CN111569783B - 一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导电炭黑材料技术领域，具体涉及一种改善乙炔炭黑裂解炉内壁结焦的方法，其中，乙炔炭黑裂解炉的炉体自上由下分为反应区和冷却区，乙炔在所述反应区内发生热裂解反应，本发明通过在裂解炉的出料口处连通有气体回流系统，使得所述气体回流系统将裂解生成的氢气回流至反应区内部并在靠近炉内壁处形成气幕，以阻断乙炔和裂解中间产物在所述反应区内壁上结焦。本发明提供的气体回流系统，能够利用乙炔裂解反应产生的氢气，并将其重新喷向裂解炉反应区的内壁面，在裂解炉反应区炉内壁与乙炔氛围的中间形成保护气体隔绝层，以此阻断乙炔和裂解中间产物与温度较低的炉体内壁接触而形成结焦。

Description

一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法

技术领域

本发明属于导电炭黑材料技术领域，更具体地，涉及一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法。

背景技术

乙炔炭黑是由乙炔气体在隔绝空气条件下自热裂解而成，属于热裂解法炭黑，热裂解法炭黑是指在预热的反应炉内，将天然气或乙炔气，在隔绝空气的条件下进行间歇(即燃烧蓄热和热裂解两阶段)或连续(单一的热裂解)热裂解生成炭黑的一种方法。以天然气为原料在隔绝空气的条件下进行间歇(即燃烧蓄热和热裂解两阶段)裂解生成的炭黑称为热解炭黑。以乙炔气为原料在隔绝空气的条件下进行连续(单一的热裂解)热裂解生成炭黑称为乙炔炭黑。

裂解原料乙炔气体方便纯化，因此，乙炔炭黑杂质含量低；且裂解过程为放热反应、炉温较高，通常用水冷夹套带走多余的热量，可方便地将裂解温度控制在1400-2000℃，因此，乙炔炭黑石墨化程度和结构度高、导电性能好，主要用于电池工业、抗静电和导电橡胶制品中。

通常，烃类在裂解炉中会发生生炭反应和结焦反应。一般情况下，在较高温度下(＞927℃)，烃类经过稠环中间体生成炭黑；在较低温度下(＜927℃)，烃类经过缩合形成焦。乙炔裂解炉内壁聚集累积炭的过程，称为结焦，结焦会影响炉壁的传热效率和乙炔炭黑产率，增加生产过程的控制难度及产品的均一性；结焦后生成的炉渣会影响乙炔炭黑纯度；倘若结焦严重的话，还会增加炉壁堵塞的风险，必要时只能停炉机械清理，阻止了反应的连续进行，并加大了裂解反应的能耗和物耗，限制了乙炔炭黑的经济价值。

为减轻裂解炉炉壁结焦以及在裂解过程中加快焦或者焦前体的脱除，目前，国内外工业上已采用的结焦抑制技术，主要有裂解原料的优质化、加入结焦抑制剂以及对炉壁表面进行机械除焦处理三种。由于结焦反应的发生主要归因于较低的炉壁温度导致，采用轻质优质的裂解原料或者加入结焦抑制剂只能在一定程度上减缓结焦生成，效果不明显之余还延长了操作周期，提高了生产成本；对炉壁表面采用机械除焦需要定期停炉清理，妨碍了乙炔炭黑的连续制备。

CN 210193733U公开了一种密封连接件、刮刀装置及裂解炉系统，通过其中的刮刀机构控制刮刀上下移动以刮除清理附着在裂解炉内壁的物料，但该方法采用物理接触的原理，并不能够将所有炉渣刮除干净，无法保证炭黑产品的纯净度；另外，反应过程中释放的高温容易把刮刀保护系统烧穿而逼迫裂解炉停产检修，影响了乙炔炭黑的生产效率。

CN 1253417C公开了往裂解炉通入氩气的减轻结焦方法，即将外部氩气喷入裂解炉壁面与乙炔氛围的中间以形成保护气体层，阻断乙炔附着在温度较低的炉体内壁上形成结焦，但该方法需要通过外部引入新的气体，增加了乙炔裂解的生产成本，也不符合节能减耗的现实需求。

综上所述，鉴于目前裂解炉中用于消除结焦的方法各有弊端，急需开发一种环保节能、清洁度高、符合产业发展方向的减轻结焦方法。

发明内容

为了克服现有技术生产的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种改善乙炔炭黑生产中炉内壁结焦的方法。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，乙炔炭黑裂解炉的炉体自上由下分为反应区和冷却区，按照乙炔炭黑的制备原理，乙炔气体需要在炉体的反应区内发生热裂解反应生成炭黑和氢气，本发明在裂解炉的出料口处连通有气体回流系统，所述气体回流系统将裂解生成的氢气回流至反应区内部并在靠近炉壁处形成气幕，以阻断乙炔和裂解中间产物在所述反应区内壁上结焦。

现有乙炔裂解炉炉壁结焦主要有以下原因：1、以乙炔炭黑生成机理进行分析：乙炔炭黑生产涉及气相成核和晶核生长两个方面。其中气相成核需要克服形成临界核所需的能垒，系统各个部位能否顺利克服气相成核能垒是乙炔炭黑生产过程中发生炭黑形成反应和结焦反应的分水岭。通常认为烃类裂解克服气相成核能垒的临界反应温度为927℃，因此当系统各个部位温度较高(＞927℃)时，都能顺利气相成核生成炭黑；当系统局部较低(＜927℃)时，低温局部不能克服气相成核能垒，局部气相中难以形成晶核，因此，从反应动力学来说，反应更利于能垒较低的、异相面(裂解炉炉壁)提供晶种的晶体生长过程，这时热解碳借助于裂解炉炉壁表面成核和长大，即通常说的结焦。2、以乙炔气体的湍流结构进行分析：从外往内分为层流边层、过渡区和湍流区三层区域，其中雷诺数越小，层流边层厚度越大，乙炔炭黑裂解炉中的层流边层温度分布就越不平衡；加之裂解炉的冷却区外部通常设有水冷夹套，可能造成靠裂解炉炉壁的层流边层(也叫滞流层)温度低于927℃，因而经历结焦反应。

因此，抑制乙炔炭黑裂解炉炉壁结焦的根本方法为：提高裂解炉炉内壁温度，提供能量以克服气相成核所需能垒；或在裂解炉炉内壁处设置气幕阻断乙炔和裂解中间产物与炉内壁接触，从而阻断热解碳借助裂解炉内壁表面异相成核和长大。

其中，乙炔气裂解为乙炔炭黑，其反应式为：C₂H₂＝2C+H₂+226.9kJ/mol

由此可见，乙炔裂解过程是一个放热反应，当炉内部预热温度超过800℃，通入乙炔气后就会在所述炉体上部的反应区自动开始裂解过程，炉温将逐步上升，可使温度高于2500℃。乙炔从所述炉体顶部进入裂解炉，大部分乙炔气体会在所述反应区经过稠环中间体生成炭黑和氢气。而乙炔气体的湍流结构从外往内分为层流边层、过渡区和湍流区三层区域，其中雷诺数越小，层流边层厚度越大，乙炔炭黑裂解炉中的层流边层温度分布就越不平衡；加之裂解炉的冷却区外部通常设有水冷夹套，会导致反应区炉壁的温度下降，造成靠近所述反应区炉壁的层流边层(也叫滞流层)温度低于927℃，因而经历结焦反应。

由于乙炔裂解发生在所述反应区，所述冷却区不再发生裂解反应，因此冷却区内不会出现结焦，因此本发明将回流的氢气导进反应区上部区域，更加精准化地扩大氢气气幕的利用率。

本发明在裂解炉的出料口处设置了气体回流系统，旨在把生成物质中的氢气回收利用，将其重新引入裂解炉内部，在裂解炉壁面与乙炔氛围的中间形成保护气体层，以此阻断乙炔和裂解中间产物与温度较低的炉体内壁接触，从而阻断热解碳借助裂解炉内壁表面异相成核结焦。

此外，乙炔裂解过程为放热反应、炉温较高，通常用水冷夹套带走多余的热量，但由于裂解炉壁传热效率和炉壁结焦间存在矛盾，即当炉壁传热效率高时，能顺利带走多余热量，可增大裂解炉生产能力，但炉壁的高传热效率也会显著降低裂解炉内壁温度，从而加剧裂解炉内壁结焦。因此，乙炔炭黑现有生产工艺中热量难以高效排除，导致裂解炉生产能力难以扩容，年均局限在1000吨左右。

本发明通过所述气体回流系统将裂解生成的氢气回流至反应区内部并在靠近炉壁处形成气幕，在阻断乙炔和裂解中间产物与温度较低的炉体内壁接触结焦的同时，借助回流氢气带走大量热量、减轻裂解炉的热负荷，有利于控制裂解炉反应温度，增大乙炔炭黑裂解炉的生产能力。

而且，本发明通过所述气体回流系统将裂解生成的氢气回流至反应区内部并在靠近炉壁处形成气幕，改变了裂解炉内流场分布，强化了裂解炉内烟气的混合和均匀度，能有效控制乙炔炭黑裂解炉反应区中心温度，缓解乙炔炭黑因裂解炉反应区中心温度过高而烧结结块，使生成的乙炔炭黑聚集体粒径更加均匀，改善了乙炔炭黑批次内部的一致性。

综上所述，本发明的气体回流系统设计合理、运行可靠、经济实用性强，充分利用自身生成物持续为新的裂解反应提供保障，以尽可能节约资源的形式来提高产品性能。

作为本发明的进一步优化方案，所述气体回流系统依次包括与所述出料口连接的冷却装置、固气分离器、过滤装置、氢气增压泵、气压表、单向阀以及气幕环，所述气幕环作为气体回流系统的出气通道，用于连通所述气体回流系统与所述反应区。

作为本发明的进一步优化方案，所述气幕环套设在所述反应区的外顶壁，气幕环为空心的圆环结构并沿轴线均匀设有若干个开口朝下的气体喷嘴，所述气体喷嘴设置在反应区的炉壁上，并沿反应区的炉壁径向分布。

所述气体回流系统的工作原理在于，首先所述固气分离器将烟气中的炭黑产物分离，随后剩余的氢气经过过滤、增压等步骤被强制导向所述气幕环，气体在圆环形状的气幕环内形成高速旋流后，经由所述气体喷嘴射进所述反应区的上部区域，作为气幕阻断层减少乙炔气体和裂解中间产物与反应区炉壁的接触，从而避免结焦反应的发生。

作为本发明的进一步优化方案，所述气幕环在水平方向上设有两个或两个以上相互对称的气体入口，气幕环的圆环结构使得氢气形成气流，但是倘若所述气幕环只有一个气体入口，容易导致靠近气体入口的气体喷嘴风量强劲，而远离的气体入口的气体喷嘴风量偏弱，出现氢气气幕密度不均匀的现象，因此在所述气幕环设置对称的气体入口，保证每个气体喷嘴的出气量相近，进而确保氢气气幕的作用范围与强度。

作为本发明的进一步优化方案，所述气体喷嘴贴近所述反应区的内壁，如此设置，使得氢气气幕更加靠近炉壁，强化了气幕在乙炔和裂解中间产物与反应区炉壁之间的阻断能力。

作为本发明的进一步优化方案，所述过滤装置的过滤精度是800-2000目，将气体中混杂的固态物质进一步筛除，避免对其他部件产生堵塞与刮擦磨损。

作为本发明的进一步优化方案，氢气的流速为5-30m/s，通过对所述氢气增压泵进行选型设计，确保氢气以指定速率喷向所述反应区的内壁面，在乙炔和裂解中间产物与炉体内壁之间形成有一定力度的保护气体层，使得乙炔气体无法在所述反应区内壁停留、附着。

作为本发明的进一步优化方案，氢气的流量为0.2-5m³/min。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过设置气体回流系统，能够吸取乙炔裂解反应产生的氢气并将其重新导向裂解炉的内壁面，在裂解炉炉内壁与乙炔氛围的中间形成保护气体隔绝层，以此阻断乙炔和裂解中间产物与温度较低的炉体内壁接触而形成结焦。本发明不需借助外来气体或者其他结构复杂的除垢工具，通过增强系统的自循环性能来改善炉壁结焦的问题，并且此过程可与裂解反应同步进行，保证了乙炔炭黑的连续制备。本发明设计巧妙、安全有效、环保节能，提高了产品性能和企业经济效益之余，也符合可持续发展观念。

附图说明

图1为本实施例中的裂解炉结构示意图；

图2为本实施例中的气幕环结构示意图；

图3为本实施例中的气幕环安装示意图；

附图标记：1-炉体；1a-反应区；1b-冷却区；2-出料口；3-气体回流系统；4-固气分离器；5-过滤装置；6-氢气增压泵；7-气压表；8-单向阀；9-气幕环；9a-气体喷嘴；9b-气体入口；10-乙炔入口；11-冷却器。

具体实施方式

以下所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

如图1所示，一种乙炔炭黑生产反应装置，包括炉体1，所述炉体1顶部设有乙炔入口10，所述炉体1上部为圆筒状的反应区1a、下部为漏斗状的冷却区1b，底部设有出料口2，所述出料口2连通有气体回流系统3，所述气体回流系统3将乙炔裂解生成的氢气回流至反应区1a内部并在靠近炉壁处形成气幕，以阻断乙炔和裂解中间产物在所述反应区1a内壁上产生结焦。

本实施例在裂解炉的出料口处设置了气体回流系统3，旨在把生成物质中的氢气回收利用，将其重新引入所述反应区1a的内部，氢气持续积累，加强了炉内的空气流通，并在裂解炉内壁面与乙炔氛围的中间形成氢气气幕，以此阻断乙炔和裂解中间产物与温度较低的炉体内壁接触形成结焦。

具体地，所述气体回流系统3依次包括与所述出料口2连接的冷却器11、固气分离器4、过滤装置5、氢气增压泵6、气压表7、单向阀8以及气幕环9，所述气幕环9水平套设在所述反应区1a的上顶壁，如图2所示，气幕环9为空心的圆环结构并沿轴线均匀设有若干个开口朝下的气体喷嘴9a，所述气体喷嘴9a贴近所述反应区1a上端内壁体。冷却器11采用常规的冷却装置均可进行，用以冷却出料口的温度，避免对分离和装置本身的不利影响。

其中，所述固气分离器4作为气体回流系统3的进气通道，与所述炉体1底部的出料口2连通，用于将裂解生成物质中的炭黑和氢气进行分离，随后经过过滤、抽风、增压等步骤将氢气强制导向所述气幕环9，所述气幕环9作为气体回流系统3的出气口，氢气在圆环形状的气幕环9内形成高速旋流后，经由所述气体喷嘴9a以5-30m/s的流速、0.2-5m³/min的流量射进所述反应区1a的上部区域，在所述反应区1a内壁处形成具有一定力度的气幕阻断层，阻止阻断乙炔和裂解中间产物与炉体内壁接触，从而避免热解碳在反应区1a内壁表面经历异相成核结焦反应。

本实施例中，如图3所示，所述气体喷嘴9a贴近所述反应区1a的内壁，如此设置，使得氢气气幕更加靠近炉壁，强化了氢气气幕在乙炔和裂解中间产物与炉壁之间的阻断能力。

本实施例中，所述气幕环9在水平方向上设有两个对称的气体入口9b，气幕环9的圆环结构使得所述气体回流系统3出来的氢气形成旋涡气流，但是倘若所述气幕环9只有一个气体入口9b，容易导致靠近气体入口9b的气体喷嘴9a风量充足，而远离的气体入口9b的气体喷嘴9a风量偏弱，出现氢气气幕密度不均匀的现象，因此在所述气幕环9两端对称设置气体入口9b，保证每个气体喷嘴9a的出气量相近，进而确保氢气气幕的作用范围与强度。

一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，利用上述乙炔炭黑生产反应装置，优选过滤装置5的过滤精度是800-2000目，将所收集的氢气调整至流速为5-30m/s(可通过增压泵等实现)，将氢气的流量调整至0.2-5m³/min，确保氢气以指定速率喷向所述反应区的内壁面，使得乙炔气体和裂解中间产物无法在所述反应区内壁停留、附着。

本实施例中，所述炉体1采用不锈钢材质制成，不锈钢耐腐蚀耐高温、表面光洁度的特性，进一步削弱乙炔和裂解中间产物在所述炉体内壁的附着能力，降低形成结焦的可能性。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：乙炔炭黑裂解炉的炉体（1）自上由下分为反应区（1a）和冷却区（1b），乙炔在所述反应区（1a）内发生热裂解反应，在裂解炉的出料口（2）处连通有气体回流系统（3），所述气体回流系统（3）将裂解生成的氢气回流至反应区（1a）内部并在靠近炉内壁处形成气幕，以阻断乙炔和裂解中间产物在所述反应区（1a）内壁上结焦；

所述气体回流系统（3）包括与所述出料口（2）依次连接的冷却装置（11）、固气分离器（4）、过滤装置（5）、氢气增压泵（6）、气压表（7）、单向阀（8）以及气幕环（9），所述气幕环（9）作为气体回流系统（3）的出气通道，用于连通所述气体回流系统（3）与反应区（1a）；所述气幕环（9）套设在所述反应区（1a）的上顶壁。

2.根据权利要求1所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：气幕环（9）为空心的圆环结构并沿轴线均匀设有若干个开口朝下的气体喷嘴（9a），所述气体喷嘴（9a）设置在反应区（1a）的炉壁上， 并沿反应区（1a）的炉壁径向分布。

3.根据权利要求2所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：所述气幕环（9）在水平方向上设有两个或两个以上相互对称的气体入口（9b）。

4.根据权利要求2所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：所述气体喷嘴（9a）贴近所述反应区（1a）的上端内壁。

5.根据权利要求1所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：所述过滤装置（5）的目数为800-2000目。

6.根据权利要求1所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：所述氢气的流速为5-30m/s。

7.根据权利要求1所述的一种改善乙炔炭黑裂解生产中炉内壁结焦的方法，其特征在于：所述氢气的流量为0.2-5m³/min。

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