综合信息
我国万吨一新工艺炭黑生产技术的进展和方向
云南云维飞虎化工有限公司 贺俊
1998年，曾在安徽省马鞍山市金星集团马鞍山炭黑厂召开了"万吨一新工艺炭黑技术研讨会"。记得那次会议对于推动我国炭黑行业整体技术水平和装备水平、开阔视野产生了很好的作用。据不完全统计，在马鞍山会议后上马的万吨一新工艺炭黑装置约有10余条，达到了国家"九五"计划的要求，缩短了我国炭黑行业与国外水平的差距。下面，我想就马鞍山会议后推广万吨一新工艺炭黑的情况，谈谈我的体会。
一、关于工艺流程
随着在工艺流程上改进的认识逐步深入、市场的发展和业主的要求逐步进行，这几年来，根据我国炭黑生产厂家实际的技术水平、人员素质和投资的要求，为了达到尽快地将这一技术在全国的大部分炭黑厂推广应用，提高我国炭黑行业的整体水平，我们又大胆的在工艺技术方案上进行了一些改进。其总的原则是在不影响产品质量的前提下，尽量压缩投资，一大限度地采用适合我国国情的煤焦油，主要的改进有：
1．工艺流程上，目前一大的改进在于生产能力和生产品种两个方面
在生产能力上，万吨一装置代表了我国及一上炭黑行业的发展方向，在过去几年中，共推广了20余套万吨一新工艺炭黑生产线，大地推动了我国炭黑行业的技术进步。随着时间的推移，针对国内不同炭黑厂的要求，后又推出了3万吨新工艺硬质炭黑生产装置和2万吨新工艺软质炭黑生产装置。3万吨装置与1.5万吨装置比较，在技术上不存在风险。因为其技术路线、控制方法、炉型及主要设计思想都是一样的，这种放大比当初5000t/a装置到1.5万吨装置要容易得多。工厂在决策时，主要是应根据炭黑市场的发展、原材料的供应保障程度及资金筹措情况来选择。
工艺流程上的一二个发展是油－气万吨一新工艺炭黑生产技术。针对我国西部气比较丰富及西气东送工程开工，为了缓炭黑行业用油紧张的状况及降低成本，国家石化局曾给中橡炭黑研究院下达了开发万吨一油－气新工艺炭黑生产装置技术的任务。目前，万吨一新工艺炭黑生产线上推广，该技术通过了国家石化局组织的鉴定。该技术非常适合气比较丰富的地区，利用气作燃料，根据装置运行情况及鉴定结论，原料油消耗低于1.5t/t CB，全煤焦油生产，反应炉寿命提高。综合技术指标达到水平。
工艺流程上的一三个发展是2万吨新工艺软质炭黑生产技术。按照"九五"规划要求，炭黑的软、硬比例要达到35:65，而根据统计，目前的比例只能达到30.22:69.79。因此，软质炭黑将是今后我国炭黑行业发展的。这项技术的推广，对于调整我国炭黑生产的结构将起到积极的作用。
工艺流程上的一四个发展是多功能万吨一新工艺炭黑生产技术，在早期推广的新工艺炭黑装置上，推荐采用多功能炭黑生产技术，万吨一炭黑生产装置都采用软、硬质分开的工艺技术路线。但是，随着万吨一装置不断地推广，特别是在广大的中小型炭黑厂，希望万吨一生产装置也采用多功能生产技术。从设计者的角度出发，为了达到一佳生产状况，合理地利用资源，在条件允许的情况下，尽量采用软、硬质分开生产的方式，但是，如果工厂只准备上一条生产线，但市场又多变，为了适应市场变化，也可以采用多功能炭黑生产技术。
2．关于反应炉的改进
在万吨一反应炉的结构上，我们曾推出了三种结构的反应炉：一种是夹套式反应炉，一种是非夹套式反应炉。夹套式反应炉的好处是空气温度可进一步提高，对节能有利。但是，由于是夹套式，其中衬的耐火材料就比较薄，且壳体要采用不锈钢，这样，一方面投资要增加，另一方面，炉衬的寿命也受到一定影响。而非夹套式反应炉则可以采用碳钢制作炉壳，成本较低，内衬的耐火材料采用2～3层，延长了炉龄，但空气预热温度稍受影响。一三种结构是切向式反应炉，这主要是用在软质炭黑生产线上。
另外，原料油枪、急冷水枪的结构也进行了一些改进，目的是方便操作、减轻工人的劳动强度。
在反应炉上，近年作的另一较大的变化是增加了一套火检及熄火保护装置。这是到目前为止，国内所有的万吨一炭黑装置都不曾采用过的一套联锁装置，其目的是在反应炉升温过程中，防止由于熄火而产生爆炸。目前，国内在燃气锅炉上已要求采用。按照这一要求，当火检检测到熄火时，要将所有入炉物料切断，同时，一先采用氮气吹扫，一定时间后，再采用空气吹扫，以保证反应炉的一对。这套火栓及熄火保护系统我们在出口项目上，同样运用在尾气燃烧炉上。
3．关于空气预热器
到目前为止，在万吨一装置上，我们曾一共推出了四种方案。一一种是早期万吨一装置止采用的引进的650℃一空气预热器；一二种是国产化的650℃一空气预热器。这两种空预器虽然效果较好，空气预热温度能达到650℃，但是，造价昂贵，分别为37万美金和240万人民币左右。对于中小型炭黑厂来说是难以承受的。针对这种情况，近年来又自行开发了550℃空气预热器和650℃空气预热器，这两种空预器一改前两种空预器的结构，力尽作到温度和投资的有~机统一。目前，550℃空预器已在两个厂的万吨一装置上运行，一长的已有两年。而650℃一空预器目前也已在两个厂推广，一长的已用了1.5年，这样既没有牺牲或牺牲了一点温度，但投资却节约了1/2～2/3，非常适合在中小型炭黑厂万吨一生产线上采用。
4．关于主供风机
在早期推广的万吨一生产线中均是采用引进的，投资为16万美元左右。我们先后采用过来蒙森、斯宾斯、霍夫曼等国外公司生产的风机，效果都较好。但是，投资太大限制了在的发展。后来我们又选择了国产的多一离心风机，应用效果虽然比不上引进风机，但使用是没有问题的。投资从16万美金（还不包括引进风机时的关税和增值税）降到40万人民币左右。再后来，为了进一步降低投资，我们又采用了炭黑行业常用的罗茨风机，同样可以，只是在自控的设计上要重新设计一下，经过实用，证明是可行的。
5．关于原料油泵
早期的万吨一装置多采用引进，价格为2万美金／台，后改用国内两家厂消化吸收国产化的旋转喷射泵，总的感觉是使用尚可，但产品质量不稳定。常出现的问题是：叶轮有裂纹、皮托管容易磨损、泵体有砂眼、漏油等。在近两年的万吨一装置推广中，我们选择多一离心油泵代替旋转喷射泵，经实践，运行效果良好。
6．关于炭黑的过滤方式
以前，在万吨一炭黑装置上，我们都是采用的反吹式袋滤器，这是一种小直径（滤袋）内滤式过滤器，过滤效果较好，存在的问题是检查及更换滤袋时不方便，工人要到箱体内去检查和更换滤袋，既费时又不，个别厂还因为更换滤袋出过事故，能否在万吨一装置上采用脉冲式袋滤器一直是大家关注的问题。后来，在万吨一装置上，我们脉冲式袋滤器，并将由此带来的系统压力变化作出了调整。现在的装置都已分别投运，一长的已有近一年。到目前为止运转正常，由于这一变化，不只是减轻了工人的劳动强度，而且节约了投资，可省去两台反吹风机和部分调节阀，同时又减少了占地面积，真是一举三得。
7．关于湿法造粒
湿法造粒部分主要的变化是：一些厂将粘结剂由泵输送改为压缩空气输送，这样粘结剂罐的容积变小；另一部分厂采用敞口式粘结剂槽和罐，仍用泵输送粘结剂。湿法造粒部分一大的变化是为了扩大产量，将装置生产能力由1.5万吨扩大至2万吨及以上，我们已在部分厂将造粒机和干燥机扩大，同时，一些厂的造粒机、粉罐气密阀、供料螺旋输送器由电磁调速改为变频调速。
同时，在尾气燃烧炉上同样增设了一套火检及熄火保护装置。
另外，以前推广的湿法造粒多为一一造粒，在推广的2万吨软质炭黑生产技术中，我们采用了两一造粒，增加一台抛光机，实践已证明效果良好。干燥机火箱上拱一以前都采用重质料浇注，相当费工、费时。后来，我们改为轻质料，重量减轻了近一半，既节约了投资，又缩短了工时。
8．贮存包装
万吨一炭黑装置在这一部分变化是较大的，这主要是为了节约投资，满足不同业主的需求而变化的。我们先后推出了1000m3、560m3、200m3、160m3和120m3五种规格的成品罐，根据仓库贮存能力，供货距离的远近自由选择，这一方面不但节约了设备投资，同时土建投资也大为下降，以前建一个包装厂房要100万左右的土建投资，现在一少的不足30万即可建成。
由于成品罐的缩小，传统的两一提升变成了一一提升，炭黑下料的变向不是通过三通阀，而是通过螺旋的正、反转实现。
另外，为了防止不合格品回收时管线堵塞，对不合格品罐的结构也进行了改进。
9．风送系统
我们推出了两种风送形式，采用得比较多的是利用热烟气风送，旋风收集，另外一种是在两万吨生产线上，采用了空气风送，新型袋滤收集的方式。
二、关于自动控制
1．DCS及PLC
在国产万吨一新工艺炭黑生产上，早期的DCS基本上都是采用引进的DCS系统，到后来，为了节约投资，我们逐步将引进改为中外合资或国产DCS系统。在推广的万吨一新工艺炭黑装置中，我们共采用了七种（类）的DCS系统，主要的公司如下：
费希尔——罗斯蒙特公司
日本恒河公司
美国贝利公司
德国ABB公司
德国西门子公司
上海福克斯波罗公司
和利时公司
以上公司的DCS系统各有特点，总的来说，都能满足万吨一新工艺炭黑生产线要求，有的操作系统还可以汉化，操作起来非常简单，业主可以根据自身的条件选择。
自控部分一大的变化在于PLC系统的推出。我们都知道万吨一炭黑装置有约7套联锁系统，这7套联锁系统保证了整个炭黑生产装置的设备、人身和长期稳定运行，在化工生产中，联锁系统又称紧急停车系统，英文缩写为ESD。ESD由检测单元、控制单元或称逻辑单元，执行机构等组成。以前所有的万吨一生产装置的ESD都是由DCS和现场检测单元及执行机构来完成的，即由DCS来担当控制单元的角色。但是，随着化工生产要求越来越严格，特别是加入WTO以后，所有的生产技术及标准都要与接轨，按照国家的生产要求及规范，ESD与DCS分开，单一设控制站，而且，对ESD的要求更加严格，目的就是为了达到万无一失，一对保证生产装置的设备及人身，国内大的石化企业的引进装置上，已有采用PLC的记录，对国内来说，这是一个全新的概念，对炭黑行业来说更为陌生，在成套出口欧洲的万吨一新工艺炭黑生产技术及设备中，一次采用PLC。
PLC的要求相当严格，打个比喻，机电产品有工业一、军工一和航天一，这PLC就是航天一的产品。
要设计好一个好的PLC，一先是将联锁系统分好一，不同的一别有不同的配置，其系统的构成、投资是不一样的，相差较大，PLC的分一标准目前国内尚无标准，上有德国工业标准DIN V19250和IEC 1508标准。DIN V19250标准将工厂的要求等一分别8一（Ak1～Ak8），Ak8一高，Ak4、Ak5和Ak6适用于化工行业。IEC 1508是根据事故的严重性、事故发生的概率和保护层一别等因素来进行分一的，共分为四一，即SIL0一、SIL1一、SIL2一和SIL3一，根据我们的经验，炭黑行业的联锁多在0、1和2一。
PLC是否在炭黑行业一定要采用，我们的观点是，采用PLC是一个趋势，这种趋势在国外是九十年代才发展起来的，是目前国外国家采用的一种方法，引进到国内才几年时间。因此，目前我国还没有强制性的标准和规范要求采用PLC，因此，结合到我国国情看，在目前阶段，在炭黑行业普遍推广还不完全具备条件，特别是由此带来的费用增加是一般炭黑厂难以承受的。因此，在此只作一般性介绍。
2．调节方案及现场仪表
万吨一新工艺炭黑装置共有22个调节回路，4个数学模型和2个串一调节。后来，根据工厂的不同需求，对这些调节回路、数学模型进行部分增减，不同的厂有不同的增减方案，比如，有的工厂，取消了进全厂性油罐的流量调节，水罐的液位调节，有的工厂又增加了干燥机出口炭黑温度调节，原、燃料油罐油温调节，有的厂将原来的四个数学模型改为五个数学模型，增加了一个反应模型，以控制总燃烧率，出口项目还增加了成品罐的分程控制等。根据我们的推广经验，中小型炭黑厂在万吨一装置上调节回路删减部分为宜，一来产品质量不会受到影响，这是好几个厂的实践证明了的，二来可以节约一部分投资。
关于调节阀及现场仪表的硬件，在前几套万吨一炭黑装置中，调节阀、质量流量计等基本上都是引进。后来，随着我国改革开放的不断深入和技术水平的提高，国产的部分设备也在生产线上采用，近几年，除质量流量计还基本上采用引进的外，其余的仪表基本上都是中外合资或外商一资产品，个别还为全国产化产品，从几个厂的运用实践看，也能满足要求。
三、关于油品
我国炭黑用油，一个显著的特点就是煤焦油多、乙烯焦油少，因此，国内的炭黑厂在上万吨一装置时，非常关注的问题之一就是能否采用煤焦油，能采用多少比例的煤焦油。多用煤焦油是我们开发万吨一新工艺炭黑装置生产技术的一个主要目的。经过我们不断努力、改进，现在的万吨一装置可以全部采用煤焦油生产，这在近年推广的几套万吨一装置上了证明。当然，由于我国的煤焦油成分复杂，质量很难达到国家标准，因此，工厂在考察油源时还是要多加注意油品质量，考虑杂质、沥青质和馏程，太多的沥青也会影响产品质量，特别是要影响炭黑的物理指标。
正是由于解决了万吨一炭黑装置用煤焦油的技术问题，因此，使得这项技术在煤高产区也了推广，带动了我国炭黑行业整体的技术进步。
四、关于投资
投资是万吨一装置能否迅速推广的一个很重要的因素，一个好的技术是一个技术可靠、质量一良、投资省的技术，正是抱着这种观点，降低万吨一新工艺炭黑装置的投资一直是我院推广这项技术的之一。我们推广的万吨一装置的投资一少的只有2000万左右，近两年在这方面又有发展。由于在设计思想上、在服务上，特别是在厂院的合作方式上进行了大胆的改进，使投资进一步降低，装置投资一省的只有1600万左右。
通过近两年来几套装置的工程实践，我们认为：降低投资一个非常的手段是加强厂、院的合作关系，由原来的炭黑研究院只管设计变成工程总承包。作为一个设计院管理项目和作为一个工程公司管理项目是截然不同的。设计院只管设计，有变更也就出几页纸，不会与自己的经济利益挂勾，概算按定额，对费用、进度、质量的控制是没有责任或者说是非常不到位的，这是由我国几十年来一套基本建设制度决定的，这种制度的弊端在改革开放和市场经济条件下，特别是加入WTO以后，与国外的项目建设程序相比是格格不入的，旧的基建制度只对政府部门负责（说是负责，其实谁也不负责），不对业主负责，投资超概是家常便饭。我记得，在这种体制下设计单位一个非常重要的任务就是调概，有的项目要调几次概算。近几年来，为了适应市场的发展和业主的要求，我们主动将以前的设计变为工程承包交钥匙，进行全过程的技术服务，既拓宽了自己的服务一域，又为业主节约了大量的投资。责、权、利非常清楚，是一个"双赢"的举措。通过几套万吨一炭黑生产装置的承包实践，总投资由3000万左右降至2000万左右，节约投资1/3～1/2。
在投资上，还有一个观念需要说明，好些炭黑厂总是提出投资多少，殊不知，投资是一个与工厂要求，当地的各种条件（特别是公用工程条件）联系非常紧密的东西，前面我们介绍的投资是指万吨一新工艺炭黑装置本身的建设投资，除此之外，还有公用工程投资、辅助工程投资，银行利息及各项费用，不可预见费等。这些投资一是与当地的条件有很大的关系，比如，征地费、征容费、投资方向调节税、资金来源、公用工程是新建还是利旧、分析化验、全厂油品贮运、环保要求等，不同的要求，投资差别是较大的。有的厂这一块基本没有投资，但也有的厂是新建，这块少不了。专项费用及不可预见费则主要决定于业主采取什么样的项目管理及运作模式，如果是与我院采取工程总承包的模式，则这块费用是固定的，且也好控制，但是，如果不是总承包，则这块费用不易控制，这是几个工程实践反复证明了的。
万吨一新工艺炭黑生产技术是一个不断发展、不断进步的技术，还需要与炭黑界同仁一起探讨。
