热器，将炭黑烟气冷却到350℃以下，稍微冷却即可满足滤袋器的使用温度，该工序布置如下 急冷水 蒸汽 350℃烟气少量 950℃烟气 1300℃烟气 空气、油预热器 低温锅炉 急冷锅炉 反应炉 预热空气800℃ 这样可以完全或部分代替原有的喷雾急冷水的冷却工序，不用或少用冷却水油。而急冷锅炉利用这部分热量每小时可产生4Mpa、大约4吨的蒸汽，同时减少部分急冷水的使用，减少急冷水的使用可使滤袋器的使用寿命提高6个月。这部分蒸汽可以直接供附近的厂区使用，或者经过热处理，可作为工业汽轮机的起源，可代替300kw左右的电动机工作。低温锅炉采用烟管式余热锅炉根据现场情况设计成立式或卧式，这部分余热可产生1.27Mpa、大约4吨的蒸汽，减少了二次极冷水的使用量。 3 炭黑烟气余热利用综述 对于新建或在建的大、中型生产线均已配备尾气发电机组。然而国内仍有大部分低产能及落后生产工艺的尾部烟气通过燃烧直接排放，这既浪费了大量能源又严重污染了环境。目前较先进、成熟的炭黑生产工艺过程，基本没有加装急冷锅炉而低温余热锅炉则很少使用， 2万吨级别采用一级和二级急冷水来实施降温，每小时消耗的冷却水量在8吨左右，温度每降低300℃，冷却水量可减少使用2.5吨左右。加装此类节能设备后，冷却水用量可以大大减少，回收的热量产生蒸汽，可以供本厂、附近厂区或生活采暖使用。对落后工艺的改造、增设节能设备、提高能源利用率不仅具有直接的、可观的经济效益也是我们的社会使命和历史使命。