专利名称：炭黑生产反应炉及相关方法
技术领域：
本发明是关于炭黑的生产设备及其相关生产方法的。
炉法炭黑生产所采用的反应炉的炉型，有卧式圆筒型单室炉，原料油的一部分用作燃料(或另用气体燃料)，助燃剂常用空气，从前端壁轴向处喷入，故燃烧和裂解是在炉膛内同一区段进行。急冷水嘴设在炉后管道及冷却塔上。因此，原料油转化率低，成本高，同一个炉不能生产多品种炭黑。在美国专利3725103中揭示出的三段式反应炉，尚有如下不足处燃料气分配板是可有可无的，又需优质的耐高温金属材料，而且燃料需在炉上分口加入，比较复杂;燃烧室内燃料气和空气的混合物是以直线湍流式地引入缩口管段，将使原料油和燃烧气混合不易均匀;整个燃烧室使用水夹套或空气夹套隔热，将降低反应炉内的热效应，且内层金属板由于温差大，焊缝易胀裂漏水，影响安全运转;使用的实心油嘴与原有的轴向油嘴不同，但无结构方面的叙述;在利用装备的生产方法叙述上，各参数范围过大，又没有计算方法。
本发明的目的之一是提供一种高效能的炭黑生产反应炉。
本发明的另一目的是提供一种可生产多品种炭黑的反应炉，特别是能生产N200、N300和N100系列硬质炭黑的反应炉。同时，利用本发明反应炉的特点，还可提高软质炭黑、导电炭黑生产的收率。
本发明再一个目的是提供一种利用本发明的炭黑生产反应炉制造炭黑的方法。
图1是本发明的炭黑生产反应炉示意图，按气流方向由燃料燃烧段(1)、热气流与原料油混合段(2)及炭黑生产反应兼冷却段(3)组成。
燃料燃烧段(1)示于图2，它由三个燃料喷燃器(11)、燃烧室(12)和出口水夹套(13)组成。喷燃器(11)示于图5，由设在中心轴上的喷燃管(14)、侧向空气管(15)和水夹套(16)组成。水夹套(16)有效地保护喷燃器在高温下长期工作。燃料常以天然气为主，也可用其它可燃性气体或油作燃料。喷燃管(14)为耐热管，它的前端设有挡焰板(19)和喷孔(20)。燃料从喷孔(20)喷出与从空气管(15)进入的空气混合燃烧。喷孔(20)孔径为2～3毫米。在燃烧室(12)的前端壁设置一个轴向和两个切向进入室内的分股流喷燃器(11)，它们喷进燃烧室的气体形成旋转气流;可按需要调节每股流量，确保燃烧和空气的充分混合、燃烧。燃烧室(12)内表面的几何形状必须有利于燃料气(或油)在该炉膛内达到完全燃烧(或几乎完全燃烧)的程度，即CO、H2、CH4等可燃气体燃后含量为零或近于零。在满足这种要求下把炉膛容积作得尽可能小些，以使流入混合段(2)的热气流在此段内达到热能和动能的高峰。燃烧室(12)的炉膛一般包括圆筒及渐缩圆锥两部份，圆筒部份的直径为200～600毫米，最好为300～450毫米，圆筒部份长度与直径比为1.2～3.5，最好为1.5～3.0。炉体(17)由优质耐火材料如刚玉砖、铬镁或铬铝砖，一般耐火砖和隔热砖(常用硅藻土砖)砌成。为加强炉砖间密封，内层优质耐火砖常采用大块型或捣制，以减少砖缝。炉体(17)外表面由钢板外壳(18)包围，钢板厚度8～12毫米，严禁烟气漏出或空气渗入。
加入燃烧段(2)的总空气量和燃料完全燃烧的理论空气量之比，称为一次燃烧率。即一次燃烧率(%)＝ (总空气量)/(燃料燃烧理论空气量) ×100%该燃烧率是本反应炉的主要工艺参数之一，其范围为140～180%，最好为150～170%。为了结构合理和安装方便，故设出口水夹套(13)，它是燃烧室(12)圆锥形部份的延续。圆锥部份角度常为7～30，最好是10～20。由燃烧段(1)产生的高温热气流，通过渐缩圆锥体，高速地流入混合段(2)。混合段示于图3。它由内管(21)、水夹套(22)、进水管(23)、出水管(24)和油枪孔(25)组成。内管(21)由耐热钢材制作，其长度为200～400毫米，最好是200～300毫米;其直径由选定的热气流速度确定，例如，混合段气流速度362米/秒情况下，直径为136毫米。热气流速度也是本三段反应炉的主要工艺参数之一。通过三个喷燃器(11)内燃料气(或油)与空气的完全混合和燃料燃烧的空气过剩系数的调节，使进入混合段(2)的热气流速达到规定要求。热气流速度V(米/秒)可按下式计算V = φ2KK - 1· R T 〔 1 - (P2P1)K - 1K〕]]>其中φ-流量系数;
K-燃烧气体的平均绝热指数;
P1-进入缩口管前燃烧气体压力;
P2-缩口管内燃烧气体压力;
R-气体常数;
T-燃烧气体温度。
生产硬质炭黑时，V的范围为270～370米/秒，最好是300～350米/秒。水夹套管(22)起保护内管(21)的作用，两端法兰与燃烧段(1)和反应段(3)相应的法兰配接，用螺栓紧固。所使用的原料油喷枪示于图6，由喷头(26)、喷嘴座(27)和油管(28)组成。喷头(26)和喷嘴座(27)通过螺纹联接拧紧，成为整体圆锥形。喷嘴座(27)与油管(28)也以螺纹联接，喷嘴座(27)的上方为六角形便于卡住拧紧螺丝，喷头(26)的前端为喷油孔(29)。使用这种形式的油喷枪可使喷出的油液形成实心锥形油柱，与热气流方向垂直交叉。该实心锥形油液由油泵提供压力，得以穿入该处的高速热气流中，油柱穿透的深度称为穿透率。用于试验炉的穿透率为60%较合适，工业化炉的穿透率为30～45%为宜。穿透率小，油液易在喷嘴一侧结焦，过大易在喷嘴对面结焦。工业化炉的原料油喷枪常多于两个，且均匀布置在内管(21)的同断面的周边上，其角间距可以是180°、120°、90°、60°或45°。油枪孔(25)前后分别与内管(21)及水夹套(22)焊接，靠近内管(21)一端为圆锥形，与喷头(26)、喷嘴座(27)的圆锥形相吻合，以固定油喷枪的位置，並使喷头(26)的前端与内管(21)内壁齐平。在水夹套管的外壁焊接管卡(图中未示出)，以固定油喷枪。夹带有剩余O2的高速高热燃气与原料在混合段(2)内呈剪切状迅速混合燃烧，开始炭黑生成反应，瞬间流入图4所示的反应兼冷却段(3)。由于断面突然扩大，气流产生剪切作用，强化了转化反应，故在以毫秒计的极短时间内转化反应便完成。
根据所生产炭黑品种的不同，要及时予以急冷，终止反应。反应兼冷却段有促进反应和终止反应的作用。图4所示的反应兼冷却段由反应室(31)、炉体(32)、水枪孔(33)、炉壳(34)和水夹套(35)组成。反应室(31)与燃烧室(12)的炉体相似，内衬耐火砖、隔热砖，外包钢壳。通常反应室(31)内径比燃烧室(12)内径大。反应室(31)与燃烧室(12)的圆筒内径比为0.7～2.0，最好是1～1.5。长度取决于高温区停留时间和急冷水枪的位置。调整炉前工艺操作参数，並相应改变急冷水枪的位置，从而改变高温停留时间，便可在同一座反应炉内生产不同系列的炭黑品种。
本发明之三段式反应炉与单室反应炉和美国专利3725103所述的反应炉相比，具有如下优点(1)用本发明装置生产的炭黑，粒径分布较窄，表面光滑，表面活性大，有利于提高橡胶制品的补强性能。
(2)、同一个反应炉可生产3个系列10多个品种的炭黑。
(3)、单位能耗单室炉降低15%以上，成本减少20%以上。
从下列实例可以进一步看到积极效果。
表1为本发明之试验型和工业化型三段式反应炉主要工艺操作参数。
表2为炭黑收率和炭黑产品质量。
表3为本发明三段式反应炉与单室反应炉经济效益比较。
表1 实验型与工业化型三段反应炉工艺操作参数(长度单位毫米)
权利要求
1.一种炭黑生产反应炉及相关方法，反应炉由燃料燃烧段(1)、热气流与原料油混合段(2)及炭黑生成反应兼冷却段(3)组成，燃料气(或油)从燃烧段(1)通入，原料油通入口正处于燃料燃烧生成的热气流的热能和动能达到高峰的混合段(2)，采用炉内急冷，常规方式分离、收集炭黑产品，本发明的特征在于，燃烧段之燃烧室(12)的炉堂包括圆筒及渐缩圆锥两部份，圆筒部份直径为200～600毫米，最好是300～450毫米，圆筒部份长度与直径比为1.2～3.5，最好是1.5～3.0，渐缩圆锥部份的锥角为7度～30度，最好是10～20度；混合段(2)的内管(21)的长度为200～400毫米，最好是200～300毫米，内管(21)的直径由选定的热气流速度确定；反应室(31)与燃烧室(12)的直径比为0.7～2.0，最好是1.0～1.5。
2.根据权利要求1所述的炭黑生产反应炉及相关方法，其特征在于，燃烧段(1)由三个喷燃器(11)、一个燃烧室和出口水夹套(13)组成;在燃烧室(12)的前端壁设置一个轴向和两个切向入室内的分股流喷燃器(11)，由三个喷燃器喷入燃烧室(12)的气体形成旋转气流，调节每股流量确保燃料气(或油)和空气的充分混合、燃烧。
3.根据权利要求1或2所述的反应炉及相关方法，其特征在于，加入燃烧段(2)的总空气量和燃料完全燃烧的理论空气量之比，即，一次燃烧率为140～180%，最好是150～170%。
4.根据权利要求1或2所述的反应炉及相关方法，其特征在于，喷燃器(11)由设在中心轴上的喷燃管(14)、侧向空气管(15)和起保护作用的水夹套(16)组成，喷燃管(14)为耐热管，其前端设有挡焰板(19)和孔径2～3毫米的喷孔(20)。
5.根据权利要求1或2所述的反应炉及相关方法，其特征在于，通过三个喷燃器(11)内燃料气(或油)与空气的完全混合和燃料燃烧的空气过剩系数之调节，使进入混合段(2)的热气流速在生产硬质炭黑时达到270～370米/秒，最好是300～350米/秒。
6.根据权利要求1所述的反应炉及相关方法，其特征在于，所使用的原料油喷枪是由喷头(26)、喷嘴座(27)和油管(28)组成，喷头(26)的前端为喷油孔(29)，喷嘴座(27)分别通过螺纹与喷头(26)和油管(28)联结，油泵提供压力使这种油枪在工业化炉中喷出实心锥形油柱的穿透率达到30～45%。
全文摘要
炭黑生产反应炉及相关方法。反应炉是按气流方向分为燃料燃烧段、热气流与原料油混合段、炭黑生成反应兼冷却段，燃料和原料油在不同区段通入，使原料油通入位置正处于热能和动能的高效部位，在燃烧室前端壁设置一个轴向和两个切向进入室内的分股流喷燃器，形成旋转气流，确保燃料和空气充分混合、燃烧。与现有炭黑反应炉相比，更适合于生产硬质炭黑诸品种，易于调节产品质量，还可降低能耗15％以上。
文档编号C09C1/50GK1030599SQ8810417
公开日1989年1月25日 申请日期1988年7月11日 优先权日1988年7月11日
发明者何宜怡, 朱昶中, 孙宝三 申请人:化学工业部炭黑工业研究设计所