CN86106499A - 生产软质炭黑的方法和设备 - Google Patents

Abstract

生产软质炭黑的方法和设备。不仅可以用气体燃料，也可以用液体燃料作燃料，主要用重质油作燃料，燃料油经喷嘴雾化后与旋转空气一起轴向进入燃烧炉。沿喉管轴线成45度至90度方向喷入，补充空气和补充可燃气沿反应炉切向或径向引入，炭黑烟气被水雾顺流急冷到980℃以下。一般采用本方法及设备可以生产多种新工艺软质炭黑和常规软质炭黑。本方法生产的软质炭黑比常规方法生产软质炭黑节约能源10％至30％。

Description

炭黑是烃类经部分氧化、裂解而生成的，主要用作橡胶补强剂、填充剂。本发明涉及软质炭黑的改进生产方法及相应的设备。

现有炉法生产软质炭黑，通常是把空气、原料油直接加到反应炉中，在高于1000℃的温度下不完全燃烧，裂解生成炭黑。用此方式生产软质炭黑不仅能耗高，而且炭黑中常夹带硬碳而影响使用性能。或者，用天然气作燃料，在反应炉中加入天然气和空气用以调节所生产炭黑的结构。用此方式生产的炭黑虽具有能耗低和硬碳少的优点，但此方法存在以下一些不易解决的问题：

燃烧炉用气体燃料和用作补充反应炉中烃的气体燃料（或轻质油）不仅来源困难，而且价格昂贵。

燃烧炉、反应炉的热负荷强度一般都比较高，耐火层需用特殊的耐火材料制作，但是这样的耐火材料来源困难，价格高，并且使用寿命短。切向引入反应炉用作补充烃的气体燃料（天然气等）燃烧温度较高，使反应炉内衬耐火材料易于损坏，不仅喉管热负荷强度较高，而且燃烧气对喉管的冲刷特别严重，即使采用特殊耐火材料，也损坏较快。

本发明解决了这些问题，其要点是，采用轴向进气式旋流器和低压载体雾化双流体喷咀组成的喷燃器。此喷燃器不仅可以喷烧各种重质燃料油，如重油、煤焦油等，也可喷烧轻质油和气体燃料，有利于本发明的工业化应用。

本发明反应炉引入的补充燃烧气体不仅可以是天然气，也可以是炭黑生产中分离了炭黑的尾气或其它可燃气体。这不仅使本发明能在所有炭黑厂广泛应用，而且反应炉耐火材料不易损坏。

本发明采用的喉管为改进的水夹套式钢结构，它有结构简单，制造方便，使用寿命长，原料油嘴不易结焦堵塞等优点。

本发明燃烧炉和反应炉内衬采用优质耐火材料如刚玉类制造。原料油嘴为公知的实心柱状喷射流股喷嘴。采用公知的反应炉内顺流冷却炭黑烟气的方法，冷却介质是水，组成急冷器的水喷嘴是常用的机械雾化喷嘴。

参    考    文    献

USP4105750

本发明的一个目的是提供一种生产炭黑的方法，即以重质液体燃料（也可以用轻质液体燃料和气体燃料）和原料油的新工艺路线生产软质新工艺炭黑的方法，向反应炉引入炭黑生产过程尾气（也可以是其它气体燃料和氧化剂），控制、改善、调节炭黑性能。用这个方法生产出的新工艺炭黑质量优异，并且节约大量能源。

本发明又一个目的是提供一种常规软质炭黑改进的生产方法，提高炭黑产品质量和经济效益。

本发明再一个目的是提供一组为使用本发明方法所需要的关键设备。该设备包括燃烧炉和相应的轴向喷燃器，改进的反应炉和补充燃烧气引入段，改进的喉管和公知的原料油喷射器和急冷器。

本发明的另外一个目的是根据发明的观点和采用本发明的关键设备，生产多种炭黑产品。

本发明的其它目的和特征可从以下叙述中了解到。

用本方法可以生产N600、N500、N700系列中的任何一种新工艺炭黑或任何一种相应的常规炭黑。用本方法也可以生产其它系列炭黑产品。

方法综述：

根据本发明，燃料油（或气）在燃烧炉内燃烧生成高温燃烧气流，此高温气体流经缩口加速，在缩口处和高速喷射入的原料油流股混合、雾化，进入反应炉，再和引入反应炉的补充燃烧气混合，裂解成炭黑。

燃料可以是液体燃料，也可以是气体燃料。液体燃料可以是轻质油，也可以是重质油，如乙烯焦油、重油等类似的油品。燃料的低位热值应大于2.93×10⁷J/Kg，最好大于3.56×10⁷J/Kg。用重质油作燃料时，应把燃料油预热到85℃至250℃，最好为90℃至160℃。用轻质燃料油可以不预热。进油压力为19.6×10^-2至58.8×10^-2MP_a，雾化气进气压为24.5×10^-2至78.4×10^-2MP_a，最好为34.3×10^-2至68.6×10^-2MP_a。雾化气可以是压缩空气、蒸汽或其它气体，雾化气和燃料油的重量比为0.2至0.6。燃料油首先被双流体喷嘴雾化，再被来自旋流器的旋转空气雾化，沿燃烧炉轴向进入燃烧炉。

进入燃烧炉的空气是经过预热的，其预热温度为250℃至600℃，最好是350℃至450℃。空气经喷燃器的旋流器，形成高速旋转气流，同双流体雾化喷嘴雾化的一次雾化油雾相遇，对燃料进行二次雾化，在燃料用双流体雾化喷嘴下游端与风套间的环隙内的气流速度大于70米/秒，风套下游端的气流速度大于50米/秒。燃料油的一次燃烧率为130%到200%，最好是140%至180%。燃烧炉内壁最高温度不应高于1680℃，最好为1450℃至1620℃。燃烧气流在喉管中的换算速度为0.15至0.50，最好是0.20至0.35，燃烧炉和反应炉之间的压差为2.94×10³至1.176×10⁴P_a。

根据本发明，原料油可以采用乙烯焦油、重油、蒽油、煤焦油、防腐油等单一油品或混配油，原料油的相关指数为85至175，含碳量应大于80%，沥青质和残碳含量应尽量少，原料油的预热温度为80℃至250℃，最好为90℃至180℃，进油压为49×10^-2至156.8×10^-2MP_a，最好为68.6×10^-2至117.6×10^-2MP_a，原料油喷射流股为实心柱状，沿喉管轴线成45度至90度喷入喉管的高温气流中。原料油柱在喉管中的穿透率为25%至70%。原料油从油喷嘴喷射出时的动能与流经喉管的高温气流在喉管喷油点断面的动能之比（即液气动能比）为30至150，最好是50至110。

根据本发明，从喉管流出的高温燃烧气和原料油的混合气流进入改进的反应炉，在反应炉的一个适当位置引入补充空气和补充可燃气体。补充空气量为生产炭黑所需空气总量的0～30%，最好为8%至20%，补充空气和补充可燃气的化学当量比70%至130%。补充可燃气为热值大于2.93×10⁶J/NM³的任何可燃气体。补充空气和可燃气可从反应炉的切向、周边、或纵向引入。实际空气量与燃料、原料油和补充可燃气完全燃烧所需的空气量之比，称为总燃烧率。本发明的炭黑生产过程总燃烧率为20%至45%。

根据本发明，炭黑烟气在反应炉尾部被喷入的水急速冷却到980℃以下，以终止炭黑反应。急冷水是由水泵加压到78.4×10^-2MP_a至156.8×10^-2MP_a，经急冷器喷射到反应炉中，急冷水的雾流方向同反应炉中炭黑烟气流向一致。反应炉中的炭黑烟气在高温区停留时间为0.15秒至1秒，最好是0.35秒至0.7秒。

粉状炭黑采用公知的方法收集和造粒。

设备综述及附图说明

本附图是总发明构思中的关键设备简图。为了便于理解本发明，就附图综述如下：

图1是关键设备简图。图2是图1中所示A-A截面简图。图3是图1中的B-B截面简图。图4是燃料喷燃器简图。

在图1中，（1）是燃料喷射器（见图4），（2）是燃烧炉，其上游为扩张形或圆筒形，扩张形的扩锥角为85度至120度。燃烧炉中段为圆筒形，下游段为收缩形，缩锥角为20度至30度，以利和喉管收缩段（5）相适应。燃烧炉长度和圆筒段内径之比为3至5.5，（3）是燃烧炉耐火层和保温层，最内层用刚玉质或优于刚玉质耐火材料制造，（4）是燃烧炉钢制外壳，（5）是喉管收缩段，其上游端和燃烧炉（2）下游端缩锥角相适应，并用法兰相互连接。5a是喉管收缩段接管，用来采样或测压，它和喉管轴线成90度方向设置。（6）是喉管直段，其上游端和喉管收缩段下游端用法兰连接。（7）是喉管扩张段，内筒为渐扩形，扩锥角为3度至10度，6a和7a分别是喉管直段和扩张段接管，它们和喉管轴线成45度至90度方向设置，沿圆周方向各均匀设置1至6个，用作喷入原料油。喉管总长度为600毫米至1000毫米。喉管用公知的碳钢或不锈钢、耐热钢制造。（8）是公知的原料油喷射器，可根据生产能力设置1至6个。（9）是改进的反应炉，该炉上游包括一个扩张段和一个直段，扩张段的扩锥角为80度至120度。直段是一个圆筒形，反应炉中段是补充空气和补充可燃气加入段，包括一个扩张段，一个直段和一个渐缩段。该扩张段的扩锥角为120度至180度，渐缩段的缩锥角为60度至120度，该直段为一圆筒形，在其切线方向设有接管（9a）和（9b），用来补充空气和燃料气。反应炉下游为一圆筒形直段，在该段尾部沿径向设有接管（14a）、（14b）、（14c）、（14d），用来***急冷器。反应炉总长度同反应炉下游圆筒段直径比为10至30，最好是12至24。（10）是常用的急冷器，这样的急冷器按需要可以有1至4个。（11）是喉管环形室，其内充满冷却水（图中未画出冷却水接管）。（12）是喉管外筒。（13）是反应炉耐火层和保温层。（14）是反应炉钢制外壳。

在图2中，喉管直段的接管6a和公知的原料油喷射器（8）相连接。（图中只画出一个）。

在图3中，反应炉炉壳接管9a和9b开在反应炉的中段的圆筒形部份，补充空气和补充燃料气在此混合切向进入反应炉。

在图4中，（15）是旋流器，它可通过拉杆接件（14），沿燃料管（20）作轴向移动，以此来调节旋流器（15）与风套（17）的相对位置。旋流器旋流强度为1.3至3.0，可用碳钢或不锈钢制造。（15a）是望火筒，一端焊在被开孔的旋流器旋流片（16）上，另一端装有一石英玻璃片用以观察燃烧炉及喉管工作状况。旋流器的叶片平均倾角为30度至60度，最好是35度至45度，叶片遮盖度为1.0至1.9，最好为1.2至1.6。（17）是风套，用耐热钢或碳钢制造。（18）是双流体雾化喷咀，内管是燃料输送管（20），外管是雾化载体输送管（21）。双流体雾化喷咀（18）下游端与旋流器（15）下游端间距为20毫米至100毫米，与风套下游端间距应大于25毫米。（19）是塞套，主要作用是用来调节喷咀（18）和旋流器（15）的相对位置。（23）是钢制水夹套，（23a）是水夹套进水管，该管深入到接近水夹套（23）的下游端。

根据本发明，采用风压为4.9×10⁴P_a的风机即可满足生产需要。原料油泵和燃料油泵为一般Y型油泵。

本发明优点及其积极效果：

本发明的第一个优点是大量节约能源。例如，根据本发明生产出的新工艺N630、N642、N539炭黑和常规N660炭黑，比用常规方法在常规设备上生产同系列常规炭黑如N660或N550，每吨炭黑油耗要低15%至30%，甚至省得更多。

本发明第二个优点是不受燃料的限制，它既可用气体燃料，也可用液体燃料;既可用易于燃烧的轻质油，也可用不易完全燃烧的重质油如重油、煤焦油等。这就便于所有炭黑厂实施本发明。

本发明第三个优点是生产出的产品具有多样性。例如，根据本发明可以生产软质炭黑N500、N600、N700系列的新工艺炭黑和常规炭黑。也可以生产这三个系列以外的其它炭黑产品。

本发明第四个优点是生产出的N500、N600、N700系列的炭黑产品质量优良，比用常规方法生产的炭黑中“硬碳”大大减少。并可按需要调节产品的某些性能，如DBP吸附值等。

本发明第五个优点是关键设备适应性能，对设备材质要求不高，装置寿命长，设备结构较简单。

本发明的其它优点可以从上面叙述和以下实例明显看出。

实施本发明的实例：

试验装置公称能力450吨/年左右。所属领域的普通技术人员能够再现或实施本发明。设备参数见表1。实例的燃料油及原料油均采用乙烯焦油，其性质为比重（d²⁰ ₄）1.042，粘度（E⁸⁰ ₂₀）1.84，水份含量仅有痕迹，低位热值3.96×10⁷J/Kg，相关指数为140左右。表2是5个实施实例工艺参数及产品性能。表3是向反应炉补充空气和天然气与不补充空气和天然气情况下工艺参数和产品性能实例对比。表4是表2和表3中产品性能测试方法。

                  表1    设备参数（参见附图）

旋流器旋流强度                                    1.7～2.0

旋流器叶片平均倾角                            约45度

旋流器叶片遮盖度                                约1.65

燃烧炉长度与内径比值                        3.4～4.0

反应炉长度与内径比值                        5.5～10

燃烧炉、喉管内径比值                        2.5～5

原料油喷咀头尺寸（mm)                      1.0×3

急冷方式                                                顺流水冷

表2    工艺参数与产品性能

表3    向反应炉补充与不补充空气、天然气

情况下的生产工艺参数与产品性能对比

实例                                            不补充                            补充

燃料油量，L/h                            30                                    29

原料油量，L／h                          90                                    88

(燃烧炉）空气量，M³/h 540 520

(反应炉）空气量，M³/h 30

天然气量，M³/h 5

添加剂量(KCl),ppm                    80                        80

燃料油预热温度，℃                  110                      117

原料油预热温度，℃                  120                      115

空气预热温度，℃                      350                      390

燃料油进油压，10^-2MPa 49 49

原料油进油压，10^-2MPa 63.7 56.8

一次燃烧率                                  1.76                    1.75

总燃烧率                                      0.44                    0.44

炭黑产量，Kg/h                          60                        55

产品性能：

1.化学性能

吸碘值，g/Kg                            35.5                      36.5

DBP吸收值，cm³/h 0.98 0.73

CTAB比表面积，m²/g 46.8 47.4

PH值                                                                          8.5

2.橡胶物理机械性能

硫化时间，30分

邵尔A硬度                                    /                          56

扯断强度，10^-2MPa 2754 2901

伸长度，％                                648                      676

300％定伸强度，10^-2MPa 892 911

永久变形，％                            26                        26

硫化时间，45分

邵尔A硬度                                  /                          58

扯断强度，10^-2MPa 2636 2754

伸长率，％                                  588                    636

300％定伸强度，10^-2MPa 1000 911

永久变形，％                              26                      28

从表3可以看出，向反应炉补充天然气和空气后，炭黑产品的结构降低较显著。

表4    产品性能测试方法

吸碘值                                            GB3780.                      1-83

DBP吸附值                                      GB3780.                      2-83

CTAB表面积                                    GB3780.                      4-83

PH值                                                GB3780.                      7-83

橡胶物理机械性能                        GB3780.                      19-83

由于本发明具有以上优点，利用本发明来新建炭黑企业或对现有软质炭黑生产线进行技术改造，投资回收时间短（一般需一年到一年半）。再加上大部份炭黑企业使用本发明的可能性，因此，本发明具有广泛的工业实用价值。

计    算    实    例

设计品种：N660炭黑

主要工艺参数：

一次风量2160NM³/h，雾化空气流量47NM³/h，燃料油流量137Kg/h，原料油流量672Kg/h，补充空气流量375NM³/h，尾气加入量315NM³/h（尾气热值3.36×10⁶J/NM³），添加剂（K⁺）25ppm，喉管换算速度0.293，炭黑产量416.67Kg/h，年生产炭黑能力3000T。

反应炉主要尺寸：

燃烧室直径500mm，喉管加油段直径148mm，反应室上游直段直径550mm，反应室下游直段直径640mm，急冷位置距原料油喷嘴下游9000mm。

Claims (12)

1、生产软质炭黑的方法和设备，以气体燃料为主要燃料，液体油品为原料的气/油路线生产炭黑；燃料气和空气沿燃烧炉轴向或切向输入燃烧炉，产生高温高速燃气；原料油沿缩口轴向或径向喷射到流经缩口的燃气中，经反应形成的炭黑烟气和反应炉引入的补充可燃气和空气相混合而形成的炭黑烟气，被水雾冷却后，输送到收集和造粒***。夹套型或圆筒形(卧式)燃烧炉和反应炉的热负荷强度高，其耐火层用特殊耐火材料制成。

本发明的特征在于，不仅气体燃料、轻质油且主要用重质油燃料生产软质炭黑；燃料及其燃料燃烧、雾化用气都从燃烧炉(2)轴向送入；原料油以实心圆柱状流股沿喉管(6，7)轴线成45度至90度方向喷射到高温高速燃气流中，被充可燃气和空气从反应炉切向或径向引入，补充可燃气不仅可用天然气或其它可燃气体，更主要是采用流程中废弃的尾气；使用纸压双流体雾化咀与轴向进气式旋流器组成的燃料喷燃器(1)；燃烧炉(2)的内层耐火层(3)和反应炉(9)的内层耐火层(13)，用公知的刚玉质或优于刚玉质的耐火材料制成。

2、按照权利要求1所述生产炭黑的方法，其特征在于，不仅是生产N500、N600、N700系列的任何一种新工艺炭黑的方法，而且是生产N500、N600、N700系列任何一种常规炭黑的方法。

3、按照权利要求1和2所述生产炭黑的方法，其特征在于燃料燃烧用空气的预热温度为250℃至600℃，最好是350℃至450℃，在燃料用双流体雾化喷咀（18）下游端与风套（17）间的环隙内的气流速度大于70米/秒，风套下游端的气流速度大于50米/秒。

4、按照权利要求1和2所述生产炭黑的方法，其特征在于使用的燃料不仅可以是气体燃料或轻质油类燃料，而且主要是重油或重质油，燃料的低位热值大于2.93×10⁷J/Kg，当用油作燃料时，进油压为19.6×10^-2MPa至78.4×10^-2MPa，最好是29.4×10^-2MPa至58.8×10^-2MPa;燃料油被双流体雾化喷咀和燃烧空气二次雾化后，沿燃烧炉轴向进入燃烧炉中，完全燃烧形成高温旋转气流，其一次燃烧率为130%到200%，最好是140%至180%;重质燃料油的预热温度为85℃至250℃，最好为90℃至160℃，轻质燃料油可以不预热;双流体雾化喷咀用雾化气体可以是压缩空气、蒸汽或其它气体;雾化气和燃料油重量比为0.2至0.6。

5、按照权利要求4所述的高温旋转气流，其特征在于该气流在燃烧炉（2）内壁的最高温度不大于1680℃，最好是1450℃至1620℃，该气流在喉管中的换算速度为0.15至0.50，最好是0.2至0.35。

6、按照权利要求1和2所述生产炭黑的方法，其特征在于使用的原料油是相关指数为85至175的重油、乙烯焦油、蒽油、煤焦油等，或者它们的混配油;原料油的预热温度为80℃至250℃，最好为90℃至180℃，进油压为49×10^-2MPa至156.8×10^-2MPa，最好为68.6×10^-2MPa至117.6×10^-2MPa;原料油、燃烧炉用燃料和反应炉补充燃料的总燃烧率为20%至45%;原料油柱在喉管中的穿透率为25%至70%;原料油从原料油咀喷出时的动能与高温高速气体在喉管喷油点断面的动能之比为30至150，最好是50至110。

7、按照权利要求1和2所述生产炭黑的方法，其特征在于，燃烧炉（2）和反应炉（9）间的压差为2.94×10³Pa至1.176×10⁴Pa;生产N500、N600、N700系列新工艺炭黑和常规炭黑时，炭黑烟气在反应炉高温区停留时间为0.15秒至1秒，最好是0.35秒至0.7秒。

8、按照权利要求1和2所述生产炭黑的方法，其特征在于：在反应炉的一个适当位置补充空气和可燃气，补充空气量为生产炭黑所需空气总量的0～30%，最好为8%至20%，补充的可燃气可以是热值大于2.93×10⁶J/NM³的任何可燃气体。补充空气和可燃气的化学当量比为70%至130%。补充空气和可燃气可以从反应炉的切向、周边或纵向引入。

9、按照权利要求1所述生产炭黑的方法和设备，其特征在于所使用的喷燃器（1）包括轴向进气式旋流器（15）、风套（17）、双流体雾化喷咀（18）、燃料管（20）、雾化气管（21）和塞套（19）;轴向进气式旋流器（15）的内外筒间设有螺旋叶片，该叶片的遮盖度为1.0至1.9，最好为1.2至1.6，叶片平均倾角为30度至60度，最好是35度至45度;旋流器的旋流强度，按本发明的算法为1.3至3.0，最好是1.4至2.0;旋流器叶片上设有一个内径20至30毫米的望火筒;同旋流器（15）相连接的拉杆连接件（22）可使旋流器沿雾化气管（21）的轴向移动;双流体雾化喷咀（18）、旋流器（15）、燃料管（20）、雾化气管（21）按同一中心轴线相互配合。

10、按照权利要求1所述生产炭黑的方法和设备，其特征在于所用的燃烧炉内部上游为扩张形，扩锥角为85度至120度，中段为圆筒形，燃烧炉长度和圆筒段直径之比为3至3.5，燃烧炉下游为收缩形，缩锥角为20度至30度。

11、按照权利要求1所述生产炭黑的方法和设备，其特征在于，喉管收缩段（5）、直段（6）、扩张段（7）三段总长度为500至1200毫米，最好是600至800毫米;喉管直段（6）的接管（6a）与喉管直段轴线成45度至90度方向设置，并且沿圆周均匀设置1至6个;扩张段（7）为渐扩形，其扩锥角为3至10度，该段的接管（7a）与该段轴线成45度至90度方向设置，并沿圆周均匀设置1至6个。

12、按照权利要求1所述生产炭黑的方法和设备，其特征在于反应炉（9）的上游包括一个扩张段和一个直段，该扩张段的扩锥角为80度至120度;反应炉（9）的中游为补充空气和燃烧气的引入段，它包括一个扩张段，一个直段和一个渐缩段，该扩张段的扩锥角为120度至180度，渐缩段的缩锥角为60度至120度，该直段为圆筒形，在其切线方向设置有接管（9a）和（9b），作为补充空气和燃烧气加入管;反应炉（9）下游为一圆筒形直段，在该段尾部沿径向设有接管（14a）、（14b）、（14c）、（14d），用来***急冷器;反应炉总长和反应炉下游圆筒段直径之比为10至30，最好是12至24。

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