CN102892839A - 炭黑反应炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制造炭黑的反应炉(100)，所述反应炉(100)包含流动引导装置(110)，该装置位于燃料炉头(106)和进气口(108)之间，用于改变进入进气口(108)的燃烧空气流动路线以实现燃料和燃烧空气之间的更好混合，从而提高反应室(104)后续接纳的用于与碳基原料反应以产生炭黑的高温燃烧气体温度。本发明的反应炉(100)可提高炭黑产量5-20％。此外，流动引导装置(110)的加入可稳定燃料炉头(106)的火焰以保持在反应炉轴线上，从而延长耐火衬里(114)的寿命。

Description

炭黑反应炉

技术领域

本发明与制造炭黑的反应炉有关。具体来说，本发明涉及一种可在制造炭黑时更好地混合碳基原料和燃烧空气的反应炉。

背景技术

制造炭黑的工艺通常包括部分热解碳基原料，其中，原料可以是气体或液体形态。虽然有多种用于获取炭黑的工艺，但最常用的是炉黑工艺，该工艺利用不完全燃烧的FCC焦油、煤焦油和乙烯裂解焦油等重质石油产物组成的液体原料来产生炭黑。

在炉黑工艺中，通常采用以空气流形式供应的过量氧气或具有耐火材料衬里的空间内的含氧气体燃烧碳氢燃料(如天然气或燃油)以产生高温燃烧气体。将要热解和脱氢的液体原料喷洒至高温燃烧气体中以获得悬浮在气体内的炭黑颗粒。从气体中分离并收集蓬松粉末形态的炭黑颗粒。然后通过传统制粒方法对收集的颗粒进行制粒。炭黑用于制造汽车和飞机的气胎，用作人造橡胶的加固填充剂，用作塑料、油漆和印刷油墨的色素或着色剂。

用于炉黑工艺的反应炉通常包括一个燃烧室、一个混合室和一个反应室，它们沿反应炉轴线布置以形成从燃烧室经由混合室到反应室的反应介质流动路线。液体原料通常喷洒在混合室中以实现液体原料与高温燃烧气体的高密度混合。然后混合物进入反应室，发生实际炭黑形成过程。最后，下游喷水停止反应。

影响炭黑形成的因素包括：高温燃烧气体中的空气/氧气过量，燃料的燃烧效率，以及从原料在高温燃烧气体中混合到完成反应的反应或驻留时间。燃料的燃烧效率很大程度上取决于燃料与燃烧空气/氧气的混合程度。通常，燃烧空气在燃烧室内预热至800℃左右的温度，然后与燃料混合，以获得高温燃烧气体。改进燃烧空气与燃料之间的混合可以提高燃烧效率，从而提高高温燃烧气体的温度。通常，高温燃烧气体的温度越高，形成的炭黑颗粒越小。

过去曾多次提供改进炉黑工艺的炭黑反应炉，以提高效率，改进工艺控制，并生产不同精度的炭黑等级。一些公开的先前技术如下所示：

美国专利号7625527公开一种炭黑反应炉，通过增加高温燃烧气体和原料之间的接触效率来提高原料到炭黑的转化率。炭黑反应炉的组成包括：用于产生高温燃烧气体的燃烧区域；具有两个或更多引入原料点的反应区域，通过使燃烧气体与多条采用分割流动引入的原料接触来生产炭黑；通过注入冷却剂以停止反应的急冷区域，三个区域按顺序横向排列。炭黑反应炉获得的炭黑具有均匀的特性，尤其是聚合物大小分布方面。

中国专利号2341708公开一种炭黑反应炉-表面氧化和流化床。反应炉的组成包括：反应炉主体，炉黑入口，炉黑出口，化合物分配板，空气室，空气入口以及空气出口，反应炉中布置3至7块隔板形成4至8个流化室以获得多阶段混合流。该反应炉的制造简单，成本低，生产用于各行业着色的炭黑。

美国专利号4590040公开一种炭黑反应炉，经过改良可减少因预燃烧区域过多湍流造成的压力降。炭黑反应炉的组成包括：带圆柱形侧壁、上游端和下游端的预燃烧区域；多条用于输送燃烧气体的通道，通道开口沿预燃烧区域切线方向通过侧壁；预燃烧区域内的多个半圆坡面，它们决定上游端以引导沿切线方向引入的燃烧气体蒸汽流动。装置避免其他沿切线方向引入的气体蒸汽之间的湍流影响以减小造成的压力降。

美国专利号4347218公开的一种装置可用于生产不同精度的炭黑等级，同时，尤其避免反应炉在碳氢化合物和空气进入区域的热超载。装置组成包括：反应炉，包含用于形成炭黑的反应室；多个无罩进给装置，用于向反应室提供空气和向排出端附近的空气喷洒碳氢化合物；热交换器，用于控制反应炉输出空气和产生的炭黑的温度。

美国专利号2004213728公开一种在具有流动轴的炉黑反应炉中生产炉黑的工艺。工艺组成包括：将燃料和燃烧空气引入气体炉头，通过气体炉头沿轴向注入蒸汽，从而在燃烧室内产生高温燃烧气体流；将高温燃烧气体沿流动轴从燃烧室通过窄点送入反应区域，将炭黑原材料混入高温燃烧气体的窄点上游、中游或下游；喷水以停止反应区域的反应下游。工艺在反应炉中产生深色炉黑。

对以上列出的现有技术公开的炭黑反应炉进行改装以提高工艺效率、增强工艺控制或提供不同精度的炭黑等级。本发明即介绍此类炭黑反应炉，主要改进用于增强燃烧空气/氧气和燃料之间的混合，提高燃烧效率并提供更高温度的高温燃烧气体。此外，本发明还提供炭黑反应炉组成装置，可提高通过反应炉的原料流速，同时保持炭黑的质量参数。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于制造炭黑的反应炉。

本发明的另一个目的是提供改善炭黑制造过程中燃烧室内燃烧空气和燃料混合的反应炉。

本发明还有一个目的是提供可提高通过反应炉的原料流速而不损失任何质量的反应炉组成装置。

本发明的最后一个目的是提供可改进工艺生产效率并提高产品质量的用于制造炭黑的反应炉。

本发明公开一种使用炉黑工艺制造炭黑的反应炉，所述的反应炉包括：

■用于产生高温燃烧气体的燃烧室，所述燃烧室由以下设备组成：

●位于所述反应炉有效运转纵轴上的燃料炉头；

●与所述燃料炉头垂直的进气口，用于接纳燃烧空气；

●位于所述反应炉有效运转纵轴上的流动导向装置，靠近所述燃料炉头并位于燃料炉和进气口中间，因此处于燃烧空气流动路线中以改变流动路线；

■位于所述反应炉有效运转纵轴上、燃烧室之后的反应室，反应室经过改装可接纳来自燃烧室的高温燃烧气体和碳基原料以形成炭黑。

根据本发明，流动引导装置通常是一组环形缸。

根据本发明，流动引导装置也可以是一组渐缩环形缸。

根据本发明，流动引导装置最好从一致环形缸、渐缩环形缸、隔板、叶片、翼片和类似装置组合中选择至少一种。

或者，根据本发明，流动引导装置也可以是一组环形缸，并从隔板、叶片、翼片中选择至少一种装置，沿缸有效运转长度布置。

本发明公开一种用于制造炭黑的流程，包括以下步骤：

■在位于反应炉有效运转纵轴上的燃料炉头中燃烧燃料以制造炭黑；

■通过与所述燃料炉头垂直的进气口接纳燃烧空气；

■通过所述反应炉有效运转纵轴上、燃料炉和进气口之间、燃料炉头附近的流动导向装置，改变燃烧空气的流动路线；

■在燃烧室内形成燃烧空气和燃料之间的高效混合，从而产生温度介于1000-2200℃之间的高温燃烧气体；

■在所述反应炉有效运转纵轴上、燃烧室之后的反应室内接纳高温燃烧气体，并送入碳基原料以制造炭黑。

根据本发明，工艺通常包括制造从硬黑到软黑等级组选择的炭黑等级。

附图说明

现在将借助随附图纸介绍发明，其中：

图1介绍炭黑反应炉示意图，显示本发明的流动引导装置；

图2介绍本发明炭黑反应炉替代流动引导装置示意图。

具体实施方式

现在将借助不限制发明范围的随附图纸介绍发明。所提供的说明完全通过示例和示意图方式进行。

本发明设计了一种用于制造炭黑的反应炉以及其蕴含的炉黑工艺。本发明的反应炉经过改装以增强燃烧室中的燃烧空气和燃料混合，从而提高燃料燃烧效率并产生温度范围为1000-2200℃的高温燃烧气体。接下来，这些高温燃烧气体在反应室内与碳氢原料反应以获得炭黑。本发明可提高炭黑产量高达20％。

参考图1，这里图示本发明的炭黑反应炉，反应炉在图1中通常用数字100表示。反应炉100组成包括：燃烧室102，具有燃料炉头106，进气口108和流动引导装置110；反应室104，沿反应炉100纵向流动轴方向，在燃烧室102之后。在燃烧室102中，燃油或天然气等碳氢燃料在存在过量氧气的情况下燃烧以产生高温燃烧气体，氧气通常以空气流提供，此处称燃烧气体。在燃烧室102中，燃料炉头106位于反应炉100的有效运转纵轴上，进气口108通常与燃料炉头106垂直。燃烧空气进入进气口108并流向燃料炉头106。

流动引导装置110位于燃烧空气流动路线上，燃料炉头106和进气口108之间。流动引导装置110位于反应炉100有效运转纵轴上，靠近燃料炉头106而不是进气口108。进入进气口108的燃烧空气沿图1中112标记的流动路线流动。在接触燃料炉头106的燃料前，流动引导装置110改变燃烧空气的流动路线112。由于燃烧气体流动路线112的改动，燃料和燃烧空气之间的混合得以增强，从而提高燃料燃烧效率，并获得更高温度的燃烧气体，通常温度范围为1000-2200℃。流动引导装置110进一步协助稳定燃料炉头106的火焰，并维持反应炉100有效运转纵轴上的火焰。这样有助于提高反应炉100的耐火衬里114的寿命。

流动引导装置110是从一致环形缸、渐缩环形缸、隔板、叶片、翼片和类似装置组合中选择至少一种。流动引导装置110可以是一组环形缸(如图1所示)或一组渐缩环形缸(图中未显示)。此外，这些环形缸可以在侧壁上沿缸长度方向提供多个隔板、叶片或翼片，示意图如图2所示。对于多个环形缸(无论是渐缩还是一致)，也可以在最里面的环形缸内提供多个叶片或翼片。参考图2，流动引导装置110的各种不同形式以在图2a、2b、2c和2f中表示，其中叶片或翼片204位于环形缸202内。叶片/翼片204在图2d和2e中图示。

由于采用流动引导装置110，获得的高温燃烧气体温度提高。高温燃烧气体经过反应炉100，从燃烧室102到达反应室104。在反应室104中，这些气体与碳基原料反应以生产炭黑。使用流动引导装置110后，炭黑产量可提高5-20％。本发明的反应炉以及其中的工艺适合制造硬黑或软黑等级炭黑。

测试结果

现在将用以下示例描述发明，这些示例不以任何方式限制发明范围，仅为发明举例。

示例1：

表1：对具备流动导向装置110和不具备流动导向装置的炉黑工艺的进行比较分析。

根据表1，使用引导流动装置110后，相比不使用流动引导装置且原料流速为4100kg/hr的情况，炭黑产量增加5.75％；相比不使用流动引导装置且原料流速为3700kg/hr的情况，炭黑产量增加14.94％。此外，使用流动导向装置110还将减少燃料的消耗。

示例2：

表2：对具备流动导向装置110和不具备流动导向装置的炉黑工艺的进行比较分析。

根据表2，使用引导流动装置110后，相比不使用流动引导装置且原料流速为4350kg/hr的情况，炭黑产量增加9.195％；相比不使用流动引导装置且原料流速为4200kg/hr的情况，炭黑产量增加13.09％。此外，使用流动导向装置110还将减少燃料的消耗。

技术优势

根据本发明，用于制造炭黑的反应炉包含流动引导装置，该装置位于所述反应炉有效运转纵轴上的燃料炉头和进气口之间，进行改装以改变进入进气口的燃烧空气流动路线，从而更好地混合燃料和燃烧空气，提高反应室后续接纳的用于与碳基原料反应以产生炭黑的高温燃烧气体温度；本发明中介绍的反应炉及其中工艺具有多项技术优势，包括但不局限于实现：

●本发明反应炉相比没有流动引导装置的反应炉可提高炭黑产量5-20％；

●流动引导装置的加入通过保持反应炉有效运转纵轴上的方向进一步帮助稳定燃料炉头火焰，从而延长反应炉耐火衬里的寿命；

●加入流动引导装置后，相比没有流动引导装置的反应炉，原料流速提高5-20％。

所述的各个物理参数、尺寸或数量的数值仅为估计值，预计除非规格中另有明确声明，否则高于/低于参数、尺寸或数量分配数值的值在发明范围内。指定值范围的情况下，低于指定范围最小数值和高于指定范围最大数值10％的值包含在发明范围内。

考虑到可用于本发明原理的具体实现方式的多样性，应了解图示方式仅供效仿。虽然对本发明具体功能作出了重点强调，但应了解，可以进行各种改动，并且可在优选实现方式中进行许多改动而不偏离发明原理。这些及其他对发明或优选实现方式的改动对于熟悉此处公开技术的人员来说很明显，因此显然应了解，上述表述应解释为仅用于说明本发明而不是对其进行限制。

Claims (7)

1.使用炉黑工艺制造炭黑的反应炉，所述反应炉包括：

■用于产生高温燃烧气体的燃烧室，所述燃烧室由以下设备组成：

●位于所述反应炉有效运转纵轴上的燃料炉头；

●与所述燃料炉头垂直的进气口，用于接纳燃烧空气；

●位于所述反应炉有效运转纵轴上的流动导向装置，靠近所述燃料炉头并位于燃料炉头和进气口中间，因此处于燃烧空气流动路线中以改变流动路线；

■位于所述反应炉有效运转纵轴上、燃烧室之后的反应室，反应室适合于接纳来自燃烧室的高温燃烧气体和碳基原料以形成炭黑。

2.权利要求1中要求的反应炉，其中流动引导装置是一组环形缸。

3.权利要求1中要求的反应炉，其中流动引导装置是一组渐缩环形缸。

4.权利要求1中要求的反应炉，其中流动引导装置是从一致环形缸、渐缩环形缸、隔板、叶片、翼片和类似装置组合中选择至少一种。

5.权利要求1中要求的反应炉，其中流动引导装置是一组环形缸，并从隔板、叶片、翼片中选择至少一种装置，沿缸有效运转长度布置。

6.制造炭黑的工艺包括以下步骤：

■在位于反应炉有效运转纵轴上的燃料炉头中燃烧燃料以制造炭黑；

■通过与所述燃料炉头垂直的进气口接纳燃烧空气；

■通过所述反应炉有效运转纵轴上、燃料炉头和进气口之间、燃料炉头附近的流动导向装置，改变燃烧空气的流动路线；

■在燃烧室内形成燃烧空气和燃料之间的高效混合，从而产生温度介于1000-2200℃之间的高温燃烧气体；

■在所述反应炉有效运转纵轴上、燃烧室之后的反应室内接纳高温燃烧气体，并送入碳基原料以制造炭黑。

7.权利要求6中要求的工艺，包括制造从硬黑到软黑等级组选择的炭黑等级的步骤。

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