氣相法白炭黑生產(chǎn)技術(shù)的研究

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1、氣相法白炭黑生產(chǎn)技術(shù)的研究嚴(yán)大洲湯傳斌謝正和(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京100083)[摘要]介紹了氣相法白炭黑的制備原理與生產(chǎn)工藝,通過解決生產(chǎn)過程中的技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn),提高了白炭黑的產(chǎn)品質(zhì)量,降低了生產(chǎn)成本,促進(jìn)了資源的循環(huán)利用。[關(guān)鍵詞]氣相法白炭黑;四氯化硅;工藝[中圖分類號(hào)]TN30411+2[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B[文章編號(hào)]1008-5122(2010)06-0033-03StudyonProductionTechnologyofFumedSilicaYANDa2zhou,TANGChuan2bin

2、,XIEZheng2heAbstract:Thispaperintroducesthepreparationprincipleandproductiontechnologyoffumedsilica,basedonsolvingthetechnicaldifficultyandinnovationintheproductionprocess,theproductionqualityofsilicawasimproved,theproductioncostwasdecreased,andtheresources

3、recyclingwerepromoted.Keywords:fumedsilica;silicontetrachloride;technology氣相法白炭黑的化學(xué)結(jié)構(gòu)為二氧化硅,是一種多功能添加劑,其以優(yōu)越的穩(wěn)定性、補(bǔ)強(qiáng)性、增稠性和觸變性被廣泛應(yīng)用于硅橡膠、粘膠劑、油漆涂料、不飽和聚酯樹脂及復(fù)合材料,有“工業(yè)味精”之美譽(yù),是一種在世界范圍內(nèi)真正工業(yè)化并廣泛應(yīng)用的納米材料[1]。氣相法白炭黑在國(guó)外已有60多年的生產(chǎn)歷史,1941年由Degussa公司發(fā)明的氣相法白炭黑制備技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的改進(jìn)其工業(yè)化生產(chǎn)

4、技術(shù)已經(jīng)非常成熟。2008年全球氣相法白炭黑的產(chǎn)量已達(dá)210kt/a,目前主要由幾家公司控制,其中最大的公司是德國(guó)的Degussa公司,產(chǎn)量達(dá)60kt/a,占全球氣相法白炭黑總產(chǎn)量的2/5左右;其次是美國(guó)的Cabot、德國(guó)的Wacker及日本的Tokuyama。隨著全球多晶硅工業(yè)的迅猛發(fā)展,其副產(chǎn)物已經(jīng)成為制約整個(gè)行業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。所以多晶硅企業(yè)配套白炭黑生產(chǎn)線,將其副產(chǎn)物作為生產(chǎn)氣相白炭黑的主體原料;而生產(chǎn)氣相白炭黑的副產(chǎn)物鹽酸則通過解析成氯化氫供給原料三氯氫硅合成,形成一個(gè)資源循環(huán)利用、相互促進(jìn)發(fā)展的良

5、性循環(huán)。[2-6]1氣相白炭黑生產(chǎn)工藝氣相白炭黑(二氧化硅)的主要生產(chǎn)工藝,是通過伴隨氫氧燃燒過程的四氯化硅的水解反應(yīng),生成由N2、O2、H2O、HCl和SiO2組成的氣固混合物,在冷卻過程中,氣體中的固相SiO2經(jīng)過一組管狀聚集器粒子相互碰撞而發(fā)生聚集,生成適宜粒度分布的大顆粒。將固體與氣相分離,并用加熱和蒸汽氣提的方法,將吸附于固體中的HCl除去,得到氣相二氧化硅產(chǎn)品。利用四氯化硅為原料的化學(xué)反應(yīng)方程式如式(1),工藝流程如圖1。(1)SiCl4+2H2+O2SiO2+4HCl2生產(chǎn)工藝的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及對(duì)產(chǎn)

6、品質(zhì)量的影響211四氯化硅高溫水解燃燒爐的設(shè)計(jì)燃燒爐的設(shè)計(jì)是本工藝的關(guān)鍵技術(shù)及重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一,既要求其噴嘴結(jié)構(gòu)能保證原料混合均勻,原料氣體的流速、燃燒溫度等滿足工藝要求以及提高[收稿日期]2010-10-12[基金項(xiàng)目]國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA031301)[作者簡(jiǎn)介]嚴(yán)大洲(1963-),男,湖北宜昌人,教授級(jí)高工,中國(guó)恩菲副總工程師,全國(guó)勞動(dòng)模范,全國(guó)有色行業(yè)設(shè)計(jì)大師,中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng),主要從事多晶硅生產(chǎn)工藝研究與管理工作。有色冶金節(jié)能□工藝節(jié)能·34·黑,氣體流速為10～15m/

7、s;生產(chǎn)比表面積300m2/g的氣相法白炭黑,氣體流速應(yīng)為在8～13m/s。生產(chǎn)比表面積150m2/g的氣相法白炭黑,氣體流速應(yīng)為7～10m/s。在生產(chǎn)過程中根據(jù)產(chǎn)品需求調(diào)整工藝條件,并采用DCS自動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)連續(xù)過程的穩(wěn)定,既保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算式先進(jìn)、精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn),又考慮到儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的要求。213氣相二氧化硅粒子的聚集控制這是本工藝技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)之三。納米粒子具有特殊的表面結(jié)構(gòu),其表面缺少鄰近配位原子,具有很高的活性,特別是在高溫碰撞情況下很容

8、易發(fā)生團(tuán)聚。顆粒團(tuán)聚程度可以用團(tuán)聚系數(shù)AF(50)表示:圖1氣相白炭黑生產(chǎn)工藝流程生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性;同時(shí)需要解決材質(zhì)在高溫氯化氫環(huán)境下的防腐蝕問題。采用特殊的鈦材制作燃燒噴嘴和燃燒爐,在結(jié)構(gòu)上保證物料混合均勻、燃燒充分并高效冷卻,保證粒子分布均勻,在反應(yīng)火焰周圍包覆一層環(huán)隙氫氧焰,減少外界對(duì)反應(yīng)的影響以及二氧化硅粒子在管道內(nèi)的沉積,最大限度減小工程放大效應(yīng),改進(jìn)產(chǎn)品的粒徑分布和分散性,同時(shí)提高生