一种气相白炭黑生产进料装置的制作方法

本实用新型涉及化工领域，尤其涉及一种气相白炭黑生产进料装置。

背景技术：

白炭黑按生产方法大体分为沉淀法白炭黑和气相法白炭黑。气相法白炭黑常态下为白色无定形絮状半透明固体胶状纳米粒子（粒径小于100nm），无毒，有巨大的比表面积（100~400m²/g）。气相法白炭黑全部是纳米二氧化硅，产品纯度可达99.8%，粒径可达10-20nm，但制备工艺复杂，价格昂贵；沉淀法白炭黑又分为传统沉淀法白炭黑和特殊沉淀法白炭黑前者是指以硫酸、盐酸、co2与水玻璃为基本原料生产的二氧化硅，后者是指采用超重力技术、溶胶-凝胶法、化学晶体法、二次结晶法或反相胶束微乳液法等特殊方法生产的二氧化硅。

气相法生产白炭黑：1941年德国degussa公司发明气相二氧化硅制备技术时，是采用四氯化硅为原材料。随着全球有机硅的单体工业的发展，副产物甲基三氯硅烷和高低沸物成为束缚有机硅单体工业发展的瓶颈。为此，生产商使用有机硅副产物作为制备气相二氧化硅的主体原材料，而生产气相二氧化硅的副产物盐酸，则返回有机硅厂用于有机的合成，形成一个资源循环利用,相互促进发展的良性循环。

我国从20世纪60年代开始小规模生产气相二氧化硅。2002年前国内仅有沈阳化工股份有限公司，上海氯碱化工股份有限公司和广州吉必时科技事业有限公司3家公司生产气相二氧化硅。其中沈阳化工股份有限公司，上海氯碱化工股份有限公司所用原料均为四氯化硅；广州吉必时科技实业有限公司在国内首次实现利用有机硅副产物甲基三氯硅烷生产气相二氧化硅。气相法白炭黑的生产工艺主要为化学气相沉积(cav)法，该工艺又称热解法、干法或燃烧法，工艺流程见图3。其原料一般为四氯化硅、氧气(或空气)和氢气，它们在高温下反应而成。反应式为：

stc：sicl4+2h2+o2→sio2+4hcl

m1：ch3sicl3+2o2→sio2+3hcl+co2

氢气和天然气（当使用mts（甲基三氯硅烷）做原料时不消耗天然气）分别经过滤器过滤后、再利用4.0bar低压蒸汽（换热器）将其升温到90℃，与经汽化器汽化和过滤器过滤后的stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）在管道处混合均匀后送入燃烧嘴；与其中一股经主风机增压到0.36bar后，并用4.0bar低压蒸汽预热（换热器）到90℃的空气在烧嘴处充分混合均匀后进入合成水解焚烧炉。

stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）与一定量的水和1500℃左右的高温下进行气相水解。此时生成的气相二氧化硅颗粒极细，与气体形成气溶胶，不易捕集，故使其先在聚集器中聚集成较大颗粒，然后经布袋分离器收集，再送入脱酸炉，用空气和氧气燃烧产生水蒸气并放热，对气相二氧化硅吸附的氯化氢进行脱附和干燥。成品送去包装系统。副产氯化氢进行盐酸回收和尾气处理后达标排放。

综上所述，现有的气相白炭黑生产进料方式单一，各原料气为单股进料方式，直接进入燃烧器中，未进行预先混合，同时辅料空气未分成两股进料方式，在火焰外围无氢氧焰，火焰受外界影响较大。同时燃烧器结构为常见的气体燃烧头。这样生产工艺反应波动较大，容易形成回火。设备运行稳定性较差，产品质量较差。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种气相白炭黑生产进料装置，本实用新型进料装置将空气分成两股，一股事先与原料和其他辅料（氢气和天然气）在燃烧器的进料口混合均匀，出燃烧器后再与另外一股空气经点火器点火后发生反应。这样可以在反应火焰周围包裹一层氢氧焰，可以减少外界环境对反应的影响。使得总体反应火焰稳定，所得产品质量高。

本实用新型的具体技术方案为：一种气相白炭黑生产进料装置，包括水解炉及分别连通所述水解炉的stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元，氢气进料单元，天然气进料单元，空气进料单元。其中，

所述氢气进料单元包括依次连接的氢气过滤器和燃料混合预热器。

所述天然气进料单元包括依次连接的天然气过滤器和燃料混合预热器；氢气进料单元和天然气进料单元共用一个燃料混合预热器；氢气和天然气在燃料混合预热器中混合后分为两股，其中一股与stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元合流后通入水解炉，另一股单独与水解炉顶部连接。

所述空气进料单元包括依次连接的空气过滤器、主风机和空气预热器；空气在经过空气预热器分为两股分别通入水解炉。

作为优选，所述水解炉包括水解炉体、燃烧器和点火器；所述燃烧器设于水解炉体的进料口，所述点火器设于燃烧器底部；所述氢气进料单元和天然气进料单元合流后的一股与四氯化硅或甲基三氯硅烷进料单元合流后通向燃烧器；氢气进料单元和天然气进料单元合流后的另一股单独通向燃烧器；所述空气进料单元分为两股后分别通向燃烧器不同位置。

作为优选，所述stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元包括依次连接的汽化器，过热器和原料过滤器。

本实用新型的工作流程为：气相白炭黑原料为stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷），一般为低沸点液态硅烷类物质。通常是事先将其汽化再参与反应。原料经汽化器汽化后，通过管道利用其自身汽化产生的蒸汽压力将其送至水解炉（氢气和天然气与stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元合流后通入水解炉）。在其输送管道上可设有流量调节阀，可以根据不同的产品配方自由调节。

辅料分别为氢气、空气和天然气（以mts（甲基三氯硅烷）为原料时不消耗天然气），辅料在反应前同样需要事先进行预热。其中氢气和天然气经过滤以及调节阀调节好配方后在管道内混合再经燃料混合预热器预热，预热完成后其中一股再与原料气在管道内混合，另一股从水解炉的燃烧器侧壁通入与二次补充空气混合燃烧。空气经过滤后，利用主风机对其进行增压再利用空气预热器对空气进行预热；预热完成后，辅料空气分成两股:其中一股与原料气和其他辅料一起在燃烧器进口处再次混合，另外一股空气则与混合后的气体经点火器点火后燃烧（仍先通过燃烧器通向点火器）。stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）在水解炉内1500℃左右的高温下水解生成气相白炭黑。

作为优选，所述燃烧器包括：

可燃气体进料管，与stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元，氢气进料单元，天然气进料单元合流后的管路连通。

助燃空气进料管，与空气进料单元中的一股连通，倾斜设于所述可燃气体进料管的侧壁上并与可燃气体进料管连通；助燃空气进料管内助燃空气斜向下流入可燃气体进料管内；

至少两个混合器，设于可燃气体进料管内；

至少一个分布盘，每个分布盘设于可燃气体进料管内且位于相邻两个混合器之间；

二次空气进料管，与空气进料单元中的一股连通，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

二次可燃气体进料管，与氢气进料单元和天然气进料单元合流后的一股连通，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

多孔喷嘴，设于可燃气体进料管底部的出口处。

本实用新型的工作原理为：可燃气体从可燃气体进料管顶部通入，助燃空气从助燃空气进料管斜向下通入与可燃气体在第一个混合器中发生预混，预混后的气体依次穿过分布盘使其流动更加稳定，混合气在通过分布盘后进入下一个混合器，进行第二次混合，最大程度保障混合效果，最后通过多孔喷嘴喷出燃烧。多孔喷嘴使火焰燃烧更加稳定，也最大程度的隔离了粉尘进去燃烧器内部。于此同时，二次空气和二次可燃气体分别从二次空气进料管和二次可燃气体进料管通入并向下喷出，由于可燃气体进料管中的空气多为过量，通过补加二次可燃气体，可包裹住过量的空气进行二次燃烧，提高原料的反应效率。

作为优选，所述助燃空气进料管内按进气方向间隔设有多个折流板，多个折流板的角度交错。

多个折流板通过不同的角度叠加，在助燃空气依次通过时，空气从平流状态变为湍流状态，有利于后续与可燃气体混合并燃烧。

作为优选，所述折流板通过固定杆连接于助燃空气进料管内。

作为优选，所述助燃空气进料管与可燃气体进料管的切斜夹角为25-90度。

作为优选，位于最高位的所述混合器高度位于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处。

最高处的混合器必须设于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处，以确保助燃空气与可燃气体在混合器内预混。

作为优选，燃烧器结构还包括套设于可燃气体进料管底部侧壁外的夹套冷却管。

可燃气体进料管底部采用夹套水冷，替代了传统的浇注料结构，提高使用寿命。

作为优选，所述夹套冷却管的底部设有进水口，顶部设有出水口。

底部进水顶部出水，可提高水冷效果。

作为优选，燃烧器结构还包括设于可燃气体进料管、二次空气进料管或二次可燃气体进料管外壁的固定法兰。

作为优选，所述二次可燃气体进料管同时套设于二次空气进料管侧壁外。

作为优选，所述二次空气进料管包覆夹套冷却管。

二次可燃气体进料管、二次空气进料管依次套设夹套冷却管，利用余热可对二次可燃气体和二次空气进行预热，有利于后续充分燃烧，同时充分利用了能源。

与现有技术对比，本实用新型的有益效果是：

（1）辅料空气分成两股进料，在火焰外围形成了一层氢氧焰，维持了反应火焰的稳定性；

（2）原料辅料工艺气混合进料方式，并在燃烧器内部进行再次混合，使原料辅料工艺混合度大大提高；

（3）维持总体反应稳定，提高产品质量；

（4）维持反应火焰稳定，减少外界环境对反应火焰的影响。使得火焰长度波动小，不易受进气压力波动而波动，反应温场均匀，提高了火焰稳定性及安全性，不易回火；

（5）燃烧器较传统相比设置预混区，缓冲区，改变原料流动状态，提高多股原料混合程度，使物料混合均匀，提高燃烧效率，反应完全；

（6）燃烧头喷嘴处不易结垢，不易熄火；

（7）喷嘴稳固性好，不易脱落。

附图说明

图1是本实用新型进料装置的一种结构示意图；

图2是本实用新型燃烧器的一种结构示意图；

图3是现有技术中气相白炭黑的生产工艺流程图。

附图标记为：可燃气体进料管1，助燃空气进料管2，混合器3，分布盘4，二次空气进料管5，二次可燃气体进料管6，多孔喷嘴7，折流板8，固定杆9，夹套冷却管10，进水口11，出水口12，固定法兰13，水解炉100，氢气过滤器101，燃料混合预热器102，天然气过滤器103，空气过滤器105，主风机106，空气预热器107，水解炉体108，燃烧器109，点火器110，汽化器111，过热器112，原料过滤器113。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。在本实用新型中所涉及的装置、连接结构和方法，若无特指，均为本领域公知的装置、连接结构和方法。

实施例1

如图1所示：一种气相白炭黑生产进料装置，包括水解炉100及分别连通所述水解炉的stc或m1进料单元，氢气进料单元，天然气进料单元，空气进料单元。其中：

所述水解炉包括水解炉体108、燃烧器109和点火器110；所述燃烧器设于水解炉体的进料口，所述点火器设于燃烧器底部。

所述stc或m1进料单元包括依次连接的汽化器111，过热器112和原料过滤器113。

所述氢气进料单元包括依次连接的氢气过滤器101和燃料混合预热器102。

所述天然气进料单元包括依次连接的天然气过滤器103和燃料混合预热器102。氢气进料单元和天然气进料单元共用一个燃料混合预热器；氢气和天然气在燃料混合预热器中混合后分为两股，其中一股与stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元合流后通入水解炉。另一股与水解炉顶部连接。

所述空气进料单元包括依次连接的空气过滤器105、主风机106和空气预热器107；空气在经过空气预热器分为两股分别通入水解炉。

本实用新型的工作流程为：气相白炭黑原料为stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷），一般为低沸点液态硅烷类物质。通常是事先将其汽化再参与反应。原料经汽化器汽化后，通过管道利用其自身汽化产生的蒸汽压力将其送至水解炉。在其输送管道上可设有流量调节阀，可以根据不同的产品配方自由调节。

辅料分别为氢气、空气和天然气（以mts（甲基三氯硅烷）为原料时不消耗天然气），辅料在反应前同样需要事先进行预热。其中氢气和天然气经过滤以及调节阀调节好配方后在管道内混合再经燃料混合预热器预热，预热完成后其中一股再与原料气在管道内混合。另一股从水解炉的燃烧器侧壁通入与二次补充空气混合燃烧。空气经过滤后，利用主风机对其进行增压再利用空气预热器对空气进行预热；预热完成后，辅料空气分成两股:其中一股与原料气和其他辅料一起在燃烧器进口处再次混合，另外一股空气则与混合后的气体经点火器点火后燃烧（仍先通过燃烧器通向点火器）。stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）在水解炉内1500℃左右的高温下水解生成气相白炭黑。

如图2所示：所述燃烧器包括：

可燃气体进料管1，与stc（四氯化硅）或mts（甲基三氯硅烷）进料单元，氢气进料单元，天然气进料单元合流后的管路连通。

助燃空气进料管2，60度倾斜设于所述可燃气体进料管的侧壁上并与可燃气体进料管连通；助燃空气进料管内助燃空气斜向下流入可燃气体进料管内；所述助燃空气进料管内按进气方向间隔设有多个折流板8，多个折流板的角度交错。所述折流板通过固定杆9连接于助燃空气进料管内。

两个混合器3，依次设于可燃气体进料管内；位于最高位的混合器高度位于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处。

一个分布盘4，分布盘设于可燃气体进料管内且位于相邻两个混合器之间。

二次空气进料管5，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

二次可燃气体进料管6，与氢气进料单元和天然气进料单元合流后的一股连通，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；二次可燃气体进料管同时套设于二次空气进料管侧壁外。

多孔喷嘴7，设于可燃气体进料管底部的出口处。

套设于可燃气体进料管底部侧壁外的夹套冷却管10。夹套冷却管的底部设有进水口11，顶部设有出水口12。二次空气进料管包覆夹套冷却管。

设于可燃气体进料管侧壁的固定法兰13。

本实施例的工作原理为：多个折流板通过不同的角度叠加，在助燃空气依次通过时，空气从平流状态变为湍流状态，有利于后续与可燃气体混合并燃烧，提高白炭黑品质。可燃气体从可燃气体进料管顶部通入，助燃空气与可燃气体在第一个混合器中发生预混，预混后的气体依次穿过分布盘使其流动更加稳定，混合气在通过分布盘后进入下一个混合器，进行第二次混合，最大程度保障混合效果，最后通过多孔喷嘴喷出燃烧。多孔喷嘴使火焰燃烧更加稳定，也最大程度的隔离了粉尘进去燃烧器内部。于此同时，二次空气和二次可燃气体分别从二次空气进料管和二次可燃气体进料管通入并向下喷出，由于可燃气体进料管中的空气多为过量，通过补加二次可燃气体，可包裹住过量的空气进行二次燃烧，提高原料的反应效率。

本实用新型的燃烧器，可使熄火率降低40%，原料利用率提高50%。降低投入成本。同时火焰温度可控精度在±3°。

实施例2

本实施例与实施例1的不同指出在于，所述助燃空气进料管与可燃气体进料管的切斜夹角为25度。

实施例3

本实施例与实施例1的不同指出在于，所述助燃空气进料管与可燃气体进料管的切斜夹角为80度。

实施例4

本实施例与实施例1的不同指出在于，包含3个混合器和2个分布盘，3个混合器和2个分布盘间隔设置。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围。