旋风反应炉生产软质炭黑油耗降低的探讨Word下载.docx
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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。
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4900kg/h
空气预热器入口烟气温度740℃
空气预热器出口空气温度610℃
原料油喷嘴孔径Φ22：
雾化介质高压蒸汽，雾化介质蒸汽现场压力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L0
Lc=0.089C+0.267H+0.033（S-O）
式中：
L0--理论空气量Nm3/kg；
C、H、S、O-----煤焦油中各元素的重量百分含量；
煤焦油理论空气量L0=9.4Nm3/kg。
一次燃烧率=10000/（230×
2×
9.4）=231%，每小时460kg燃料油完全燃烧需空气量460×
9.4=4324NM3／h,那么燃烧室内剩余空气量10000-4324=5676NM3／h，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1×
98%=91.56×
M，得出1kg炭黑需要含碳91.56%原料油M=（1×
98%）/91.56=1.07kg，即生成1公斤炭黑理论需要裂解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3500kg／h，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：
3500×
1.07=3745kg／h。
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（4900-3500×
1.07）=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1155/4900×
100%=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9.4NM3／kg，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460×
9.4=4324NM3／h，那么燃烧室内剩余空气量10000-4324=5676NM3／h，这些过剩空气和理论计算过剩的原料油1155kg／h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4.7NM3／kg）计算，实际燃烧室内剩余空气量5676Nm3／h，这些过剩空气不完全燃烧要消耗原料油5676/4.7Nm3／kg=1207kg／h，实际反应过程被烧掉的1155kg／h，多余原料油1207-1155=52kg／h，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：
4.1、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45µ
m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=9.4Nm3/kg，煤焦油燃烧产物计算依据公式：
Vn=VCO2+VH2O+VCO2+VSO2+VO2+VN2
VCO2=0.01865C
VH2O=0.112H+0.01243H2O、VN2=0.008N+0.79（a）L0
VSO2=0.0068S、VO2=0.21（a-1）L0
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）L0+0.008N+0.79aL0
当一次燃烧率a=100%时，Vn=9.69Nm3/kg;
每1kg煤焦油进入燃烧室产生燃气流量，每1kg煤焦油完全燃烧理论需空气量L0=9.4NM3／kg；
高温燃烧气体Vn=V0+（a-1）L0；
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/kg
9.69
12.51
15.24
17.21
19,09
20.97
22.85
24.73
两切向460kg/h燃烧室产生的高温气体流量Nm3/h
4457
5755
7010
7917
8781
9646
10511
11376
对应工艺空气和燃料油比值Nm3/kg
10.63
13.83
17.02
19.15
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，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3～5。
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
插入1200mm
4900
1.4
34
36
图中1-1位置
+100
5050
1.38
+1
+2
+200
5250
1.37
+1.5
+4
实际上，由于缩小炉径的结果，不仅能提高反应段的辐射强度，而且，当温度和压力不变时，反应速度仅与参与反应的反应物浓度有关，会增加了反应物一炭黑核心的浓度，无疑会提高炭黑的质量和收率。
五、反应炉内部旋转气流稳定
实际生产运行表明，当上、下切燃烧室出口高温燃烧气体进入反应炉A段后，由切向进入的两股混合气体在炉内呈同向旋转运动，切向燃烧方式中每个燃烧室所产生的火焰是通过反应炉炉内的整体热质传递来稳定的，在反应炉A/B段内形成一个旋转的燃烧火焰锋面并旋涡向前流动，两切向的混合在反应炉A/B空间逐渐达到均匀.如果两处高温气流受反应炉A段进口存在局部阻力引起气流发生旋转紊乱，由于软质炭黑原料油雾化喷嘴压力较高，常压状态下火燃长度约4-5米左右，工作状态下火燃长度约2-3米左右，加上原料油雾化不足，造成部分原料油微粒接触反应炉炉壁结焦，进而引起局部耐火材料损坏。
一旦部分耐火材料损坏，加剧旋转气流恶化，炭黑生产过程出现偏移，生产过程炭黑产品质量指标筛余物波动超标。
另一方面保证原料油雾化扇面在反应炉B段缩口区域，还与两个燃烧室产生废气流量有关，也就是生产工艺空气流量多少，当反应炉型固定后，工艺空气流量增加，同时原料油原料油雾化扇面要增大，两个燃烧室产生高温燃烧气体同向混合相对包裹原料油雾化扇面要小。
6、实际生产过程注意的问题
原料油喷嘴使用前要做水压试验，模拟原料油使用水，雾化介质使用压缩空气，调整雾化流量，确保喷嘴出口没有水滴现象。
原料油喷嘴减小，原料油雾化质量提高，炭黑产品质量提高，反之减低，但原料油现场喷嘴压力和雾化介质压力要控制得当，一般现场雾化介质压力和原料油压差要大于0.09-0.1MPA，否则原料油压力较高出现油封堵雾化介质情况，原料油雾化质量降低。
反应炉B段缩口位置的测温点要投用，通常热电偶和炉壁齐平就可，生产N660时正常温度1250℃-1280℃，因为这点温度可以反映生成炭黑温度，与炭黑产品吸碘值具有相关性，如果过剩空气量较多，必然会有较多原料油参与完全燃烧，造成局部区域耐火材料温度高，炭黑生产反应生成区域后移。
六、结论
1、针对旋风软质炭黑反应炉生产炭黑质量的影响因素较多，首先炭黑反应炉内部耐火材料表面完好是前提，原料油密度控制小于1.23g/cm3与原料油雾化介质压力和流量相关性，轴向原料油油枪定位与生产炭黑喷嘴质量和单耗息息相关，原料油油枪靠近B段缩口，可较好确保原料油雾化反应进入缩口内部，避免原料油雾滴接触耐火材料表面，引起耐火材料损坏。
2、生产企业也可通过改变B段缩口形式，将B段缩口突扩形式该为渐扩形式过度，这样可确保反应炉B段高温燃烧气流的旋流强度衰减的减少，强制将原料油高压雾化油滴被气流包裹覆盖，强化炭黑生成反应，降低反应炉耐火材料制作成本。
3、雾化介质用压缩空气的压力要保持恒定，过大的波动，显然会引起雾化不均匀，特别是压力突然下降时，雾化流量不足，会产生原料油油滴严重粘壁现象。
因此，压缩空气控制系统确保供给。
4、采用高压蒸气作为雾化气体时，应当在其进入喷嘴前将蒸气疏水。
最好采用过热蒸汽，代替压缩空气雾化原料油。
5、原料油喷嘴直径减小，原料油雾化质量提高，炭黑产品质量提高，反之减低，但原料油现场喷嘴压力和雾化介质压力要控制得当，一般现场雾化介质压力和原料油压差要大于0.09-0.1MPA，否则原料油压力高时出现原料油封堵雾化介质，造成雾化效果下降。
参考文献：
1、李显堂，提高新工艺炭黑收率的探讨炭黑工业，[1]，1995。
2、高压雾化喷嘴邵熤昌工业炉1988年第3期
3、孙学良万吨级软质炭黑反应炉的发展及应用炭黑工业，[3]，2005。
4、燃油雾化理论研究林洪义、谭凤娟现代制造技术与装备2009第4期
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