旋風反應爐生產軟質炭黑油耗降低的探討
韓斌（蘇州寶化炭黑有限公司，江蘇 蘇州 215151）
摘要：
介紹旋風軟質炭黑反應爐結構特點，從理論上研究反應爐內部結構特點、分析這種爐型的反應機理，更進一步完善和提高軟質炭黑生產的技術水平。
關鍵詞：
旋流強度、原料油霧化、霧化介質、高壓蒸汽和壓縮空氣、縮口部分、節流環。
一、前言
目前國內炭黑企業軟質線多數使用旋風反應爐，產能從2萬噸到4萬噸炭黑生產線，生產工藝成熟，可使用不同品種煤焦油系列原料油，霧化介質使用高壓蒸汽或壓縮空氣，生產如N660品種水洗篩余物控制在200PPM以下，但橡膠市場的也有些橡膠制品需要的軟質炭黑品種水洗篩余物要求穩定控制150PPM以下，針對這樣指標要求，需要生產過程長期穩定組織生產，然而軟質炭黑生產影響指標的因素較多，如反應爐長期運行，原料油霧化質量穩定，原料油噴嘴的選擇。使用雙切向反應爐這種反應爐能適應軟質炭黑裂解溫度低，反應時間較長的要求。本文簡要的闡述軟質炭黑反應爐生產技術，并提出了一些看法，從理論上研究、分析這種爐型的反應機理，便于更進一步穩定和提高軟質炭黑生產控制水平。
二、旋風反應爐結構特點
旋風燃燒型軟質爐的結構見圖1，這種爐型的主要特點是，兩側均勻分布的燃燒用空氣和燃料油混合燃燒后，從切向旋轉同向進入反應室，形成穩定的火焰，原料油槍固定在爐子軸中心，油槍可軸向移動調整，通過噴嘴噴入霧化好的原料油，生成的炭黑粒子經縮口的強化湍流提高了性能。它的優點是只要A段與燃燒室交接底部不積耐火材料和原料油霧化介質流量穩定，反應爐就不結焦，生產穩定，產量彈性調整較大，反應爐B段末端設有較大縮口，緊接相連的C1段是一較小縮口，也稱節流環，這兩縮口作用可降低旋流的衰減，增加系統阻力，生產證明它的位置和節流環直徑大小對炭黑的性能起著重要的作用。較大縮口區域長度增加可以增加炭黑粒子聚集程度，有助于炭黑產品DBP的增加;在縮口的位置固定后，一般可通過調節原料油槍的伸縮位置來調節炭黑性能和改變品種。調整急冷位置改變反應時間。見圖1。
圖1旋風燃燒型軟質爐的結構圖
一、旋風反應爐生產原理
當上、下切燃燒室出口高溫燃燒氣體進入反應爐A/B段后，由切向進入的兩股混合氣體在爐內呈同向旋轉運動，A/B段的高溫火燃順向沿反應爐徑向形成旋轉流產生離心力，使氣流獲得較大的徑向速度，向周邊擴展，最大旋轉速度位于從爐壁到中心的2/處，在這一點上，高溫旋轉氣流比爐壁附近高近2倍，從這一點到中心，氣流旋轉速度逐漸降低為零，同時A/B段的高溫火燃同向沿反應爐軸向形成旋轉流速逐漸衰減，逐漸推進形成穩定氣流，在工藝規定位置，位于反應爐軸中心原料油油槍定位并以一定角度霧化原料油，與旋轉的高溫氣體接觸，由于旋轉的高溫氣體含有一定量氧氣，預熱200℃左右原料油通過高壓蒸汽或0.6MPa左右壓縮空氣霧化，霧化原料油油滴在1650℃左右的高溫旋轉燃燒氣流迅速與霧化的原料油微粒接觸反應生成炭黑，反應過程是不完全燃燒或熱裂解，希望反應生產炭黑燃余氣旋流經過節流環后衰減完成變成直流擴散。
實際生產工藝空氣流量增加時，相對生成炭黑粒子增加，按旋轉流產生離心力，最大旋轉速度也向周邊擴展，使氣流獲得平均旋轉速度增加，炭黑粒子軌跡延長，即炭黑粒子停留時間延長，相對粒子聚集程度增加。
反應爐B段在A段后端，并含有兩處收縮的反應空間，這兩處收縮是反應段的非常重要部份。收縮空間迫使熱燃燒氣體伴隨以氣化、反應的原料增加速度和湍流度到生產優質炭黑必需的水平。相接B段的是C1段，并設有一段節流環，與反應爐B段縮口形成第二處反應縮口區域，縮口空間的直徑、長度及合理的長度和直徑的比值加上C1段的節流環直徑，對炭黑反應均勻穩定非常重要，通過軸向原料油槍的調整定位，通常認為原料油槍噴嘴點距離C1段的節流環末端的立體空間作為原料油主要反應空間，此反應空間容積減小，霧化原料油反應越強烈，反應可強化炭黑生成粒子聚集，生成的炭黑經縮口的強化湍流提高了性能。有利于炭黑指標DBP的增加，加快炭黑生成反應速度。
針對原料油噴嘴處節點，希望這節點前來自上下切燃燒室高溫燃燒旋轉氣流穩定和充實，形成穩定的火焰，才能保證這節點后的高溫氣流和霧化原料油油滴反應均勻，生成的炭黑經縮口的強化湍流提高了性能。旋轉氣流旋流強度均勻逐漸衰減，原料油吸收熱量，反應生成炭黑燃余氣均勻進入反應爐B段縮口內。
這種旋風燃燒爐的運行阻力，一方面與燃燒室出口的燃燒氣體流速有關，另一方面還與爐內氣流速度，特別是與B段出口節流環界面出口速度有關。
而在反應爐中心軸向噴入霧化好的原料油，生成的炭黑經縮口的強化湍流提高了性能。在縮口的位置固定后，一般可通過調節原料油槍的伸縮位置來調節炭黑性能和改變生產品種。調整急冷位置改變反應時間。
在通常設計的反應爐中，高溫熱燃氣的旋轉氣流都是在反應爐前部生成的，其目的是增加高溫熱燃氣的旋流強度。這種高溫熱燃氣旋流會使原料油噴嘴霧化的油滴被剪切而成更小的液滴。實際生產有時會出現高溫氣體并非呈對稱旋轉，使得部分原料油霧化區域偏移，原料油油滴與反應爐爐壁接觸，導致炭黑成品中篩余物超標。
四、生產工藝過程計算選擇
本文只討論年產3萬噸軟質炭黑反應爐反應特點，分析理論生產1kg炭黑需要能耗情況;生產炭黑品種N660，使用燃料油和原料油品種：煤焦油;原料油品種：炭黑油。
工藝指標 工藝空氣流量 10000Nm3/h
燃料油流量 460kg/h比值21.7:1
原料油流量 4900 kg/h
空氣預熱器入口煙氣溫度 740℃
空氣預熱器出口空氣溫度 610℃
原料油噴嘴孔徑Φ22：霧化介質高壓蒸汽，霧化介質蒸汽現場壓力0.9-1.0MPa。
原料油槍插入1200mm;水洗篩余物100-300ppm;
著色強度：57-58%
總油單耗：1.5314t/t。原料油單耗：1.40t/t;燃料油單耗：0.1314t/t;
日產炭黑84噸。
炭黑反應爐工藝計算
基礎數據：燃料煤焦油和原料油炭黑油組成如下表：
1kg煤焦油烴理論空氣量L0
Lc=0.089C+0.267H+0.033(S-O)
式中：L0 --理論空氣量Nm3/kg;
C、H 、S 、O-----煤焦油中各元素的重量百分含量;
煤焦油理論空氣量L0=9.4Nm3/kg。
一次燃燒率=10000/(230×2×9.4)=231%，每小時460kg燃料油完全燃燒需空氣量460×9.4=4324NM3/h,那么燃燒室內剩余空氣量10000-4324=5676NM3/h，計算假設生成1kgN660炭黑品種需要Mkg含碳91.56%的原料油，取N660炭黑品種含碳C=98%,原料油炭黑油含碳C=91.56%;以1kgN660炭黑為基準，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公斤炭黑理論需要裂解或不完全燃燒煤焦油1.07公斤，工藝日產炭黑84噸，小時炭黑產量3500kg/h，那么由碳平衡理論上每小時生成3500kg炭黑需要裂解和不完全燃燒原料油：3500×1.07=3745kg/h。在反應爐A/B段內，實際生產投入原料油4900kg/h，如圖原料油噴嘴位置1-1，從炭黑反應生成過程中，沒有轉化為炭黑的原料油等于[實際消耗原料油-理論消耗原料油]，即提供不完全燃燒或熱裂解的原料油為(4900-3500×1.07)=1155kg/h，從等式看，右側數值越小越好，這些無效的原料油占比越少越好，也就是單位炭黑需要耗能低。如果燃燒室過剩氧含量高可能有一部分原料油要參加完全燃燒提供炭黑反應生成熱量，造成炭黑消耗增加;這些燒掉或裂解的原料油占總原料油為1155/4900×100%=23.6%。從反應爐內過剩空氣分析，每公斤燃料油完全燃燒理論需空氣量9.4NM3/kg，上、下切燃燒室燃料油合計460公斤燃料油完全燃燒需空氣量460×9.4=4324NM3/h，那么燃燒室內剩余空氣量10000-4324=5676NM3/h，這些過剩空氣和理論計算過剩的原料油1155kg/h相比，工藝空氣不足，只能不完全燃燒反應，為生成炭黑提供熱量;按不完全燃燒(不完全燃燒理論需空氣量取完全燃燒的50%即4.7NM3/kg)計算，實際燃燒室內剩余空氣量5676Nm3/h，這些過剩空氣不完全燃燒要消耗原料油5676/4.7Nm3/kg =1207kg/h，實際反應過程被燒掉的1155kg/h，多余原料油1207-1155=52kg/h，必須與燃燒室生成的CO2發生反應。公式C+CO2=2CO 說明原料油中的碳C與完全燃燒生成的CO2進行吸熱反應。
影響因素主要有工藝空氣過剩流量、燃料油完全燃燒提供熱量、原料油品種和霧化介質及原料油槍推進位置。
影響因素：
4.1、燃料油完全燃燒提供熱量過剩空氣流量對指標影響
炭黑生產企業使用燃料作為完全燃燒來提供熱量，燃料系統采用燃油或燃氣，關于燃燒室燃料油或燃料氣燃燒情況，各炭黑企業控制有所不同，燃料燃燒需要空氣流量有些按燃燒模型來給定，也有按空氣和原料油或煤氣的比值來控制，一般來說切向燃燒室溫度越高，燃料部分需要越多，也就是一次燃燒率越低，燃燒室產生高溫氣流量越小，反之產生高溫氣量越大。
軟質炭黑由于其裂解生成反應溫度較低，停留時間較長，如果原料油霧化不好，油滴不能及時汽化和裂解就容易產生焦粒而導致45μm篩余物偏多。如果停留時間不足，裂解不充分，就會導致產品炭黑表面殘留的油偏多形成油膜，從而影響其橡膠物理機械性能。為此生產軟質炭黑不宜采用硬質炭黑提高燃燒氣流的溫度，需有最高的火焰溫度和最少的過剩空氣百分數。所以軟質炭黑一次燃燒率一般控制180%-240%。
4.2燃料油完全燃燒提供熱量
燃料燃燒計算：
前面計算1kg煤焦油烴理論空氣量L0=9.4Nm3/ kg，煤焦油燃燒產物計算依據公式：Vn=VCO2+ VH2O+ VCO2+ VSO2+ VO2+ VN2
式中：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—煤焦油理論空氣量Nm3/kg;高溫燃燒氣體Vn=0.01865C+0.112H+0.01243H2O+0.0068S+0.21(a-1)L0+0.008N+0.79aL0
當一次燃燒率a=100%時，Vn=9.69Nm3/kg;
每1kg煤焦油進入燃燒室產生燃氣流量，每1kg煤焦油完全燃燒理論需空氣量L0=9.4NM3/kg;高溫燃燒氣體Vn=V0+(a-1)L0;
通過公式選擇一次燃燒率從100%到260%對應計算列入下表，
通過計算得出燃燒室提供熱量有所不同，對炭黑產品全油耗有所不同，一次燃燒率較高，相對單耗降低，但是，從反應過程機理看，反應生成過程一次燃燒率高，反應爐內過剩空氣流量就多，原料油霧化后油滴與過剩空氣中氧反應或勢必要消耗部分原料油來提供熱量。從上匯總表看，一次燃燒率180%和220%對比燃燒室460kg/h燃料油產生的高溫氣體流量由7917增加到9646Nm3/h，煙氣體積增加19.3%，相對高溫煙氣帶入物理熱較多。
4.3、原料油品種和霧化介質及原料油槍推進位置
4.3.1原料油噴嘴及霧化
國內使用旋風反應爐生產炭黑所使用原料油為煤焦油、煤焦油蒽油配比油、煤焦油加工油等，原料油霧化方式都為載體霧化，霧化介質為蒸汽或壓縮空氣，使用原料油噴嘴有單孔、多孔、單孔內部帶旋流槽等幾種形式。噴嘴結構都是內混形式，即這種噴嘴霧化劑與燃料油的混合, 或是說霧化劑對原料油的沖擊發生于噴嘴體腔的內部，故稱內混式噴嘴。內混式高壓氣流霧化噴嘴特點是有一個較大的內混室，油在混合室內與霧化劑混合后，從噴出孔噴出并膨脹、霧化。良好的預混合霧化，可減少霧化劑的氣耗，提高燃燒速度，縮短火焰長度。內混式噴嘴的燃油噴口不受高溫輻射，可防止燃油裂化而堵塞噴口。
原料油液滴噴射霧化過程分為三個階段：一是原料油進入油管內管，經管頭徑向噴孔高速噴出形成油霧。;二是高壓蒸汽或壓縮空氣從內管外的環隙進人，經過圓孔型分布板重新分布，與油霧剪切混合;三是霧滴在氣體中進一步破碎階段，通過噴嘴霧化，使液體燃料形成顆粒微小、尺寸均勻的液霧以增加液體燃料與助燃空氣之間的接觸面積，促進蒸發，從而使燃料得到充分有效地燃燒，而且霧化越細燃燒就越充分。
影響原料油霧化的因素主要有油的溫度(決定粘度和油的表面張力)，油與霧介質的相交角接觸面積及霧化介質的重度和壓力等。適當地提高霧化介質壓力，相應提高了霧化速度，有利于提高霧化效果;噴嘴出口直徑不同，噴嘴內液體的分布也不同。由于小口徑噴嘴產生的壓降大，增大了氣液流的相對速度，有利于霧化原料油。
對煤焦油來說，溫度120℃下可以得到良好的霧化效果，炭黑原料油密度達到1.22g/cm3時，預熱溫度達到145℃時，隨著溫度提高粘度變化不大，達到恩氏粘度3～5。E，說明原料油粘度降低，流動性較好和且霧化不受影響。實際炭黑生產線都配備原料油預熱器，通常原料油預熱溫度180-220℃左右，扣除壓縮空氣做霧化介質造成原料油溫度降低因素，說明在線原料油預熱溫度是能滿足工藝要求的。
3.2原料油油槍位置調整與炭黑油耗關系
炭黑生產工藝控制過程，原料油槍定位是穩定生產的關鍵，如何確保原料油霧化延伸控制在B段縮口區域，若來自燃燒室的旋轉氣流不平衡，造成氣流旋向偏移，原料油存在油滴還沒有與旋轉高溫燃燒氣體完全反應生成炭黑，就接觸爐壁結焦，損壞耐火材料，甚至造成炭黑產品篩余物超標。
從反應爐截圖看，分析反應爐A、B段內部高溫燃燒氣流的旋流狀態，來自上、下燃燒室的高溫燃燒氣流進入燃燒室A段內部，工況工藝流速90m/s，速度越大，旋轉越強，但旋轉強度衰減也快，反應段B末端設有縮口段，連接B段的C1段還設有節流環段，這兩部分縮口變化都有利于旋轉氣流的加強，
從截圖原料油槍定位看，原料油槍向縮口移動，對生產炭黑過程有利，因為反應爐結構尺寸固定后，原料油霧化火燃長度一定，當原料油槍越靠近縮口，來自燃燒室的高溫氣流越易包裹覆蓋原料油霧化油滴，霧化區域越易控制在縮口內部，避免原料油霧化油滴被切向旋轉氣流輸送偏移，并接觸耐火材料，造成原料油結焦形成篩余物。同時通過軸向原料油槍的定位調整，通常認為原料油槍噴嘴點距離C1段的節流環末端的立體空間作為原料油主要反應空間，此反應空間容積減小，提高反應核心濃度，霧化原料油反應越強烈，反應可強化炭黑生成粒子聚集，有利于炭黑指標吸碘值、DBP的增加，加快炭黑生成反應速度。
以3萬噸軟質炭黑生產線油-油工藝路線為例，工藝空氣流量一定，燃料油煤焦油，原料油為炭黑油。當原料油油槍向B段縮口移動100mm和200mm后，過程結果如下表。
實際上，由于縮小爐徑的結果，不僅能提高反應段的輻射強度，而且，當溫度和壓力不變時，反應速度僅與參與反應的反應物濃度有關，會增加了反應物一炭黑核心的濃度，無疑會提高炭黑的質量和收率。
五、反應爐內部旋轉氣流穩定
實際生產運行表明，當上、下切燃燒室出口高溫燃燒氣體進入反應爐A段后，由切向進入的兩股混合氣體在爐內呈同向旋轉運動，切向燃燒方式中每個燃燒室所產生的火焰是通過反應爐爐內的整體熱質傳遞來穩定的，在反應爐A/B段內形成一個旋轉的燃燒火焰鋒面并旋渦向前流動，兩切向的混合在反應爐A/B空間逐漸達到均勻.如果兩處高溫氣流受反應爐A段進口存在局部阻力引起氣流發生旋轉紊亂，由于軟質炭黑原料油霧化噴嘴壓力較高，常壓狀態下火燃長度約4-5米左右，工作狀態下火燃長度約2-3米左右，加上原料油霧化不足，造成部分原料油微粒接觸反應爐爐壁結焦，進而引起局部耐火材料損壞。一旦部分耐火材料損壞，加劇旋轉氣流惡化，炭黑生產過程出現偏移，生產過程炭黑產品質量指標篩余物波動超標。
另一方面保證原料油霧化扇面在反應爐B段縮口區域，還與兩個燃燒室產生廢氣流量有關，也就是生產工藝空氣流量多少，當反應爐型固定后，工藝空氣流量增加，同時原料油原料油霧化扇面要增大，兩個燃燒室產生高溫燃燒氣體同向混合相對包裹原料油霧化扇面要小。
6、實際生產過程注意的問題
1.原料油噴嘴使用前要做水壓試驗，模擬原料油使用水，霧化介質使用壓縮空氣，調整霧化流量，確保噴嘴出口沒有水滴現象。
2.原料油噴嘴減小，原料油霧化質量提高，炭黑產品質量提高，反之減低，但原料油現場噴嘴壓力和霧化介質壓力要控制得當，一般現場霧化介質壓力和原料油壓差要大于0.09-0.1MPA，否則原料油壓力較高出現油封堵霧化介質情況，原料油霧化質量降低。
3.反應爐B段縮口位置的測溫點要投用，通常熱電偶和爐壁齊平就可，生產N660時正常溫度1250℃-1280℃，因為這點溫度可以反映生成炭黑溫度，與炭黑產品吸碘值具有相關性，如果過剩空氣量較多，必然會有較多原料油參與完全燃燒，造成局部區域耐火材料溫度高，炭黑生產反應生成區域后移。
六、結論
1、針對旋風軟質炭黑反應爐生產炭黑質量的影響因素較多，首先炭黑反應爐內部耐火材料表面完好是前提，原料油密度控制小于1.23g/cm3與原料油霧化介質壓力和流量相關性，軸向原料油油槍定位與生產炭黑噴嘴質量和單耗息息相關，原料油油槍靠近B段縮口，可較好確保原料油霧化反應進入縮口內部，避免原料油霧滴接觸耐火材料表面，引起耐火材料損壞。
2、生產企業也可通過改變B段縮口形式，將B段縮口突擴形式該為漸擴形式過度，這樣可確保反應爐B段高溫燃燒氣流的旋流強度衰減的減少，強制將原料油高壓霧化油滴被氣流包裹覆蓋，強化炭黑生成反應，降低反應爐耐火材料制作成本。
3、霧化介質用壓縮空氣的壓力要保持恒定，過大的波動，顯然會引起霧化不均勻，特別是壓力突然下降時，霧化流量不足，會產生原料油油滴嚴重粘壁現象。因此，壓縮空氣控制系統確保供給。
4、采用高壓蒸氣作為霧化氣體時，應當在其進入噴嘴前將蒸氣疏水。最好采用過熱蒸汽，代替壓縮空氣霧化原料油。
5、原料油噴嘴直徑減小，原料油霧化質量提高，炭黑產品質量提高，反之減低，但原料油現場噴嘴壓力和霧化介質壓力要控制得當，一般現場霧化介質壓力和原料油壓差要大于0.09-0.1MPA，否則原料油壓力高時出現原料油封堵霧化介質，造成霧化效果下降。
參考文獻：
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