CN109321004B - 一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来制造炉法炭黑方法的油气炉法炭黑或油油炉法炭黑生产系统排出烟气含NOx浓度比常规炭黑制造方法排出烟气含NOx浓度低。有益效果：采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来制造炉法炭黑方法的炭黑生产系统，其排出烟气含NOx浓度比常规炭黑制造方法排出烟气含NOx浓度低，实现炭黑烟气低氮制造方法，如实施例生产N100、N200、N300系列炭黑，其优点是显而易见的。
Description
技术领域
本发明属于炭黑工业生产技术领域中的炭黑生产方法，确切的讲是一种由分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能，排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法。
背景技术
炉法炭黑制造方法，是在反应炉中燃料完全燃烧提供给由喉管段喷入的原料油裂解所需热动能制造炭黑的方法。炉法炭黑制造技术，燃烧段燃烧温度由1400℃现已提升到2000℃。燃料在空气条件下燃烧，空气里的氧与氮化合生成NOx，其生成量随火焰温度峰值的升高急剧升高，存在于烟气中的NOx随经袋滤器扑集下炭黑后排出。
现有技术中是用70～90％的气体燃料在接近化学剂量下，采用最高温度下燃烧，外层由30～10％燃料气天然气包围，余下工艺空气由第三段火焰处进入燃烧段后部。燃烧段分布：预燃段温度在近于入炉工艺空气温度650～950℃；燃烧段前部70-90％燃料在接近化学计量下，即1980～2000℃高温下燃烧，生成的NOx,被外层包围10～30％燃料气天然气包围还原成N2，是燃烧段的最高温度段，余下工艺空气由第三段火焰处进入燃烧段后部1850℃完成终燃，在整个燃烧段的温度分布曲线是一条似倒抛物线形曲线。因主要燃料是在高温下燃烧，生成较多的NOx，设置空气-烟气引流器等装置,用烟气冲淡高温火焰浓度，以减少NOx生成量。
本发明的技术人员认真地研究了炭黑生产过程中制造工艺与烟气中NOx生成的关系，采用由分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来制造炉法炭黑的方法,从源头治理的方法来降低NOx的生成，实际应用中具有设备投资或改造成本小、运行费用低、脱硝率高的优点。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前炭黑制造商采用对炭黑生产的排放烟气脱硝处理工艺，设备投资大、运行费用高，转化率低，影响装置使用率等问题而提出来的。
本发明的技术方案:
一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，其炭黑反应炉依次包括低氮燃烧段、喉管段、反应段、急冷段和滞留段，所述低氮燃烧段由低氮燃烧段的预混段和低氮燃烧段的燃烧段组成，所述低氮燃烧段的预混段设有多孔预混套，所述多孔预混套分别连接一级工艺空气进口和轴向设置的一级燃料枪，所述一级燃料枪由反应炉轴向伸进多孔预混套，在低氮燃烧段的入口形成第一次火焰；所述低氮燃烧段的燃烧段的前部设有二级燃料枪，所述二级燃料枪的数量为8～24支，喷入二级燃料包围第一次火焰，一次火焰产生的NOx被还原成N2，并形成二次火焰；低氮燃烧段的燃烧段后部设有二级工艺空气进口，在低氮燃烧段后部形成第三次火焰，完成燃料终燃；所述喉管段设有原料油枪，所述急冷段上设有第一急冷水枪，滞留段上设有第二急冷水枪；所述排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来经过一次富空气燃烧、二次还原燃烧和三次终燃以达到完全燃烧进而实现炉法炭黑制造，所述分散控制系统(DCS)数学模型为：F/A＝f(ta、tf、fcom)、F/A＝a-bta，式中：燃料质量流率(F)、工艺空气质量流率(A)、工艺空气进入反应炉温度(ta)、燃料进入反应炉温度(tf)、燃料组成(fcom)，a、b为常数。
所述一级燃料枪控制燃料质量流率为F1，所述二级燃料枪控制燃料质量流率为F2；所述一级工艺空气进口控制工艺空气质量流率为A1，所述二级工艺空气进口控制工艺空气质量流率为A2，F1和A1在1400～1500℃下预混燃烧，生成较少N0x的一次火焰，注入F2包围一次火焰，F2生成的CH+3、H2、CO、CnHm等还原一次火焰区产生的NOx成氮气N2，形成二次火焰，然后工艺空气质量流率A2包围二次火焰A2燃余气形成三次火焰，完成燃料燃尽。供给燃料质量流率和工艺空气质量流率不变，即提供原料油裂解所需要热动能不变。
有益效果：采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来制造炉法炭黑方法的炭黑生产系统，其排出烟气含NOx浓度比常规炭黑制造方法排出烟气含NOx浓度低，实现炭黑烟气低氮制造方法，如实施例生产N100、N200、N300系列炭黑，其优点是显而易见的。
本发明方法的炭黑反应炉的一级燃料枪采用轴向设置，既可以采用气体燃料又可以采用液体燃料，避免了径向设置易喷到预混段圆筒壁上或相邻枪喷出易交汇的缺点，从而可实现油气炉法炭黑制造和油油炉法炭黑制造。
本发明方法采用分散控制系统(DCS)数学模型，可控的较低温1400～1500℃燃烧，生成NOx较少，可以省略空气-烟气引流器等装置(如再设置空气-烟气引流器等装置,用烟气冲淡高温火焰浓度，使其燃烧温度降低，不利于燃烧)。10～30％燃料气或燃料油包围一次燃烧火焰，外层包围10～30％燃料气或燃料油包围，还原生成的NOx成N2形成二次火焰，未燃部分与加入的余下工艺空气在1980℃完成终燃；在整个燃烧段的温度分布曲线是一条似正抛物线形曲线，进入喉管段的温度比一般的方法高，燃烧段末端温度更高，炭黑质量更好，同时油耗低，即炭黑收率高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的炭黑反应炉的示意图1。
图2为本发明的炭黑反应炉的示意图2。
具体实施方式
以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明,需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
结合图1和图2所示，一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，其炭黑反应炉依次包括：低氮燃烧段1、喉管段2、反应段3、急冷段4和滞留段5，所述低氮燃烧段1由低氮燃烧段的预混段1-1和低氮燃烧段的燃烧段1-2组成，所述低氮燃烧段预混段1-1设有多孔预混套1-1-1，所述多孔预混套1-1-1连接一级工艺空气进口1-1-3和一级燃料枪1-1-2，所述低氮燃烧段的燃烧段1-2的前部设有二级燃料枪1-2-2，低氮燃烧段燃烧段1-2后部设有二级工艺空气进口1-2-3，所述喉管段2设有原料油枪2-1，所述急冷段4上设有第一急冷水枪4-1，滞留段5上设有第二急冷水枪5-1；所述排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来经过一次富空气燃烧、二次还原燃烧和三次终燃以达到完全燃烧进而实现炉法炭黑制造，所述分散控制系统(DCS)数学模型为：F/A＝f(ta、tf、fcom)和F/A＝a-bta，式中：燃料质量流率(F)、工艺空气质量流率(A)、工艺空气进入反应炉温度(ta)、燃料进入反应炉温度(tf)和燃料组成(fcom)，a、b是常数，a、b取决于燃烧段燃烧温度,燃料的组成。
一个燃烧温度对应一个F/A＝a-bta，输入到炭黑生产分散控制系统(DCS)数学模型里，即得到对应于一系列烧温度的一系列F/A＝a-bta。
对应一个燃烧段燃烧温度的F/A＝a-bta，输入燃烧段工艺空气质量流率A和进入燃烧段工艺空气温度ta测量值，DCS就计算出相对应的燃料质量流率F。关于燃料F分为F1、F2，工艺空气A分为A1、A2由DCS的燃烧数学模型编程控制。见表1：
表1由分散控制系统(DCS)数学模型计算的F A分配示意
| 燃烧温度℃ | F1 | F2 | A1 | A2 | F1/A1 | A1/F1 |
| 1960100％ | 525 | 9750 | ||||
| 1400100％ | 273 | 9750 | ||||
| 90％ | 246 | 279 | 8775 | 975 | 0.03 | 35.73 |
| 80％ | 218 | 306 | 7800 | 1950 | 0.03 | 35.73 |
| 70％ | 191 | 334 | 6825 | 2925 | 0.03 | 35.73 |
| 1960100％ | 525 | 9750 | ||||
| 1500100％ | 313 | 9750 | ||||
| 90％ | 282 | 243 | 8775 | 975 | 0.03 | 31.13 |
| 80％ | 251 | 274 | 7800 | 1950 | 0.03 | 31.13 |
| 70％ | 219 | 306 | 6825 | 2925 | 0.03 | 31.13 |
例如：
燃烧段燃烧温度1960℃F/A＝0.084179-3.79462E-05ta
工艺空气流率A＝9750Nm3/h ta＝800℃，则F＝525kg/h。
(1)若一级燃烧温度1400℃，F/A＝0.058024-3.75452E-05ta
工艺空气流率A＝9750Nm3/h ta＝800℃，则F＝273kg/h采用90％的工艺空气流率A1＝8775Nm3/h 90％的燃料＝246kg/h，
则A2＝9750-8775＝975Nm3/h F2＝525-246＝279kg/h。
(2)若一级燃烧温度1500℃，F/A＝0.062209-3.76094E-05ta
工艺空气流率A＝9750Nm3/h ta＝800℃，则F＝313kg/h。
采用90％的工艺空气流率A1＝8775Nm3/h 90％的燃料F1＝282kg/h
则A2＝9750-8775＝975Nm3/h F2＝525-282＝243kg/h。
上述计算工作，由操作给定一次空气流率的比值，由分散控制系统(DCS)数学模型组态的燃烧模型编程自动执行。下面分别给出各实施例的具体数据。
实施例1：油气炉法硬质炭黑N121的制造方法实施例。
实施例2：油气炉法硬质炭黑N234的制造方法实施例。
实施例3：油气炉法硬质炭黑N339的制造方法实施例。
实施例4：油油炉法硬质炭黑N121的制造方法实施例。
实施例5：油油炉法硬质炭黑N234的制造方法实施例。
实施例6：油油炉法硬质炭黑N339的制造方法实施例。
实施例1
注：100％-常规炭黑制造方法90％-一级焦炉煤气流率F1＝90％F80％-一级焦炉煤气流率F1＝80％F 70％-一级焦炉煤气流率F1＝70％F
实施例2
注：100％-常规炭黑制造方法90％-一级焦炉煤气流率F1＝90％F
80％-一级焦炉煤气流率F1＝80％F 70％-一级焦炉煤气流率F1＝70％F
实施例3
注：100％-常规炭黑制造方法；1-一级焦炉煤气流率F1＝70％F
2一级焦炉煤气流率F1＝80％F；3-一级焦炉煤气流率F1＝90％F
实施例4
注：100％-常规炭黑制造方法90％-一级燃料油流率F1＝90％F
80％-一级燃料油流率F1＝80％F 70％-一级燃料油流率F1＝70％F
实施例5
注：100％-常规炭黑制造方法90％-一级燃料油流率F1＝90％F
80％-一级燃料油流率F1＝80％F 70％-一级燃料油流率F1＝70％F
实施例6
注：100％-常规炭黑制造方法90％-一级燃料油流率F1＝90％F
80％-一级燃料油流率F1＝80％F 70％-一级燃料油流率F1＝70％F
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，其炭黑反应炉依次包括低氮燃烧段(1)、喉管段(2)、反应段(3)、急冷段(4)和滞留段(5)，所述低氮燃烧段(1)由低氮燃烧段的预混段(1-1)和低氮燃烧段的燃烧段(1-2)组成，所述低氮燃烧段的预混段(1-1)设有多孔预混套(1-1-1)，所述多孔预混套(1-1-1)分别连接一级工艺空气进口(1-1-3)和一级燃料枪(1-1-2)，所述低氮燃烧段的燃烧段(1-2)的前部设有二级燃料枪(1-2-2)，低氮燃烧段的燃烧段(1-2)后部设有二级工艺空气进口(1-2-3)，所述喉管段(2)设有原料油枪(2-1)，所述急冷段(4)上设有第一急冷水枪(4-1)，滞留段(5)上设有第二急冷水枪(5-1)，其特征在于：
所述一级燃料枪(1-1-2)由炭黑反应炉的轴向伸进多孔预混套(1-1-1)；
所述排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法采用分散控制系统(DCS)数学模型控制变温燃烧温度场燃烧模式提供原料油裂解所需热动能来经过一次富空气燃烧、二次还原燃烧和三次终燃以达到完全燃烧进而实现炉法炭黑制造；
所述分散控制系统(DCS)数学模型为：F/A＝f(ta、tf、fcom)、F/A＝a-bta，式中：燃料质量流率(F)、工艺空气质量流率(A)、工艺空气进入反应炉温度(ta)、燃料进入反应炉温度(tf)和燃料组成(fcom)，a、b为常数。
2.根据权利要求1所述一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，其特征在于：
所述二级燃料枪(1-2-2)的数量为8～24支。
3.根据权利要求1所述一种排放低氮烟气的炉法炭黑制造方法，其特征在于：
进入炭黑反应炉的一级燃料为气体燃料或/和液体燃料，二级燃料为气体燃料或/和液体燃料。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Lindong Inventor after: Huang Jingbin Inventor before: Chen Lindong |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A furnace method for manufacturing carbon black that emits low nitrogen flue gas Granted publication date: 20200728 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Guangzhou Taojin Sub branch Pledgor: MAOMING HUANXING NEW MATERIAL Co.,Ltd. Registration number: Y2024980025452 |