CN102181178A - 4万吨硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺 - Google Patents

4万吨硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种4万吨硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺，炭黑反应炉包括燃烧室、喉管、反应室、急冷段。独特设计的反应炉燃烧室使炭黑生产的温度场分布更为合理，合适的喉管角度、长度及内径，保证原料油在喉管处得到充分汽化及剪切，设计合理的反应段及配套的急冷段，使炭黑裂解反应快速进行，同时抑止副反应的发生。本发明采用煤气或天然气作为燃料，原料油范围更广泛，炭黑生产产能高，单耗低，排污少，炭黑品质高。

Description

4万吨硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺
技术领域：
本发明涉及炭黑生产工艺，尤其涉及硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺。
背景技术：
炭黑的生产方法有炉法、槽法、热裂法三种。对于炉法炭黑生产线，反应炉是其核心设备，其一般工艺是：空气和燃料在反应炉中燃烧，原料经雾化后喷入燃烧的火焰中，经高温热解生成炭黑；炭黑悬浮于燃余气中形成烟气；烟气经急冷后送空气预热器、油预热器进一步降温，最后送入袋滤器，分离出的炭黑送到造粒机中后在干燥机中干燥。生产不同品种的炭黑需要采用不同结构尺寸的反应炉，反应炉决定着炭黑产品的质量和收率。现有技术中大多是年产2万吨炭黑的反应炉，其炉体结构特点是：燃烧室的直管段长度过短，喇叭段长度过长，燃烧室总体长度又稍短；喉管喇叭段锥角小，喉管直管段内径与反应段内径比不合适，喉管段整体长度偏长；反应室呈直管式，只是内径较喉管直管段内径突然增大；急冷段为直筒式。受炉体结构所限，现有技术生产工艺存在的缺点是：1、生产成本高：燃料使用焦油、蒽油或乙烯油，原料油要求质量高。2、吨炭黑消耗较高。3、炭黑产能低。4、产品着色强度低、压缩吸油值低，品质达不到全钢子午线轮胎的质量要求或勉强达到。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种单耗低、产能高、产品品质好的硬质炭黑反应炉及其生产工艺。
本发明的4万吨硬质炭黑反应炉，其炉体包括依次相接的的燃烧室、喉管、反应室、急冷段：
燃烧室：包括直管段和喇叭段，直管段占到燃烧室长度的2/3至3/4，直管段设有燃料入口；
喉管：包括喇叭段和直管段，所述喇叭段与燃烧室的喇叭段相接，所述喇叭段锥角为9-15度，所述喇叭段开放端口径是收缩端口径的1.7-2.0倍；所述直管段内径与所述喇叭段收缩端口径一致，直管段具有两排原料油喷入口；
反应室：呈喇叭状，其收缩端与喉管直管段相接，开放端与急冷段相接，收缩端与开放端的口径比为1∶1.8-1∶2.3，喇叭状的反应段上设有一孔径为40mm-60mm的孔；
急冷段：为两节式，该两节均为直管式，第一节内径与反应室出口端内径一致，第二节内径与第一节内径相比是1∶2-1∶2.5。
喉管的直管段，具有两排原料油喷入口，一排原料油喷入口直径较大，设夹套油枪和添加煤气枪，另一排原料油喷入口直径较小，设原料油枪。
燃烧室和喉管的内壁采用铬锆系耐火材料。
反应室和急冷段的内壁采用氧化铬系耐火材料。
4万吨硬质炭黑反应炉炭黑生产工艺，燃料气从燃料入口进入燃烧室，在燃烧室燃烧形成高温燃烧气流，所述气流将喉管处喷入的原料油带入反应室反应，转化成炭黑，所述的原料油包括芳族烃、石油系烃或脂族饱和烃；所述的燃料包括煤气、焦炉煤气、天然气。
所述芳族烃包括蒽油、二蒽油、防腐油、煤焦油；所述的石油系烃包括芳族烃、杂酚油或羧酸油；所述的脂族饱和烃包括乙烯渣油、催化裂化油，乙炔系不饱和烃，乙烯系烃、戊烷或已烷。
本发明，燃烧室的设计针对的燃料是煤气或天然气，燃烧室与现有技术2万吨炭黑反应炉燃烧室相比，长度增加了10-15％，内径增加了约20-25％，但燃烧室直管段长度是现有技术的3-5倍，喇叭段长度为现有技术的三分之一到四分之一，该设计使燃烧火焰长度占到燃烧室长度的三分之二，燃烧室出口处温度达到最高，火焰不会烧到燃烧室壁，温度场的分布合理。喉管较现有技术相比，长度减少了20-30％，喇叭段锥角扩大了约一倍，所起的作用是减少燃烧温度场的下降梯度，使喉管直管段的温度保持在较高水平，对生产工艺的影响是提高了炭黑的着色强度和压缩吸油值，喉管直管段的设计使该段高温气体流速适当，原料油在喉管处得到充分汽化及剪切，炭黑的裂解速度提高，有利于形成晶核，炭黑粒径适当，炭黑生产效率高。反应室呈喇叭状，使炭黑反应在平缓的状态下进行，保证了生成的炭黑聚集体分布很窄，炭黑晶核在单位体积中密度增加，碰撞机率增高，形成的炭黑聚集体数量更多，结构发达，炭黑着色强度高。急冷段第一节的内径设计与反应段一致，考虑了炭黑在反应室还没有反应完全，在急冷段第一节继续反应，反应时在平缓的条件下发生，形成的炭黑粒子粒径大小均匀；第二节内径突然放大，可以使炭黑生产过程中湍流程度增加，增加炭黑的链枝结构，提高炭黑的压缩吸油值，同时抑制副反应的发生。
综合以上设计要点，本发明与现有技术相比所具有的优点是：1、采用煤气或天然气作为炭黑生产的燃料，成本低，并降低了炭黑产品中的杂质含量，提升了炭黑的质量，同时排污少，尤其使用焦炉煤气时，减少了煤气放散对大气的污染。2、生产的炭黑着色强度高，NSA、300％定伸应力达到ASTM标准中心值。3、炭黑生产的单耗低。4、产能扩大到现有技术的2倍。5、炉体设计使得生产工艺适用的原料油范围更广泛。
附图说明：
附图为本发明结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如附图所示，4万吨炭黑反应炉包括燃烧室、喉管、反应室、急冷段，以上各段依次相接。燃烧室包括直管段1、喇叭段2；喉管包括喇叭段3、直管段4；反应室呈喇叭状5；急冷段包括第一节6、第二节7。
各段的设计要点如下：
燃烧室：燃烧室直管段1的长度占到燃烧室总长的约三分之二。这是针对以煤气或天然气为燃料的情况设计的。生产中，火焰为燃烧室总长度的三分之二左右，燃烧室出口处温度最高，火焰不会烧到燃烧室壁，温度场分布合理。
喉管：喉管的喇叭段3与燃烧室的喇叭段2相接，喉管喇叭段3的锥角是9-15度，喇叭段3开放端口径是收缩端口径的1.7-2.0倍；直管段4内径与喇叭段3收缩端口径一致，直管段具有原料油喷入口；
喉管的直管段4，具有两排原料油喷入口，一排原料油喷入口直径较大，主要用于插入夹套油枪和添加煤气枪，另一排原料油喷入口直径较小，主要是插入原料油枪。由于4万吨反应炉在喉管内径设计上尺寸较大，原料油喷入时其穿透率不够，在喉管原料油喷入口的中心位置形成原料油的空隙，因此在喉管前段插入的夹套原料油枪内伸，填补此空隙。
反应室：反应室5呈喇叭状，其收缩端与喉管直管段4相接，开放端与急冷段相接；其收缩端与开放端的口径比为1∶1.8-1∶2.3，反应室壁上设有一孔径为40mm-60mm的孔；
急冷段：为两节式，均为直管式，第一节6内径与反应室5出口端内径一致，第二节7内径与第一节6内径相比是1∶2-1∶2.5。
焦炉煤气和经过高温空气预热器的预热空气从燃烧室前端混合后进入燃烧室，在燃烧室中燃烧形成高温燃烧气流，将喉管处喷入的原料油带入反应室反应，转化成炭黑。
炭黑生产以焦炉煤气作燃料，炭黑原料油以雾化状态下喷入喉管段高温裂解生产炭黑和烟气，炭黑烟气经急冷成后收集而成炭黑的炭黑生产技术，其技术原理是焦炉煤气与预热空气在燃烧室内燃烧提供热量供径向喷入的原料油裂解，在反应器喉管段采用多支径向喷入的原料油枪，利用机械雾化的方式将原料油雾化成微米级的油雾，喷入高温高速的热气流中进行裂解。通过在急冷段喷入一次急冷水，将高温反应气体进行急剧冷却，终止炭黑的裂解反应，再通过高温空气预热器、在线锅炉等热量回收装置回收热量，炭黑和烟气通过主袋滤器、旋风分离器进行分离后送入湿法造粒机，在水和粘合剂的配合下，通过高速旋转的造粒机绞齿进行造粒、抛光后进入干燥机进行干燥，最后通过提升机输送，磁性分离机分离铁磁性杂质后进入成品储罐，通过自动包装机包装，检测合格后出货。
实施例：
用本发明的反应炉生产炭黑品种N326，用焦炉煤气作燃料，30％的蒽油+50％的焦油+20％低温焦油组成的原料油以雾化状态下喷入喉管段高温裂解生产炭黑，同时在喉管前段补充焦炉煤气200Nm3/hr，炭黑烟气经急冷成后收集而成炭黑。由下表可以看出，使用4万吨反应炉生产N326炭黑品种时，生产出来的炭黑品质，明显要好于2万吨炭黑反应炉生产的炭黑，这点集中表现在产品着色强度(Tint)、压缩吸油值上，4万吨反应炉生产的产品Tint值比2万吨反应炉生产的产品着色强度高3％左右，压缩吸油值也提高了2-3个点，将煤气折算成燃料油后，4万吨反应炉生产N326炭黑比2万吨反应炉生产N326炭黑油耗下降约5％左右，在油品要求上，4万吨反应炉生产N326时油品的要求更低。
4万吨反应炉生产N326工艺参数与2万吨反应炉生产N326工艺参数比较
Figure BSA00000448820300071
4万吨反应炉生产N326炭黑质量与2万吨反应炉生产N326质量比较
  生产线   4万吨反应炉   2万吨反应炉   质量标准
  I2(g/kg)   82   83   82±5
  DBP(10-5m3/kg)   72   71   72±5
  CDBP(10-5m3/kg   69   65   64-74
  CTAB(103m2/kg)   83   82   76-86
  NSA(103m2/kg)   78   76   78±5
  STSA(103m2/kg)   76   74   71-81
  Tint(％)   112   106   111±5
  PH   7.7   7.2   7-9
  Heat loss(％)   0.33   0.42   ≤2.0
  Ash(％)   0.39   0.27   ≤0.7
  Grit45μm(％)   0.0128   0.0234   ≤0.1
  Grit500μm(％)   0.0000   0.0000   ≤0.001
  Modulus(％)   -3.8   -3.2   -3.9±1.0
  Tolune(％)   97   98   ≥85
  Hardnes s(g)   31   34   20-50
  Fines(％)   3.4   3.9   ≤8.0
  Density(g/cm3)   458   446   460±40
由上表可知：4万吨反应炉生产的N326炭黑与2万吨反应炉生产的N326炭黑在品质上存在如下差异：前者的着色强度比后者高约6个点，压缩吸油值高约4个点，300％定伸应力前者比后者更接近于标准值中限。
4万吨反应炉生产N234工艺参数与2万吨反应炉生产N234工艺参数比较
  生产线   4万吨生产线   2万吨生产线
  原料油配比   50％焦油+50％蒽油   20％焦油+80％蒽油
  Fic-101(Kg/h)   6650   3900
  Fic-103(Nm3/h)   19200   12800
  原料油油风比(Kg/Nm3)   0.3463   0.3047
  Fic-102(Kg/h)   712
  Fic-102(煤气)(NM3/h)   2865   -
  煤气折算燃料油(Kg/h)   1146   712
  燃料油油风比(Kg/Nm3)   0.0597   0.0556
  总油风油比(Kg/Nm3)   0.406   0.3603
  添加剂浓度(kg/785L)   1   1
  Fic-109(Kg/h)   4   1
  Fic-208(Kg/h)   5600   3200
  Fic-203(Nm3/h)   12000   7800
  101总量T/天   159.6   93.6
  102总量T/天   -   17.088
  102总量Nm3/天   45840   -
  产量T/天   91.2   53.5
  原料油油耗T/T   1.75   1.75
由上表可以看出：4万吨反应炉生产N234炭黑与2万吨反应炉生产N234炭黑相比，前者的总风油比比后者高约10％，总油耗下降0.02吨/吨炭黑，产量提高约80％。
4万吨反应炉生产N234炭黑质量与2万吨反应炉生产N234质量比较
  生产线   4万吨反应炉   2万吨反应炉   质量标准
  I2(g/kg)   120   119   120±5
  DBP(10-5m3/kg)   125   123   125±5
  CDBP(10-5m3/kg   101   97   95-105
  CTAB(103m2/kg)   119   116   114-124
  NSA(103m2/kg)   120   115   119±5
  STSA(103m2/kg)   112   109   106-118
  Tint(％)   124   119   123±5
  PH   7.6   7.3   7-9
  Heat loss(％)   0.43   0.56   ≤2.0
  Ash(％)   0.45   0.37   ≤0.7
  Grit45μm(％)   0.0046   0.0098   ≤0.1
  Grit500μm(％)   0.0000   0.0000   ≤0.001
  Modulus(％)   -0.1   -0.5   -0.1±1.0
  Tolune(％)   98   98   ≥85
  Hardness(g)   33   35   20-50
  Fines(％)   4.7   5.8   ≤8.0
  Density(g/cm3)   325   318   320±40
由上表可以看出：用4万吨反应器生产的N234炭黑与2万吨反应器生产的N234炭黑，前者的压缩吸油值比后者高4个点，着色强度高5个点，氮吸附比表面积高5个点，300％定伸应力更接近标准值中限。
4万吨反应炉生产N375工艺参数与2万吨反应炉生产N375工艺参数比较
  生产线   4万吨反应器   2万吨反应器
  原料油配比   30％蒽油+70％焦油   70％蒽油+30％焦油
  Fic-101(Kg/h)   7900   4500
  Fic-103(Nm3/h)   17000   12000
  原料油油风比(Kg/Nm3)   0.465   0.375
  Fic-102(Kg/h)   -   660
  Fic-102(煤气)(NM3/h)   2394   -
  煤气折算燃料油(Kg/h)   957   660
  燃料油油风比(Kg/Nm3)   0.0563   0.055
  总油风油比(Kg/Nm3)   0.521   0.430
  添加剂浓度(kg/785L)   8   4
  Fic-109(Kg/h)   7   4
  Fic-208(Kg/h)   5220   3500
  Fic-203(Nm3/h)   11600   7900
  101总量T/天   189.6   108.0
  102总量T/天   -   15.84
  102总量Nm3/天   57456   -
  产量T/天   123.9   68.03
  原料油油耗T/T   1.530   1.59
  总油耗T/T(含煤气折)   1.72   1.82
由上表可以看出：4万吨反应器在生产N375炭黑品种时与2万吨反应器相比，前者的产能提高近90％，炭黑单耗下降近8％，且因其使用了煤气作为燃料，因此经济效益更佳，每天可以节省燃料油约23吨。
4万吨反应炉生产N375炭黑质量与2万吨反应炉生产N375质量比较
  生产线   4万吨反应器   2万吨反应器   质量标准
  I2(g/kg)   91   92   90±5
  DBP(10-5m3/kg)   114   113   114±5
  CDBP(10-5m3/kg   96   90   91-101
  CTAB(103m2/kg)   94   89   90-102
  NSA(103m2/kg)   92   88   93±5
  STSA(103m2/kg)   90   87   86-96
  Tint(％)   115   108   114±5
  PH   7.9   7.3   7-9
  Heat loss(％)   0.35   0.43   ≤2.0
  Ash(％)   0.36   0.41   ≤0.7
  Grit45μm(％)   0.0118   0.0222   ≤0.1
  Grit500μm(％)   0.0000   0.0000   ≤0.001
  Modulus(％)   0.0   0.7   0.1±1.0
  Tolune(％)   98   99   ≥85
  Hardness(g)   34   42   20-50
  Fines(％)   4.0   3.0   ≤8.0
  Density(g/cm3)   351   326   345±40
由上表可以看出：4万吨反应器生产N375炭黑质量与2万吨反应器生产N375炭黑质量相比，前者更佳，主要表现在氮吸附比表面积，前者比后者高约4点，压缩吸油值前者比后者高6个值，着色强度前者比后者高7个值，300％定伸应力更接近标值中限。

Claims (6)

1.4万吨硬质炭黑反应炉，其炉体包括依次相接的的燃烧室、喉管、反应室、急冷段；其特征在于：
燃烧室：包括直管段和喇叭段，直管段占到燃烧室长度的2/3至3/4，直管段设有燃料入口；
喉管：包括喇叭段和直管段，所述喇叭段与燃烧室的喇叭段相接，所述喇叭段锥角为9-15度，所述喇叭段开放端口径是收缩端口径的1.7-2.0倍；所述直管段内径与所述喇叭段收缩端口径一致，直管段具有两排原料油喷入口；
反应室：呈喇叭状，其收缩端与喉管直管段相接，开放端与急冷段相接，收缩端与开放端的口径比为1∶1.8-1∶2.3，喇叭状的反应段上设有一孔径为40mm-60mm的孔；
急冷段：为两节式，该两节均为直管式，第一节内径与反应室出口端内径一致，第二节内径与第一节内径相比是1∶2-1∶2.5。
2.如权利要求1所述的4万吨硬质炭黑反应炉，其特征在于：所述喉管的直管段，具有两排原料油喷入口，一排原料油喷入口直径较大，设夹套油枪和添加煤气枪，另一排原料油喷入口直径较小，设原料油枪。
3.如权利要求1或2所述的4万吨硬质炭黑反应炉，其特征在于：所述的燃烧室和喉管的内壁采用铬锆系耐火材料。
4.如权利要求1或2所述的4万吨硬质炭黑反应炉，其特征在于：所述的反应室和急冷段的内壁采用氧化铬系耐火材料。
5.4万吨硬质炭黑反应炉炭黑生产工艺，燃料气从燃料入口进入燃烧室，在燃烧室燃烧形成高温燃烧气流，所述气流将喉管处喷入的原料油带入反应室反应，转化成炭黑，其特征在于：所述的原料油包括芳族烃、石油系烃或脂族饱和烃；所述的燃料包括煤气、焦炉煤气、天然气。
6.如权利要求5所述的4万吨硬质炭黑反应炉炭黑生产工艺，其特征在于：所述的芳族烃包括蒽油、二蒽油、防腐油、煤焦油；所述的石油系烃包括芳族烃、杂酚油或羧酸油；所述的脂族饱和烃包括乙烯渣油、催化裂化油，乙炔系不饱和烃，乙烯系烃、戊烷或己烷。
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