CN102898874B - 三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉 - Google Patents

Abstract

三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，立式炉体自上而下包括换热蓄热段(8)、蓄热裂解段(9)和支撑汇集段(10)，炉体上顶部内有顶锥腔(7)，加热燃烧室顶锥腔和天然气进口和冲刷管口布置在炉体顶部，两种气流流向一致。除操作维护方便之外，使蓄热炉上部蓄热砖成为炉体的高温区，而顶部进入的裂解天然气是低温，在此段使天然气快速预热，这种布置方式可使天然气裂解时温度变化很窄，并可适当提高蓄热温度，从而使蓄热—裂解转换周期更长，处理天然气量更大，生产能力得到提高，以保证产品质量稳定，品质提升。

Description

三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉

技术领域

本发明涉及涉及国际专利分类C09C1/50炉法炭黑技术或装置，尤其是三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉。 

背景技术

公知技术中，半补强炭黑semi-reinforcing purpose furnace black；jianxie简称SRF，是软质炭黑中的一个主要品种，分气炉法和油炉法两种，制得半补强炭黑粒径为61～100nm，可赋予胶料高伸长率、低生热、高弹性和良好的耐老化性能等，适用于天然橡胶NR和硫化橡胶SR，对丁腈橡胶NBR和氯丁橡胶CR兼有补强与填充作用，多用于胎体缓冲胶、帘布胶用各种橡胶制品。 

热裂解法炭黑是天然气隔绝空气在1000至1300℃裂解生成。炭黑裂解炉是热裂解炭黑生产中一种关键的设备，该设备以天然气、重质液态烃为原料，在无氧、无焰的情况下，经高温热解生成炭黑。 

在已公开的制备炭黑的反应装置相关专利文献以煤焦油、重油等原料为主，例如，中国专利申请201120501037一种适用煤焦油原料的硬质炭黑反应炉，目的是提高专用炭黑的产量和质量；本发明包括燃烧段、收缩段、喉管段和反应段；燃烧段后端与收缩段连接，燃烧段前端设有添加剂进口、空气进口、燃料油进口、焦炉煤气进口和天然气进口；喉管段前端与收缩段连接，后端与反应段连接；喉管段上设有原料油进口，反应段上设有急冷水进口。 

中国专利申请200810058955.7一种用焦炉煤气生产半补强炭黑、甲醇、液氨的生产方法。包括焦炉煤气脱硫、变压吸附脱甲烷、甲醇的合成和精馏、炭黑尾气与甲醇驰放气的CO变换、脱炭和液氨的合成，其特征在于：焦炉煤气通过变压吸附脱除甲烷，甲烷气进入炭黑反应炉，通入空气或氧气作为氧化剂，在反应炉中生成炭黑，炭黑经袋滤器、造粒后得到半补强炭黑产品；炭黑尾气可进入甲醇合成系统，或进入液氨生产系统。脱甲烷后的气体进行甲醇合成，甲醇合成后的甲醇驰放气经变压附吸装置提取H2，提氢后的剩余气体进入合成氨系统制备液氨。 

中国专利申请200710140015.8炭黑、制备炭黑的方法、及实施该方法的装置，一种聚集体尺寸分布具有小于或等于1.1的(D₉₀-D₁₀)/D₅₀比的炭黑。通过如下方法制备所述炭黑：如果需要向包含载气和炭黑原料的气体混合物中混合热空气，使所述气体混合物通入燃烧器管，在燃烧器管开口处燃烧气体混合物，并且火焰与从外面在吸力下自由吸入的环境空气一起在吸力下吸入通过冷却的、变窄的间隙并且进行冷却，所述冷却的、变窄的间隙具有1-100的高度(H)与宽度(B)比，所述宽度(B)为0.5-10MM，并且间隙最窄点处的流速为10-200M/S。 

中国专利申请87108199.7新型炭黑的生产工艺及其设备，是关于CSF半补强炭黑的生产工艺及其设备。以往以重油为原料生产合成氨并加工成尿素的氮肥厂，回收炭黑，均采用重油萃取炭黑返炉燃烧的工艺流程，该流程中的重油螺杆泵易磨损，检修频繁，操作困难，设备投资大。 

公知技术中，以天然气为原料制取炭黑的技术公开较少，例如中国专利申请02106388.5天然气制乙炔炭黑的回收利用办法，适用于天然气(甲烷)裂解制乙炔的工艺。利用天然气(甲烷)裂解制乙炔过程中形成的部份炭黑副产物进行浮选、洗涤、干燥，从而形成标准的天然气炭黑产品。其过程首先是集中副产炭黑进行药剂选浮，将合格炭黑与杂质有机物分离开来，然后再进行洗涤，将炭黑清洗干净，然后是除去水干燥，采用喷雾干燥可以一次形成品温控在200℃左右药剂，产品需检测、合格后包装。其流程为：集中的副产炭黑→浮选→洗涤→干燥→检测、包装。 

中国专利申请201020175339.2联产炭黑及高纯氢气的高效裂解装置，包括裂解反应炉、压力调节装置、冷却装置、炭黑收集装置、制氢变压吸附塔；裂解反应炉为双炉并联，其燃烧段入口一路通过压力调节装置连通助燃气体输送管路，另一路连通燃气输送管路；反应段上部连通原料输送管路，顶部分别烟气排出管和含炭黑富氢气体排出管，富氢气体排出管依次连通冷却装置、炭黑收集装置，炭黑收集装置连通制氢变压吸附塔底部。 

中国专利申请201020175359.X生产高品质炭黑的高效裂解装置，包括雾化喷射装置、反应炉、预热装置、炭黑收集装置，反应炉分为燃烧段和反应段，燃烧段入口一路通过压力调节装置连通助燃气体输送管路，另一路连通燃气输送管路；反应段上部通过雾化喷射 装置连通预热装置之原料输送管路，预热装置上设置原料入口；反应段顶部通过产物输送管路经过冷却装置连通炭黑收集装置，炭黑收集装置设置尾气排出管。 

中国专利申请201010250769.0脱除等离子体裂解天然气制乙炔中炭黑及高聚物的方法，包括以下步骤：A、来自造气工序的裂解气由底部进料端进入热水洗涤塔，经60℃～130℃温度的热水喷淋洗涤和多孔填料吸附后，从热水洗涤塔顶部出料端排出；B、出热水洗涤塔的气体进入单级电除尘器进行单级电除尘处理；C、经单级电除尘处理后的气体由底部进料端进入冷水洗涤塔，经20℃～40℃温度的水喷淋冷却后进入气柜进行后续处理。 

中国专利申请201010160179.9甲烷高温裂解联产炭黑及高纯氢气的方法，以热值为1300-1500kcal/Nm3的低热值燃气为燃料，以含甲烷气体为原料，采取控量供氧助燃低热值燃气充分燃烧，反应炉蓄热并排除余气-甲烷裂解交替工作模式，营造甲烷无氧高温裂解反应环境，具体包括助燃气体调节，反应炉蓄热、排除余气，甲烷裂解，收集炭黑，纯化制氢工序。 

目前，常规天然气制炭黑裂解炉如附图2所示，天然气由中部进入炉内，会出现在天然气未预热达到足够高温的条件下快速裂解，导致边燃烧边裂解，单炉产量较低，而且制得炭黑产品质量不高，能耗和天然气原料浪费较大。 

发明内容

本发明的目的是提供一种三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，单炉产量显著提高。 

本发明的发明目的是通过如下技术措施实现的：立式炉体自上而下包括换热蓄热段、蓄热裂解段和支撑汇集段，炉体上顶部内有顶锥腔，顶锥腔对应炉体外连接防爆管口和天然气进口和冲刷管口，顶锥腔顶部安装喷燃器接管口，换热蓄热段内有衬壁5和上壁，蓄热裂解段内安装下壁和下隔层，支撑汇集段内安装塔基和底颈，同时支撑汇集段外连接炭黑烟气出口和蓄热烟气出口。 

本发明原理在于，天然气裂解有如下特性：400℃以下几乎没有裂解反应，400℃至1000℃有裂解反应，但速度很慢，1000℃以上随着温度升高，裂解反应速度加快。本发明利用天然气裂解特性，设计三段式裂解炉结构。 

本发明的有益效果是：加热燃烧室顶锥腔和天然气进口和冲刷管口布置在炉体顶部， 两种气流流向一致。除操作维护方便之外，使蓄热炉上部蓄热砖成为炉体的高温区，而顶部进入的裂解天然气是低温，在此段使天然气快速预热，这种布置方式可使天然气裂解时温度变化很窄，并可适当提高蓄热温度，从而使蓄热—裂解转换周期更长，处理天然气量更大，生产能力得到提高，以保证产品质量稳定，品质提升。 

附图说明

图1是发明的结构示意图。 

图2是一种现有技术中的代表结构示意图。 

附图标记包括：塔基1，底颈2，下壁3，下隔层4，衬壁5，上壁6，顶锥腔7，换热蓄热段8，蓄热裂解段9，支撑汇集段10；炭黑烟气出口a，蓄热烟气出口b，防爆管口c，天然气进口和冲刷管口d，喷燃器接管口e。 

具体实施方式

如附图1所示，立式炉体自上而下包括换热蓄热段8、蓄热裂解段9和支撑汇集段10，炉体上顶部内有顶锥腔7，顶锥腔7对应炉体外连接防爆管口c和天然气进口和冲刷管口d，顶锥腔7顶部安装喷燃器接管口e，换热蓄热段8内有衬壁5和上壁6，蓄热裂解段9内安装下壁3和下隔层4，支撑汇集段10内安装塔基1和底颈2，同时支撑汇集段10外连接炭黑烟气出口a和蓄热烟气出口b。 

塔基1内壁砌筑方形耐热砖，底颈2内壁砌筑环形耐热砖，下壁3内壁以下隔层4上下分隔砌筑蓄热砖，下隔层4砌筑异型蓄热砖，衬壁5砌筑耐热砖，上壁6内壁砌筑蓄热格子砖。 

本发明中，支撑汇集段10为蓄热和换热两种耐热砖分别错层支撑，其中错层的蓄热部分呈列管式布置。 

本发明中，支撑汇集段10及换热蓄热段8不影响蓄热砖的流通面积，格子砖的排列能提高天然气与蓄热砖接触面积。 

本发明中，蓄热裂解段9的内壁具有独特的轴向和周向固定方式，换热蓄热段8与蓄热裂解段9具有独特的密封方式。 

前述中，塔基1内壁的方形耐热砖安放在混凝土上，底颈2内的环形耐热砖沿炉体呈 环形分布，塔基1和底颈2共同支撑上部炉体内壁结构的重量；塔基1的方形耐热砖之间的间隙大于下壁3的蓄热砖的流通孔，裂解后的炭黑烟气通过该间隙进入炭黑烟气出口a。 

前述中，下壁3的蓄热砖有凹凸面，保证蓄热部分的轴向固定。下壁3的蓄热砖中有流通孔，每层蓄热砖有凹凸槽，蓄热砖采用错层方式交叉布置，上壁6的格子砖和塔基1的方形耐热砖逐层交叉排列，下壁3及其蓄热砖保证天然气从上至下进行裂解，并保证蓄热砖轴向固定，不至于坍塌；格子砖和方形耐热砖对齐堆砌方式保证不遮挡蓄热砖中间的流通孔；下壁3的蓄热砖错层布置，加固蓄热部分，最下面层蓄热砖边沿安放在底颈2的环形耐热砖上；上壁6的格子砖错层布置，与四周衬壁5的耐热砖固定，耐热砖安放在下隔层4异型蓄热砖四周，保证通过格子砖的天然气能进入蓄热砖的流通孔裂解。 

前述中，下隔层4的异型蓄热砖设置间断若干层，位于下面的异型蓄热砖层是对下壁3内壁的蓄热砖进行周向固定，最上面异型蓄热砖层安放衬壁5的耐热砖，以密闭腔体，保证天然气必须通过下壁3的蓄热砖的流通孔；下隔层4的异型蓄热砖布置在下壁3的蓄热砖四周，与炉体连接，周向固定换热蓄热段8。 

本发明中，第一段为换热蓄热段8完成预热，该段采用蓄热格子砖砌筑，具有接触面积大、空隙大特性，能使天然气在短时间内温度提高到800℃至1000℃，同时避免大量裂解炭黑生成附集在格子砖上，从而使炭黑的收率得到提高；第二段为蓄热裂解段9，采用专用蓄热砖，该段使高温天然气充分裂解附集，在反吹气流通过时有足够的速度使附集在此处炭黑带走；第三段为支撑汇集段10，主要作用是支撑上面的一、二段蓄热砖，同时汇集加热气流去烟囱，汇集裂解和反吹气流到主袋。 

本发明能满足单线2000吨/年热裂法炭黑生产需求。 

本发明在工作时，在生产停滞阶段，关闭天然气进口和冲刷管口d和出口，持续对炉膛进行加热，保证下壁3的蓄热砖和上壁6格子砖能够吸收足够多的热量，保证天然气能达到裂解成炭黑的温度，打开天然气进口和冲刷管口d对炉体内进行清理；在生产过程阶段，关闭蓄热烟气出口b，天然气进入顶锥腔7，这时，天然气温度还没有达到所需要裂解的温度，通过换热蓄热段8，上壁6的格子砖能增加与天然气的接触面积，保证天然气迅速换热升温，达到裂解成炭黑所需温度，再向下经过蓄热裂解段9，通过下壁3的蓄热 砖中的流通孔进行裂解；最后，气流以一定的速度带走蓄热砖上的炭黑烟气，通过塔基1的方形支撑耐热砖中的间隙从炭黑烟气出口a出去，完成整个反应过程。 

本发明中，加热燃烧室顶锥腔7和天然气进口和冲刷管口d布置在炉体顶部，两种气流流向一致。除操作维护方便之外，使蓄热炉上部蓄热砖成为炉体的高温区，而顶部进入的裂解天然气是低温，在此段使天然气快速预热，这种布置方式可使天然气裂解时温度变化很窄，并可适当提高蓄热温度，从而使蓄热—裂解转换周期更长，处理天然气量更大，生产能力得到提高，以保证产品质量稳定，品质提升。 

Claims (6)

1.三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征是：立式炉体自上而下包括换热蓄热段(8)、蓄热裂解段(9)和支撑汇集段(10)，炉体上顶部内有顶锥腔(7)，顶锥腔(7)对应炉体外连接防爆管口(c)和天然气进口和冲刷管口(d)，顶锥腔(7)顶部安装喷燃器接管口(e)，换热蓄热段(8)内有衬壁(5)和上壁(6)，蓄热裂解段(9)内安装下壁(3)和下隔层(4)，支撑汇集段(10)内安装塔基(1)和底颈(2)，同时支撑汇集段(10)外连接炭黑烟气出口(a)和蓄热烟气出口(b)。

2.如权利要求1所述的三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征在于，塔基(1)内壁砌筑方形耐热砖，底颈(2)内壁砌筑环形耐热砖，下壁(3)内壁以下隔层(4)上下分隔砌筑蓄热砖，下隔层(4)砌筑异型蓄热砖，衬壁(5)砌筑耐热砖，上壁(6)内壁砌筑蓄热格子砖。

3.如权利要求1所述的三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征在于，支撑汇集段(10)为蓄热和换热两种耐热砖分别错层支撑，其中错层的蓄热部分呈列管式布置。

4.如权利要求1所述的三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征在于，塔基(1)内壁的方形耐热砖安放在混凝土上，底颈(2)内的环形耐热砖沿炉体呈环形分布，塔基(1)和底颈(2)共同支撑上部炉体内壁结构的重量；塔基(1)的方形耐热砖之间的间隙大于下壁(3)的蓄热砖的流通孔。

5.如权利要求1所述的三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征在于，下壁(3)的蓄热砖有凹凸面，保证蓄热部分的轴向固定；下壁(3)的蓄热砖中有流通孔，每层蓄热砖有凹凸槽，蓄热砖采用错层方式交叉布置，上壁(6)的格子砖和塔基(1)的方形耐热砖逐层交叉排列；下壁(3)的蓄热砖错层布置，加固蓄热部分，最下面层蓄热砖边沿安放在底颈(2)的环形耐热砖上；上壁(6)的格子砖错层布置，与四周衬壁(5)的耐热砖固定，耐热砖安放在下隔层(4)异型蓄热砖四周。

6.如权利要求1所述的三段式顶置燃烧室炭黑裂解炉，其特征在于，下隔层(4)的异型蓄热砖设置间断若干层，位于下面的异型蓄热砖层是对下壁(3)内壁的蓄热砖进行周向固定，最上面异型蓄热砖层安放衬壁(5)的耐热砖；下隔层(4)的异型蓄热砖布置在下壁(3)的蓄热砖四周，与炉体连接，周向固定换热蓄热段(8)。

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