CN107151018B - 一种二硫化碳反应炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二硫化碳生产设备技术领域，尤其涉及一种适用于天然气硫磺法生产二硫化碳的二硫化碳反应炉。其包括炉体外壳，炉体外壳的顶部连接有烟囱，炉体外壳内设有呈筒状的盘管，旋转盘管的顶部设有第三进口，底部设有第三出口；炉体外壳内的底部设有燃烧器，燃烧器的中心位于旋转盘管的轴线上。本发明提供的一种二硫化碳反应炉，降低了炉管出现局部磨损的几率，且可避免管内结焦现象，使得炉管的使用寿命更长，延长设备运行周期。

Description

一种二硫化碳反应炉

技术领域

本发明涉及二硫化碳生产设备技术领域，尤其涉及一种适用于天然气硫磺法生产二硫化碳的二硫化碳反应炉。

背景技术

二硫化碳是一种广泛应用于人造纤维、玻璃纸、化工、农药、橡胶、冶金、炼油等工业部门的重要化工原料。工业上通常采用硫磺与木炭、焦炭、天然气或丙烯等含碳物质通过化学反应制取。木炭法和焦炭法都是间歇生产，在加炭、加硫、清渣等操作中不可避免地外排有毒有害废气、废渣，2013年5月1日起实施的《二硫化碳行业准入条件》要求淘汰污染严重、工艺落后的木炭法、焦炭法间歇生产装置；鼓励采用先进的天然气法生产工艺。目前天然气法成为二硫化碳的主要生产方法。

国内外天然气法工艺技术主要有以下几种：一是FMC技术，该技术以硅胶为催化剂，在480～650℃、0.5Mpa条件下，使甲烷气在两个串联的固定床反应器中进行硫化反应。反应物经两步反应除去过硫，再用油吸收分离H₂S，最后用蒸馏法精制得到二硫化碳成品。转化率为85％～90％(以甲烷计)。副产H₂S(0.9tH₂S/t.cs₂)，用克劳斯法回收硫，再作为原料使用。

二是改进FMC技术，在480～650℃、1.0～1.8Mpa，无催化剂条件下，在固定床反应器中进行硫化反应。用冷凝法去除反应物中过剩的硫，剩余物直接进分离塔分出H₂S，再用精馏塔精制得到二硫化碳成品。转化率为97％(以甲烷计)。

三是Stauffer技术，在600～650℃、0.5～0.8Mpa，无催化剂条件下，天然气在两个串联的反应器中进行硫化反应。用冷凝洗涤法去除反应物中过剩硫，剩余反应物经初凝后，不凝气进油吸收系统分出H₂S，送克劳斯装置回收硫。冷凝液进三塔组成的精制系统蒸馏、碱洗得到CS₂成品。转化率为97％(以甲烷计)。

四是PPG技术，该方法与Stauffer基本相同，只是需要以硅胶为催化剂，甲烷气在稍低压力下进行硫化反应。并且精制系统由三个蒸馏塔组成，无碱洗操作。

五是将天然气和硫磺在管式加热炉的预热段加热到100～400℃，与过量5～15％的硫磺经静态混合器混合后，进入管式加热炉的加热反应段，在温度为550～800℃、0.3～1.0Mpa下进行部分反应，未反应气体硫磺和天然气在绝热反应器内继续反应，反应结束后，将绝热出来的混合气体进行分离。

六是高压非催化天然气法，是让净化后的天然气进入反应炉冲激段，预热升温到300～500℃后，与进入冲激段的液硫混合，硫磺在冲激段被冲激迅速升温汽化，混合后的反应物经炉管输送至辐射段，被加热到550～700℃，压力为0.5～1.35Mpa。碳硫摩尔比为1：2～3，反应物在炉内停留1.5～25秒，排烟温度为100～300℃。

虽然以天然气硫磺为原料生产二硫化碳的工艺很多，其核心设备都是将天然气和硫磺加热到反应温度并维持反应所需热量的反应炉。理想的反应炉要求既能给反应提供足够的热量，还要稳定可靠能维持长周期运行，同时还要能够合理利用余热，降低装置能耗。中国专利CN100503437C文件公布了一种高压非催化天然气法制造二硫化碳的反应炉，该设备的典型特点是炉型为箱式炉或梯形炉，炉管以排管式布置，燃烧器分层布置在排管两侧，火焰距排管距离较近，容易出现局部过热，使物料在管内结焦；另一方面排管转弯处采用180°弯头，对于管内气、液、固三相流，在较高流速下三相流中的固体颗粒对弯头处炉管壁金属的磨损非常严重，大大降低了炉管使用寿命。

因此，目前常用的反应炉普遍存在管内易结焦及易磨损的现象，不利于设备长期稳定的运行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种二硫化碳反应炉，以解决现有技术中存在的管内易结焦、易磨损的技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种二硫化碳反应炉，包括炉体外壳，所述炉体外壳的顶部连接有烟囱，所述炉体外壳内设有呈筒状的旋转盘管，所述旋转盘管的顶部设有第三进口，底部设有第三出口；

所述炉体外壳内的底部设有燃烧器，所述燃烧器的中心位于所述旋转盘管的轴线上。

进一步的，所述炉体外壳内设有圆筒状的炉膛，所述炉膛的轴线与所述旋转盘管的轴线相重合。

进一步的，所述炉体外壳内位于所述旋转盘管的上方设有至少一个预热盘管。

进一步的，所述炉体外壳内由上至下依次设置有一级预热盘管、二级预热盘管及所述旋转盘管；

所述一级预热盘管的顶部设有第一进口，底部设有第一出口；

所述二级预热盘管的顶部设有第二进口，底部设有第二出口。

进一步的，所述旋转盘管包括支架，所述支架包括上环形支撑圈和下环形支撑圈，所述上环形支撑圈和所述下环形支撑圈之间通过多根立柱连接；

所述立柱上设有多个用于支撑所述旋转盘管边缘的支撑杆，所述旋转盘管顶部及顶部的管路通过U形卡子与所述立柱连接。

进一步的，所述旋转盘管所形成的圆筒的直径不小于2000mm，所述旋转盘管的材质为ZG40Cr25Ni20Nb，规格为Φ89～Φ159，先通过离心浇铸工艺加工成直管，800～1000℃加热条件下在模具中热弯形成螺旋形弯管，再采用焊接方式将各段螺旋形弯管连接成整组所述旋转盘管。

进一步的，所述燃烧器的火焰位于所述燃烧器的中部，所述燃烧器产生的火焰外焰与所述炉膛的内壁之间的距离大于200mm。

进一步的，所述炉膛的内壁上设有炉衬，所述炉衬的材质为隔热耐火材料，具体的，所述炉膛的底部采用重质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，所述炉膛的侧壁采用轻质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，所述炉膛的上部和所述烟囱采用轻质耐热混凝土材料。

进一步的，所述炉体外壳与所述烟囱通过法兰连接。

进一步的，所述炉衬上涂有高温辐射反射涂层，所述高温辐射反射涂层可长期耐温1300℃以上。

本发明提供的一种二硫化碳反应炉，使用时，螺旋盘管提供了较大的回转半径，完全消除急弯，气、液、固三相流在较高流速下，有效地降低了管内流体对管壁的局部磨损，显著延长了旋转盘管的使用寿命；同时，燃烧器设置在旋转盘管的中部，旋转盘管不与燃烧器的火焰相接触，采用辐射加热的方式，可以避免旋转盘管局部高温而发生的管内结焦现象。

该二硫化碳反应炉，降低了旋转盘管出现局部磨损的几率，且可避免管内结焦现象，使得旋转盘管的使用寿命更长，延长设备运行周期。

附图说明

图1是本发明提供的二硫化碳反应炉的剖视图；

图2是本发明提供的二硫化碳反应炉旋转盘管的剖视图；

图3是本发明提供的二硫化碳反应炉旋转盘管的俯视图；

图4是图2中A处的局部放大图；

图5是本发明提供的二硫化碳反应炉预热盘管处的剖视图。

图中：

1、炉体外壳；2、烟囱；3、旋转盘管；4、第三进口；5、第三出口；6、燃烧器；7、一级预热盘管；8、第一进口；9、第一出口；10、二级预热盘管；11、第二进口；12、第二出口；13、上环形支撑圈；14、下环形支撑圈；15、立柱；16、支撑杆；17、U形卡子；18、炉衬；19、法兰；20、高温辐射反射涂层。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-5所示，一种二硫化碳反应炉，包括炉体外壳1，炉体外壳1的顶部连接有烟囱2，炉体外壳1内设有呈筒状的旋转盘管3，旋转盘管3的顶部设有第三进口4，底部设有第三出口5；

炉体外壳1内的底部设有燃烧器6，燃烧器6的中心位于旋转盘管3的轴线上。

其中，旋转盘管3的材质为ZG40Cr25Ni20Nb，规格为Φ89～Φ159，先通过离心浇铸工艺加工成直管，850℃加热条件下在模具中热弯形成螺旋形弯管，再采用焊接方式将各段螺旋形弯管连接成整组旋转盘管3。

该二硫化碳反应炉为圆形炉，其内的炉管为旋转盘管3，由于二硫化碳反应炉的炉管内介质是气、液、固三相流，在较高流速下，三相流中的固体颗粒对炉管壁金属的冲蚀情况严重，尤其是急弯处，不应采用急弯弯管，一般认为转变处回转直径应大于6倍管径。优选的，旋转盘管3所形成的圆筒的直径不小于2000mm，提供较大的回转半径，且完全消除了急弯，有效地降低了管内流体对管壁的局部磨损，显著延长了炉管的使用寿命，据实际案例验证，连续运行两年炉管未发现壁厚减薄现象。

将燃烧器6布置在炉体外壳1内的底部，根据反应所需热负荷确定燃烧器6数量和布置方式。火焰位于旋转盘管3围成的圆形区中部，优选的，燃烧器6产生的火焰外焰与炉膛的内壁之间的距离大于200mm，炉管不受火焰直接灼烧，而是依靠辐射加热，这样可以避免炉管局部高温而发生的管内结焦现象。每个燃烧器6配置单独的燃烧控制系统，可以分别调节每个燃烧器6的助燃气体流量、喷射方向和喷射速度，从而适应工况或负荷变化。

炉体外壳1内设有圆筒状的炉膛，炉膛的轴线与旋转盘管3的轴线相重合。反应炉为圆形炉，其优点在于圆形炉与箱式炉相比，燃烧器6的数量显著减少，热源集中，利于反应炉的加热使用。

炉体外壳1内位于旋转盘管3的上方设有至少一个预热盘管。预热盘管的作用是对于反应炉内的余热进行回收，在预热有烟囱2排出之前，可进行预热回收，可节约能源，降低成本。

优选的，炉体外壳1内由上至下依次设置有一级预热盘管7、二级预热盘管10及旋转盘管3；

一级预热盘管7的顶部设有第一进口8，底部设有第一出口9；

二级预热盘管10的顶部设有第二进口11，底部设有第二出口12。

每级的预热盘管均单独设置有进口和出口，可单独操作使用，互不干扰，使用时，越靠近旋转盘管3的余热盘管可换热的热量温度高，相应的越靠近烟囱2的可换热的热量温度低。

旋转盘管3包括支架，其材料为ZG40Cr25Ni20Nb的耐热钢管，支架包括上环形支撑圈13和下环形支撑圈14，上环形支撑圈13和下环形支撑圈14之间通过多根立柱15连接，一般为6-10根立柱15；

立柱15上设有多个用于支撑旋转盘管3边缘的支撑杆16，旋转盘管3顶部及顶部的管路通过U形卡子17与立柱15连接。

支架为安装旋转盘管3的一个框架结构，旋转盘管3在工作状态下温度由常温升高到800℃以上，由于受热膨胀，旋转盘管3沿长度方向伸长，采用框架结构可将变形约束在框架内

优选的，燃烧器6的火焰位于燃烧器6的中部，燃烧器6产生的火焰外焰与炉膛的内壁之间的距离大于200mm。旋转盘管3通过支架安装在炉体外壳1的炉膛内，使用时，确保燃烧器6发出的火焰不与旋转盘管3直接接触。

炉膛的内壁上设有炉衬18。炉衬18为隔热耐火材料，具体的，炉膛的底部采用重质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，炉膛的侧壁采用轻质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，炉膛的上部和所述烟囱采用轻质耐热混凝土材料；炉衬上涂有高温辐射反射涂层20，高温辐射反射涂层20可长期耐温1300℃以上。通过涂层的反射增加辐射效率，提高炉膛温度场的均匀性，达到增加热效率的目的。

炉体外壳1与烟囱2通过法兰19连接。采用法兰19连接为一种可拆卸的连接方式，必要时，可打开反应炉，对内部的余热盘管或旋转盘管3进行更换或检修等操作。

具体使用时，天然气从第一进口8进入一级预热盘管7内，外部烟气将其加热到200℃，由第一出口9排出；天然气和液态硫混合物由第二进口11进入二级预热盘管10内，高温烟气将其加热230℃，由第二出口12排出。然后天然气和液态硫混合物再由第三进口4进入旋转盘管3内，利用火焰产生的热辐射继续加热旋转盘管3内的物料，达到反应所需温度650～800℃，并在旋转盘管3内反应，生成物由位于炉底的第三出口5排出。

由于甲烷和硫磺的反应是放热反应，当物料开始反应后无需再由外界输入热，底部设置的独立调节燃烧器6可将火焰高度控制在较高位置，使上段旋转盘管3处于辐射强度较高的区域，使下段旋转盘管3所受的辐射强度降低，仅依靠反应热即可维持后续反应，这将显著减轻旋转盘管3内的结焦倾向，延长设备运行周期。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二硫化碳反应炉，其特征在于，包括炉体外壳(1)，所述炉体外壳(1)的顶部连接有烟囱(2)，所述炉体外壳(1)内设有呈筒状的旋转盘管(3)，所述旋转盘管(3)的顶部设有第三进口(4)，底部设有第三出口(5)；

所述炉体外壳(1)内的底部设有燃烧器(6)，所述燃烧器(6)的中心位于所述旋转盘管(3)的轴线上；

所述炉体外壳(1)内由上至下依次设置有一级预热盘管(7)、二级预热盘管(10)及所述旋转盘管(3)；

所述一级预热盘管(7)的顶部设有第一进口(8)，底部设有第一出口(9)；

所述二级预热盘管(10)的顶部设有第二进口(11)，底部设有第二出口(12)；

所述炉体外壳(1)内设有圆筒状的炉膛，所述炉膛的轴线与所述旋转盘管(3)的轴线相重合；

所述燃烧器(6)的火焰位于所述燃烧器(6)的中部，所述燃烧器(6)产生的火焰外焰与所述炉膛的内壁之间的距离大于200mm；

所述旋转盘管(3)所形成的圆筒的直径不小于2000mm；

所述炉膛的内壁上设有炉衬(18)，所述炉衬(18)上涂有高温辐射反射涂层(20)。

2.根据权利要求1所述的二硫化碳反应炉，其特征在于，所述旋转盘管(3)包括支架，所述支架包括上环形支撑圈(13)和下环形支撑圈(14)，所述上环形支撑圈(13)和所述下环形支撑圈(14)之间通过多根立柱(15)连接；

所述立柱(15)上设有多个用于支撑所述旋转盘管(3)边缘的支撑杆(16)，所述旋转盘管(3)顶部及顶部的管路通过U形卡子(17)与所述立柱(15)连接。

3.根据权利要求1所述的二硫化碳反应炉，其特征在于，所述旋转盘管(3)的材质为ZG40Cr25Ni20Nb，规格为Φ89～Φ159，先通过离心浇铸工艺加工成直管，800～1000℃加热条件下在模具中热弯形成螺旋形弯管，再采用焊接方式将各段螺旋形弯管连接成整组所述旋转盘管(3)。

4.根据权利要求1所述的二硫化碳反应炉，其特征在于，所述炉衬(18)的材质为隔热耐火材料，所述炉膛的底部采用重质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，所述炉膛的侧壁采用轻质耐热混凝土与耐火纤维毡组合隔热材料，所述炉膛的上部和所述烟囱采用轻质耐热混凝土材料。

5.根据权利要求1所述的二硫化碳反应炉，其特征在于，所述炉体外壳(1)与所述烟囱(2)通过法兰(19)连接。

6.根据权利要求1所述的二硫化碳反应炉，其特征在于，所述高温辐射反射涂层(20)耐温温度大于1300℃。

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