李金偉

（金能科技股份有限公司，山東　德州　251100）

爐法炭黑灰分的影響因素及定量預(yù)測(cè)

李金偉

（金能科技股份有限公司，山東德州251100）

影響爐法炭黑灰分的因素較多，如原料油、工藝用水、化學(xué)添加劑和生產(chǎn)設(shè)備銹蝕。本文對(duì)各影響因素做了分析論述，提出建立炭黑灰分定量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提前調(diào)整，減少灰分超標(biāo)。

炭黑灰分；原料油；化學(xué)添加劑；定量預(yù)測(cè)

炭黑是橡膠制品主要原材料之一，是重要的填充劑和補(bǔ)強(qiáng)劑，一般在橡膠中的用量占生膠用量的20%~70%，對(duì)橡膠膠料的機(jī)械性能和加工工藝有重要影響。炭黑灰分是炭黑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中最基本也是最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，必須控制在一定范圍內(nèi)，否則將影響炭黑在橡膠混煉中的作用和性能，從而影響成品橡膠性能，如拉伸強(qiáng)度減低、抗龜裂性下降，加速老化，縮短使用壽命。約90%的橡膠用炭黑采用爐法生產(chǎn)，因此有必要對(duì)爐法炭黑灰分的影響因素做定性分析和定量預(yù)測(cè)，以更好的控制生產(chǎn)，穩(wěn)定炭黑灰分。

1　炭黑灰分的定義及成分

炭黑的灰分可定義為炭黑在高溫爐中灼燒后殘留物的量[1]。國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法中灼燒溫度為825℃，灼燒時(shí)間為2~3 h。碳在充足氧氣條件下完全燃燒，殘留物為無(wú)機(jī)鹽灰分，其主要成分是鐵、鎳、銅、錳等金屬的鹽或氧化物。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定炭黑產(chǎn)品灰分≤0.5%。

2　炭黑灰分的影響因素

在炭黑生產(chǎn)廠，影響炭黑灰分的主要因素有原料油（燃料油）灰分、工藝用水、化學(xué)添加劑和生產(chǎn)設(shè)備銹蝕。

2.1原料油灰分

大部分原料油的灰分在反應(yīng)后都轉(zhuǎn)入炭黑，成為炭黑的灰分。原料油的灰分主要是金屬硅、鋁、鎳、鐵、鈣、鈉、鉀的氧化物或鹽。

目前，我國(guó)炭黑生產(chǎn)企業(yè)原料油主要以煤焦油系原料為主，少數(shù)使用乙烯焦油。煤焦油重質(zhì)餾分含量高，瀝青質(zhì)含量大，灰分含量較高，約0.05%~0.1%，對(duì)炭黑灰分的貢獻(xiàn)值約0.07%~0.15%。炭黑生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原料油供應(yīng)的控制，防止灰份含量過(guò)高，可通過(guò)脫水去除部分可溶性金屬鹽類(lèi)，還可通過(guò)混配的方式降低原料油灰分，如煤焦油與蒽油混配或煤焦油與乙烯焦油混配。

2.2工藝用水

炭黑的生產(chǎn)需要大量的水，包括反應(yīng)爐急冷水、工藝降溫水和造粒水。這些工藝用水會(huì)帶入一些無(wú)機(jī)鹽，影響炭黑的灰分。評(píng)價(jià)工藝用水對(duì)炭黑灰分影響的一個(gè)重要指標(biāo)是水中總?cè)芙夤腆w含量。天然水中溶解的離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、、 HCO3-、 CO32-、PO43-等。炭黑生產(chǎn)中，急冷水在急冷段噴入，與高溫炭黑煙氣接觸，會(huì)有碳酸鹽和碳酸氫鹽的分解。同時(shí)，國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法中規(guī)定灼燒溫度為825℃，也會(huì)發(fā)生碳酸鹽類(lèi)的分解反應(yīng)[2]。

由于地質(zhì)、水文等原因，不同地區(qū)水質(zhì)總?cè)芙夤腆w總量含量差異較大。據(jù)檢測(cè)，水中總?cè)芙夤腆w總量含量在1 000 mg/L時(shí)蒸發(fā)灼燒后灰分含量在0.05%左右。因炭黑生產(chǎn)中用水量大，水中總?cè)芙夤腆w含量過(guò)高時(shí)對(duì)炭黑灰分影響較大，不適合直接做炭黑生產(chǎn)用水，需進(jìn)行脫鹽處理，常用處理方法有離子交換樹(shù)脂脫鹽和反滲透脫鹽。

2.3化學(xué)添加劑

炭黑生產(chǎn)使用多種化學(xué)添加劑，如結(jié)構(gòu)抑制劑碳酸鉀，造粒黏結(jié)劑糖蜜或木質(zhì)素磺酸鹽，以及直接換熱方式干燥時(shí)控制炭黑pH值的添加劑NaOH等。

炭黑生產(chǎn)中，碳酸鉀的添加量一般很少，個(gè)別低結(jié)構(gòu)炭黑如N326的添加量較多，對(duì)炭黑灰分影響較大。炭黑造粒時(shí)黏結(jié)劑用量一般較少，糖蜜灰分含量較低，基本不影響炭黑灰分。但木質(zhì)素磺酸鹽灰分含量較高，對(duì)炭黑灰分影響較大，使用時(shí)需嚴(yán)格監(jiān)控。濕法造粒炭黑直接換熱干燥的方式是尾氣爐出來(lái)的高溫?zé)煔庀冗M(jìn)入干燥箱與濕炭黑粒子進(jìn)行間接換熱，當(dāng)煙氣溫度降到一定程度后進(jìn)入干燥機(jī)滾筒內(nèi)與炭黑粒子直接換熱，去除水分。但煙氣直接與炭黑粒子表面接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加了炭黑表面的酸性基團(tuán)，降低了炭黑pH值。為保證炭黑pH值在規(guī)定范圍，需使用堿性添加劑中和酸性基團(tuán)，如NaOH，Na2CO3。堿性添加劑用量因生產(chǎn)條件不同或牌號(hào)不同差異較大，當(dāng)用量較大時(shí)也會(huì)對(duì)炭黑灰分產(chǎn)生影響。

2.4生產(chǎn)設(shè)備銹蝕

生產(chǎn)設(shè)備帶來(lái)的灰分主要指耐火材料爐渣和鐵銹。耐火材料質(zhì)量差，抗沖刷、氧化能力差，耐火材料使用時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)生脫落，局部溫度高造成耐火材料燒熔等都會(huì)使耐火材料進(jìn)入炭黑造成灰分升高。

炭黑原料油中含有一定量硫化物，在燃燒裂解時(shí)生產(chǎn)二氧化硫，二氧化硫進(jìn)一步氧化成三氧化硫，進(jìn)入炭黑尾氣增加其露點(diǎn)溫度。尾氣系統(tǒng)中如果某部位的溫度低于露點(diǎn)溫度會(huì)有硫酸析出，造成設(shè)備、管道腐蝕，產(chǎn)生鐵銹。因此，為防止露點(diǎn)腐蝕，生產(chǎn)過(guò)程中尾氣溫度應(yīng)不低于200℃[3]。同時(shí)，炭黑風(fēng)送系統(tǒng)因流速較大，也會(huì)沖刷管道產(chǎn)生鐵銹。這些鐵銹如果在后續(xù)磁選工序未被除去，就會(huì)造成炭黑產(chǎn)品灰分升高，甚至超標(biāo)。

3　炭黑灰分的定量預(yù)測(cè)

在生產(chǎn)監(jiān)控過(guò)程中，炭黑灰分的影響因素除生產(chǎn)設(shè)備銹蝕不能定量預(yù)測(cè)外，其他因素都可通過(guò)建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

炭黑灰分H=（F油*H油+F水*H水+FK2CO3*HK2CO3+ F糖蜜*H糖蜜+FNaOH*HNaOH）/F油*Y收率

H—炭黑灰分含量，%或ppm；

F油—原料油流量，kg/h；

H油—原料油灰分含量，%或ppm；

F水—工藝用水流量，kg/h；

H水—工藝用水灰分含量，%或ppm；

FK2CO3—結(jié)構(gòu)抑制劑K2CO3溶液流量，kg/h；

HK2CO3—結(jié)構(gòu)抑制劑K2CO3溶液灰分含量，%或ppm；

F糖蜜—黏結(jié)劑糖蜜溶液流量，kg/h；

H糖蜜—黏結(jié)劑糖蜜溶液灰分含量，%或ppm；

FNa2OH—NaOH溶液流量，kg/h；

HNaOH—NaOH溶液灰分含量，%或ppm；

Y收率—使用某原料油時(shí)的炭黑經(jīng)驗(yàn)收率。

以上各影響因素的使用流量一般在炭黑生產(chǎn)DCS控制畫(huà)面中均有顯示，在控制系統(tǒng)中加入各影響因素灰分含量輸入項(xiàng)，根據(jù)影響因素的流量、灰分含量、原料油流量和收率計(jì)算出該因素對(duì)炭黑灰分的貢獻(xiàn)值，各個(gè)影響因素的貢獻(xiàn)值加和即為炭黑中灰分含量。因此，只需要定期檢測(cè)原料油、工藝用水、各添加劑溶液的灰分，并輸入DSC控制系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)監(jiān)控各因素對(duì)炭黑灰分的影響大小及炭黑灰分含量的大小，提前調(diào)整。檢測(cè)各影響因素灰分時(shí)，最終灼燒溫度需與炭黑灰分灼燒溫度一致即825℃，確保預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。

4　結(jié)論

炭黑灰分的影響因素較多，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)灰分超標(biāo)后再查找原因、進(jìn)行調(diào)整具有滯后性，針對(duì)灰分各影響因素建立預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠有效的減少灰分超標(biāo)，降低生產(chǎn)返料成本。

[1]李炳炎.炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社. 2000.

[2]周曉東.水中總?cè)芙夤腆w對(duì)炭黑灰分的影響及對(duì)策[J].炭黑工業(yè)，2002,3:11~14.

[3]李鑫.炭黑產(chǎn)品出現(xiàn)雜質(zhì)的原因及對(duì)策[J].科技風(fēng)，2014 (14):195.

（R-03）

Infl uence factors and quantitative prediction of furnace black ash

TQ330.381

1009-797X(2016)20-0030-02

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.20.010

李金偉（1987-），男，碩士學(xué)位，主要從事炭黑的生產(chǎn)與技術(shù)研發(fā)。

2016-09-13