万吨级新工艺炭黑生产技术的进展和方向.doc

27b8d85b4182ae0bbad57195ca9e55d8.pdf万吨级新工艺炭黑生产技术的进展和方向贺 俊1998年，在安徽省马鞍山市金星集团马鞍山炭黑厂，由炭黑协会主持召开了“万吨级新工艺炭黑技术研讨会”。会上，炭黑各界同仁就国产万吨级新工艺炭黑生产装置的工艺技术、设备装备、操作运行经验、节能、扩广应用经验等各个方面进行了有益的探讨。这次会议对于推动我国炭黑行业整体技术水平和装备水平、开阔视野有很好的作用。据不完全统计，在马鞍山会议后上马的万吨级新工艺炭黑装置约有10条，加上原来已经上马的万吨级炭黑生产线，目前全国万吨级炭黑生产线总能力为30万吨左右，达到了国家“九五”计划的要求，缩短了我国炭黑行业与国外先进水平的差距。下面，我想就马鞍山会议后，结合我院近几年来推广的万吨级新工艺炭黑的情况，谈谈我的体会。一、关于工艺流程我院在工艺流程上的改进是随着认识的逐步深入、市场的发展和业主的要求逐步进行的，在上篇文章“万吨级新工艺炭黑推广经验和体会”中，我已经谈了我院在会议以前推广的万吨级新工艺炭黑装置的一些经验。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，最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，我院目前最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，万吨级装置代表了我国及世界上炭黑行业的发展方向，在过去几年中，我院共推广了20余套万吨级新工艺炭黑生产线，极大地推动了我国炭黑行业的技术进步。随着时间的推移，在现阶段，我院针对国内不同炭黑厂的要求，又准备推出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。作为一个研究院，我们认为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。目前3万吨新工艺炭黑生产装置已完成方案设计，我院欢迎国内各炭黑企业就此进行交流。工艺流程上的第二个发展是油气万吨级新工艺炭黑生产技术。针对我国西部天然气比较丰富及西气东送工程开工，为了缓解炭黑行业用油紧张的状况及降低成本，国家石化局给我院下达了开发万吨级油气新工艺炭黑生产装置技术的任务。目前，已在我院的万吨级新工艺炭黑生产线上得到推广，经过半年多的运行证明达到了合同要求，该技术已于2001年4月23日通过了国家石化局组织的鉴定。该技术非常适合天然气比较丰富的地区，利用天然气作燃料，根据我院装置运行情况及专家鉴定结论，原料油消耗低于1.5t/t CB，全煤焦油生产，反应炉寿命得到提高。综合技术指标达到国际九十年代水平。工艺流程上的第三个发展是2万吨新工艺软质炭黑生产技术。按照“九五”规划要求到2000年，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重点。我院目前已成功推出2万吨新工艺软质炭黑生产技术，并已在工厂得到推广，现已化工试车成功，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。工艺流程上的第四个发展是多功能万吨级新工艺炭黑生产技术，在我院早期推广的新工艺炭黑装置上，我们只是在8000t级以下，推荐采用多功能炭黑生产技术，万吨级炭黑生产装置我们都采用软、硬质分开的工艺技术路线。但是，随着万吨级装置不断地推广，特别是在广大的中小型炭黑厂，希望万吨级生产装置也采用多功能生产技术。为此，我院开发了多功能万吨级炭黑生产技术，并已在本院万吨级生产线上推广。从设计者的角度出发，我们认为：为了达到最佳生产状况，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级反应炉的结构上，我们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得到进一步提高，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23层，延长了炉龄，但空气预热温度稍受影响。第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，我院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，国内所有的万吨级炭黑装置都不曾采用过的一套安全联锁装置，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，首先采用氮气吹扫，一定时间后，再采用空气吹扫，以保证反应炉的绝对安全。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，在万吨级装置上，我们一共推出了四种方案。第一种是早期万吨级装置止采用的引进的650级空气预热器；第二种是国产化的650级空气预热器。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，近年来我院又自行开发了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级装置上运行，最长的已有两年。而650级空预器目前也已在两个厂推广，最长的已用了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1/22/3，非常适合在中小型炭黑厂万吨级生产线上采用。4关于主供风机在早期我院推广的万吨级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，只是感到霍夫曼的声音稍大一些。但是，投资太大限制了在中国的发展。后来我们又选择了国产的多级离心风机，从5个厂应用看，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，我们在两个厂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，但对我们来说不成问题，经过两个厂的实用，证明是可行的。5关于原料油泵早期的万吨级装置多采用引进，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。在近两年的万吨级装置推广中，我们选择多级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，在万吨级炭黑装置上，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，既费时又不安全，个别厂还因为更换滤袋出过安全事故，能否在万吨级装置上采用脉冲式袋滤器一直是我院关注的问题。后来，在两个厂的万吨级装置上，我们采用新型脉冲式袋滤器，并将由此带来的系统压力变化作出了调整。现在，这两个厂的装置都已分别投运，最长的已有近一年。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。湿法造粒部分最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。个别厂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，以前我院推广的湿法造粒多为一级造粒，在我院推广的2万吨软质炭黑生产技术中，我们采用了两级造粒，增加一台抛光机，实践已证明效果良好。干燥机火箱上拱顶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贮存包装万吨级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。到目前为止，我院先后推出了1000m3、560m3、200m3、160m3和120m3五种规格的成品罐，各个厂根据自己的仓库贮存能力，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，现在最少的不足30万即可建成。由于成品罐的缩小，传统的两级提升变成了一级提升，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风送系统目前，我院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1DCS及PLC在国产万吨级新工艺炭黑生产上，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。到目前为止，在我院推广的万吨级新工艺炭黑装置中，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中国上海福克斯波罗公司中国和利时公司以上公司的DCS系统各有特点，总的来说，都能满足万吨级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。从我院在使用这些系统来看，都能独立由我院完成组态及生产线培训工作。自控部分最大的变化在于PLC系统的推出。我们都知道万吨级炭黑装置有约7套安全联锁系统，这7套安全联锁系统保证了整个炭黑生产装置的设备、人身安全和长期稳定运行，在化工生产中，安全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。以前所有的万吨级生产装置的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，随着化工生产安全要求越来越严格，特别是加入WTO以后，所有的生产技术及标准都要与国际接轨，按照国际上最先进国家的安全生产要求及规范，ESD必须与DCS分开，单独设控制站，而且，对ESD的要求更加严格，目的就是为了达到万无一失，绝对保证生产装置的设备及人身安全，国内大的石化企业的引进装置上，已有采用安全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，我院在成套出口欧洲的万吨级新工艺炭黑生产技术及设备中，首次采用PLC。安全PLC的要求相当严格，打个比喻，机电产品有工业级、军工级和航天级，这PLC就是航天级的产品。要设计好一个好的安全PLC，首先是必须将联锁系统分好级，不同的级别有不同的配置，其系统的构成、投资是不一样的，相差较大，安全PLC的分级标准目前国内尚无标准，国际上有德国工业标准DIN V19250和IEC 1508标准。DIN V19250标准将工厂的安全要求等级分别8级（Ak1Ak8），Ak8最高，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级别等因素来进行分级的，共分为四级，即SIL0级、SIL1级、SIL2级和SIL3级，根据我们的经验，炭黑行业的安全联锁多在0、1和2级。安全PLC是否在炭黑行业一定要采用，我们的观点是，采用安全PLC是一个趋势，这种趋势在国外是九十年代才发展起来的，是目前国外先进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必须采用安全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我院早期推出的万吨级新工艺炭黑装置共有22个调节回路，4个数学模型和2个串级调节。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。根据我院的推广经验，中小型炭黑厂在万吨级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，在前几套万吨级炭黑装置中，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独资产品，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级装置时，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。多用煤焦油是我院开发万吨级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，现在的万吨级装置可以全部采用煤焦油生产，这在近年推广的几套万吨级装置上得到了证明。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，重点考虑杂质、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。正是由于我院解决了万吨级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得到了推广，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级装置能否得到迅速推广的一个很重要的因素，一个好的技术必须是一个技术可靠、质量优良、投资省的技术，正是抱着这种观点，降低万吨级新工艺炭黑装置的投资一直是我院推广这项技术的重点之一。在前篇文章中，我谈到了到98年，我院推广的万吨级装置的投资最少的只有2000万左右，近两年在这方面又有发展。由于我院在设计思想上、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，装置投资最省的只有1600万左右。通过近两年来几套装置的工程实践，我们认为：降低投资一个非常有效的手段是加强厂、院的合作关系，由原来的我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，我院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领域，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。通过几套万吨级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1/31/2。为了适应推行项目总承包的需要，我院成立了兴达炭黑化工工程公司，非常重视人材的培养、制度的建立，建立了一套非常严格、正规的工程管理模式及制度。我院目前有国家注册一、二级项目经理21人、国家一、二级注册建筑师4人、国家注册一级结构工程师3人、监理工程师16人、估算师6人、压力容器