CN211284222U - 一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，包括燃烧室、管式炉燃烧器、管式炉天然气预热器、管式炉喷燃器和管式炉工艺空气预热器，所述管式炉燃烧器上设有第一天然气入口、助燃尾气入口和第二尾气助燃用空气入口；所述管式炉天然气预热器的顶部设有第二天然气入口和天然气出口，天然气与燃烧尾气以辐射形式换热；所述管式炉工艺空气预热器的侧壁上设有工艺空气入口和工艺空气出口，工艺空气与燃烧尾气以对流形式换热。本实用新型利用低热值炭黑尾气的显热和化学热，通过管式加热炉，对生产炭黑的原料和工艺空气进行预热，使原料进入炭黑反应炉的热量增加，从而达到提高收率和单炉产量的目的。

Description

一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备

技术领域

本实用新型涉及炭黑生产领域，特别是涉及一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备。

背景技术

上世纪50年代初，我国科技人员以天然气为原料，发明半补强炭黑生产技术和工艺设备，该技术的发明使我国橡胶工业的发展起到了很大推动作用，但因其产品性质的特殊性(产品粘性大、易架桥堵管)、单位产量产生尾气量大等因素，导致目前单炉产量在1500吨/年，在线空气预热150℃左右，每吨炭黑消耗6000标立天然气，能耗一直很高。

半补强炭黑是以天然气为原料，和工艺空气不完全燃烧得到黑色粉体，反应温度在1050℃-1300℃之间，1050℃用水急冷至800℃以下终止裂解反应，反应机理很复杂，多种反应过程同时存在。但根据反应后的最终产物来分析，主反应由下列反应式构成：

CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O+801.3KJ (1)

CH₄＝C+2H₂-77.748KJ (2)

CH₄+O₂＝CO+H₂+H₂O+277.552KJ (3)

其它次反应也很多如：

C+H₂O＝CO+H₂

CO₂+H₂＝CO+H₂O

反应式(2)是获得炭黑产品主要反应过程，它的占比越大，则炭黑的收率越高，天然气裂解温度生产炭黑的温度是1000℃开始，裂解速度随着温度升高而加快，反应炉温度需控制在1050℃-1300℃之间。

反应式(2)需要的热量以及全部物质加热到1300℃所需热量都由(1)和(3)式反应提供，加热反应物的过程会导致炭黑的生产效率降低，单路产量降低，而且，天然气的消耗量也会增加。

此外，在半补强炭黑生产过程中产生的尾气，温度为160℃-200℃，尾气中含氢气、一氧化碳、氮气等，热值约为2000KJ/Nm3，小厂经燃烧排放，大厂用于作为燃料烧锅炉，导致尾气并没有得到充分利用。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，通过对反应原料进行有效的预热，可以提高炭黑生产的单炉产量，同时，减少天然气的消耗量，更加节约成本，半补强炭黑生产过程中产生的尾气也得到了充分的利用。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，包括燃烧室和与燃烧室的入口连接的管式炉燃烧器，所述燃烧室的出口上依次连接有管式炉天然气预热器、管式炉喷燃器和管式炉工艺空气预热器，所述管式炉工艺空气预热器的出口设有烟囱；所述管式炉燃烧器上设有第一天然气入口、助燃尾气入口和第二尾气助燃用空气入口；所述管式炉天然气预热器的顶部设有第二天然气入口和天然气出口，天然气在所述管式炉天然气预热器内与所述燃烧室产生的燃烧尾气以辐射形式换热；所述管式炉工艺空气预热器的侧壁上设有工艺空气入口和工艺空气出口，工艺空气在所述管式炉工艺空气预热器内与燃烧尾气以对流形式换热。

本实用新型利用半补强炭黑生产过程中产生的低热值的尾气作为燃烧原料，由尾气助燃用空气助燃，在燃烧室内燃烧产生热量，带有热量的燃烧尾气依次经过管式炉天然气预热器、管式炉喷燃器和管式炉工艺空气预热器，给管式炉内被预热的物质(天然气、工艺空气和尾气助燃用空气)提供能量，最终由烟囱排放，被预热的天然气和工艺空气进入半补强炭黑反应炉进行反应。

本实用新型的装置，可对半补强炭黑生产的原料进行线外预热，可减少上述反应式(1)和(3)的反应数量，有效的节省了天然气的投入量，同时也减少了O₂的消耗量，使进入反应炉的空气量减少(空气中的O₂:N₂＝1：3.76)，减少加热被加热物质需要的热量，从而进一步减少反应式(1)和(3)的反应数量，节约了成本，提高了炭黑生产的单炉产量，同时，使得半补强炭黑生产过程中产生的尾气得到充分的利用，提高了能源的利用率。

从上述反应式(1)、(2)、(3)的反应过程可以看出，天然气反应过程是物质体积变大的过程，反应炉直径很大，随空气量减少，同时，反应炉保证停留时间不变情况下，可以加大天然气的处理量，最大可增加1.2倍，除了收率提高增大产量外，增加的处理可使产量进一步加大。

本实用新型的具体工艺流程为：

来自天然气总管的天然气管道分为两路，其中：一路天然气经计量经管系1进入管式炉天然气预热器，天然气预热到300℃-550℃进入半补强炭黑反应炉，作为炭黑裂解反应的原料；另一路天然气经计量经管系2进入管式炉燃烧器，作为燃料，主要用于开车初期管式炉烘炉，根据需要，也可以作为长明火。

工艺空气流量计量后，经管系3送入管式炉工艺空气预热器进行预热，预热温度在200℃-400℃，进入半补强炭黑反应炉，作为炭黑裂解反应的助燃气。

助燃尾气经尾气加压风机加压后，经管系4计量后，送入管式炉喷燃器，作为燃料，在燃烧室燃烧，给管式炉被预热的物质提供能量，燃烧尾气经烟囱排放。

尾气助燃用空气，经风机加压后，经管系5计量后，送入管式炉喷燃器，在燃烧室助燃后，经烟囱排放。

优选的，所述管式炉喷燃器的外壁上设有第一尾气助燃用空气入口和尾气助燃用空气出口，所述尾气助燃用空气出口与所述第二尾气助燃用空气入口连接，所述管式炉喷燃器的内部设有两端分别连接所述第一尾气助燃用空气入口和尾气助燃用空气出口的尾气助燃用空气管，所述管式炉喷燃器的内部还设有供燃烧尾气流通的与所述尾气助燃用空气管呈对流形式布置的第二尾气管。

尾气助燃用空气进入管式炉燃烧器之前，先与管式炉喷燃器内的燃烧尾气进行对流换热，可使得管式炉燃烧器的燃烧反应所需的热量更少，更加的节约能量。

优选的，所述管式炉天然气预热器为双层结构，所述管式炉天然气预热器的内部供所述管式炉燃烧器中的燃烧尾气流通，所述管式炉天然气预热器的内外层间具有容纳天然气的空腔，所述第二天然气入口和天然气出口与所述空腔连通。

燃烧室内的燃烧尾气先经过管式炉天然气预热器，管式炉天然气预热器内的热量较大，天然气与燃烧尾气以辐射的形式进行换热，在保证良好的预热效果的同时，可以提高对天然气的处理量。

优选的，所述管式炉工艺空气预热器的内部设有供燃烧尾气流通的第一尾气管，所述管式炉工艺空气预热器的内部还设有两端分别连接所述工艺空气入口和工艺空气出口的工艺空气管，所述工艺空气管与所述第一尾气管呈对流形式布置。

燃烧尾气经过与天然气和尾气助燃用空气的换热后，燃烧尾气所带有的热量降低，在管式炉工艺空气预热器内通过对流的方式，完成工艺空气与燃烧尾气的换热，可以提高换热效率。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型利用低热值炭黑尾气的显热和化学热，通过管式加热炉，对生产炭黑的原料和工艺空气进行预热，使原料进入炭黑反应炉的热量增加，从而达到提高收率和单炉产量的目的。

2、尾气助燃用空气进入管式炉燃烧器之前，先与管式炉喷燃器内的燃烧尾气进行对流换热，可使得管式炉燃烧器的燃烧反应所需的热量更少，更加的节约能量。

3、燃烧室内的燃烧尾气先经过管式炉天然气预热器，管式炉天然气预热器内的热量较大，天然气与燃烧尾气以辐射的形式进行换热，在保证良好的预热效果的同时，可以提高对天然气的处理量。

4、燃烧尾气经过与天然气和尾气助燃用空气的换热后，燃烧尾气所带有的热量降低，在管式炉工艺空气预热器内通过对流的方式，完成工艺空气与燃烧尾气的换热，可以提高换热效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的工艺流程图。

附图标记说明：

1、管式炉燃烧器；101、第一天然气入口；102、助燃尾气入口；103、第二尾气助燃用空气入口；2、燃烧室；3、管式炉天然气预热器；301、第二天然气入口；302、天然气出口；4、管式炉喷燃器；401、第一尾气助燃用空气入口；402、尾气助燃用空气出口；5、管式炉工艺空气预热器；501、工艺空气入口；502、工艺空气出口；6、烟囱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，包括燃烧室2和与燃烧室2的入口连接的管式炉燃烧器1，所述燃烧室2的出口上依次连接有管式炉天然气预热器3、管式炉喷燃器4和管式炉工艺空气预热器5，所述管式炉工艺空气预热器5的出口设有烟囱6；所述管式炉燃烧器1上设有第一天然气入口101、助燃尾气入口102和第二尾气助燃用空气入口103；所述管式炉天然气预热器3的顶部设有第二天然气入口301和天然气出口302，天然气在所述管式炉天然气预热器3内与所述燃烧室2产生的燃烧尾气以辐射形式换热；所述管式炉工艺空气预热器5的侧壁上设有工艺空气入口501和工艺空气出口502，工艺空气在所述管式炉工艺空气预热器5内与燃烧尾气以对流形式换热。

本实用新型利用半补强炭黑生产过程中产生的低热值的尾气作为燃烧原料，由尾气助燃用空气助燃，在燃烧室2内燃烧产生热量，带有热量的燃烧尾气依次经过管式炉天然气预热器3、管式炉喷燃器4和管式炉工艺空气预热器5，给管式炉内被预热的物质(天然气、工艺空气和尾气助燃用空气)提供能量，最终由烟囱6排放，被预热的天然气和工艺空气进入半补强炭黑反应炉进行反应。

本实用新型的装置，可对半补强炭黑生产的原料进行线外预热，可减少上述反应式(1)和(3)的反应数量，有效的节省了天然气的投入量，同时也减少了O2的消耗量，使进入反应炉的空气量减少(空气中的O2:N2＝1：3.76)，减少加热被加热物质需要的热量，从而进一步减少反应式(1)和(3)的反应数量，节约了成本，提高了炭黑生产的单炉产量，同时，使得半补强炭黑生产过程中产生的尾气得到充分的利用，提高了能源的利用率。

从上述反应式(1)、(2)、(3)的反应过程可以看出，天然气反应过程是物质体积变大的过程，反应炉直径很大，随空气量减少，同时，反应炉保证停留时间不变情况下，可以加大天然气的处理量，除了收率提高增大产量外，增加的处理可使产量进一步加大。

如图2所示，本实用新型的具体工艺流程为：

A、来自天然气总管的天然气管道分为两路，其中：一路天然气经计量经管系1进入管式炉天然气预热器3，天然气预热到300℃-550℃进入半补强炭黑反应炉，作为炭黑裂解反应的原料；另一路天然气经计量经管系2进入管式炉燃烧器1，作为燃料，主要用于开车初期管式炉烘炉，根据需要，也可以作为长明火。

B、工艺空气流量计量后，经管系3送入管式炉工艺空气预热器5进行预热，预热温度在200℃-400℃，进入半补强炭黑反应炉，作为炭黑裂解反应的助燃气。

C、助燃尾气经尾气加压风机加压后，经管系4计量后，送入管式炉喷燃器4，作为燃料，在燃烧室2燃烧，给管式炉被预热的物质提供能量，燃烧尾气经烟囱6排放。

D、尾气助燃用空气，经风机加压后，经管系5计量后，送入管式炉喷燃器4，在燃烧室2助燃后，经烟囱6排放。

在其中一个实施例中，如图1所示，所述管式炉喷燃器4的外壁上设有第一尾气助燃用空气入口401和尾气助燃用空气出口402，所述尾气助燃用空气出口402与所述第二尾气助燃用空气入口103连接，所述管式炉喷燃器4的内部设有两端分别连接所述第一尾气助燃用空气入口401和尾气助燃用空气出口402的尾气助燃用空气管，所述管式炉喷燃器4的内部还设有供燃烧尾气流通的与所述尾气助燃用空气管呈对流形式布置的第二尾气管。

尾气助燃用空气进入管式炉燃烧器1之前，先与管式炉喷燃器4内的燃烧尾气进行对流换热，可使得管式炉燃烧器1的燃烧反应所需的热量更少，更加的节约能量。

在其中一个实施例中，所述管式炉天然气预热器3为双层结构，所述管式炉天然气预热器3的内部供所述管式炉燃烧器1中的燃烧尾气流通，所述管式炉天然气预热器3的内外层间具有容纳天然气的空腔，所述第二天然气入口301和天然气出口302与所述空腔连通。

燃烧室2内的燃烧尾气先经过管式炉天然气预热器3，管式炉天然气预热器3内的热量较大，天然气与燃烧尾气以辐射的形式进行换热，在保证良好的预热效果的同时，可以提高对天然气的处理量。

在其中一个实施例中，所述管式炉工艺空气预热器5的内部设有供燃烧尾气流通的第一尾气管，所述管式炉工艺空气预热器5的内部还设有两端分别连接所述工艺空气入口501和工艺空气出口502的工艺空气管，所述工艺空气管与所述第一尾气管呈对流形式布置。

燃烧尾气经过与天然气和尾气助燃用空气的换热后，燃烧尾气所带有的热量降低，在管式炉工艺空气预热器5内通过对流的方式，完成工艺空气与燃烧尾气的换热，可以提高换热效率。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，其特征在于，包括燃烧室和与燃烧室的入口连接的管式炉燃烧器，所述燃烧室的出口上依次连接有管式炉天然气预热器、管式炉喷燃器和管式炉工艺空气预热器，所述管式炉工艺空气预热器的出口设有烟囱；所述管式炉燃烧器上设有第一天然气入口、助燃尾气入口和第二尾气助燃用空气入口；所述管式炉天然气预热器的顶部设有第二天然气入口和天然气出口，天然气在所述管式炉天然气预热器内与所述燃烧室产生的燃烧尾气以辐射形式换热；所述管式炉工艺空气预热器的侧壁上设有工艺空气入口和工艺空气出口，工艺空气在所述管式炉工艺空气预热器内与燃烧尾气以对流形式换热。

2.根据权利要求1所述的提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，其特征在于，所述管式炉喷燃器的外壁上设有第一尾气助燃用空气入口和尾气助燃用空气出口，所述尾气助燃用空气出口与所述第二尾气助燃用空气入口连接，所述管式炉喷燃器的内部设有两端分别连接所述第一尾气助燃用空气入口和尾气助燃用空气出口的尾气助燃用空气管，所述管式炉喷燃器的内部还设有供燃烧尾气流通的与所述尾气助燃用空气管呈对流形式布置的第二尾气管。

3.根据权利要求2所述的提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，其特征在于，所述管式炉天然气预热器为双层结构，所述管式炉天然气预热器的内部供所述管式炉燃烧器中的燃烧尾气流通，所述管式炉天然气预热器的内外层间具有容纳天然气的空腔，所述第二天然气入口和天然气出口与所述空腔连通。

4.根据权利要求3所述的提高单炉产量和收率生产半补强炭黑的设备，其特征在于，所述管式炉工艺空气预热器的内部设有供燃烧尾气流通的第一尾气管，所述管式炉工艺空气预热器的内部还设有两端分别连接所述工艺空气入口和工艺空气出口的工艺空气管，所述工艺空气管与所述第一尾气管呈对流形式布置。

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