CN210683654U - 炉法色素炭黑反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种炉法色素炭黑反应器，包括依次串联的燃烧段、喉管段和反应段，所述燃烧段设有用于向燃烧段的内部通入预热空气的空气通入机构、以及用于向燃烧段的内部通入燃料的燃料通入机构，所述喉管段设有用于向喉管段的内部通入原料油的原料通入机构，所述反应段后依次串联有一次急冷段、停留段、二次冷却段和冷却水气化段，所述一次急冷段和二次冷却段的周壁均分布有分别向一次急冷段和二次冷却段内喷冷却水的若干喷水枪。本实用新型解决了炭黑烟气在反应器内高温段的停留时间太短，炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留没有来得及析出就流出了反应器，造成甲苯透光率偏低的问题。

Description

炉法色素炭黑反应器

技术领域

本实用新型涉及炭黑生产技术领域，具体涉及一种炉法色素炭黑反应器。

背景技术

色素炭黑分气法和炉法色素炭黑两大类，气法色素炭黑是以气态烃如天然气为原料生产的，炉法色素炭黑是以液态烃或气态烃为燃料，液态多环芳烃(以下简称原料油)如蒽油或乙烯焦油为原料生产的。本发明仅适用于炉法色素炭黑反应器。炉法色素炭黑的生产方法是用液态烃(如重油)或气态烃(如天然气)为燃料与空气或富氧空气一起完全燃烧产生约1700～2000℃的高温烟气，将液态多环芳烃原料油喷入高温烟气中迅速裂解脱氢生成炭黑，很少部分原料油与烟气中的过剩氧不完全燃烧变成一氧化碳和水蒸气。含炭黑的高温烟气用水急冷终止反应和降温后流出炭黑反应器。色素炭黑按黑度大小分为高、中、低色素炭黑，产品主要用于皮革色浆、色母粒和涂料等领域。

在现有技术中，反应器分为燃烧段a、喉管段b和急冷段c，简称“三段炉”。图1所示的为燃料为燃料油的“三段式”色素炭黑反应器，图2所示的为燃料为燃气的“三段式”色素炭黑反应器。反应器为分段组装(便于安装和更换)的碳钢外壳卧式圆形体，内衬耐火材料和保温材料，内砌外浇即内砌耐高温耐火砖，外层浇筑保温浇注料，提高气密性。燃烧段a、喉管段b和急冷段c温度可高达2000℃，采用Gr₂O₃≥26％的高铝复合砖为耐火层，外层采用氧化铝空心球浇注料保温。急冷段c后的直径放大段为气化段，温度为900℃，内层采用耐温达1400℃的白刚玉砖，外层采用特级纯铝酸钙水泥高铝质浇注料保温。燃料即燃料油或燃气通过喷枪从燃烧段a缩口处喷入，与经过预热的空气在燃烧室内混和燃烧产生高温烟气，原料油从喉管段b处用对称的喷枪喷入高温烟气中迅速生成炭黑和烟气，然后用水经对称的水枪喷入烟气中，将炭黑终止反应并降温后流出反应器。添加剂也用喷枪喷入燃烧室来控制炭黑的吸油值DBP，添加剂和燃料油均用压缩空气做载体进行雾化，原料油靠自身的压力机械雾化。所有喷枪都带有常温的空气冷却。

现有炭黑反应器存在的问题和缺点：

(1)反应器长度不够和只有一次急冷，造成甲苯透光率偏低的问题。甲苯透光率表征了炭黑受污染的程度或炭黑含有的微量残留烃类，虽然国家标准没有要求，但用户根据产品的用途对甲苯透光率有明确的指标限制。色素炭黑在实验室加热能显著提高甲苯透光率，在范围内时间越长、温度越高效果越好。原料油从反应器喉管段b喷入经过反应段后就需要加水急冷终止反应和降温。从反应器流出的炭黑烟气后续流程设备是空气预热器，为了保证空气预热器的正常运行，炭黑烟气在反应器的出口温度即空气预热器进口温度一般需要控制在900℃以下。现在的反应器只有一次急冷水喷孔，没有二次冷却水喷孔，从一次急冷水喷入的水除了终止炭黑的反应，同时还要降低温度，使得炭黑烟气在反应器内高温段的停留时间太短，炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留没有来得及析出就流出了反应器，造成炭黑烃类残留物偏高污染了炭黑，甲苯抽出物浑浊，透光率低于70％，甚至更低。

(2)喉管段b耐火材料易脱落问题。炭黑反应器的喉管段b是运行条件最苛刻部位，主要表现在烟气流速最快和温度最高两个方面。由于这两个原因，造成喉管段b耐火材料易熔化受冲刷脱落，寿命很难超过8个月。耐火材料脱落进入炭黑不仅会使产品的筛余物和灰分增加，还因为耐火材料脱落后喉管段 b直径逐渐变大而且不规则，偏离设计工况，生产不出来所需要的产品，不得不频繁更换喉管段b。

(3)添加剂枪易堵和容易烧坏问题。炭黑生产使用的添加剂一般为碳酸钾水溶液，用途是控制炭黑的吸油值DBP即结构。添加剂是用添加剂枪将其喷入燃烧室，并用压缩空气雾化。由于添加剂的用量很小，一般在15～40L/h。与燃气枪类似，添加剂枪插入燃烧段a的缩口处，处在高温环境中，氧化、变形、弯曲使得添加剂喷射受阻，碳酸钾结垢于喷管内壁最终堵塞，一旦堵塞没有及时发现处理，添加剂枪就会烧坏。

(4)炉温不稳定问题：现有反应器燃烧室的温度是用燃烧模型来控制的，即根据燃料的组分和需要的理论燃烧温度等已知条件对燃烧段a做物料平衡可得到一个公式即燃烧模型：F/A＝a-bT。公式中F是燃料量，A是空气量，T 是理论燃烧温度，a和b对已知燃料和条件是常数。在确定需要的理论燃烧温度T值后，就可以通过DCS控制系统来调节F或A来稳定炉温。以这样一个模型来控制炉温的前提条件是假设燃料组分等已知条件不变，实际上燃料的组分是在不断变化的，也就是a和b不是常数，也不可能实时修正燃烧模型中的a 和b，只能定期抽检燃料是否相对稳定，这样就造成了实际的理论燃烧温度与需要的理论燃烧温度是不同的，即炉温是不稳定的，控制也是模糊的。

(5)气态烃为燃料时燃气枪易烧坏问题。用于炭黑生产的气态烃如天然气或煤气，是用燃气枪(钢管加工)喷入反应器的燃烧段a缩口。由于炭黑反应器燃烧段a的温度一般都在1700℃以上，虽然燃气枪不在高温区，并且有空气的保护，但强烈的热辐射下现有的任何耐高温金属材料的使用寿命都不会超过3个月。燃气枪由于高温氧化易损坏，更容易变形弯曲，使得燃气枪的插、拔困难，不易对中。

(6)液态烃为燃料时燃烧不充分，会引起产品筛余物偏高问题。用于炭黑生产的液态烃燃料如重油或煤焦油虽然进行了预热和用压缩空气载体雾化，但由于燃料油含有较高的沥青质和胶质，粘度大，流动性不好，不容易雾化，燃烧时容易产生焦粒混在炭黑中形成筛余物。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供了一种炉法色素炭黑反应器，以解决炭黑烟气在反应器内高温段的停留时间太短，炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留没有来得及析出就流出了反应器，造成甲苯透光率偏低的问题。

本实用新型提供了一种炉法色素炭黑反应器，包括依次串联的燃烧段、喉管段和反应段，所述燃烧段设有用于向燃烧段的内部通入预热空气的空气通入机构、以及用于向燃烧段的内部通入燃料的燃料通入机构，所述喉管段设有用于向喉管段的内部通入原料油的原料通入机构，所述反应段后依次串联有一次急冷段、停留段、二次冷却段和冷却水气化段，所述一次急冷段和二次冷却段的周壁均分布有分别向一次急冷段和二次冷却段内喷冷却水的若干喷水枪。

进一步地，所述停留段具有若干个U形折弯。

进一步地，所述喉管段为带水冷夹套的金属喉管，所述金属喉管上设有与所述水冷夹套连通的进水口和出水口。

进一步地，所述金属喉管采用310耐高温的金属材料。

进一步地，还包括用于混合添加剂和原料油的静态混合器，所述原料通入机构包括若干从所述喉管段的周壁穿入其内部的原料油枪，经所述静态混合器混合的添加剂和原料油通过各所述原料油枪喷入喉管段的内部。

进一步地，所述空气通入机构为安装于燃烧段端部的风套，所述风套的内部与燃烧段的内部连通，风套上设有预热空气入口。

进一步地，所述风套的外端设有用于对燃烧室内燃烧的火焰温度进行测量的火焰温度红外检测仪。

进一步地，所述燃料通入机构为从所述燃烧段的外端伸入的燃料油枪，所述燃料油枪设有雾化富氧空气接口和冷却空气接口。

进一步地，所述燃料通入机构为开设于所述燃烧段端部周壁的燃气通道，所述燃气通道沿径向贯穿燃烧段的周壁。

进一步地，所述燃气通道沿燃烧段的周向均匀分布有多个，多个所述燃气通道的外端接入一环形管道，所述环形管道上设有燃气通入口。

本实用新型的有益效果体现在：本申请加长了反应器，反应器增加了停留段和二次冷却段，在运行的过程中，分别向燃烧段通入预热空气和燃料，燃料在燃烧段燃烧产生高温烟气，原料油从喉管段喷入高温烟气中迅速生成炭黑和烟气，炭黑烟气经过一次急冷段时，从一次急冷段喷入的一次急冷水保证终止炭黑反应温度(如1100℃)，终止反应的炭黑烟气进入停留段，停留段的温度相对较高且炭黑烟气在停留段停留的时间也相对较长，增加了炭黑在高温段的停留时间，在炭黑烟气经过停留段的过程中，能够将炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留析出，甲苯透光率可提高到95％以上，炭黑烟气通过停留段后进入二次冷却段，从二次冷却段喷入的二次冷却水保证空气预热器进口温度 900℃，再次冷却后的炭黑烟气从二次冷却水气化段排出。综上，本实用新型解决了炭黑烟气在反应器内高温段的停留时间太短，炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留没有来得及析出就流出了反应器，造成甲苯透光率偏低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为现有技术中燃料为燃气的炉法色素炭黑反应器的结构示意图；

图2为现有技术中燃料为燃油的炉法色素炭黑反应器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1的结构示意图；

图4为图3中的燃烧段和喉管段的局部图；

图5为图3的A-A剖视图；

图6为图3的B-B剖视图；

图7为图3的C-C剖视图；

图8为图3的D-D剖视图；

图9为本实用新型实施例2的结构示意图；

图10为本实用新型实施例3的结构示意图。

附图中：a表示燃烧段；a1表示风套；a11表示预热空气入口；a2表示火焰温度红外检测仪；a3表示燃料油枪；a31表示雾化富氧空气接口；a32表示冷却空气接口；a4表示燃气通道；a5表示环形管道；a51表示燃气通入口；b表示喉管段；b1表示水冷夹套；b11表示进水口；b12表示出水口； b2表示静态混合器；b3表示原料油枪；c表示急冷段；c1表示一次急冷段； c2表示停留段；c3表示二次冷却段；c4表示冷却水气化段；c5表示喷水枪； d表示反应段。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图3-图8所示，实施例1提供了一种炉法色素炭黑反应器，包括依次串联的燃烧段a、喉管段b、反应段d、一次急冷段c1、停留段c2、二次冷却段c3和冷却水气化段c4。

燃烧段a设有用于向燃烧段a的内部通入预热空气的空气通入机构。具体地，如图4所示，空气通入机构为安装于燃烧段a端部的风套a1，风套a1的内部与燃烧段a的内部连通，风套a1上设有预热空气入口a11。

风套a1的外端设有用于对燃烧室内燃烧的火焰温度进行测量的火焰温度红外检测仪a2，本实施例采用火焰温度红外检测仪a2直接测量燃烧室的火焰温度，利用DCS控制系调节F或A值，实现实时控制稳定燃烧室的温度T，从解决了炉温不稳定的问题。

燃烧段a设有用于向燃烧段a的内部通入燃料的燃料通入机构。具体地，如图4和图7所示，燃料通入机构为开设于燃烧段a端部周壁的燃气通道a4，燃气通道a4沿径向贯穿燃烧段a的周壁。气态烃燃料从炉外穿过燃烧段a的炉壳、耐火保温层喷入燃烧段a内的燃烧室，与空气均匀混合充分燃烧，本实施例不使用燃气枪，避免了气态烃为燃料时燃气枪易烧坏问题。为了进一步提高气态烃燃料喷入燃烧室与空气混合的均匀性，燃气通道a4沿燃烧段a的周向均匀分布有多个，多个燃气通道a4的外端接入一环形管道a5，环形管道a5 上设有燃气通入口a51。

如图3、图4和图5所示，喉管段b为带水冷夹套b1的金属喉管，金属喉管上设有与水冷夹套b1连通的进水口b11和出水口b12，这里，金属喉管可采用但不限于310耐高温的金属材料，通入水冷夹套b1的喉管冷却水要求用锅炉软化水，水冷夹套b1进水一般为常温、出水水温小于60℃，喉管的寿命可超过2年以上。金属喉管关键是要保证水质和水压，进出口水温需要连续监测。金属喉管下部进水口b11不少于2个，出水口b12可以是1个、2个或多个，才能保证喉管不至于局部超温烧坏。采用带水夹套冷却的金属喉管替代传统的喉管，避免了传统的喉管耐火材料易脱落的问题。

喉管段b设有用于向喉管段b的内部通入原料油的原料通入机构。如图4 和图5所示，本实施例还包括用于混合添加剂和原料油的静态混合器b2，原料通入机构包括若干从喉管段b的周壁穿入其内部的原料油枪3，经静态混合器b2混合的添加剂和原料油通过各原料油枪3喷入喉管段b的内部。本实施例不使用添加剂枪，而是在原料油管道上增加一个静态混合器b2，将添加剂压入原料油中，在静态混合器b2里充分混合后和原料油一起喷入炭黑反应器喉管段b，控制炭黑吸油值的效果更佳，同时还避免了添加剂枪易堵和容易烧坏的问题。

如图3、图6和图7所示，一次急冷段c1和二次冷却段c3的周壁均分布有分别向一次急冷段c1和二次冷却段c3内喷冷却水的若干喷水枪c5。

本申请加长了反应器，反应器增加了停留段c2和二次冷却段c3，在运行的过程中，分别向燃烧段a通入预热空气和燃料，燃料在燃烧段a燃烧产生高温烟气，原料油从喉管段b喷入高温烟气中迅速生成炭黑和烟气，炭黑烟气经过一次急冷段c1时，从一次急冷段c1喷入的一次急冷水保证终止炭黑反应温度(如1100℃)，终止反应的炭黑烟气进入停留段c2，停留段c2的温度相对较高且炭黑烟气在停留段c2停留的时间也相对较长，增加了炭黑在高温段的停留时间，在炭黑烟气经过停留段c2的过程中，能够将炭黑表面的残留烃类如苯并芘、萘等残留析出，甲苯透光率可提高到95％以上，炭黑烟气通过停留段c2后进入二次冷却段c3，从二次冷却段c3喷入的二次冷却水保证空气预热器进口温度900℃，再次冷却后的炭黑烟气从二次冷却水气化段c4排出。综上，本实用新型解决了炭黑烟气在反应器内高温段的停留时间太短，炭黑表面的烃类如苯并芘、萘等残留没有来得及析出就流出了反应器，造成甲苯透光率偏低的问题。

实施例2

如图9所示，实施例2与实施例1的不同之处在于，停留段c2具有若干个U形折弯。增加炭黑烟气在反应器中的停留时间一般有两种方法，方法之一是增大反应器的流通直径，直径的增大需要考虑流速，直径增大流速降低，有可能造成炭黑沉积在反应器下部，所以反应器的气体流速不应低于20m/s，另一种方法是加长反应器的停留段c2，如果仅在水平方向加长停留段c2，反应器需要有足够的场地，但往往是受限的。本实施例通过在停留段c2设若干个 U形折弯，能够充分利用场地的空间，延长停留段c2的长度。可以理解的是，如果上下方向上有空间，可以设计成垂直的U形折弯，如果长度方向有空间，可以设计成水平U形折弯。

实施例3

如图10所示，实施例3与实施例1的不同之处在于，燃料通入机构为从燃烧段a的外端伸入的燃料油枪a3，燃料油枪a3设有雾化富氧空气接口a31 和冷却空气接口a32。雾化富氧空气接口a31通入含氧浓度大于50％富氧空气，由于载体含氧浓度高，燃料油喷入燃烧室会迅速得到充分的燃烧，产生结焦的问题得到解决，从而解决了液态烃为燃料时燃烧不充分，会引起产品筛余物偏高问题，向冷却空气接口a32通入冷却空气的作用是降低燃料油枪a3的温度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种炉法色素炭黑反应器，包括依次串联的燃烧段、喉管段和反应段，所述燃烧段设有用于向燃烧段的内部通入预热空气的空气通入机构、以及用于向燃烧段的内部通入燃料的燃料通入机构，所述喉管段设有用于向喉管段的内部通入原料油的原料通入机构，其特征在于：所述反应段后依次串联有一次急冷段、停留段、二次冷却段和冷却水气化段，所述一次急冷段和二次冷却段的周壁均分布有分别向一次急冷段和二次冷却段内喷冷却水的若干喷水枪。

2.根据权利要求1所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述停留段具有若干个U形折弯。

3.根据权利要求1所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述喉管段为带水冷夹套的金属喉管，所述金属喉管上设有与所述水冷夹套连通的进水口和出水口。

4.根据权利要求3所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述金属喉管采用310耐高温的金属材料。

5.根据权利要求1所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：还包括用于混合添加剂和原料油的静态混合器，所述原料通入机构包括若干从所述喉管段的周壁穿入其内部的原料油枪，经所述静态混合器混合的添加剂和原料油通过各所述原料油枪喷入喉管段的内部。

6.根据权利要求1所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述空气通入机构为安装于燃烧段端部的风套，所述风套的内部与燃烧段的内部连通，风套上设有预热空气入口。

7.根据权利要求6所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述风套的外端设有用于对燃烧室内燃烧的火焰温度进行测量的火焰温度红外检测仪。

8.根据权利要求1-7任一项所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述燃料通入机构为从所述燃烧段的外端伸入的燃料油枪，所述燃料油枪设有雾化富氧空气接口和冷却空气接口。

9.根据权利要求1-7任一项所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述燃料通入机构为开设于所述燃烧段端部周壁的燃气通道，所述燃气通道沿径向贯穿燃烧段的周壁。

10.根据权利要求9所述的炉法色素炭黑反应器，其特征在于：所述燃气通道沿燃烧段的周向均匀分布有多个，多个所述燃气通道的外端接入一环形管道，所述环形管道上设有燃气通入口。

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