CN103073005A

CN103073005A - 一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法及其制备装置

Info

Publication number: CN103073005A
Application number: CN2013100137870A
Authority: CN
Inventors: 周俊虎; 杨卫娟; 张彦威; 刘建忠; 周志军; 王智化; 黄镇宇; 程军; 岑可法
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及材料制备领域，旨在提供一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法及其制备装置。该方法包括将四甲基硅烷雾化后送入炉膛内充分燃烧，燃烧产物经过捕集器捕集白炭黑，最终尾气排入大气；该方法所需的制备装置包括燃烧器、储罐、输送泵、雾化装置、送风机、炉膛、烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱。本发明使用四甲基硅烷（C₄H₁₂Si）燃烧来获取白炭黑，温度比1800℃低很多，设备要求也有所降低，有效节能省成本，产物为白炭黑、水和二氧化碳，相对环保，并且生产的白炭黑品质优异。

Description

一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法及其制备装置

技术领域

本发明是关于材料制备领域，特别涉及一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法及其制备装置。

背景技术

白炭黑是一种多功能的添加剂，因其具有优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性而被广泛的应用于硅橡胶、粘胶剂、油漆涂料等方面，被誉为“工业味精”，是世界范围内工业化应用的纳米材料。目前主要有两种制取白炭黑的方法：沉淀法和气相法。

沉淀法是硅酸钠（即水玻璃）与酸（多数情况下是硫酸）发生化学反应，生成硅酸，再经过滤、打浆、干燥而制得白炭黑，副产品是硫酸钠和水。具体工艺是先配制水玻璃溶液, 然后在一定的浓度、温度和PH值等条件下和浓硫酸一起加入反应器进行反应，生成白炭黑沉淀物，反应器出来的粗料浆经压滤机过滤，分离出硫酸钠母液回收，得到副产品硫酸钠，滤饼用水洗去硫酸钠，用压缩空气吹除滤饼中部分水分，经高速搅拌成糊状料浆，最后喷雾干燥，得到白炭黑产品。沉淀法制取的白炭黑比表面积较小，使用领域有所局限，但其工艺相对简单，设备要求较低。它在我国市场需求量大，主要用于作橡胶补强填料。

气相法白炭黑制备技术于1941年由Degussa公司发明，是由硅或者硅的氯化物在氢氧焰的高温条件下水解而成，是表面带有羟基官能团的超微细粒子。它的主要原料为可水解的有机硅烷，常见的有卤硅烷如四氯化硅与甲基三氯硅烷等，经过半个世纪的发展该技术已经非常成熟。气相法白炭黑源生粒径大约1～40nm，平均原生粒径为7～18nm，聚集体粒径为1um左右，比表面积很大，可达50～400 m²/g。其工艺过程为: 经气化的四氯化硅与氢和氧组成的均相混合气体在水解炉中燃烧，进行高温水解反应，烟雾状的白炭黑通过聚集器聚集，然后经分离器到脱酸炉中进行脱酸处理，即可得到超细白炭黑。反应生成的氯化氢气体经水洗塔水洗后成为低浓度的盐酸。此法得到的产品相对沉淀法白炭黑品质优异很多，纯度高，分散性好，粒子细而呈球形，表面羟基少。但是从其工艺可知该法耗能大，对设备的要求高，成本较高。

由此可见，沉淀法白炭黑品质不够高、应用领域受局限，气相法白炭黑品质优异但能耗大成本高。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低能耗、高品质的白炭黑制备方法及其制备装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法，包括四甲基硅烷的燃烧，具体步骤包括：

A、四甲基硅烷通过输送泵从储罐进入到雾化装置，在雾化装置内气化后，以气态的四甲基硅烷送入到燃烧器；

B、送风机将风送给燃烧器；

C、四甲基硅烷和风喷出燃烧器，在炉膛内充分燃烧，根据化学反应式：C₄H₁₂Si+8O₂==4CO₂+6H₂O+SiO₂，生成白炭黑、水和二氧化碳；

D、燃烧产生的高温烟气流经烟气冷却器冷却后，进入捕集器捕集烟气中的白炭黑，然后尾气经引风机，通过烟囱排入大气。

在本发明中，所述送风机送给燃烧器的风量为过量空气系数1.0～1.5。

在本发明中，所述炉膛中的燃烧温度为800～1400℃。

在本发明中，所述捕集器中的烟气温度为80～150℃。

提供一种用于所述制备白炭黑的方法的制备装置，包括燃烧器，所述制备白炭黑的装置还包括储罐、输送泵、雾化装置、送风机、炉膛、烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱；储罐、输送泵、雾化装置和燃烧器依次连接，送风机与雾化装置连接在燃烧器的同一端，燃烧器的另一端伸入炉膛内部，且燃烧器在炉膛内部设有出风口，烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱依次连接在炉膛的另一端；所述雾化装置采用蒸发器或者气力雾化喷枪，气力雾化喷枪通过一端插入燃烧器内与燃烧器连接。

在本发明中，所述燃烧器为旋流燃烧器。

在本发明中，所述烟气冷却器内设置有过热器。

在本发明中，所述炉膛内设置有水冷壁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、传统沉淀法制取白炭黑品质较低，很多领域无法使用，本发明方法生产的白炭黑品质优异。

2、传统气相法制取白炭黑需要氢氧焰的高能耗，产物有氯化氢需要处理回收，本发明方法使用四甲基硅烷（C₄H₁₂Si）燃烧获取白炭黑，温度比1800℃低很多，设备要求也有所降低，有效节能省成本，产物为白炭黑、水和二氧化碳，相对环保。

3、炉膛中的热量可以用于对外供热或发电。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的制备装置示意图。

图2为本发明的实施例2中的制备装置示意图。

图中的附图标记为：1储罐；2输送泵；3蒸发器；4送风机；5燃烧器；6炉膛；7烟气冷却器；8捕集器；9引风机；10烟囱；11气力雾化喷枪。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法，具体步骤包括：

A、四甲基硅烷通过输送泵2从储罐1进入到雾化装置，在雾化装置内气化后，以气态的四甲基硅烷送入到燃烧器5；

B、送风机4将风送给燃烧器5，风量为过量空气系数1.0～1.5；

C、四甲基硅烷和风喷出燃烧器5，在炉膛6内充分燃烧，燃烧温度为800～1400℃，根据化学反应式：C₄H₁₂Si+8O₂==4CO₂+6H₂O+SiO₂，生成白炭黑、水和二氧化碳；

D、燃烧产生的高温烟气流经烟气冷却器7冷却后进入捕集器8，此时烟气的温度为80～150℃，捕集器8捕集烟气中的白炭黑，然后尾气经引风机9，通过烟囱10排入大气。

用于上述方法制备白炭黑的制备装置包括储罐1、输送泵2、雾化装置、送风机4、燃烧器5、炉膛6、烟气冷却器7、捕集器8、引风机9和烟囱10。储罐1、输送泵2、雾化装置和燃烧器5依次连接，送风机4与雾化装置连接在燃烧器5的同一端，燃烧器5的另一端伸入炉膛6内部，且燃烧器5在炉膛6内部设有出风口，烟气冷却器7、捕集器8、引风机9和烟囱10依次连接在炉膛6的另一端。所述燃烧器5为旋流燃烧器，烟气冷却器7内设置有过热器，炉膛6内设置有水冷壁，工质水在炉膛6水冷壁和过热器内吸热、汽化和过热，产生的热量可以用于对外供热或发电。

图1中的制备白炭黑的装置，雾化装置采用蒸发器3。在储罐1中的四甲基硅烷经输送泵2进入到蒸发器3中，再送入燃烧器5，由送风机4按照过量空气系数1.0～1.3配适当风量输送燃烧器5。四甲基硅烷和风在炉膛6内发生燃烧反应C₄H₁₂Si+8O₂==4CO₂+6H₂O+SiO₂，炉膛6内烟气温度为1100～1400℃。燃烧完全后的尾气中含有生成的白炭黑、水蒸气和二氧化碳，经烟气冷却器7降温后到捕集器8中完成白炭黑的捕集，捕集器8中烟气温度为80～150℃左右。尾气由引风机9运送至烟囱10排放。工质水在炉膛6水冷壁和过热器内吸热、汽化和过热，输出后进入汽轮机做功发电。

图2中的制备白炭黑的装置，雾化装置采用气力雾化喷枪11，气力雾化喷枪11通过一端插入燃烧器5内与燃烧器5连接。在储罐1中的四甲基硅烷经输送泵2泵入气力雾化喷枪11，由送风机4按照过量空气系数13～1.5配给适当风量送入燃烧器5。四甲基硅烷和风混合燃烧，燃烧反应为C₄H₁₂Si+8O₂==4CO₂+6H₂O+SiO₂，炉膛6内烟气温度为800～1200℃。燃烧完全后的尾气中含有生成的白炭黑、水蒸气和二氧化碳，经烟气冷却器7降温后到捕集器8中完成白炭黑的捕集，尾气由引风机9运送至烟囱10排放。

当然，上述具体实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，在不违背本发明的精神和主要特征的具体形式，都应认为是包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种燃烧四甲基硅烷制备白炭黑的方法，包括四甲基硅烷的燃烧，其特征在于，具体步骤包括：

B、送风机将风送给燃烧器；

2.根据权利要求1所述的制备白炭黑的方法，其特征在于，所述送风机送给燃烧器的风量为过量空气系数1.0～1.5。

3.根据权利要求1所述的制备白炭黑的方法，其特征在于，所述炉膛中的燃烧温度为800～1400℃。

4.根据权利要求1所述的制备白炭黑的方法，其特征在于，所述捕集器中的烟气温度为80～150℃。

5.一种用于权利要求1所述制备白炭黑的方法的制备装置，包括燃烧器，其特征在于，所述制备白炭黑的装置还包括储罐、输送泵、雾化装置、送风机、炉膛、烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱；储罐、输送泵、雾化装置和燃烧器依次连接，送风机与雾化装置连接在燃烧器的同一端，燃烧器的另一端伸入炉膛内部，且燃烧器在炉膛内部设有出风口，烟气冷却器、捕集器、引风机和烟囱依次连接在炉膛的另一端；所述雾化装置采用蒸发器或者气力雾化喷枪，气力雾化喷枪通过一端插入燃烧器内与燃烧器连接。

6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述燃烧器为旋流燃烧器。

7.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述烟气冷却器内设置有过热器。

8.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述炉膛内设置有水冷壁。