中国热点化工产品市场分析317

节能减排重任在身 炭黑工业聚焦尾气回收利用
□   郭隽奎
行业步入发展快车道
    1. 产能快速增长 产量跃居首位
  　在橡胶制品和轮胎市场需求的强烈刺激下，我国炭黑产能迅速增长。近5年来，全国炭黑新增产能高达223
万t/a，年均增幅接近45万t/a（见图1）。由此推算，全行业近5年的新增产能竟然占2009年总产能的51%。
　　据中国橡胶工业协会炭黑分会（以下简称“炭黑分会”）的统计，2009年全国规模在1.5万t/a以上的炭黑
企业有60余家，总产能约为435万t/a；产能在5万~10万t/a的中型企业有20家；产能在10万t/a以上的大
型企业有10家，合计产能为205万t/a，约占全国总产能的47%。大型企业的产能集中度在逐年稳步提高，2005
年10家大型企业的合计产能占全国总产能的33.3%，而到2009年这一比例增至47.1%，预计2010年可能突破50%。
全国10家大型炭黑企业2005~2010年产能增长及2012年产能预测见表1。
　　2006年，我国炭黑产量超过美国，达到185万t，跃居全球最大生产国。近10年的统计表明，我国炭黑年
产量的增长率通常在15%上下波动。2007年，我国炭黑产量增幅高达25.8%，但2008年全球金融危机爆发后其增
幅回落至4.3%。2005~2009年我国炭黑产销量统计见表2。
　　据炭黑分会40家会员企业的统计，2010年1~6月炭黑合计产量为122.4万t，同比增长35.7%；销售量为
120.3万t，同比增长了28.9%，产销率高达98.3%，供求相对平衡。除了石家庄新星化炭、台湾中橡集团和大石
桥辽滨炭黑厂外，其他企业的设备运转率均在80%以上，全球性金融危机的影响已基本消除，特别是苏州宝化炭
黑公司、江西黑猫炭黑公司和龙星化工公司均超负荷运转，而且产销率都在95%以上，呈现产销两旺的态势。2010
年1~6月10家大型炭黑企业产销分析见表3。
    2．出口量大幅增加
  　近5年来，我国炭黑进出口贸易的大体趋势为：进口量逐年减少，出口量逐年增长，正从炭黑净进口国向净
出口国转变。2009年，受全球金融危机及国际贸易摩擦的双重因素影响，炭黑出口受阻，出口量为16.19万t，
同比下降10.9%；进口量8.90万t，同比增长8.2%。2010年上半年我国炭黑出口量累计为11.92万t，同比增长
119.2%，已超过2006年的全年出口量；进口量为4.32万t，同比增长14.2%。预计2010年的炭黑出口量将会超
过22万t，创历史新高。
    3．生产技术取得长足进步
  　我国炭黑工业在工艺和装备水平以及节能和环保等方面都取得了长足进步。目前，全行业单位炭黑产品的平
均原料油消耗仅为1.77t，比2005年降低了19.3%；烟气中的炭黑捕集回收率高达99.9%，尾气中污染物浓度均
低于10mg/m3；大中型企业的尾气中炭黑浓度通常在2~5 mg/m3，远低于国家标准的18 mg/m3的限值；生产过程
中的尾气和工艺废水均已回收利用。据不完全统计，至2009年底，全行业尾气锅炉每小时的蒸发量约达540t，
尾气发电装机容量已达27.95万kW，仅尾气发电一项，每年可为行业带来约4.5亿元的经济效益。大中型企业都
建有废水处理与回收利用装置，全行业每年减排废水近300万t。
表1 全国大型炭黑企业2005~2010年产能增长及2012年预测   万t/a
企业名称            2005    2008    2009   2010目标   2012预测
江西黑猫炭黑公司    17.5    28.0    40.0     48.0         74.0
卡博特中国            13.0    24.5    42.0     44.5         70.0
台湾中橡集团        12.6    19.5    20.5     30.0         45.0
龙星化工公司         9.0    19.0    19.0     27.0         40.0
山东华东橡胶材料     3.0    12.0    20.0     26.0         40.0
青州博奥炭黑公司     4.5     7.2    13.5     22.0         30.0
石家庄新星化炭         5.2    11.0    14.0     16.0         22.0
苏州宝化炭黑公司     8.0    14.0    14.0     14.0         20.0
大石桥辽滨炭黑厂     3.5     8.0    13.0     13.0         18.0
河北大光明实业集团     2.0    11.0    11.0     12.5         15.0
合计                78.3    154.2    207.0    253.0        374.0

表2  2005~2009年我国炭黑产销量统计  万t
年份         2005     2006     2007     2008     2009
炭黑产量    161.7    185.2    232.9    242.8    283.1
增长率/%     17.1     14.5     25.8      4.3     16.6
进口量         12.8     12.1     10.8      8.2      8.9
出口量         12.1     11.9     14.9     18.2     16.2
表观消费量    162.4    185.4    228.7    232.9    275.9

　　表3  2010年1~6月10家大型炭黑企业产销分析 万t
                    产能    产量   销售量  运转率/%   产销率/%
江西黑猫炭黑公司    20.0    22.2    21.3    110.9         95.9
卡博特中国            21.0    19.5    18.8      92.8         96.4
龙星化工公司        10.0    10.5    10.2    104.8         96.8
山东华东橡胶材料    10.0     8.5     8.3     84.6         97.7
苏州宝化炭黑公司     7.0     7.9     7.8    112.5         98.6
台湾中橡集团        10.3     7.1     7.5     68.8        106.1
青州博奥炭黑公司     6.8     5.5     5.7     81.4        102.7
石家庄新星化炭         7.0     4.7     4.7     67.0         99.7
大石桥辽滨炭黑厂     6.5     4.6     4.7     71.0        101.9
河北大光明实业集团     5.5     4.5     4.0     81.1         89.9

节能减排重在提高尾气回收利用率
　　炭黑生产是以高碳能源为原料，因此炭黑工业是二氧化碳排放量较高的行业之一。经测算，在当前的工艺装
备水平下，每生产1t炭黑，至少要排放2.8t二氧化碳；2009年我国炭黑工业的CO2排放量至少为790万t。由
此可见，炭黑工业当前面临的重要任务是提高生产效率，减少碳排放，努力实现能源效率最大化。
　　在当前炭黑的生产装备水平下，高温烟气的显热利用率尚不足50%。炭黑生产过程中的能量损失，主要源于
高温烟气的直接喷水急冷。如果能将尾气用作反应炉燃料，可收到节能和减排的双重效果。
    1．高温烟气干燥湿粒子
　　当前的油炉法工艺，在湿法造粒工段通常是以尾气为燃料干燥湿粒子，干燥过程耗用的尾气量一般占尾气总
量的15%~20%。若将急冷后的高温反应炉烟气分成A和B两股的话，将其中一股烟气A经空气预热器等设备降温，
在低于袋滤操作容许温度下送入主袋滤器，使悬浮的炭黑与尾气分离。粉状炭黑在造粒机中与水混合，形成湿炭
黑颗粒，再将湿粒子与另一股烟气B直接接触，靠其物理热干燥湿粒子。
  　由于这种干燥过程不需借助尾气燃烧，因此可省略尾气燃烧炉等设备，加上分流后的烟气B是直接通入干燥
机中，更可省去干燥机火箱，而干燥机转鼓也不用再明火加热，可延长其使用寿命，同时转鼓内的温度分布更加
均匀，可有效精简操作程序，降低设备维修费用。
  　一般说来，用以干燥湿炭黑粒子的烟气可以来自炭黑急冷和空气预热器之间，或是来自油预热器和主袋滤器
之间。这种烟气从干燥机排出后，既可送回到主袋滤器上游合适的位置，也可单独进行过滤。此外，在烟气经预
急冷以终止反应的过程中，其用水量比现有工艺明显减少，降低了水的总耗用量。直接用高温烟气物理热干燥的
炭黑，其质量符合美国ASTM标准，而操作温度容易控制，炭黑的水分含量也比常规工艺低得多。
    2. 采用950℃高温空气预热器
　　空气预热器是炭黑生产中重要的节能设备。空气预热温度可从650℃提高到800~950℃，入炉空气温度每提
高100℃，过程的总能量损失则降低1.95%，而炭黑收率可提高约3%。因此，高温空气预热器的结构改进一直受
到业内关注。例如，改进预热器壳程折流板结构，提高换热效率；采用变通径空气预热器，管束中每根换热管的
管径随烟气密度而变，保持烟气在管内不同部位的流速基本不变，防止和减少管壁结垢和堵塞，提高换热效率。
    3. 流程中设置急冷锅炉
　　当前，流程中设置急冷锅炉是减少喷水量、提高烟气物理热利用率的关键。然而，炭黑生产企业目前正在试
用急冷锅炉，其烟气物理热的回收率仅提高15%，比预定目标28%低得多，装置设计和运行中的一些问题尚待解
决。
    4. 尾气部分替代反应炉燃料
　　提高尾气热值、改善燃烧效率、最大限度地为原料油的热解提供能量，是尾气用作反应炉燃料的关键所在。
尾气经脱湿处理除去大部分水汽之后（含水量通常要低于5%），送入炭黑反应炉中，可替代一部分燃料。尾气的
入炉方式，可由切向通道通入反应炉的燃烧段。以生产N660为例，其主要工艺参数如下：一次空气、二次空气
和雾化空气总流量为16000 Nm3/h，入炉尾气流量为8260 Nm3/h, 原料油处理量为7200 kg/h, 炭黑产量4855
kg/h。与不添加尾气的普通工艺相比，该过程节省油料762 kg/h。实践证明，对于特定的反应炉生产软质炭黑，
尾气部分替代反应炉燃料可以节省10%~12%的油料消耗，而温室气体的排放量亦减少10%~12%。
    5．尾气完全替代反应炉燃料
　　当尾气在低于化学计量的富氧空气条件下燃烧，即所用的氧化剂量必须低于化学计量的80%，生产过程才是
经济的。实验证实，采用这种燃烧方式，尾气中CO2和水蒸气含量大为减少。由此推断，在这种燃烧条件下，原
料油高温热解的机理发生了某些变化。烃原料在反应炉中，除了高温热解之外，还与CO2和水蒸气反应，生成炭
黑、CO和氢气。因而，大大降低了尾气中CO2和水蒸气的浓度，并耗尽了燃烧空气中的氧，不但提高了炭黑收率
又达到了碳减排的效果。
　　值得注意的是，尾气是经脱湿后，水汽含量低于5%，预热至580℃，与不足量的富氧空气燃烧，一次燃烧率
控制在75%，生产成本才是最低的。实验表明，这种完全以尾气为燃料的生产过程，炭黑收率要比常规的生产工
艺高19.7%。因此，对生产同一品种炭黑而言，完全用尾气作燃料、过程空气加氧富化、富氧浓度为5.5%（体积）
时，一次燃烧率为75%的条件下，其炭黑收率较高，而生产成本最低。
    6．其他途径的开发
　　业界普遍认为，针对当前的油炉法过程更应当从改变反应方式入手，降低CO2排放量。此外，在炭黑生产过
程中，以乙酸钙为催化剂，可提高反应炉的生产能力。因而，人们一直力图开发出可降低裂解温度和提高炭黑收
率的新型催化剂。近年来出现的热催化裂解技术，正是利用了某种催化剂使烃原料在无氧无水的条件下裂解，生
成炭黑和氢气，而反应过程无二氧化碳产生。尽管这项技术是为氢燃料电池制备氢气源而开发的，但也许会对炭
黑新工艺的开发起到借鉴作用。

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