CN104788999B - 一种煤焦油化学链热解制备炭黑的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于炭黑制备设备技术领域，涉及一种煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，空气反应器与单级旋风分离器连通，单级旋风分离器的下部与双夹套流化床换热器连通，双夹套流化床换热器与燃料反应器的中部连通，燃料反应器的下部为与流化进气主管连通的风室，燃料反应器与空气反应器的底部相连，燃料反应器的上部设有冷却水盘管，冷却水盘管与水夹套换热器相连通，燃料反应器的顶部与两级串联旋风分离器连通，双夹套流化床换热器的外层夹套和水夹套换热器分别与管壳式余热锅炉的底部连通，输油管的底部与流化进气支管相连；其结构简单，操作使用方便，维护成本低，使用寿命长，能耗少，实现余能的合理利用，有效减少污染排放。

Description

一种煤焦油化学链热解制备炭黑的装置

技术领域：

本发明属于炭黑制备设备技术领域，涉及一种煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，特别是一种以煤焦油为原料，通过化学链热解技术制备炭黑的装置。

背景技术：

随着我国现代化进程的加快，以汽车制造业为代表的橡胶依赖产业迅速发展，而炭黑作为橡胶的一种重要补强剂，需求量上亦与日俱增，成为仅次于生胶的第二大橡胶材料，在橡胶工业中的消耗量约占其总产量的89.5％；研究表明，在橡胶中添加适量的炭黑，可以有效增强材料的物理机械性能(拉伸强度、撕裂强度、耐磨性等)，使得橡胶产品更加可靠、耐用；此外，炭黑作为染色剂、导电剂及紫外线屏蔽剂等，同样广泛用于涂料、干电池及塑料生产等领域。

迄今为止，常规的炭黑生产方法主要包括接触法、热裂解法和炉法，其中接触法开式生产，工艺落后，现在除了特殊功能炭黑采用接触法，接触法已经较少使用；热裂解法由于原料天然气价格上涨、炭黑产品性能较差等因素而发展受限，而以油炉法为代表的炉法炭黑技术得到广泛发展，通过油炉法生产的炭黑占到炭黑生产总量的95％以上，成为当前炭黑生产的主要方法，其基本原理是：预热空气携带燃料油进入反应室燃烧产生高温烟气(燃烧温度1700-1800℃)进入热解反应室，原料油经过滤、预热后由压缩空气雾化喷入其中，在高温下迅速气化并裂解生成炭黑，在反应室后部，将冷水直接喷入烟气中以降低烟温而终止炭黑反应，最终冷却烟气经主袋滤器收集炭黑。由上述原理可以看出，油炉法主要特点包括：炉内必须保持高温提高反应速率；原料油雾化质量很关键，空气配比控制严格；燃烧温度高达1800℃，耐火材料易被烧毁，成本增加；采用助燃空气，其中79％的氮气，高温下易生成大量热力型NO_x，且会携带部分煤焦油燃烧生成的大量热量，造成能量损失；喷入冷水冷却高温烟气，既造成烟气量增加而更多显热被带走，又使得尾气含湿量增加，降低尾气热值。因此，在现如今提倡环保节能的大背景下，降耗、污染减排是当前炭黑生产所必须面对的重大难题。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种煤焦油化学链热解转化制备炭黑的装置，降低炭黑生产能耗，减少污染排放。

为了实现上述目的，本发明的主体包括空气反应器、单级旋风分离器、双夹套流化床换热器、燃料反应器、水夹套换热器、两级串联旋风分离器、过滤收集装置、空气反应器排气管、单级旋风分离器料腿、进料管、输油管、管壳式余热锅炉、引风机、流化进气支管、冷却水盘管、一级旋风分离器料腿、返料管、存储罐、氧化态载氧体、还原态载氧体、流化进气主管、燃料反应器布风板、返料管阀门、空气反应器布风板、煤焦油入料阀门、载氧体进料阀门、返料阀、空气进口、贫氧空气出口、流化气体主进口、冷却水进口、高温水出口、煤焦油进口、流化气体分进口和尾气出口；空气反应器通过顶部的空气反应器排气管与单级旋风分离器连通，空气反应器的底部设有空气进口，空气反应器的底端设有空气反应器布风板；空气反应器和空气反应器排气管内流动有氧化态载氧体，氧化态载氧体由还原态载氧体和空气中的氧气反应生成；单级旋风分离器的下部通过单级旋风分离器料腿与双夹套流化床换热器连通，单级旋风分离器的顶部设有贫氧空气出口，贫氧空气出口排出N₂和少量未反应的O₂；双夹套流化床换热器通过进料管与燃料反应器的中部连通，燃料反应器下端设有燃料反应器布风板，燃料反应器布风板的下部为与流化进气主管连通的风室，流化进气主管与流化气体主进口连通，燃料反应器通过返料阀和返料管与空气反应器的底部相连，燃料反应器和返料阀之间的返料管上设置有返料管阀门，返料管内流动有还原态载氧体；燃料反应器的上部设有冷却水盘管，冷却水盘管的上部为冷却水进口，冷却水盘管与水夹套换热器相连通，燃料反应器的顶部通过水夹套换热器内腔的管道与两级串联旋风分离器的进口连通，两级串联旋风分离器通过一级旋风分离器的排气口与二级旋风分离器的进气口串联组成，一级旋风分离器料腿与返料管连通，二级旋风分离器的底部与存储罐相连；过滤收集装置与二级旋风分离器的排气口相连，过滤收集装置的后部设有尾气出口；管壳式余热锅炉的顶部右侧设有高温水出口；管壳式余热锅炉的顶端与贫氧空气出口相通，双夹套流化床换热器的外层夹套和水夹套换热器分别与管壳式余热锅炉的底部连通，双夹套流化床换热器的内层夹套底部右侧与输油管相连，双夹套流化床换热器的内层夹套的左侧设有煤焦油进口，与煤焦油进口连通的管道上设有煤焦油入料阀门，双夹套流化床换热器的流化床底部设有流化气体分进口；输油管的底部与流化进气支管相连，流化进气支管底部的一端与流化进气主管垂直相连，流化进气支管底部的另一端设有30°的倾斜管，倾斜管与燃料反应器底部相连；流化进气支管上端的管道上设有载氧体进料阀门，引风机的进口与余热锅炉的底端相连，引风机的出口分别与流化气体主进口和流化气体分进口相连。

本发明所述空气反应器为循环流化床，燃料反应器为鼓泡流化床；双夹套流化床换热器的内层夹套为煤焦油夹套，外层夹套为冷却水夹套，双夹套包覆流化床的顶部和四周；过滤收集装置采用过滤布袋和烟气通道组成。

本发明采用煤焦油化学链热解制备炭黑，化学链热解反应开始时，空气反应器内的还原态载氧体与空气进行氧化反应生成氧化态载氧体，氧化态载氧体由气流携带进入单级旋风分离器进行气固分离，分离出来的贫氧空气经过管壳式余热锅炉回收部分热量，然后经过引风机送往双夹套流化床换热器、燃料反应器和返料阀作为流化气体；分离出来的氧化态载氧体由单级旋风分离器料腿进入双夹套流化床换热器，在流化气体吹动下氧化态载氧体将双夹套流化床换热器内层夹套中的煤焦油预热，预热后的煤焦油通过输油管落下送往流化进气支管里，来自流化气体主管的流化气体携带通过载氧体进料阀门落下的氧化态载氧体一同送往燃料反应器的下部，并在流化进气支管里与煤焦油混合，流化气体主管内的流化气体由燃料反应器的底部风室通入，流化的氧化态载氧体将煤焦油分散均匀，并催化裂解煤焦油的C-H键，氧化态载氧体释放晶格氧与H反应，则碳析出迅速生成炭黑，氧化态载氧体生成还原态载氧体，大颗粒还原态载氧体在流化中进入返料管，经返料阀送回空气反应器；燃料反应器内携带炭黑和少量还原态载氧体的烟气依次通过相互连通的水盘管、水夹套换热器进入两级分离器和过滤装置，两级串联旋风分离器，还原态载氧体在一级旋风分离器内分离，由一级旋风分离器料腿进入返料管并与从燃料反应器下部进入返料阀和返料管的还原态载氧体混合后，一同返回空气反应器完成物料循环，而烟气继续进入二级旋风分离器，部分炭黑被分离下来进入存储罐，剩余炭黑由烟气携带经过滤收集装置分离收集，尾气经尾气出口送往余热锅炉补燃。

本发明在制炭黑过程中，空气反应器中的温度为1000-1100℃，燃料反应器的温度为850-950℃；经水夹套换热器后的冷却水先通入双夹套流化床换热器中的外层夹套以调节油温，再通入管壳式余热锅炉管程，并与利用引风机从贫氧空气出口引到管壳式余热锅炉壳程的贫氧空气换热，冷却后的贫氧空气分别去往流化气体主进口和流化气体分进口做流化进气，而加热后的水由高温水出口通往外接热用户。

本发明与现有技术相比，制备炭黑过程中，煤焦油不直接和空气接触，而是通过载氧体在空气反应器和燃料反应器之间的交替氧化-还原反应实现炭黑的制备过程，具有以下优点，一是流化状态下的载氧体与油料均匀掺混，起到良好的破碎雾化油料且强化接触传热作用，省去油炉法中机械雾化用压缩空气所需的能量；二是采用载氧体的晶格氧替代接触空气中的分子氧，简化空气配比控制，避免氧的过余和碳的损失，保证炭黑产率；三是空气反应器及燃料反应器温度均远远低于常规油炉法，反应温度低，提高耐材寿命，节约运行成本，且由于采用载氧体催化裂解油料C-H键，促进晶格氧与H的反应，炭黑反应速率并未降低；四是由于燃料反应器内温度较低，且油料不与空气中O₂接触，有效降低热力型NO_x和燃料型NO_x产生；五是燃料反应器顶部设有水盘管及水夹套换热器，通过冷却水与烟气间壁式换热调节烟温，共同控制/终止炭黑反应，而加热后的水送往余热锅炉利用，相比向高温烟气喷水降温而造成大量热损失的做法，具有巨大节能优势，且尾气含湿量小，亦送往余热锅炉燃烧利用；六是油料在双夹套换热器中经过载氧体回流时的预热，流动性增加，利于送入燃料反应器与载氧体掺混，省去专门油料预热过程，具有节能特点；七是空气反应器排气由引风机引至管束式的余热锅炉，与经冷却水盘管和夹套换热器后的水换热，降温后排气即作为燃料反应器等的流化进气，而高温水最终送出余热锅炉，也具有余热余气回收利用的特点；其结构简单，操作使用方便，维护成本低，使用寿命长，能耗少，实现余能的合理利用，有效减少污染排放，具有广泛深远的社会效益和工业应用潜在价值。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例：

本实施例的主体包括空气反应器1、单级旋风分离器2、双夹套流化床换热器3、燃料反应器4、水夹套换热器5、两级串联旋风分离器6、过滤收集装置7、空气反应器排气管8、单级旋风分离器料腿9、进料管10、输油管11、管壳式余热锅炉12、引风机13、流化进气支管14、冷却水盘管15、一级旋风分离器料腿16、返料管17、存储罐18、氧化态载氧体19、还原态载氧体20、流化进气主管21、燃料反应器布风板22、返料管阀门23、空气反应器布风板24、煤焦油入料阀门25、载氧体进料阀门26、返料阀27、空气进口A、贫氧空气出口B、流化气体主进口C、冷却水进口D、高温水出口E、煤焦油进口F、流化气体分进口G和尾气出口H；空气反应器1通过顶部的空气反应器排气管8与单级旋风分离器2连通，空气反应器1的底部设有空气进口A，空气反应器1的底端设有空气反应器布风板24；空气反应器1和空气反应器排气管8内流动有氧化态载氧体19，氧化态载氧体19由还原态载氧体20和空气中的氧气反应生成；单级旋风分离器2的下部通过单级旋风分离器料腿9与双夹套流化床换热器3连通，单级旋风分离器2的顶部设有贫氧空气出口B，贫氧空气出口B排出N₂和少未反应的O₂；双夹套流化床换热器3通过进料管10与燃料反应器4的中部连通，燃料反应器4下端设有燃料反应器布风板22，燃料反应器布风板22的下部为与流化进气主管21连通的风室，流化进气主管21与流化气体主进口C连通，燃料反应器4通过返料阀27和返料管17与空气反应器1的底部相连，燃料反应器4和返料阀27之间的返料管17上设置有返料管阀门23，返料管17内流动有还原态载氧体20；燃料反应器4的上部设有冷却水盘管15，冷却水盘管15的上部为冷却水进口D，冷却水盘管15与水夹套换热器5相连通，燃料反应器4的顶部通过水夹套换热器5内腔的管道与两级串联旋风分离器6的进口连通，两级串联旋风分离器6通过一级旋风分离器a的排气口与二级旋风分离器b的进气口串联组成，一级旋风分离器料腿16与返料管17连通，二级旋风分离器b的底部与存储罐18相连；过滤收集装置7与二级旋风分离器b的排气口相连，过滤收集装置7的后部设有尾气出口H；管壳式余热锅炉12的顶部右侧设有高温水出口E；管壳式余热锅炉12的顶端与贫氧空气出口B相通，双夹套流化床换热器3的外层夹套和水夹套换热器5分别与管壳式余热锅炉12的底部连通，双夹套流化床换热器3的内层夹套底部右侧与输油管11相连，双夹套流化床换热器3的内层夹套的左侧设有煤焦油进口F，与煤焦油进口F连通的管道上设有煤焦油入料阀门25，双夹套流化床换热器3的流化床底部设有流化气体分进口G；输油管11的底部与流化进气支管14相连，流化进气支管14底部的一端与流化进气主管21垂直相连，流化进气支管14底部的另一端设有30°的倾斜管，倾斜管与燃料反应器4底部相连；流化进气支管14上端的管道上设有载氧体进料阀门26，引风机13的进口与余热锅炉12的底端相连，引风机13的出口分别与流化气体主进口C和流化气体分进口G相连。

本实施例所述空气反应器1为循环流化床，燃料反应器4为鼓泡流化床；双夹套流化床换热器3的内层夹套为煤焦油夹套，外层夹套为冷却水夹套，双夹套包覆流化床的顶部和四周；过滤收集装置7采用过滤布袋和烟气通道组成。

本实施例采用煤焦油化学链热解制备炭黑，化学链热解反应开始时，空气反应器1内的还原态载氧体20与空气进行氧化反应生成氧化态载氧体19，氧化态载氧体19由气流携带进入单级旋风分离器2进行气固分离，分离出来的贫氧空气经过管壳式余热锅炉12回收部分热量，然后经过引风机13送往双夹套流化床换热器3、燃料反应器4和返料阀27作为流化气体；分离出来的氧化态载氧体19由单级旋风分离器料腿9进入双夹套流化床换热器3，在流化气体吹动下氧化态载氧体19将双夹套流化床换热器3内层夹套中的煤焦油预热，预热后的煤焦油通过输油管落下送往流化进气支管14里，来自流化气体主管21的流化气体携带通过载氧体进料阀门26落下的氧化态载氧体一同送往燃料反应器4的下部，并在流化进气支管14里与煤焦油混合，流化气体主管21内的流化气体由燃料反应器4的底部风室通入，流化的氧化态载氧体将煤焦油分散均匀，并催化裂解煤焦油的C-H键，氧化态载氧体19释放晶格氧与H反应，则碳析出迅速生成炭黑，氧化态载氧体生成还原态载氧体，大颗粒还原态载氧体在流化中进入返料管17，经返料阀26送回空气反应器1；燃料反应器4内携带炭黑和少量还原态载氧体20的烟气依次通过相互连通的水盘管15、水夹套换热器5进入两级分离器和过滤装置，两级串联旋风分离器6，还原态载氧体20在一级旋风分离器a内分离，由一级旋风分离器料腿16进入返料管17并与从燃料反应器4下部进入返料阀27和返料管17的还原态载氧体20混合后，一同返回空气反应器1完成物料循环，而烟气继续进入二级旋风分离器b，部分炭黑被分离下来进入存储罐18，剩余炭黑由烟气携带经过滤收集装置7分离收集，尾气经尾气出口H送往余热锅炉补燃。

本实施例在制炭黑过程中，空气反应器1中的温度为1000-1100℃，燃料反应器4的温度为850-950℃；经水夹套换热器5后的冷却水先通入双夹套流化床换热器3中的外层夹套以调节油温，再通入管壳式余热锅炉12管程，并与利用引风机13从贫氧空气出口B引到管壳式余热锅炉12壳程的贫氧空气换热，冷却后的贫氧空气分别去往流化气体主进口C和流化气体分进口G做流化进气，而加热后的水由高温水出口E通往外接热用户。

Claims (4)

1.一种煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，其特征在于主体结构包括空气反应器、单级旋风分离器、双夹套流化床换热器、燃料反应器、水夹套换热器、两级串联旋风分离器、过滤收集装置、空气反应器排气管、单级旋风分离器料腿、进料管、输油管、管壳式余热锅炉、引风机、流化进气支管、冷却水盘管、一级旋风分离器料腿、返料管、存储罐、流化进气主管、燃料反应器布风板、返料管阀门、空气反应器布风板、煤焦油入料阀门、载氧体进料阀门、返料阀、空气进口、贫氧空气出口、流化气体主进口、冷却水进口、高温水出口、煤焦油进口、流化气体分进口和尾气出口；空气反应器通过顶部的空气反应器排气管与单级旋风分离器连通，空气反应器的底部设有空气进口，空气反应器的底端设有空气反应器布风板；空气反应器和空气反应器排气管内流动有氧化态载氧体，氧化态载氧体由还原态载氧体和空气中的氧气反应生成；单级旋风分离器的下部通过单级旋风分离器料腿与双夹套流化床换热器连通，单级旋风分离器的顶部设有贫氧空气出口；双夹套流化床换热器通过进料管与燃料反应器的中部连通，燃料反应器下端设有燃料反应器布风板，燃料反应器布风板的下部为与流化进气主管连通的风室，流化进气主管与流化气体主进口连通，燃料反应器通过返料阀和返料管与空气反应器的底部相连，燃料反应器和返料阀之间的返料管上设置有返料管阀门，返料管内流动有还原态载氧体；燃料反应器的上部设有冷却水盘管，冷却水盘管的上部为冷却水进口，冷却水盘管与水夹套换热器相连通，燃料反应器的顶部通过水夹套换热器内腔的管道与两级串联旋风分离器的进口连通，两级串联旋风分离器通过一级旋风分离器的排气口与二级旋风分离器的进气口串联组成，一级旋风分离器料腿与返料管连通，二级旋风分离器的底部与存储罐相连；过滤收集装置与二级旋风分离器的排气口相连，过滤收集装置的后部设有尾气出口；管壳式余热锅炉的顶部右侧设有高温水出口；管壳式余热锅炉的顶端与贫氧空气出口相通，双夹套流化床换热器的外层夹套和水夹套换热器分别与管壳式余热锅炉的底部连通，双夹套流化床换热器的内层夹套底部右侧与输油管相连，双夹套流化床换热器的内层夹套的左侧设有煤焦油进口，与煤焦油进口连通的管道上设有煤焦油入料阀门，双夹套流化床换热器的流化床底部设有流化气体分进口；输油管的底部与流化进气支管相连，流化进气支管底部的一端与流化进气主管垂直相连，流化进气支管底部的另一端设有30°的倾斜管，倾斜管与燃料反应器底部相连；流化进气支管上端的管道上设有载氧体进料阀门，引风机的进口与余热锅炉的底端相连，引风机的出口分别与流化气体主进口和流化气体分进口相连。

2.根据权利要求1所述煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，其特征在于所述空气反应器为循环流化床，燃料反应器为鼓泡流化床；双夹套流化床换热器的内层夹套为煤焦油夹套，外层夹套为冷却水夹套，双夹套包覆流化床的顶部和四周；过滤收集装置采用过滤布袋和烟气通道组成。

3.根据权利要求1所述煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，其特征在于采用煤焦油化学链热解制备炭黑，化学链热解反应开始时，空气反应器内的还原态载氧体与空气进行氧化反应生成氧化态载氧体，氧化态载氧体由气流携带进入单级旋风分离器进行气固分离，分离出来的贫氧空气经过管壳式余热锅炉回收部分热量，然后经过引风机送往双夹套流化床换热器、燃料反应器和返料阀作为流化气体；分离出来的氧化态载氧体由单级旋风分离器料腿进入双夹套流化床换热器，在流化气体吹动下氧化态载氧体将双夹套流化床换热器内层夹套中的煤焦油预热，预热后的煤焦油通过输油管落下送往流化进气支管里，来自流化进气主管的流化气体携带通过载氧体进料阀门落下的氧化态载氧体一同送往燃料反应器的下部，并在流化进气支管里与煤焦油混合，流化进气主管内的流化气体由燃料反应器的底部通入，流化的氧化态载氧体将煤焦油分散均匀，并催化裂解煤焦油的C-H键，氧化态载氧体释放晶格氧与H反应，则碳析出迅速生成炭黑，氧化态载氧体生成还原态载氧体，大颗粒还原态载氧体在流化中进入返料管，经返料阀送回空气反应器；燃料反应器内携带炭黑和少量还原态载氧体的烟气依次通过相互连通的水盘管、水夹套换热器进入两级串联旋风分离器和过滤装置，两级串联旋风分离器，还原态载氧体在一级旋风分离器内分离，由一级旋风分离器料腿进入返料管并与从燃料反应器下部进入返料阀和返料管的还原态载氧体混合后，一同返回空气反应器完成物料循环，而烟气继续进入二级旋风分离器，部分炭黑被分离下来进入存储罐，剩余炭黑由烟气携带经过滤收集装置分离收集，尾气经尾气出口送往余热锅炉补燃。

4.根据权利要求2所述煤焦油化学链热解制备炭黑的装置，其特征在于在制炭黑过程中，空气反应器中的温度为1000-1100℃，燃料反应器的温度为850-950℃；经水夹套换热器后的冷却水先通入双夹套流化床换热器中的外层夹套以调节油温，再通入管壳式余热锅炉管程，并与利用引风机从贫氧空气出口引到管壳式余热锅炉壳程的贫氧空气换热，冷却后的贫氧空气分别去往流化气体主进口和流化气体分进口做流化进气，而加热后的水由高温水出口通往外接热用户。