CN1038293A

CN1038293A - 软硬质炭黑生产两用反应炉及相关方法

Info

Publication number: CN1038293A
Application number: CN 89105906
Authority: CN
Inventors: 何宜恰
Original assignee: China Rubber Group Carbon Black Research and Design Institute
Current assignee: China Rubber Group Carbon Black Research and Design Institute
Priority date: 1989-05-02
Filing date: 1989-05-02
Publication date: 1989-12-27
Also published as: CN1014900B

Abstract

一种软、硬质炭黑生产两用反应炉及相关方法。反应炉由燃烧段、混合段、第一反应段和第二反应段组成。燃料(油或气)和原料油分别通入燃烧段和混合段，燃余气的热气流混合原料油滴急速流经第一、第二反应段、完成炭黑生产反应。只要适当调节工艺参数，便能转产不同品种炭黑，如硬质炭黑和软质炭黑。生产软质炭黑可降低能耗27％，生产硬质炭黑时能耗也达到先进水平。

Description

本发明是关于生产炭黑的反应炉及其相关生产方法的。

炭黑生产方法有接触法、气炉法、油炉法和热裂法等，其中，以油炉法最重要，使用最广泛。油炉法生产炭黑一般是采用由燃烧段、混合段、反应段组成的三段式反应炉，将空气和燃料（油或气）通到燃烧段完全燃烧产生高温气流，该气流经过混合段时向其中喷入原料油，原料油与高温气流高速混合，气流的高热促使原料油在混合段与反应段转变成炭黑，从反应段末端炉壁喷入急冷水终止炭黑生成反应，含炭黑的热气流经继续冷却后，由通道送到常规的收集器和成品造粒机。

油炉法生产用的反应炉按照所产炭黑特性和用途，分为硬质炭黑反应炉和软质炭黑反应炉两种类型。前者炉膛容积小，空气和原料油比值大，炉温高，炉内反应物流速湍急，生成反应区停留时间（以下简称停留时间）较短，炭黑颗粒小。后者炉膛容积较大，空气和原料油比值较小，炉温较低，炉内反应物流速较慢，停留时间较长，炭黑颗粒较大。因此，这两类炭黑反应炉的炉膛几何形状和生产中的主要工艺参数均截然不同。自三段式反应炉生产炭黑的新工艺技术问世后，将燃料和原料分别在前后不同位置通入，使燃料在燃烧段发生燃烧反应，原料在混合段与反应段进行炭黑生成反应，以强化反应过程，提高技术经济效益。

新工艺反应炉的结构特点是具有燃烧段、混合段、反应段，对生产软、硬质炭黑都同样适用，而且工艺参数除总燃烧率基本保持原样外，其它参数也向靠拢方向变动，例如，停留时间更接近了。因此，可以设想，设计一台反应炉轮流生产硬质和软质炭黑并非妄想。但是，目前新工艺炭黑生产中，仍分别用不同结构的三段式反应炉生产线制造软质炭黑和硬质炭黑。即使用一条生产线制造该二类炭黑也必须设置两个不同结构特点的反应炉，后续设备共用。这样，势必多投资，多占地，而且转产不同类别的炭黑时需切换反应炉，每次需影响生产几天，包括换炉、烘炉，并引起产品质量波动等。尤其难以适应急剧变化的市场要求。

本发明的一个目的是提供一种高效能的炭黑生产反应炉。

本发明的另一目的是提供一种只要改变工艺参数就能轮流生产硬质炭黑或N500、N600、N700系列软质炭黑的软、硬质炭黑生产两用反应炉（以下简称两用反应炉）。

本发明的再一目的是提供一种利用本发明的两用反应炉生产炭黑的方法。

本发明的又一个目的是提供一种利用本发明两用反应炉生产软质炭黑和硬质炭黑的方法。

本发明还有一个目的是提供一种收率高，能耗、成本皆低的炭黑生产方法。

附图是本发明的软、硬质炭黑生产两用反应炉的结构示意图。

两用反应炉同一般炭黑反应炉一样内衬耐火材料，外包钢铁壳（图中未表示）。按气流方向区分，两用反应炉由燃料燃烧段（11）、热气流与原料油混合段（12）、第一反应段（13）和第二反应兼冷却段（14）（以下简称第二反应段）组成。燃烧段（11）上游部的前段配有载体雾化喷燃器（18），该上游部侧面配有切向空气输入管（24），燃烧段（11）炉膛为圆筒形及渐缩圆锥形结合而成，圆筒部份的直径一般为380～720mm，最好是400～600mm;渐缩圆锥部份是联结该圆筒和喉管（26）的中间体，圆锥角一般为10～45度，最好是15～25度，夹角小，阻力损失小;燃烧段（11）的长度通常为该圆筒直径的3～5倍。混合段（12）分上游部和下游部，上、下游部的炉壁分别配设原料油喷油管（22）、（23），混合段（12）的上游部就是燃烧段（11）的圆锥最下游部，混合段下游部为圆筒形喉管（26），喉管的直径从选定的燃余气通过它的流速来决定，其工况流速一般为200～400m/S，喉管的长度通常为150～300mm。反应段分为第一反应段（13）和第二反应段（14），是直径不同的圆筒形;第一、第二反应段分别由内径不同的两段环形墙（27）、（28）构成;第一反应段（13）的上游部位侧向配有二次空气管道（25），第一反应段（13）的直径d₁介于喉管（26）直径d和第二反应段（14）直径d₂之间，通常是d₁在（d+d₂）/1.5至（d+d₂）/2.5范围内，其长度l₁与直径d₁之比l₁/d₁为1～5。第二反应段（14）的炉壁上依次设有分别用于生产硬质和软质炭黑时急冷的喷水管（19）和（20）以及继续冷却用的喷水管（21），这些水管上可分别配装多个水嘴，例如，从上游到下游顺次在水管（19）上配第1、2、3号水嘴，在水管（20）上配第4、5、6号水嘴，在水管（21）上配第7号水嘴等等;第二反应段（14）的直径为燃烧段（11）之圆筒部份直径的0.75～1.5倍，其长度决定于希望的停留时间和生产软、硬质炭黑所要求的有效容积。混合段和急冷位置前的反应段统称为本发明的炭黑生成反应区。第二反应段（14）后接通道（15）。本发明两用反应炉的总长度为9～15m，最好是11～14m。将燃料和原料油分开分别喷入反应炉的燃烧段和混合段，并使原料油喷油管的油喷嘴正处于炉内热气流的高温、高速部位。两用反应炉生产炭黑的方法如下。

燃料管（16）和助燃用空气管（17）的一端分别联接燃料源（油泵或燃气管）和鼓风机。管（16）另一端将燃料F送入接于燃烧段（11）前端的燃料喷燃器（18），管（17）另一端有轴向和侧向两个支路，轴向支路将空气A送入喷燃器（18），燃料F与空气A通到燃烧段（11）内燃烧。控制空气量和燃料量的比率使燃料完全燃烧和温度达到预期要求。燃料燃烧产生的高温气流经过混合段（12）时，与由油泵输送的原料油f经管（22）或管（23）喷入而高速混合，保持混合段内热气流温度高达1400～1600℃，流速高达200～400m/S，促进原料油滴微粒化和蒸汽化，紧接着流经第一反应段（13）和第二反应段（14），完成炭黑生成反应。而后根据不同炭黑品种、质量要求，选择恰当位置向第二反应段内喷入急冷水W，使预急冷后热气流降温至950℃左右，终止炭黑生成反应。生产硬质炭黑时用喷水管（19）喷预急冷水，生产软质炭黑时用水管（20）喷射预急冷水，再调节最终冷却水管（21）的喷水量，使含炭黑热气流继续降温到600～700℃，以满足后续的换热器和袋滤器等设备对气流温度的要求。降温后的含炭黑烟气经通道（15）送到常规收集器和成品造粒机。

原料油f的油路有2根喷油管（22）和（23），各有2个油嘴，径向喷入原料，油嘴间距180度，也可以均匀排列4个或6个油嘴。参照断面气流速度和炭黑产品的结构要求，可使用其中一根油管，不得同时使用该2根油管喷油。希望炭黑结构高则用油管（22）喷油，反之，使用管（23）。空气管（17）侧向支路又有2根支管（24）、（25），若发现燃烧段（11）炉膛结焦，在总空气量不变条件下，减少管（17）轴向气量，从管（24）通入空气去烧焦，无结焦则管（24）可常关闭。管（25）为二次空气通道，用以调节炭黑质量，控制炭黑结构性和焦粒含量，不用时可关闭。

燃烧段（11）对生产硬质炭黑和软质炭黑的作用基本相同，都是要求燃料完全燃烧并使热燃余气达到预期的温度和流速。本发明生产软质炭黑和硬质炭黑时，混合段（12）内原料油喷入处断面的高温气流速度分别定为200～300m/S和270～400m/S。对一次燃烧率的选用要求也基本相同，按通入燃烧段（11）的总空气量调节燃料（油或气）用量，使一次燃烧率符合要求，一般为130%～300%，最好是150%～250%。因此，本发明两用反应炉燃烧段（11）的炉温要比常规软质炭黑反应炉的炉温高，在设计耐火衬里时应考虑这个因素。混合段（12）的前后2组喷油嘴的作用在于调节炭黑的结构性，对软、硬质炭黑生产均适用。混合段（12）入口的热气流温度要求，对软、硬质炭黑生产都具有同样意义，但因硬质炭黑生产选用的总燃烧率高，而软质炭黑生产用的燃烧率低，所以，在混合段（12）和其后的第一反应段（13）和第二反应段（14）的热气流温度在生产硬质炭黑时高于生产软质炭黑时。本发明将炭黑的生成反应过程分为第一反应段（13）和第二反应段（14），不同于中国专利申请号88104177.7的反应炉只有一个反应段。设置内径不同的两段环形墙（27）和（28）分别构成第一反应段（13）和第二反应段（14），减缓含炭黑和残余油滴的气流突然扩散的势头，既收到因突然扩散所产生的剪切力而强化炭黑生成反应的效果，又可减少焦粒的形成。因为在不完全燃烧条件下，当油滴未汽化仍为液滴时与炽热的衬里耐火砖表面接触便生成焦粒，如果气流突然扩散的势头过大，则气流的流速锐减过猛，容易导致残余油滴与炉砖内表面接触形成焦粒，尤其生产软质炭黑时因采取较小的总燃烧率，在该部位的残余油滴较多，更易形成焦粒。本发明采用两个反应段就是为了生产软质炭黑时使炭黑中焦粒含量降到允许的范围。第二反应段（14）具有两个功能，一是完成炭黑生成反应，另一是喷入急冷水终止生成反应。由于硬质炭黑和软质炭黑生成所需要的停留时间差别很大，例如生产高耐磨炭黑控制的停留时间为0.015～0.05秒，生产通用炭黑控制的停留时间为0.2～0.5秒。而停留时间与原料油f喷入之后的炉膛有效容积成正比，故软质炭黑生产要求的第二反应段（14）的有效容积大，硬质炭黑生产要求的容积小。兼顾两方面的不同要求，选定恰当的炉膛直径，再以软质炭黑所需要的有效容积为依据，设计第二反应段（14）的长度。生产软质炭黑时从急冷水管（20）喷水终止生成反应，保证较长的停留时间;生产硬质炭黑时从急冷水管（19）喷水，缩短停留时间，使之达到要求，其后炉膛即附图中的符号“C”所指的区域便作继续冷却和通道之一部份使用。

本发明的两用反应炉具有两个显著优点。一是既可生产软质炭黑，又可用于生产硬质炭黑，对市场需求的应变能力强。尤其是中、小炭黑厂，为最大限度满足新老用户对产品不断变化的要求，灵活安排炭黑生产品种和提高竞争能力，采用本发明的两用反应炉生产炭黑是特别有利的。第二个优点是用本发明的两用反应炉生产软质炭黑时可降低能耗27%，成本进一步减少，生产硬质炭黑时的油耗与新工艺三段反应炉的先进油耗水平相似，而且一般软质炭黑反应炉生产时常有结焦现象发生，使工艺不稳定和产品质量降低，而本发明生产时无结焦现象，使产品中含焦量大大减少，保证了产品质量。从下面以表格形式列出的实例还可进一步看到其它优点和积极效果。

表1是本发明两用反应炉试验的主要工艺操作参数。

表2是炭黑油耗和炭黑产品质量。

表3是本发明两用反应炉生产软质炭黑与常规反应炉经济效益比较。

Claims

1、一种软、硬质炭黑生产两用反应炉，由内衬耐火材料外包钢铁壳的燃烧段、混合段、反应兼冷却段组成，其特征在于，燃烧段(11)上游部的前端配有载体雾化喷燃器(18)，该上游部侧面配有切向空气输入管(24)，燃烧段(11)炉膛为圆筒形和渐缩圆锥形结合而成；混合段(12)分上、下游部，混合段(12)的上游部就是燃烧段(11)的圆锥最下游部，混合段下游部为圆筒形喉管(26)；反应段分为直径不同的圆筒形第一反应段(13)和第二反应兼冷却段(14)。

2、根据权利要求1所述的两用反应炉，其特征在于，燃烧段（11）炉膛圆筒部份直径一般为380～720mm，最好是400～600mm，其渐缩圆锥部份的锥角一般为10～45度，最好是15～25度，燃烧段（11）的长度通常为该圆筒直径的3～5倍。

3、根据权利要求1所述的两用反应炉，其特征在于，混合段（12）的上、下游部的炉壁分别配设喷油管（22）、（23），喉管（26）的直径决定于选定的燃余气通过它的流速，此流速一般为200～400m/S，喉管（26）长度为150～300mm。

4、根据权利要求1所述的两用反应炉，其特征在于，第一反应段（13）的上游部位侧向配有二次空气管道（25），第一反应段直径d₁介于喉管（26）直径d和第二反应段直径d₂间，通常d₁在（d+d₂）/1.5至（d+d₂〕/2.5范围内，其长度l₁与直径d₁之比l₁/d₁为1～5;第二反应段（14）的炉壁上依次设有分别用于生产硬质和软质炭黑时急冷的喷水管（19）和（20）以及继续冷却用的喷水管（21），第二反应段直径为燃烧段圆筒部份直径的0.75～1.5倍，其长度决定于希望的停留时间和生产软、硬质炭黑要求的有效容积;两用反应炉的总长度为9～15m，最好是11～14m。

5、一种使用权利要求1至4所述的软、硬质炭黑生产两用反应炉生产炭黑的方法，将空气和燃料（油、气）通到燃烧段完全燃烧产生高温气流，该气流经过混合段时向其中喷入原料油，原料油与高温气流高速混合，气流的高热促使原料油在混合段与反应段转变成炭黑，从反应段末端炉壁喷入急冷水终止炭黑生成反应，含炭黑的热气流经继续冷却后，由通道送到常规的收集器和成品造粒机，本方法的特征在于，保持混合段（12）内的热气流温度为1400～1600℃，流速为200～400m/S，使用位于混合段（12）的喷油管（22）喷油以提高炭黑结构，使用管（23）喷油以生产结构低的炭黑，根据不同炭黑品种、质量要求，选择恰当位置向第二反应段（14）内喷入急冷水，终止炭黑生成反应。

6、根据权利要求5所述的生产炭黑的方法，其特征在于，生产N500、N600、N700系列软质炭黑时，混合段（12）内原料油喷入处断面的高温气流速度为200～300m/S，从第二反应段（14）炉壁上的喷水管（20）喷入急冷水终止炭黑生成反应，保证较长的停留时间。

7、根据权利要求5所说的生产炭黑的方法，其特征在于，生产硬质炭黑时，混合段（12）内原料油喷入处断面的高温气流速度为270～400m/S，从第二反应段（14）炉壁上的喷水管（19）喷入急冷水终止炭黑生产反应，缩短停留时间。