1、1旋风反应炉生产软质炭黑油耗降低的探讨韩斌苏州宝化炭黑有限公司，江苏 苏州 215151摘要：介绍旋风软质炭黑反应炉结构特点，从理论上研究反应炉内部结构特点、分析这种炉型的反应机理，更进一步完善和提高软质炭黑生产的技术水平。关键词：旋流强度、原料油雾化、雾化介质、高压蒸汽和压缩空气、缩口部分、节流环。1、前言 目前国内炭黑企业软质线多数使用旋风反应炉，产能从 2 万吨到 4 万吨炭黑生产线，生产工艺成熟，可使用不同品种煤焦油系列原料油，雾化介质使用高压蒸汽或压缩空气，生产如 N660 品种水洗筛余物控制在 200PPM 以下，但橡胶市场的也有些橡胶制品需要的软质炭黑品种水洗筛余物要求稳定控制
2、150PPM 以下，针对这样指标要求，需要生产过程长期稳定组织生产，然而软质炭黑生产影响指标的因素较多，如反应炉长期运行，原料油雾化质量稳定，原料油喷嘴的选择。使用双切向反应炉这种反应炉能适应软质炭黑裂解温度低，反应时间较长的要求。本文简要的阐述软质炭黑反应炉生产技术，并提出了一些看法，从理论上研究、分析这种炉型的反应机理，便于更进一步稳定和提高软质炭黑生产控制水平。 2、旋风反应炉结构特点旋风燃烧型软质炉的结构见图 1，这种炉型的主要特点是，两侧均匀分2布的燃烧用空气和燃料油混合燃烧后，从切向旋转同向进入反应室，形成稳定的火焰，原料油枪固定在炉子轴中心，油枪可轴向移动调整，通过喷嘴喷入雾化好
3、的原料油，生成的炭黑粒子经缩口的强化湍流提高了性能。它的优点是只要 A段与燃烧室交接底部不积耐火材料和原料油雾化介质流量稳定，反应炉就不结焦，生产稳定，产量弹性调整较大，反应炉 B段末端设有较大缩口，紧接相连的 C1段是一较小缩口，也称节流环，这两缩口作用可降低旋流的衰减，增加系统阻力，生产证明它的位置和节流环直径大小对炭黑的性能起着重要的作用。较大缩口区域长度增加可以增加炭黑粒子聚集程度，有助于炭黑产品 DBP的增加；在缩口的位置固定后，一般可通过调节原料油枪的伸缩位置来调节炭黑性能和改变品种。调整急冷位置改变反应时间。见图1。 A段 B段 反 应 区 域 急 冷 区 域反 应 区 域节 流
4、 环 1 C1段原 料 油3图 1旋风燃烧型软质炉的结构图3、旋风反应炉生产原理当上、下切燃烧室出口高温燃烧气体进入反应炉 A/B 段后，由切向进入的两股混合气体在炉内呈同向旋转运动，A/B 段的高温火燃顺向沿反应炉径向形成旋转流产生离心力，使气流获得较大的径向速度，向周边扩展，最大旋转速度位于从炉壁到中心的 2/处，在这一点上，高温旋转气流比炉壁附近高近 2 倍，从这一点到中心，气流旋转速度逐渐降低为零，同时 A/B 段的高温火燃同向沿反应炉轴向形成旋转流速逐渐衰减，逐渐推进形成稳定气流，在工艺规定位置，位于反应炉轴中心原料油油枪定位并以一定角度雾化原料油，与旋转的高温气体接触，由于旋转的高
5、温气体含有一定量氧气，预热200左右原料油通过高压蒸汽或 0.6MPa 左右压缩空气雾化，雾化原料油油滴在 1650左右的高温旋转燃烧气流迅速与雾化的原料油微粒接触反应生成炭黑，反应过程是不完全燃烧或热裂解，希望反应生产炭黑燃余气旋流经过节流环后衰减完成变成直流扩散。实际生产工艺空气流量增加时，相对生成炭黑粒子增加，按旋转流产生离心力，最大旋转速度也向周边扩展，使气流获得平均旋转速度增加，炭黑粒子轨迹延长，即炭黑粒子停留时间延长，相对粒子聚集程度增加。反应炉 B段在 A段后端，并含有两处收缩的反应空间，这两处收缩是反应段的非常重要部份。收缩空间迫使热燃烧气体伴随以气化、反应的原料增加速度和湍流
6、度到生产优质炭黑必需的水平。相接 B段的是 C1段，并设有一段节流环，与反应炉 B 段缩口形成第二处反应缩口区域，缩口空间的直径、长度及合理的长度和直径的比值加上 C1 段的节流环直径，对炭黑反应均匀稳定非常重要，通过轴向原料油枪的调整定位，通常认为原料油枪喷嘴点距离 C1 段的节流环末端的立体空间作为原料油主要反应空间，此反应空间容积减小，雾化原料油反应越强烈，反应可强化炭黑生成粒子聚集，生成的炭4黑经缩口的强化湍流提高了性能。有利于炭黑指标 DBP 的增加，加快炭黑生成反应速度。针对原料油喷嘴处节点，希望这节点前来自上下切燃烧室高温燃烧旋转气流稳定和充实，形成稳定的火焰，才能保证这节点后的
7、高温气流和雾化原料油油滴反应均匀，生成的炭黑经缩口的强化湍流提高了性能。旋转气流旋流强度均匀逐渐衰减，原料油吸收热量，反应生成炭黑燃余气均匀进入反应炉 B 段缩口内。这种旋风燃烧炉的运行阻力，一方面与燃烧室出口的燃烧气体流速有关，另一方面还与炉内气流速度，特别是与 B 段出口节流环界面出口速度有关。而在反应炉中心轴向喷入雾化好的原料油，生成的炭黑经缩口的强化湍流提高了性能。在缩口的位置固定后，一般可通过调节原料油枪的伸缩位置来调节炭黑性能和改变生产品种。调整急冷位置改变反应时间。 在通常设计的反应炉中，高温热燃气的旋转气流都是在反应炉前部生成的，其目的是增加高温热燃气的旋流强度。这种高温热燃气
8、旋流会使原料油喷嘴雾化的油滴被剪切而成更小的液滴。实际生产有时会出现高温气体并非呈对称旋转，使得部分原料油雾化区域偏移，原料油油滴与反应炉炉壁接触，导致炭黑成品中筛余物超标。四、生产工艺过程计算选择本文只讨论年产 3 万吨软质炭黑反应炉反应特点，分析理论生产 1kg 炭黑需要能耗情况；生产炭黑品种 N660，使用燃料油和原料油品种：煤焦油；原料油品种：炭黑油。工艺指标 工艺空气流量 10000Nm3/h燃料油流量 460kg/h 比值 21.7:1原料油流量 4900 kg/h 空气预热器入口烟气温度 7405空气预热器出口空气温度 610原料油喷嘴孔径 22：雾化介质高压蒸汽，雾化介质蒸汽现
9、场压力 0.9-1.0MPa。原料油枪插入 1200mm；水洗筛余物 100-300ppm；着色强度：57-58%总油单耗：1.5314t/t。原料油单耗：1.40t/t；燃料油单耗：0.1314t/t ；日产炭黑 84 吨。炭黑反应炉工艺计算基础数据：燃料煤焦油和原料油炭黑油组成如下表：品种 N C H S O 备注煤焦油 0.78 90.1 5.19 0.64 2.26炭黑油 1.00 91.56 4.71 0.77 1.35 1kg煤焦油烃理论空气量 L0Lc=0.089C+0.267H+0.033(S-O)式中：L 0 -理论空气量 Nm3/kg；C、H 、S 、O-煤焦油中各元素的重
10、量百分含量；煤焦油理论空气量 L0=9.4Nm3/kg。一次燃烧率=1 0000/（23029.4）=231%，每小时 460kg燃料油完全燃烧需空气量 4609.4=4324NM3h,那么燃烧室内剩余空气量 10000-4324=5676NM3h，计算假设生成 1kgN660 炭黑品种需要 Mkg 含碳 91.56%的原料油，取 N660 炭黑品种含碳 C=98%,原料油炭黑油含碳 C=91.56%；以1kgN660 炭黑为基准，由碳平衡等式 198%=91.56M，得出 1kg 炭黑需要含碳 91.56%原料油 M=（198%）/91.56=1.07kg，即生成 1 公斤炭黑理论需要6裂解
11、或不完全燃烧煤焦油 1.07 公斤，工艺日产炭黑 84 吨，小时炭黑产量3500kgh，那么由碳平衡理论上每小时生成 3500kg 炭黑需要裂解和不完全燃烧原料油：35001.07=3745kgh。在反应炉 A/B 段内，实际生产投入原料油 4900kg/h，如图原料油喷嘴位置 1-1，从炭黑反应生成过程中，没有转化为炭黑的原料油等于实际消耗原料油理论消耗原料油 ，即提供不完全燃烧或热裂解的原料油为(4900-35001.07)=1155kg h，从等式看，右侧数值越小越好，这些无效的原料油占比越少越好，也就是单位炭黑需要耗能低。如果燃烧室过剩氧含量高可能有一部分原料油要参加完全燃烧提供炭黑反
12、应生成热量，造成炭黑消耗增加；这些烧掉或裂解的原料油占总原料油为1155/4900100%=23.6%。从反应炉内过剩空气分析，每公斤燃料油完全燃烧理论需空气量 9.4NM3kg，上、下切燃烧室燃料油合计 460 公斤燃料油完全燃烧需空气量 4609.4=4324NM3h，那么燃烧室内剩余空气量 10000-4324=5676NM3h，这些过剩空气和理论计算过剩的原料油 1155kgh 相比，工艺空气不足，只能不完全燃烧反应，为生成炭黑提供热量；按不完全燃烧（不完全燃烧理论需空气量取完全燃烧的 50%即 4.7NM3kg）计算，实际燃烧室内剩余空气量 5676Nm3h，这些过剩空气不完全燃烧要
13、消耗原料油5676/4.7Nm3kg =1207kgh，实际反应过程被烧掉的 1155kgh，多余原料油 1207-1155=52kgh，必须与燃烧室生成的 CO2发生反应。公式C+CO2=2CO 说明原料油中的碳 C 与完全燃烧生成的 CO2进行吸热反应。影响因素主要有工艺空气过剩流量、燃料油完全燃烧提供热量、原料油品种和雾化介质及原料油枪推进位置。影响因素：74.1、燃料油完全燃烧提供热量过剩空气流量对指标影响炭黑生产企业使用燃料作为完全燃烧来提供热量，燃料系统采用燃油或燃气，关于燃烧室燃料油或燃料气燃烧情况，各炭黑企业控制有所不同，燃料燃烧需要空气流量有些按燃烧模型来给定，也有按空气和原
14、料油或煤气的比值来控制，一般来说切向燃烧室温度越高，燃料部分需要越多，也就是一次燃烧率越低，燃烧室产生高温气流量越小，反之产生高温气量越大。软质炭黑由于其裂解生成反应温度较低，停留时间较长，如果原料油雾化不好，油滴不能及时汽化和裂解就容易产生焦粒而导致 45m筛余物偏多。如果停留时间不足，裂解不充分，就会导致产品炭黑表面残留的油偏多形成油膜，从而影响其橡胶物理机械性能。为此生产软质炭黑不宜采用硬质炭黑提高燃烧气流的温度，需有最高的火焰温度和最少的过剩空气百分数。所以软质炭黑一次燃烧率一般控制 180%-240%。4.2燃料油完全燃烧提供热量燃料燃烧计算：前面计算 1kg煤焦油烃理论空气量 L0
15、=9.4Nm3/ kg，煤焦油燃烧产物计算依据公式：Vn=VCO2+ VH2O+ VCO2+ VSO2+ VO2+ VN2式中：VCO2=0.01865CVH2O =0.112H+0.01243H2O、VN2=0.008N+0.79(a)L 0VSO2=0.0068S 、VO2=0.21(a-1)L 0上式中 L0煤焦油理论空气量 Nm3/kg；高温燃烧气体Vn=0.01865C+0.112H+0.01243H2O+0.0068S+0.21（a-1)L 0+0.008N+0.79aL0当一次燃烧率 a=100%时，Vn=9.69Nm3/kg;8每 1kg 煤焦油进入燃烧室产生燃气流量，每 1k
16、g 煤焦油完全燃烧理论需空气量 L0=9.4NM3kg；高温燃烧气体 Vn=V0+（a-1)L 0；通过公式选择一次燃烧率从 100%到 260%对应计算列入下表，一次燃烧率 a% 100 130 160 180 200 220 240 260每公斤燃料油（煤焦油）生成烟气量m3/kg9.69 12.51 15.24 17.2119,09 20.97 22.8524.73两切向 460kg/h 燃烧室产生的高温气体流量 Nm3/h4457 5755 7010 7917 8781 9646 10511 11376对应工艺空气和燃料油比值 Nm3/kg10.63 13.83 17.02 19.15
17、 21.28 23.4 25.53 27.66通过计算得出燃烧室提供热量有所不同，对炭黑产品全油耗有所不同，一次燃烧率较高，相对单耗降低，但是，从反应过程机理看，反应生成过程一次燃烧率高，反应炉内过剩空气流量就多，原料油雾化后油滴与过剩空气中氧反应或势必要消耗部分原料油来提供热量。从上汇总表看，一次燃烧率180%和 220%对比燃烧室 460kg/h 燃料油产生的高温气体流量由 7917 增加到9646Nm3/h，烟气体积增加 19.3%，相对高温烟气带入物理热较多。4.3、原料油品种和雾化介质及原料油枪推进位置4.3.1 原料油喷嘴及雾化国内使用旋风反应炉生产炭黑所使用原料油为煤焦油、煤焦油
18、蒽油配比油、煤焦油加工油等，原料油雾化方式都为载体雾化，雾化介质为蒸汽或压缩空气，使用原料油喷嘴有单孔、多孔、单孔内部带旋流槽等几种形式。喷嘴结构都是内混形式，即这种喷嘴雾化剂与燃料油的混合, 或是说雾化剂对原料油的冲击发生于喷嘴体腔的内部，故称内混式喷嘴。内混式高压气流雾化喷嘴特点是有一个较大的内混室，油在混合室内与雾化剂混合后，从喷出9孔喷出并膨胀、雾化。良好的预混合雾化，可减少雾化剂的气耗，提高燃烧速度，缩短火焰长度。内混式喷嘴的燃油喷口不受高温辐射，可防止燃油裂化而堵塞喷口。原料油液滴喷射雾化过程分为三个阶段：一是原料油进入油管内管，经管头径向喷孔高速喷出形成油雾。；二是高压蒸汽或压缩
19、空气从内管外的环隙进人，经过圆孔型分布板重新分布，与油雾剪切混合；三是雾滴在气体中进一步破碎阶段，通过喷嘴雾化，使液体燃料形成颗粒微小、尺寸均匀的液雾以增加液体燃料与助燃空气之间的接触面积，促进蒸发，从而使燃料得到充分有效地燃烧，而且雾化越细燃烧就越充分。 影响原料油雾化的因素主要有油的温度(决定粘度和油的表面张力)，油与雾介质的相交角接触面积及雾化介质的重度和压力等。适当地提高雾化介质压力，相应提高了雾化速度，有利于提高雾化效果；喷嘴出口直径不同，喷嘴内液体的分布也不同。由于小口径喷嘴产生的压降大，增大了气液流的相对速度，有利于雾化原料油。对煤焦油来说，温度 120下可以得到良好的雾化效果，
20、炭黑原料油密度达到 1.22g/cm3时，预热温度达到 145时，随着温度提高粘度变化不大，达到恩氏粘度 35 。 E，说明原料油粘度降低，流动性较好和且雾化不受影响。实际炭黑生产线都配备原料油预热器，通常原料油预热温度 180-220左右，扣除压缩空气做雾化介质造成原料油温度降低因素，说明在线原料油预热温度是能满足工艺要求的。3.2 原料油油枪位置调整与炭黑油耗关系炭黑生产工艺控制过程，原料油枪定位是稳定生产的关键，如何确保原10料油雾化延伸控制在 B 段缩口区域，若来自燃烧室的旋转气流不平衡，造成气流旋向偏移，原料油存在油滴还没有与旋转高温燃烧气体完全反应生成炭黑，就接触炉壁结焦，损坏耐火
21、材料，甚至造成炭黑产品筛余物超标。从反应炉截图看，分析反应炉 A、B 段内部高温燃烧气流的旋流状态，来自上、下燃烧室的高温燃烧气流进入燃烧室 A 段内部，工况工艺流速90m/s，速度越大，旋转越强，但旋转强度衰减也快，反应段 B 末端设有缩口段，连接 B 段的 C1 段还设有节流环段，这两部分缩口变化都有利于旋转气流的加强，从截图原料油枪定位看，原料油枪向缩口移动，对生产炭黑过程有利，因为反应炉结构尺寸固定后，原料油雾化火燃长度一定，当原料油枪越靠近缩口，来自燃烧室的高温气流越易包裹覆盖原料油雾化油滴，雾化区域越易控制在缩口内部，避免原料油雾化油滴被切向旋转气流输送偏移，并接触耐火材料，造成原
22、料油结焦形成筛余物。同时通过轴向原料油枪的定位调整，通常认为原料油枪喷嘴点距离 C1 段的节流环末端的立体空间作为原料油主要反应空间，此反应空间容积减小，提高反应核心浓度，雾化原料油反应越强烈，反应可强化炭黑生成粒子聚集，有利于炭黑指标吸碘值、DBP 的增加，加快炭黑生成反应速度。以 3 万吨软质炭黑生产线油-油工艺路线为例，工艺空气流量一定，燃料油煤焦油，原料油为炭黑油。当原料油油枪向 B 段缩口移动 100mm 和200mm 后，过程结果如下表。油枪位置 原料油流量 原料油单耗 NSA 吸碘值 备注插入1200mm4900 1.4 34 36 图中 1-1 位置+100 5050 1.38 +1 +2
