[发明专利]炭黑生产反应炉及相关方法

说明书

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：