炭黑生产中余热综合利用的若干问题

1炭黑生产中余热综合利用的若干问题孙怀起田丽焕马捷林天津市化工设计院一、前言随着我国改革开放的步骤不断深入，国内工业企业也突飞猛进的发展。近十年，随着我国国民经济和高速公路的迅速发展、作为汽车工业--我国的支柱产业之一的高速发展从而带动了轮胎工业的快速发展。汽车轮胎产量以及橡胶消耗量迅速增加。炭黑作为橡胶制品的补强剂--70%用于生产车用轮胎及轮胎制品、20%用于生产其它橡胶制品如胶皮、皮带、机械及铸造物、胶鞋等，剩余的10%用于生产塑料、墨水、涂料、纸及其它领域。炭黑的需求量也随之增加。国内现有炭黑生产厂近百家，总生产能力约90万吨。炭黑工业是一种高能耗的化工产业，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。故此炭黑生产的节能降耗是很有潜力，很有效益的。节能对炭黑工业是相当重要。对于一条年产2万吨硬质炭黑生产线，年消耗原料油（乙烯焦油）3.57万吨，燃料油（煤焦油）0.52万吨，平均原料油单耗1.785吨/吨炭黑，平均燃料油单耗0.26吨/吨炭黑。二、炭黑生产中节能措施自一九八七年天津炭黑厂引进年产1.5万吨新工艺炭黑生产线投产以来，通过消化、吸收，目前国内已有类似的几十条生产线相继投产。这些新工艺炭黑生产线具有如下特点：1．采用新型三段式炭黑反应炉，燃料先完全燃烧，产生高温，高速气流，然后从喉管（缩口）处径向喷入原料油，燃料油和原料油均充分雾化，与高温烟气混合良好，燃烧和裂解分开，从而使生产的炭黑表面反应完全，保证了炭黑质量。2．充分利用过程余热，设置在线空气预热器，使空气予热温度达650℃，再经反应炉夹套进一步加热后入炉。原料油温度可达280℃，从而强化反应条件，降低一次能源消耗，回收过程产生的二次能源，充分利用了反应烟气显热的45%。3．炭黑反应生成的尾气为高温低热值（650千卡/Nm3）的可燃气体（其中含Co、H2各10%左右）。充分利用炭黑尾气的化学能是炭黑生产中余热综合利用的主要课题。2双油路线炭黑生产流程简图如下；炭黑工艺生产流程简图按上述流程年产2万吨硬质炭黑生产线可产生尾气约为27000Nm3/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，锅炉产生蒸汽或送往汽轮发电机组发电，其中间抽汽或背压排汽供炭黑生产装置原、燃料油的保温、伴热及其它生产用汽，或直接产生低压蒸汽送生产装置。通过上述，炭黑生产中尾气利用技术有很大突破。目前，利用尾气对空气予加热，空气温度已达650℃以上，利用尾气发电已普及到全行业的大中型企业，从而减少了污染，并大大提高能源的综合利用率。三、炭黑生产中炭黑余热锅炉和余热发电简况：1．炭黑余热锅炉随着炭黑生产规模逐渐扩大，1.5万吨/年、2万吨/年、2.8万吨/年、4.0万吨/年炭黑生产线相继建成。炭黑生产中能源利用水平在提高。据资料介绍，国外目前单炉能力在1.5-3万吨/年，每吨炭黑油耗1.9-2.0吨。国内新工艺炭黑生产线每吨产品平均全油耗为2.07吨。而老工艺炭黑生产的全油耗为2.4吨/吨炭黑，即每吨产品可节约原（燃）料油0.3吨左右，按年产1.5万吨炭黑计算，每年可节省原（燃）油约4500吨。汽轮发电机组锅炉生产用汽予热急冷水尾气燃烧炉20%原料油260-280℃袋滤器粉碎反应炉加热泪盈燃料油140℃1900-2100℃650-800℃予热空气造粒干燥机水筛选磁选成品贮罐包装电生产生活用汽80%3炭黑生产过程中，原料油和热空气在炭黑反应炉燃烧段混合燃烧，产生1900℃的高温燃烧气流。原料油经泵送至在线的原料油预热器，予热到280℃后喷入反应炉喉管段，与高温燃烧气流混合，迅速汽化、裂解，生产炭黑。在反应段后部的急冷段，直接把水喷入高温气流中，使其温度迅速降低，终止反应。主袋滤器排出的炭黑尾气经尾气加压风机加压后，风压可达11000Pa。一部分送给干燥机尾气燃烧炉燃烧作为干燥机热源，大部分送至尾气锅炉作为燃料。炭气锅炉作为新工艺炭黑生产线的一个重要组成部分，作为炭黑生产节能的重要设备受到炭黑行业的重视。国内炭黑企业炭黑尾气锅炉大致分二大类。一类是杭州锅炉厂QC系列低燃烧热值的工艺尾气锅炉系列产品。该型锅炉炉膛呈正方形，主燃烧设备采用多管式低热值尾气燃烧器，四角布置。这种锅炉已广泛应用于炭黑生产线。QC型炭黑尾气锅炉使用情况如下：QC型低热值炭黑尾气锅炉用户简表型号QC12-10-2.45/400QC22-20-1.27/300QC22-20-3.82/450参数流量10吨/时流量20吨/时流量20吨/时压力2.45MPa压力1.27MPa压力1.27MPa温度400℃温度300℃温度450℃使用厂家天津炭黑厂苏州炭黑厂新疆塔里木炭黑厂苏宝化炭黑有限公司茂名永业（集团）公司河北省沙河炭黑厂在该型锅炉基础上，杭州锅炉厂于2002年9月又推出改进系锅炉，即SHS型低热值尾气锅炉，此型锅炉系为了充分利用余热能源，设计和制造的炭黑工艺尾气、高炉煤气、焦炉煤气等低燃烧热值尾气的产品。SHS20-2.45/400-Q型锅炉已用于江西黑猫炭黑股份有限公司韩城炭黑厂。SHS型锅炉和QC型锅炉最大的区别是SHS型锅炉燃烧器，单台锅炉配置四只，两侧墙布置。QC型锅炉燃烧器是四角布置，这两种锅炉均采用室内布置。另一大类尾气锅炉是通道式尾气锅炉。锅和炉分成二部分。前部配有前置燃烧炉，后部配由锅筒、对流管束和过热器管束组成的通道式尾气锅炉。低热值的尾气在前置燃烧炉中充分燃烧混合，形成900-1000℃的高温烟气流，在随后的锅部分与管束中的水强烈进行热交换生成蒸汽。这类锅炉亦获得广泛应用。如天津海豚炭黑有限公司炭黑生产线中即有低压10吨/时和15吨/时炭黑尾气锅炉，还有中压15吨/时尾气锅炉。4其具体型号见下表：天津海豚炭黑有限公司余热锅炉锅炉型号QC12-10-2.45/400CF-15/13Q37.1/990-15-3.82/450Q14/1050-10-1.27蒸发量10吨/时15吨/时流量15吨/时流量10吨/时蒸汽压力2.45MPa1.27MPa压力3.82MPa压力1.27MPa蒸汽温度400℃饱和蒸汽温度450℃饱和蒸汽设计单位杭州锅炉厂天津市化工设计院杭州锅炉厂唐山锅炉厂备注已拆除过热器改为低压锅炉运行1990年8月设计天津锅炉厂制造前部为过热器中间为对流管束后部为省煤器1995年11月投运，全国首台中压炭黑尾气锅炉前置炉膛由天津炭黑厂自行设计由上表可见，在天津海豚炭黑有限公司的炭黑生产线中除最早配置的QC12-10-2.45/400尾气锅炉为锅、炉综合一体外，其余四台锅炉均为锅、炉分离，前部为前置燃烧炉，后部为锅筒、过热器、对流管束组合的强换热的锅部分。经过十几年的运行经验这种锅炉日臻成熟。上海金山炭黑厂余热锅炉也采用此种炉型。（此炉由无锡锅炉厂制造）。杭州锅炉厂制造的Q37.1/990-15-3.82/450型炭黑余热锅炉在首次运行时，即发现过热器出现超温变形现象，在余热锅炉过热器受热面的布置及其面积的选择上，存在一起问题，经天津炭黑厂和天津市化工设计院对该炉进行改造，切割将近1/4过热器受热面，及采用强制循环冷却系统保护过热器，成功地解决了过热器超温问题，并使锅炉各项参数达到额定值。最后该厂3000KW自备电站成功地以炭黑尾气为燃料，顺利投产发电。2．炭黑余热发电为了提高炭黑生产的综合热能利用率，自七十年初期，在炭黑企业中先后安装了炭黑余热锅炉，燃烧炭黑尾气产生低压蒸汽。国外，六十年代初，开始炭黑尾气燃烧利用。七十年代后期普遍开始了尾气锅炉产汽供热或驱动背压式汽轮机作为动力的尾气利用工作。国内，1978年邵阳炭黑厂长一台1500KW炭黑尾气发电机组试车成功。随之炭黑尾气发电愈来愈得到普及和推广。炭黑尾气发电机组运行简表机组功率炭黑厂1500KW3000KW6000KW邵阳炭黑厂一台苏州炭黑厂二台茂名永业集团二台韩城炭黑厂一台5河北沙河炭黑厂一台一台苏宝化炭黑有限公司一台一台天津海豚炭黑有限公司一台四、小结1．炭黑工业随着汽车工业的迅猛发展，有了长足的增长。我国目前炭黑生产能力约93.6万吨，仅次于美国，成为第二大炭黑生产国，炭黑生产是能源消耗大户，节能是生产中重要要素。2．随着炭黑生产规模的扩大，单条生产线能力的提高，对炭黑尾气锅炉的品种和蒸发量也提出了新的要求，不仅满足于10吨/时，20吨/时至30吨/时这几种品种，而且对大容量、高参数的尾气锅炉需求也在增加。研制新的炭黑尾气锅炉也迫在眉睫。3．隧道式尾气锅炉在炭黑生产中也获得了广泛的应用。但对这种炉型，过热器布置位置和面积上应给予足够的研究，天津炭黑厂对Q37.1/990-15-3.82/450尾气锅炉的改造是成功的经验。值得锅炉厂设计时借鉴和参考。