CN110511599A - 硬质炭黑反应炉 - Google Patents
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Abstract
一种硬质炭黑反应炉，包括依次相接的喷燃器、燃烧室、喉管段、反应段、反应终止急冷段、炭黑烟气停留段；燃烧室第一直管段长度的合理设计，使得燃料充分燃烧，从而节省了燃料；喉管段设计双排原料油枪，使得原料喷入反应炉雾化更好；反应段采用斜面变径，使得反应的炭黑烟气流再次增速，增加剪切力和裂解程度，使得反应均匀剧烈，生产出的炭黑粒子更均匀；反应终止急冷段采用与反应段结合再次扩张，使得炭黑在反应终止前的结构度更高，晶核碰撞更剧烈，且提供足够的水蒸气与炭黑烟气混合空间，能够迅速终止反应。本发明具有生产加工炭黑系列种类多、产能高、质量稳定、消耗低、操作简单高效等优点，炭黑生产能力可达6W吨/年。
Description
技术领域
本发明涉及一种炭黑反应炉，尤其涉及一种硬质炭黑反应炉。
背景技术
随着现代化工业的不断进步发展，国内炭黑行业不断壮大，为了满足国内不断增长的橡胶、轮胎的需求，炭黑产能大幅增加。虽然有多种用于获取炭黑的工艺，但最常用的是炉法炭黑生产工艺，而炉法炭黑生产工艺中炭黑反应炉的设计是炭黑生产的核心。目前，国内普遍使用的是年产4万吨硬质炭黑反应炉，其存在的缺点是：燃烧室的完全燃烧状况不理想导致生产消耗高，生产的炭黑粒子不均匀，生产炭黑的生产能力不高且生产炭黑的种类单一。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于，提供一种生产消耗低、产能高、产品品质好的硬质炭黑反应炉，旨在克服现有硬质炭黑生产中存在的生产的炭黑粒子不均匀，生产炭黑的种类单一，产能低、生产成本高以及生产消耗高等缺陷。
为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：
一种硬质炭黑反应炉，包括依次相接的喷燃器、燃烧室、喉管段、反应段、反应终止急冷段、炭黑烟气停留段；
所述喷燃器径向设有进气口，所述喷燃器内设有导流装置，所述导流装置包括导流板，所述导流板上设有导流孔，所述导流板能够使径向进入反应炉的预热空气导流后轴向进入燃烧室；
所述燃烧室包括依次连接的第一直管段和第一喇叭段，所述第一直管段和第一喇叭段的长度比例为0.7：1，第一直管段设计比较长，增加燃烧的空间，使得燃烧更加的充分，所述第一喇叭段的锥度为6.0-7.0°，所述燃烧室第一直管段与喷燃器的连接处设有燃料煤气入口；
所述喉管段包括依次连接的第二喇叭段和第二直管段，所述第二喇叭段与燃料室的第一喇叭段连接，自燃烧室的第一直管段到喉管段的第二直管段，燃烧的流体沿着第一喇叭段、第二喇叭段不断的加速，根据拉瓦尔喷管的原理，所述第二直管段横截面积与第一直管段横截面积的收缩比为1：7-9，所述第二喇叭段设有前排原料油枪，所述第二直管段设有后排原料油枪，所述前排原料油枪设有6个，所述后排原料油枪设有10个；
所述反应段包括依次连接的斜面变径段与第三直管段，所述斜面变径段的收缩端口径与喉管段的第二直管段内径一致，所述斜面变径段的变径角度为15-20°，所述第三直管段横截面积与第二直管段横截面积的扩张比为3-5：1，进入反应段后，经过斜面变径段，使得炭黑烟气再次加速裂解，增加剪切力和反应剧烈度；
所述反应终止急冷段为四节式，该四节均为直管式，反应终止急冷段的横截面积对比第三直管段的横截面积再次扩大，炭黑烟气的大量生成，所述反应终止急冷段横截面积与第三直管段横截面积的扩张比为1.5-1.6：1，使得炭黑在反应终止前的结构度更高，晶核碰撞更剧烈，且提供足够的水蒸气与炭黑烟气混合空间，能够迅速终止反应；
所述炭黑烟气停留段为五节式，该五节均为直管式，炭黑烟气停留段的截面积对比反应终止急冷段的横截面积再次扩张，所述炭黑烟气停留段横截面积与反应终止急冷段横截面积的扩张比为2.0-2.3：1，能够提供足够的气化停留空间。
较佳的，所述硬质炭黑反应炉的炉壳采用碳钢卷制焊接而成，其内部从内到外依次设有高铬刚玉材质的耐火层、白刚玉材质的绝热层和高铝材质的保温层。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用煤气作为燃料，燃料经多点喷入，旋转燃烧，形成螺旋状热气流，使得燃料燃烧更充分，燃料成本更低，为反应提供充足的热能并降低炭黑的灰分值，减少杂质引入，同时也减少焦化企业的煤气处理负担；
2)本发明设计的燃烧室长度与4万吨硬质炭黑反应炉相比增加了20～30％，且本发明燃烧室直管段与喇叭段比例中，直管段加长，增加了燃烧的空间，使得燃烧更佳的充分，从而节省了燃料；
3)本发明喉管段设计双排原料油枪，前排原料油枪设置6个，后排原料油枪设置10个，使得原料喷入反应炉雾化更好，原料分布更均匀；同时，喉管设计内径与4万吨硬质炭黑反应炉扩张1.5倍，长度也增加30％，可以增加原料喷入量，实现增加产品收率的同时提升产品质量；
4)本发明反应段采用斜面变径，使得反应炭黑烟气流再次增速，增加剪切力和裂解程度，使得反应均匀剧烈，生产的炭黑粒子更均匀；
5)本发明反应终止急冷段采用与反应段结合再次扩张，设计反应终止急冷段扩张比为1.5-1.6，使得炭黑在反应终止前的结构度更高，晶核碰撞更剧烈。且提供足够的水蒸气与炭黑烟气混合空间，能够迅速终止反应；
6)本发明采用原料为煤焦油、蒽油、炭黑油等煤焦油系列的原料，尤其在使用炭黑油后，对产品质量提升比较明显。
本发明具有生产加工炭黑系列种类多、产能高、质量稳定、消耗低、操作简单高效等优点，可以生产橡胶用炭黑、高电阻导电炭黑等产品，生产炭黑的能力可达6W吨/年。
附图说明
构成本申请的一部分的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为本发明的示意图；
图2(a)为本发明导流板的工作示意图，图2(b)为导流板的剖视图；
图3为燃料气体进入燃烧室示意图；
图4为燃烧气流的示意图；
图5为喉管段部分油枪分布示意图；
图6为反应段的结构示意图。
具体实施方式
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。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种硬质炭黑反应炉，包括依次相接的喷燃器1、燃烧室2、喉管段3、反应段4、反应终止急冷段5、炭黑烟气停留段6；
如图2-3所示，所述喷燃器1径向设有进气口11，所述喷燃器1内设有导流装置12，所述导流装置12包括导流板，所述导流板上设有导流孔121，所述导流板能够使径向进入反应炉的预热空气导流后轴向进入燃烧室2；
所述燃烧室2包括依次连接的第一直管段21和第一喇叭段22，所述第一直管段21和第一喇叭段22的长度比例为0.7：1，第一直管段21设计比较长，增加燃烧的空间，使得燃烧更加的充分，所述第一喇叭段22的锥度为6.0-7.0°，所述燃烧室2第一直管段21与喷燃器1的连接处设有燃料煤气入口；
如图5所示，所述喉管段3包括依次连接的第二喇叭段31和第二直管段32，所述第二喇叭段31与燃料室的第一喇叭段22连接，自燃烧室2的第一直管段21到喉管段3的第二直管段32，燃烧的流体沿着第一喇叭段22、第二喇叭段31不断的加速，根据拉瓦尔喷管的原理，所述第二直管段32横截面积与第一直管段21横截面积的收缩比为1：7-9，所述第二喇叭段31设有前排原料油枪311，所述第二直管段32设有后排原料油枪321，所述前排原料油枪311设有6个，所述后排原料油枪321设有10个；
如图6所示，所述反应段4包括依次连接的斜面变径段41与第三直管段42，所述斜面变径段41的收缩端口径与喉管段3的第二直管段32内径一致，所述斜面变径段41的变径角度为15-20°，所述第三直管段42横截面积与第二直管段32横截面积的扩张比为3-5：1，进入反应段4后，经过斜面变径段41，使得炭黑烟气再次加速裂解，增加剪切力和反应剧烈度；
所述反应终止急冷段5为四节式，该四节均为直管式，反应终止急冷段5的横截面积对比第三直管段42的横截面积再次扩大，炭黑烟气的大量生成，所述反应终止急冷段5横截面积与第三直管段42横截面积的扩张比为1.5-1.6：1，使得炭黑在反应终止前的结构度更高，晶核碰撞更剧烈，且提供足够的水蒸气与炭黑烟气混合空间，能够迅速终止反应；
所述炭黑烟气停留段6为五节式，该五节均为直管式，炭黑烟气停留段6的截面积对比反应终止急冷段5的横截面积再次扩张，所述炭黑烟气停留段6横截面积与反应终止急冷段5横截面积的扩张比为2.0-2.3：1，能够提供足够的气化停留空间。
所述硬质炭黑反应炉的炉壳采用碳钢卷制焊接而成，其内部从内到外依次设有高铬刚玉材质的耐火层、白刚玉材质的绝热层和高铝材质的保温层。
6万吨/年的硬质反应炉生产硬质炭黑的工艺参数与4万吨/年的硬质反应炉生产的硬质炭黑的工艺参数比较，如表1所示：
表1 6万吨反应炉与4万反应炉工艺参数比较
| 生产线 | 6万吨反应炉 | 4万吨反应炉 |
| 原料油配比 | 100％炭黑油 | 100％炭黑油 |
| FIC-103(Nm<sup>3</sup>/h) | 19000 | 16000 |
| FIC-101(Kg/h) | 10700 | 8582 |
| FIC-102(Nm<sup>3</sup>/h) | 2114 | 1634 |
| 煤气换算燃油(Kg/h) | 845.6 | 653.6 |
| 添加剂浓度(kg/785LL) | 40 | 40 |
| 添加剂流量(Nm<sup>3</sup>/h) | 43 | 52 |
| 造粒水用量(Nm<sup>3</sup>/h) | 9854 | 7100 |
| 原料总量/24h | 257 | 205.86 |
| 燃料总量/24h | 50736 | 40184.1 |
| 产量T/24h | 182 | 145 |
| 原料消耗T/T | 1.412 | 1.420 |
| 综合消耗T/T(含煤气折) | 1.524 | 1.531 |
由表1可以看出，与4万反应炉相比，本发明6万吨反应炉的生产能力，日产量提升25％，生产消耗相对降低。本发明实现了节能降耗，低碳减排，经济效益和社会效益显著。
本发明硬质炭黑反应炉所生产的不同类别炭黑的检测结果，如表2所示：
表2炭黑的检测结果
通过表2可以看出，本发明生产的高电阻炭黑、橡胶用炭黑N330性能优异，均可以满足客户的指标要求。
如图2-4所示，燃料经多点喷入，旋转燃烧，形成螺旋状燃料气流，使得燃烧更彻底充分，为反应提供充足的热能。本发明在燃烧室直管段与喇叭段比例中，将直管段加长，从而增加燃料燃烧的空间，使得燃烧的距离更长，燃烧更充分，能够有效的节省燃料。如图5所示，在所述喉管段设有原料油枪两排，前排原料油枪设置6个，后排原料油枪设置10个。如图2-3所示，在所述喷燃器预热空气径向进入反应炉，经导流板导流后，高温预热空气轴向进入到燃烧室。如图6所示，在反应段设置斜面变径段，使得反应更均匀剧烈，生产的炭黑粒子更均匀。
通过以上各个关键设计，喷燃器的导流装置可以稳定预热空气流，使得燃料提供稳定的氧气流。燃料使用煤气，采用多点位喷燃，形成旋转的燃烧流，使得燃料更充分燃烧，提供足够的热强度，燃烧理论可以控制稳定温度在1900-2000℃，大大节省燃料。燃烧室提供足够热裂能量，原料在进入喉管段后，迅速气化参与高温裂解，通过设置的两排原料油枪将原料喷入，使得原料的雾化更彻底，雾化时间更短，使得反应更及时充分。原料油切向成90°角自喉管段原料油枪位点喷入反应段的斜面变径段，原料油在高温高速强大剪切力的作用下破碎成细小的油滴，然后油滴经过气化，一小部分原料油燃烧，大部分裂解生成炭黑。原料油在斜面变径段反应剧烈，使得生成的炭黑粒子更加均匀，可以有效提高炭黑的着色力，提高产品内在质量。在进入急冷段后，喷入急冷水降低温度以终止反应，保证生成质量稳定，粒子均匀的炭黑。
本发明具有生产加工炭黑系列种类多、产能高、质量稳定、消耗低、操作简单高效等优点，炭黑生产能力可达6W吨/年。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进、部件拆分或组合等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种硬质炭黑反应炉，包括依次相接的喷燃器、燃烧室、喉管段、反应段、反应终止急冷段、炭黑烟气停留段，其特征在于：
所述喷燃器径向设有进气口，所述喷燃器内设有导流装置，所述导流装置包括导流板，所述导流板上设有导流孔；
所述燃烧室包括依次连接的第一直管段和第一喇叭段，所述第一直管段和第一喇叭段的长度比例为0.7：1，所述第一喇叭段的锥度为6.0-7.0°，所述燃烧室第一直管段与喷燃器的连接处设有燃料煤气入口；
所述喉管段包括依次连接的第二喇叭段和第二直管段，所述第二喇叭段与燃料室的第一喇叭段连接，所述第二直管段横截面积与第一直管段横截面积的收缩比为1：7-9，所述第二喇叭段设有前排原料油枪，所述第二直管段设有后排原料油枪，所述前排原料油枪设有6个，所述后排原料油枪设有10个；
所述反应段包括依次连接的斜面变径段与第三直管段，所述斜面变径段的收缩端口径与喉管段的第二直管段内径一致，所述斜面变径段的变径角度为15-20°，所述第三直管段横截面积与第二直管段横截面积的扩张比为3-5：1；
所述反应终止急冷段为四节式，该四节均为直管式，所述反应终止急冷段横截面积与第三直管段横截面积的扩张比为1.5-1.6：1；
所述炭黑烟气停留段为五节式，该五节均为直管式，所述炭黑烟气停留段横截面积与反应终止急冷段横截面积的扩张比为2.0-2.3：1。
2.根据权利要求1所述的硬质炭黑反应炉，其特征在于：所述硬质炭黑反应炉的炉壳采用碳钢卷制焊接而成，其内部从内到外依次设有高铬刚玉材质的耐火层、白刚玉材质的绝热层和高铝材质的保温层。
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191129 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |