一种多炉头等离子法制备炭黑的反应炉的制作方法

本实用新型涉及炭黑制备技术领域，具体而言，涉及一种多炉头等离子法制备炭黑的反应炉。

背景技术：

等离子法炭黑：用等离子法把原料气裂解生成的炭黑。由氢或氦、氮等惰性气体电离而带电子状态，即产生高温等离子区，将原料气通入该等离子区，裂解生成炭黑和氢气，经急冷后分离回收炭黑，同时伴随产生大量易爆气体，如H2、C-H化合物气体等。

目前，部分厂家和院所在试验天然气裂解方式生产氢和碳，这种方式的产品不含或含少量的碳氢化合物，是一种环保的工艺。现有等离子制备炭黑和碳氢化合物的反应炉基本为单炉头反应炉。由于等离子体枪在运行过程中，电极会产生大量的热量，高温等离子区温度高达到1800℃～2000℃。因此，等离子体枪一般使用100h～1000h就需要进行更换。

为了避免积料，运行过程中反应炉内为微负压状态，更换等离子体枪必须把反应炉停下来，用大量的惰性气体进行置换后才能更换等离子体枪，否则，反应炉内就会吸入空气(氧气)，造成爆炸。

因此，单炉头反应炉不但不能持续生产，在更换等离子体枪的过程中，对整个反应炉进行置换，还会耗费大量的惰性气体。停炉过程中，炉头和后部相通的管道(烟道)必然冷却下来，下次开炉时，必须进行重新升温，从而产生严重的热量损耗。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多炉头等离子法制备炭黑的反应炉，多个炉头循环工作，保证了生产的连续性，提高生产效率，且大大降低惰性气体的用量。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种多炉头等离子法制备炭黑的反应炉，包括至少两个炉头，炉头连接同一条烟道。炉头包括炉体、等离子枪和高温切断阀。

炉体包括反应段炉体和冷却段炉体，反应段炉体与冷却段炉体连接。反应段炉体具有反应段炉膛，冷却段炉体具有冷却段炉膛。高温切断阀设置于反应段炉体和冷却段炉体之间，用以控制反应段炉膛与冷却段炉膛的连通状态。冷却段炉体远离反应段炉体的一端与烟道连接，冷却段炉膛与烟道连通。冷却段炉体设有用于降低冷却段炉膛温度的冷却装置。

等离子枪可拆卸地安装于反应段炉体，等离子枪产生的高温等离子区容置于反应段炉膛；反应段炉体设置有与反应段炉膛连通的原料气体入口和置换气体入口，原料气体能够经原料气体入口喷射至高温等离子区。

进一步地，冷却装置包括冷却水腔、冷却水进口和冷却水出口，冷却水腔位于冷却段炉体的中空夹层，冷却水进口和冷却水出口设置于冷却段炉体，冷却水进口和冷却水出口分别与冷却水腔连通。

进一步地，反应段炉膛呈圆柱形，等离子枪设置于反应段炉膛的一端，原料气体入口和置换气体入口设置于反应段炉膛的侧面，原料气体入口靠近反应段炉膛设置有高温等离子枪的一端设置；冷却段炉膛包括过渡段和延伸段，过渡段呈圆台形，延伸段呈圆柱形；反应段炉膛、过渡段和延伸段的中心轴共线，反应段炉膛的长度小于过渡段和延伸段的总长度；过渡段的小端与反应段炉膛的一端连通，过渡段的大端与延伸段的一端连通，延伸段的另一端与烟道连通。

进一步地，反应段炉膛呈棱柱形，等离子枪设置于反应段炉膛的一端，原料气体入口和置换气体入口设置于反应段炉膛的侧面，原料气体入口靠近反应段炉膛设置有高温等离子枪的一端设置；冷却段炉膛包括过渡段和延伸段，过渡段呈正棱台形，延伸段呈棱柱形；反应段炉膛、过渡段和延伸段的棱数相同，反应段炉膛、过渡段和延伸段的中心轴共线，反应段炉膛的长度小于过渡段和延伸段的总长度；过渡段的小端与反应段炉膛的一端连通，过渡段的大端与延伸段的一端连通，延伸段的另一端与烟道连通。

进一步地，原料气体入口数量不小于两个，原料气体入口以反应段炉膛的中心轴为中心均匀分布。

进一步地，冷却水进口位于冷却段炉体远离反应段炉体的一端，冷却水出口位于冷却段炉体靠近反应段炉体的一端。

进一步地，炉头的数量为三个。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型反应炉，多个炉头连接于同一条烟道，便于对整个反应炉进行惰性气体置换，且便于对炭黑进行统一收集。通过设置备用炉头，避免停炉，减少热量损耗，保证连续生产，提高生产效率。每个炉头中，通过设置高温切断阀，使等离子枪更换时，仅需对反应段炉膛进行惰性气体更换，大大减小惰性气体使用量，节约生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的反应炉的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2提供的反应炉的结构示意图；

图3为本实用新型实施例3提供的反应炉的结构示意图；

图4为本实用新型实施例1、实施例2、实施例3提供的炉头剖面示意图，以及炉头与烟道连接示意图。

图标：100-炉头，110-炉体，111-反应段炉体，112-反应段炉膛，113-冷却段炉体，114-冷却段炉膛，1141-过渡段，1142-延伸段，115-冷却装置，1151-冷却水腔，1152-冷却水进口，1153-冷却水出口，116-等离子枪，1161-高温等离子区，117-高温切断阀，118-原料气体入口，119-置换气体入口，200-烟道。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1、图4所示，本实施例提供一种多炉头等离子法制备炭黑的反应炉，包括两个炉头100，炉头100连接同一条烟道200，烟道200连接有炭黑收集装置(图未示)。本实施例中，炉头100采用立式，在本实用新型的其它实施例中，炉头100也可以采用卧式。炉头100包括炉体110、等离子枪116和高温切断阀117。

炉体110包括反应段炉体111和冷却段炉体113，反应段炉体111与冷却段炉体113连接。反应段炉体111具有反应段炉膛112，冷却段炉体113具有冷却段炉膛114。高温切断阀117设置于反应段炉体111和冷却段炉体113之间，用以控制反应段炉膛112与冷却段炉膛114的连通状态。冷却段炉体113远离反应段炉体111的一端与烟道200连接，冷却段炉膛114与烟道200连通。冷却段炉体113设有用于降低冷却段炉膛114温度的冷却装置115。

等离子枪116可拆卸地安装于反应段炉体111，等离子枪116设置有用于向等离子枪116输入承载气体的承载气体入口，离子枪产生的高温等离子区1161容置于反应段炉膛112；反应段炉体111设置有与反应段炉膛112连通的原料气体入口118和置换气体入口119，原料气体能够经原料气体入口118喷射至高温等离子区1161。

本实施例中，反应炉的操作步骤为：

(1)设定图1两个炉头100从左至右依次为一号炉头100和二号炉头100，反应炉初次使用前，开启一号炉头100和二号炉头100的高温切断阀117，使二者的反应段炉膛112、冷却段炉膛114与烟道200连通，由置换气体入口119通入惰性气体，对整个反应炉进行惰性气体置换，防止反应炉内存在空气。

(2)一号炉头100运行，二号炉头100备用。炉头100的运行步骤为，由承载气体入口向等离子枪116输入承载气体，例如氢或氦、氮等惰性气体，等离子枪116的电极端作用于上述承载气体，在反应段炉膛112内形成高温等离子区1161；由原料气体入口118向反应段炉膛112内通入原料气体，例如天然气或乙炔气体，原料气与高温等离子接触后裂解生成炭黑和氢气，然后在冷却段炉膛114被快速冷却，最后经烟道200分离收集炭黑。

(3)一号炉头100工作100h～1000h后，关闭一号炉头100，运行二号炉头100，并更换一号炉头100的等离子枪116。等离子枪116的更换步骤为：关闭等离子枪116，停止输入承载气体和原料气体，关闭炉头100的高温切断阀117，炉头100的反应段炉膛112和冷却段炉膛114被隔断，由置换气体入口119通入惰性气体，对反应段炉膛112进行惰性气体强制置换，待反应段炉膛112内的易爆气体置换完毕后，更换新的等离子体枪。先置换再拔枪，防止空气进入反应段炉膛112引发爆炸。

(4)二号炉头100工作100h～1000h后，关闭二号炉头100，重新运行一号炉头100，并更换二号炉头100的等离子枪116。炉头100重新运行的操作为：运行前，必须对反应段炉膛112进行惰性气体强制置换，去除更换等离子枪116时进入反应段炉膛112的空气。打开高温切断阀117，使炉头100的反应段炉膛112和冷却段炉膛114连通，即可重复步骤(1)中炉头100的运行工作。此后，返回步骤(3)，然后又进行步骤(4)，并连续循环工作。

本实施例中，冷却装置115的具体结构为：冷却装置115包括冷却水腔1151、冷却水进口1152和冷却水出口1153，冷却水腔1151位于冷却段炉体113的中空夹层，冷却水进口1152和冷却水出口1153设置于冷却段炉体113，冷却水进口1152和冷却水出口1153分别与冷却水腔1151连通。冷却水进口1152位于冷却段炉体113远离反应段炉体111的一端，冷却水出口1153位于冷却段炉体113靠近反应段炉体111的一端。冷却装置115作用于冷却段炉体113的中空夹层，作用面积大，安全性高。在本实用新型的其它实施例中，也可以采用其它适用于冷却易燃易爆气体的装置，例如：作用于冷却段炉体外壁的喷淋装置，或设置于冷却段炉体内壁的冷却盘管装置等。

本实施例中，反应段炉膛112呈圆柱形，等离子枪116设置于反应段炉膛112的一端，原料气体入口118和置换气体入口119设置于反应段炉膛112的侧面，原料气体入口118靠近反应段炉膛112设置有高温等离子枪116的一端设置；冷却段炉膛114包括过渡段1141和延伸段1142，过渡段1141呈圆台形，延伸段1142呈圆柱形。冷却段炉膛114的中心轴、过渡段1141的中心轴和延伸段1142的中心轴共线，反应段炉膛112的长度小于过渡段1141和延伸段1142的总长度。冷却段炉膛114的长度大于反应段炉膛112的长度，为反应冷却提供足够的空间。过渡段1141的小端与反应段炉膛112的一端连通，过渡段1141的大端与延伸段1142的一端连通，延伸段1142的另一端与烟道200连通。过渡段1141为反应中止到冷却的一段，根据反应停留的时间计算得出。同时，通过设置锥筒形的过渡段1141，扩大了冷却水腔1151的面积，提高冷却置的作用面积，从而提高冷却效率。

此外，反应段炉膛112和冷却段炉膛114还有其它实施方式，例如：反应段炉膛112呈棱柱形，等离子枪116设置于反应段炉膛112的一端，原料气体入口118和置换气体入口119设置于反应段炉膛112的侧面，原料气体入口118靠近反应段炉膛112设置有高温等离子枪116的一端设置；冷却段炉膛114包括过渡段1141和延伸段1142，过渡段1141呈正棱台形，延伸段1142呈棱柱形；反应段炉膛112、过渡段1141和延伸段1142的棱数相同，反应段炉膛112的中心轴、过渡段1141的中心轴和延伸段1142的中心轴共线，反应段炉膛112的长度小于过渡段1141和延伸段1142的总长度；过渡段1141的小端与反应段炉膛112的一端连通，过渡段1141的大端与延伸段1142的一端连通，延伸段1142的另一端与烟道200连通。当然，反应段炉膛112也可以为其它棱柱形，过渡段1141为与其形状匹配的棱台形，延伸段1142为与其形状匹配的棱柱形即可。

本实施例中，原料气体入口118数量为两个，当然，原料气体入口数量也可以采用其它实施方式，例如3个、4个或更多个，原料气体入口118以反应段炉膛112的中心轴为中心均匀分布，能够同时对多路原料气体进行加工，提高等离子枪116的应用效率，提高生产效率。

实施例2

如图2所示，与实施例1的不同之处在于，炉头100的数量为三个，操作方法也有不同。具体地，操作步骤为：

(1)设定图中三个炉头100从左至右依次为一号炉头100、二号炉头100和三号炉头100，反应炉初次使用前，开启一号炉头100、二号炉头100和三号炉头100的高温切断阀117，使三者的反应段炉膛112、冷却段炉膛114与烟道200连通，由置换气体入口119通入惰性气体，对整个反应炉进行惰性气体置换，防止反应炉内存在空气。

(2)一号炉头100运行，二号炉头100备用，三号炉头100备用。炉头100的运行步骤与实施例相同。

(3)一号炉头100工作100h～1000h后，关闭一号炉头100，运行二号炉头100，三号炉体110备用，更换一号炉头100的等离子枪116。等离子枪116的更换步骤与实施例相同。

(4)二号炉头100工作100h～1000h后，关闭二号炉头100，运行三号炉头100，更换二号炉头100的等离子枪116。由于更换等离子枪116花费的时间较长，此时一号炉头100的等离子枪116可能还在更换过程中。

(5)三号炉头100工作100h～1000h后，此时一号炉头100的等离子枪116更换完毕，关闭三号炉头100，重新运行一号炉头100，更换三号炉头100的等离子枪116。二号炉头100的等离子枪116可能还在更换过程中。炉头100重新运行的操作与实施例相同。此后，返回步骤(3)，然后又进行步骤(4)、步骤(5)，并连续循环工作。

本实施例通过设置三个炉头100，减小因等离子枪116更换耗时较长造成的影响，能够及时换炉，确保连续工作。

实施例3

如图3所示，与上述实施例的不同之处在于，炉头100的数量大于三个，操作方法也有不同。

将炉头100分为若干组，每组包含多个炉头100，同一组内炉头100同时运行，然后按照实施例1或实施例2的操作步骤，按顺序更换，让多组炉头100循环工作，保证了生产的连续性，大大提高生产效率。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。