一、你不知道的“炭”
黑色制品在我們的日常生活中隨處可見,小到一粒紐扣,大到一輛重型裝甲車都有可能是黑色的。眾所周知,世間萬(wàn)物皆有緣法,那么,這些黑色到底來(lái)自哪里呢?具體地說(shuō),這些黑色到底是由什么物質(zhì)體現(xiàn)出來(lái)的呢?其實(shí),這個(gè)被我們常常忽略的物質(zhì)就叫做——炭黑。如果你還是沒有概念,那么炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編還可以更具體地找出幾個(gè)生活中用炭黑的實(shí)物……
當(dāng)你正在用非水性又非油性的中性筆寫字時(shí),筆中的墨水里就有炭黑;當(dāng)你磨墨寫字作畫吟弄風(fēng)月時(shí),墨塊兒里就含有你不在意的炭黑;你身邊有書本報(bào)紙嗎?你仔細(xì)觀察過(guò)它們嗎?其實(shí)紙上黑色油墨的印字中就含有炭黑呀;當(dāng)你身邊又打印了厚厚的一疊材料,打印機(jī)墨盒的墨粉里就含有炭黑這種物質(zhì);你觀察過(guò)自己的鞋底嗎?穿過(guò)黑色膠底鞋嗎?橡膠鞋底中就含有炭黑;當(dāng)你走出戶外看到車水馬龍的汽車洪流時(shí),你一定也想不到,其實(shí)汽車輪胎中幾乎一半都是炭黑……你看,炭黑確實(shí)就在我們身邊,它只不過(guò)是改頭換面了而已。
所以我說(shuō),炭黑在咱們的生活中處處可見,炭黑與我們的生活息息相關(guān)。

其實(shí),大部分人對(duì)炭黑的認(rèn)識(shí)更多的還是關(guān)于城市污染,大家會(huì)認(rèn)為空氣中含有的極微量炭黑類可吸入顆粒,而這些顆粒會(huì)損害人體的健康,大家在潛意識(shí)里就對(duì)炭黑下了封殺令,但是看了小編剛剛舉出的例子,大家是否對(duì)炭黑又有了新的認(rèn)識(shí)了呢?接下來(lái)炭黑產(chǎn)業(yè)網(wǎng)小編將會(huì)通過(guò)炭黑的發(fā)展歷程帶大家去細(xì)致地了解一下我們生活中必不可少好朋友——炭黑。

二、什么是炭黑?
碳黑(carbon black),又名炭黑,是一種無(wú)定形碳,輕、松而極細(xì)的黑色粉末,可以形象理解為鍋底灰。它是煤、天然氣、重油、燃料油等含碳物質(zhì)在空氣不足的條件下經(jīng)不完全燃燒或受熱分解而得的產(chǎn)物。
炭黑主要成分是碳,是人類最早開發(fā)、應(yīng)用和目前產(chǎn)量最大的納米材料,其基本粒子尺寸在10--100nm之間,具有優(yōu)良的橡膠補(bǔ)強(qiáng)、著色、導(dǎo)電或抗靜電以及紫外線吸收功能,被國(guó)際化學(xué)品領(lǐng)域列為二十五種基本化工產(chǎn)品及精細(xì)化工產(chǎn)品之一。炭黑工業(yè)對(duì)輪胎行業(yè)、染化行業(yè)以及提高民用生活產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有非常重要的意義。
炭黑是由許多烴類物質(zhì)(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))經(jīng)不完全燃燒或裂解生成的。當(dāng)今,“炭黑”這一術(shù)語(yǔ),通常指由爐法炭黑、槽熱裂法炭黑和燈煙炭黑等所構(gòu)成的一組工業(yè)產(chǎn)品。它主要由碳元素組成,其微晶具有準(zhǔn)石墨結(jié)構(gòu),且呈同心取向,其粒子是近乎球形的膠體粒子,而這些粒子大都熔結(jié)成聚集體。

“炭黑”一詞,實(shí)際上是包含著各種用途的炭黑產(chǎn)品在內(nèi)的總稱。每一種炭黑有其特定的物理化學(xué)性質(zhì),這種性質(zhì)所使用的原料、燃燒裂解過(guò)程、生產(chǎn)方式和工藝操作條件緊密相關(guān)。爐法炭黑是烴類在反應(yīng)爐內(nèi)不完全燃燒制取的。槽法炭黑是天然氣火焰與槽鋼相接觸制取的。乙炔炭黑則是熱裂炭黑的特殊品種,它是由乙炔放熱熱解制得的。燈煙炭黑是在敞口淺盤中燃燒烴類制取的。
按炭黑定義,重油造氣副產(chǎn)炭黑原則上也屬于炭黑的范疇之內(nèi)。結(jié)構(gòu)趨于向石墨晶體的有序排列,稱為石墨化炭黑。這不但對(duì)研究炭黑粒子微觀結(jié)構(gòu)有重要意義,而且在炭素工業(yè)上也有其實(shí)用價(jià)值。
炭黑按主要用途分類可分為橡膠用炭黑、導(dǎo)電炭黑和色素炭黑等。在這些用途中,用量最大的是橡膠用炭黑。橡膠用炭黑約占炭黑總量的 89.5%,橡膠用炭黑中又以輪胎用炭黑用量最大,約占橡膠用炭黑的 67.5%;非橡膠用炭黑約占 10.5%。

炭黑用途分類
三、炭黑發(fā)展簡(jiǎn)史
炭黑是人們最早知道的石油化工原料之一。我國(guó)是世界上生產(chǎn)炭黑最早的國(guó)家。距今三千年前,我們的祖先就掌握了燒煙制墨的是技術(shù)。炭黑的生產(chǎn)發(fā)展,與我國(guó)古代文字的產(chǎn)生、紙和印刷術(shù)的發(fā)明有著密切的聯(lián)系,我國(guó)古代稱炭黑為“炱”或“煙炱”。由于古代的炭黑是用松枝作原料燒制而成的,故又稱為“松煙”,這些名稱一般沿用到19世紀(jì)末葉。自從1892年近代炭黑工業(yè)出現(xiàn)以后,才逐漸被“炭黑”這一名詞取代。
炭黑的早期應(yīng)用是制造墨汁和黑色顏料。我國(guó)殷代的甲骨文就是利用煙炱制墨記載的文字。古代有數(shù)量龐大的竹簡(jiǎn)和木簡(jiǎn),僅“史記”就有130卷,計(jì)526550字,都是用墨寫成的。漢代,我國(guó)最早出版了一本字典,書名為“說(shuō)文解字”,其中解釋“墨”字,稱它“從黑從土,黑著煙煤所成,土之類也”。
我國(guó)古代炭黑的制造歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。魏代的未誕(公元176—257)是制造炭黑,用以制墨的能手。三國(guó)時(shí)魏國(guó)的曹植(公元192—232)就寫有“墨出青松之煙”的記載。到了公元3世紀(jì)的晉代,松煙炭黑的應(yīng)用已十分普及。這說(shuō)明我國(guó)燒松制煙的手工業(yè)生產(chǎn)已相當(dāng)發(fā)達(dá)。公元10世紀(jì)唐代時(shí),我國(guó)開始用桐油及其他動(dòng)植物油,在空氣不足的情況下點(diǎn)燃,使油不完全燃燒,煙黑沉積在陶質(zhì)的碗下,加以收集,以此制取優(yōu)質(zhì)炭黑。

我國(guó)古代學(xué)者賈思勰、沈括、晁貫之、宋應(yīng)星等,在他們的著作中,總結(jié)了炭黑在不同時(shí)期的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。公元6世紀(jì)后魏賈思勰撰寫的《齊民要術(shù)》一書,是世界上最早記載炭黑性質(zhì)、用途的科學(xué)史料。他在該書中對(duì)炭黑的性質(zhì)作了如下的描寫:“此物至輕微,不易露篩,喜失飛去,不可不慎?!边@與近代科學(xué)技術(shù)認(rèn)為,炭黑具有高度的分散性,粒子尺寸屬于膠體范疇的結(jié)論相吻合。北宋學(xué)者沈括在《夢(mèng)溪筆談》著作中,首先提出了從石油中制取炭黑的方法,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)民間把石油作為燃料燃燒時(shí),產(chǎn)生大量炭黑。他在書中寫上“煙基濃,所沾帷幕皆黑”。他還親自做實(shí)驗(yàn),證實(shí)這種炭黑比松枝、桐油所制取的燃料燃燒時(shí),產(chǎn)生大量炭黑“黑光如漆,松煙不及也”。而且他還科學(xué)的預(yù)測(cè),用是石油制取炭黑,前景廣闊。他提出“此物后必大行于世”。這一科學(xué)論斷,已被現(xiàn)在油爐法炭黑的大量發(fā)展所證實(shí)。宋代晁貫之著有《墨經(jīng)》一書,他對(duì)制造松煙的方法有詳細(xì)的敘述,而且把生產(chǎn)技術(shù)作了概括的總結(jié)。明末學(xué)者宋應(yīng)星所著作的《天工開物》,曾系統(tǒng)總結(jié)了炭黑生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn),對(duì)炭黑的生產(chǎn)設(shè)備和影響炭黑質(zhì)量的因素都作了論述,他在書中明確提出工藝操作必須及時(shí),若“制取怠慢,則煙老,火燃質(zhì)料并喪也”。這說(shuō)明在那個(gè)時(shí)代,人們已認(rèn)識(shí)到反應(yīng)時(shí)間對(duì)炭黑生產(chǎn)的重要性。他還對(duì)松煙炭黑的設(shè)備作了較為詳細(xì)的介紹,煙窖上部為圓頂,“如舟中雨蓬式”,“每隔位數(shù)節(jié)”開有“小孔出煙”。這樣的結(jié)構(gòu)方式很合理,圓頂雨篷結(jié)構(gòu),有利于均勻散熱和氣流流動(dòng),相隔一定距離離開小孔,一方面防止出現(xiàn)氣流停滯而形成死區(qū),而且使氣流速度分段逐漸下降,為不同大小的炭黑粒子分級(jí)沉降創(chuàng)造條件。所制取的炭黑分為三級(jí),“靠尾一、二節(jié)為清煙”,是最后沉降的粒子最細(xì)的優(yōu)質(zhì)炭黑;中節(jié)者為混煙,這就是說(shuō),中間收集的中等質(zhì)量的炭黑,而靠近爐口處,粒子最粗,供一般用途。宋應(yīng)星所論述的這些生產(chǎn)原理和設(shè)備結(jié)構(gòu),可以說(shuō)是近代炭黑工業(yè)的雛形。

總之,我國(guó)古代人民在炭黑生產(chǎn)技術(shù)方面取得了極為豐富的經(jīng)驗(yàn),為世界文明作出了卓越的貢獻(xiàn)。
據(jù)日本及歐美各國(guó)文獻(xiàn)記載,國(guó)外炭黑的制造,是由我國(guó)傳入日本、東方各國(guó),然后傳到希臘、羅馬,最后傳入歐洲的。公元16世紀(jì)后,德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等開始以煤焦油、動(dòng)物油、天然樹脂等為原料制取“炱”。1864年美國(guó)開始用人造煤氣,經(jīng)燃燒,以石板為收集面,用刮板刮下面的“炱”。這和我國(guó)古代所用的方法基本相似。

直到1872年,世界上才首次出現(xiàn)了炭黑工業(yè)的規(guī)模生產(chǎn),同時(shí)產(chǎn)生了“carbon blakc”(炭黑)這一術(shù)語(yǔ),這就是近代炭黑工業(yè)的開端。1892年美國(guó)發(fā)明了用天然氣制造槽法炭黑,當(dāng)時(shí)主要用作著色劑。1912年美國(guó)人莫特發(fā)現(xiàn)了炭黑對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)作用,特別是顯著提高輪胎耐磨性能以后,面料黑的需求量迅速增長(zhǎng)。20世紀(jì)20年代,出現(xiàn)了熱裂法炭黑和氣爐法炭黑,它們也都是以天然氣為原料,能賦予橡膠較低模量、低生熱和低補(bǔ)強(qiáng)能力,廣泛用于輪胎胎體。

20世紀(jì)上半葉,大多數(shù)炭黑是用天然氣制造的。油田和天然氣井大都遠(yuǎn)離工業(yè)城市,在遠(yuǎn)距離輸氣管線尚未建成以前,天然氣幾乎沒有其他用途。因此,天然氣價(jià)格很低,往往就近用于生產(chǎn)炭黑,如美國(guó)得克薩斯的南部天然氣生產(chǎn)地,相繼建立起幾家槽法炭黑廠。那個(gè)時(shí)代全世界的所需炭黑,幾乎都是這個(gè)地區(qū)的炭黑生產(chǎn)廠家,即如今的卡博特、哥倫比亞等公司提供的。

隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展,采用了高壓遠(yuǎn)距離輸氣后,天然氣用途越來(lái)越廣,其價(jià)格隨之上漲。這就促使科技工作者研究開發(fā)新的炭黑原料和新的制造方法。到了30年代,美國(guó)斯諾,后為克列西致力于以油為原料制造炭黑,開發(fā)成功了油爐法炭黑。1943年,世界上第一座工業(yè)化規(guī)模的油爐法炭黑和平裝置,在美國(guó)鮑格投入生產(chǎn)。由于油爐法生產(chǎn)的炭黑十分適用于合成橡膠,時(shí)值第二次世界大戰(zhàn)期間,合成橡膠工業(yè)迅猛發(fā)展,油爐法炭黑的需求量迅速發(fā)增長(zhǎng),而且各種性能的油爐法炭黑相繼問世。1944年生產(chǎn)出了高耐磨爐黑,而后中超耐磨爐黑、通用爐黑和快壓出爐黑等都生產(chǎn)出來(lái)了。與此同時(shí),由于天然氣價(jià)格上漲,槽法炭黑生產(chǎn)成本大幅度提高提高,環(huán)境污染嚴(yán)重,而油爐法炭黑在許多應(yīng)用領(lǐng)域中可以替代能耗大、空氣污染嚴(yán)重的槽法炭黑。因此,油爐法炭黑的需求量不斷增加,而槽法炭黑的產(chǎn)量急劇下降,至60年代中期,,槽法炭黑幾乎不生產(chǎn)了。70年代,油爐法新工藝炭黑的生產(chǎn)技術(shù)崛起,發(fā)展極為迅速,已代替?zhèn)鹘y(tǒng)的油爐法炭黑的生產(chǎn)技術(shù)。全世界炭黑的產(chǎn)量在1930年僅為170KT,而在1997年高達(dá) 6600KT,并將繼續(xù)發(fā)展。

雖然我們的祖先對(duì)炭黑制造曾作出了杰出的貢獻(xiàn)。但在半封建半殖民地的舊中國(guó),一直沒有自己的炭黑工業(yè)。解放前,我國(guó)只在東北撫順和鞍山等地生產(chǎn)一些燈煙炭黑,1949年,產(chǎn)量?jī)H為252T。新中國(guó)成立后,黨和政府十分重視發(fā)展我國(guó)民族炭黑工業(yè),從無(wú)到有,從小到大,完全依靠自己的力量,迅速建立和發(fā)展起來(lái)。四川隆昌和遼寧撫順兩座炭黑廠被列為我國(guó)第一個(gè)五年計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。

從50年代初算起,我國(guó)炭黑工業(yè)已經(jīng)歷了將近半個(gè)世紀(jì)。1998年全國(guó)炭黑產(chǎn)量為570KT,躍距世界第三們,產(chǎn)品不僅能基本滿足國(guó)內(nèi)橡膠工業(yè)和其他行業(yè)的需要,還出口到日本、西歐和東南亞等地。改革開放以來(lái),通過(guò)推廣應(yīng)用國(guó)內(nèi)開發(fā)的技術(shù)和引進(jìn)、消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù),炭黑品種增加,質(zhì)量提高,能耗降低,環(huán)保改善,逐步縮小與國(guó)外生產(chǎn)技術(shù)的差距。
回顧我國(guó)炭黑工業(yè)40多年來(lái)的發(fā)展,經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。1949-1957年經(jīng)濟(jì)恢復(fù)和我國(guó)炭黑工業(yè)創(chuàng)業(yè)時(shí)期,先后建立了11個(gè)炭黑廠,生產(chǎn)了槽法、混氣、滾筒和噴霧等品種,全國(guó)面料黑產(chǎn)量由252T增加到8679T,年平均增長(zhǎng)率為55.6%,同時(shí)培育了一批人才,為我車炭黑工業(yè)的發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
1958-1960年大躍進(jìn)時(shí)期,油爐法高耐磨黑和氣爐半補(bǔ)強(qiáng)面料黑相繼開發(fā)成功,建立一大批土法上馬的炭黑廠。炭黑產(chǎn)量猛增至62000T,但因產(chǎn)品質(zhì)量不好,供過(guò)于求,1962年經(jīng)調(diào)整后,產(chǎn)量回落到2428T。按此計(jì)算,年平均增長(zhǎng)率仍達(dá)22.8%。大眾多的新廠發(fā)展中,有7家炭黑廠已成為當(dāng)今的主要企業(yè)。

1961-1966年為調(diào)整、鞏固時(shí)期,1962年我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)開始進(jìn)行調(diào)整,原化學(xué)工業(yè)部對(duì)全國(guó)炭黑企業(yè)進(jìn)行了整頓,制訂了炭黑部頒標(biāo)準(zhǔn),開展了廠際競(jìng)賽,組織了提高炭黑質(zhì)量為目標(biāo)的會(huì)戰(zhàn)。產(chǎn)量穩(wěn)步上升,到1996年為51416T,年平均增長(zhǎng)率為20.6%。先后開發(fā)成功乙炔炭黑、通用爐黑和中超耐磨爐黑。在此期間,有5家新建炭黑廠投產(chǎn),并開始籌建我國(guó)第一家也是唯一的炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)單位。
1967-1976年文化大革命時(shí)期,由于調(diào)整期間的科技進(jìn)步發(fā)揮了作用,也由于動(dòng)亂影響了其他行業(yè)的生產(chǎn),作為能源的天然氣和油的供應(yīng)相對(duì)富余,因此,炭黑工業(yè)合仍保持較高速度向前發(fā)展。到1970年產(chǎn)量為90317T,年平均增長(zhǎng)率為15.1%。但在此期間,由于橡膠工業(yè)發(fā)展緩慢,使炭黑供過(guò)于求,導(dǎo)致1971-1975年炭黑產(chǎn)量徘徊于100KT左右。至1976年炭黑產(chǎn)量上升到123763T。因此1971-1976年炭黑年平均增長(zhǎng)率僅為5.4%。在科技進(jìn)步方面,利用尾氣燒鍋爐,應(yīng)川脈沖袋濾器,生產(chǎn)滾筒法高色素炭黑等,在此期間新增加了6家炭黑廠。

1977-1979年,原化學(xué)工業(yè)部對(duì)全國(guó)炭黑企業(yè)加強(qiáng)了管理,撥出10萬(wàn)T重油,加上乙烯焦油的應(yīng)用成功,解決了全行業(yè)原料油不足的困境,從而使炭黑產(chǎn)量迅速增長(zhǎng),到1979年產(chǎn)量為188364T,年平均增長(zhǎng)率15%,炭黑再次出現(xiàn)供過(guò)于求,成為長(zhǎng)線產(chǎn)品,1981年產(chǎn)量降為154500T。在此期間,在科技進(jìn)步方面有了較快的發(fā)展,油-氣路線新工藝炭黑已初步開發(fā)成功,尾氣發(fā)電裝置投產(chǎn)。企業(yè)管理過(guò)調(diào)整,整頓開始加強(qiáng),從而為80年代炭黑工業(yè)的發(fā)展,創(chuàng)造了良好的條件。
1980年迄今為改革開放時(shí)期,從1982年開始,全國(guó)炭黑產(chǎn)量穩(wěn)步上升,1989年為306KT,1998年已達(dá)570KT,年平均增長(zhǎng)率為7.2%。在科技進(jìn)步方面,有了飛躍的發(fā)展,促進(jìn)我國(guó)炭黑工業(yè)整體素質(zhì)的提高。我國(guó)自行開發(fā)研究的油-油路線新工藝炭黑的生產(chǎn)技術(shù)得到普遍推廣。萬(wàn)噸級(jí)新工藝炭黑大型生產(chǎn)裝置,全國(guó)已建成12套,橡膠用炭黑的品種由11個(gè)增至25個(gè),產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。每噸炭黑(以N330為例)的平均油耗從2.74T降為2.14T。各企業(yè)普遍提高了空氣預(yù)熱的溫度,采用了高效袋濾器,研制出配套的濾袋等。尾氣發(fā)電、濕法造粒、微粒粉碎機(jī)以及微機(jī)控制生產(chǎn)第一大批新技術(shù)、新裝備被推廣應(yīng)用,使整個(gè)炭黑工業(yè)上了一個(gè)新臺(tái)階。與此同時(shí),特種炭黑諸如色素炭黑、導(dǎo)電炭黑,各種專用炭黑等加快發(fā)展步伐,以適應(yīng)油墨、涂料、塑料、制革等行業(yè)的日益增長(zhǎng)的需求。
歷經(jīng)70多年的發(fā)展,中國(guó)炭黑行業(yè)取得了非凡業(yè)績(jī),我國(guó)自主研發(fā)的單臺(tái)反應(yīng)爐產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)3萬(wàn)~4萬(wàn)噸/年;充分利用炭黑生產(chǎn)余熱和尾氣,降低了綜合能耗;同時(shí)改善了工廠安全衛(wèi)生條件,減少了“三廢”排放。在此期間,炭黑生產(chǎn)專用設(shè)備如反應(yīng)爐、高溫空氣預(yù)熱器、袋濾器、濕法造粒機(jī)、干燥機(jī)、微米粉碎機(jī)、自動(dòng)包裝機(jī)、在線余熱鍋爐、尾氣鍋爐等專用設(shè)備,以及炭黑反應(yīng)爐用高溫耐火材料、高效玻纖濾袋的研制和生產(chǎn)也有了進(jìn)一步的發(fā)展,降低了炭黑裝置的建設(shè)投資,縮短了建設(shè)周期。某些專用設(shè)備的質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平,極大地滿足了我國(guó)炭黑生產(chǎn)發(fā)展的需要。21世紀(jì)以來(lái),國(guó)內(nèi)炭黑企業(yè)以裝置大型化、節(jié)能環(huán)?;癁橹饕繕?biāo),又開發(fā)出一系列新技術(shù)和新設(shè)備,使我國(guó)炭黑工業(yè)發(fā)展再上新臺(tái)階。
但隨著近年來(lái)汽車及輪胎工業(yè)的快速發(fā)展,上游炭黑行業(yè)盲目開發(fā)項(xiàng)目、擴(kuò)大產(chǎn)能,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性過(guò)剩問題凸顯,行業(yè)產(chǎn)能利用率長(zhǎng)期處于低位。業(yè)內(nèi)人士指出,炭黑工業(yè)正告別高增長(zhǎng)時(shí)代,進(jìn)入“微增長(zhǎng)”的新常態(tài)。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)企業(yè)高端產(chǎn)品研發(fā)能力不強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理,成為炭黑產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的障礙。我國(guó)是名副其實(shí)的炭黑生產(chǎn)大國(guó),在普通橡膠用炭黑生產(chǎn)中占有原料優(yōu)勢(shì)、消耗低的優(yōu)勢(shì)、尾氣利用優(yōu)勢(shì),但在高端特種炭黑生產(chǎn)上還存在瓶頸,主要依賴進(jìn)口。行業(yè)應(yīng)提高研發(fā)質(zhì)量,填補(bǔ)高端領(lǐng)域的空缺。
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