一种炭黑尾气的处理方法及炭黑生产系统

摘要

本发明公开了一种炭黑尾气的处理方法及根据该方法来生产炭黑的炭黑生产系统，它是将炭黑尾气经除湿、预热步骤后与富氧空气混合回用作炭黑反应炉的入炉燃料，实现炭黑尾气的循环利用。本发明是炭黑尾气回收利用的一种新方式，既可以用于新建炭黑厂，亦可以用于炭黑厂的节能改造。通过对炭黑尾气脱湿、预热等特殊工艺，并结合富氧生产炭黑工艺，很好的提高了尾气的热值，从而使炭黑尾气替代或部分替代燃料生产新工艺炭黑。此工艺不但降低了原料能耗，还因富氧工艺的加入，减少了后部收集设备的负荷，降低生产和投资成本；同时减少了尾气处理过程中的污染问题，除环保效益外也有较好的经济效益。实现了节能、降耗、减排，具有极高的推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种循环利用炭黑尾气用作炭黑反应炉燃料的生产工艺及相应的炭黑生产系统，属于炭黑工业技术领域。

背景技术

炭黑工业属于高耗能工业领域。每生产1吨炭黑全油消耗约1.4～2.2吨，平均综合能耗折合标煤1.7～2.9吨（含生产用电、蒸汽、压缩空气等)。其中炭黑产品带出的能量不足50%，炭黑尾气就是炭黑生产过程的主要副产品。目前，国内炭黑行业对炭黑尾气的回收利用主要有三种方式：第一种方式是热电联产，炭黑尾气用于电站锅炉的燃料，燃烧后产生蒸汽带动汽轮发电机组，既供热又发电，这是大多数炭黑工厂采用的方式，但炭黑尾气发电属于小机组，电网准入许可难度大；第二种方式是只供热不发电，只配套专门的炭黑尾气锅炉副产蒸汽供热，这种方式最简便易行，但前提条件是炭黑工厂周边要有足够的蒸汽用户；第三种方式是将炭黑尾气进行脱水处理后用于其它装置的燃料，如与煤气混合回用于焦炉做燃料、用于焦油加工管式炉燃料等，但这种方式涉及到对关联装置的工艺改造，建设周期和成本较高。以上几种利用方式受诸多条件限制，对炭黑建厂地域的选择性有很大影响。

发明内容

本发明的目的就在于改变炭黑尾气利用受限的状况，提供一种炭黑尾气的利用新方法，它是将炭黑尾气循环利用用作炭黑反应炉的入炉燃料来生产炭黑，该方法设备投资少，既可用于新建炭黑厂，也可用于炭黑厂的节能改造，节能、降耗、减排，具备较好的经济效益和环保效益，具有极高的推广价值。

炭黑尾气是一种低热值气体，单独循环回用时无法提供炭黑反应生成的热能。由于富氧燃烧的应用，提高了炭黑尾气的热值，这使得以炭黑尾气替代部分燃料生产新工艺炭黑成为可能。但由于尾气中可燃组分所占比例较燃料仍然很低，含水量又很高（30%～40%），所以尾气用作反应燃料需要特殊工艺。本发明将炭黑尾气经脱湿、预热步骤后，送入炭黑反应炉中，与来自空气预热器预热的富氧空气混合燃烧产生热量，为原料油的热解提供能量，从而实现部分或全部替代燃料燃烧。本发明方法不但降低了原料能耗，还因富氧工艺的加入，减少了后部收集设备的负荷，降低生产和投资成本。而且尾气处理装置投资少，新建炭黑厂时建设周期与炭黑生产装置同步完成；而炭黑厂节能改造时，尾气处理装置也容易实现，本发明方法减少了尾气处理过程中的污染问题，除环保效益外也有较好的经济效益。实现了节能、降耗、减排，具有极高的推广价值。

本发明方法具体的技术方案如下所述：

经预热的燃料油（气）与经空气预热器预热到850℃、氧气含量为32%的空气，在反应炉燃烧段充分混合并完全燃烧，形成高动能的高温燃烧气流进入反应炉喉管段；原料油经原料油泵送至在线的原料油预热器，预热到280℃左右后通过轴向或径向雾化喷嘴喷到高温燃烧气流中，原料油的雾滴与气流迅速混合并分散、汽化及裂解脱氢形成炭黑晶核；在反应炉反应段，继续并基本完成炭黑的晶核生成、增长和聚集体的生成、增长；随后，在反应炉急冷段对反应器内的炭黑烟气喷水急冷，终止反应；烟气在反应炉停留段停留一段时间使喷入烟气中的急冷水充分汽化。反应生成的炭黑烟气经袋滤器收集，收集下来的炭黑经粉碎后气力输送至粉状炭黑贮罐进行造粒、干燥、包装成炭黑。主袋滤器排出的尾气经风机加压后，少部分（约20%）送给生产装置中尾气燃烧炉燃烧作为干燥机热源。剩余80%的尾气经脱湿、预热后回用作反应炉的燃料，替代部分或全部燃料和富氧空气燃烧再产生高温燃烧气流提供原料油的裂解热生成炭黑，实现尾气利用做反应炉燃料的循环工艺。

进一步的，上述炭黑生产用空气采用预热的富氧空气。当采用氧气含量为28％的富氧空气参与助燃时，燃烧所需的理论空气量比常规的理论空气量要减少四分之一。同时燃烧的火焰温度相应得到提高，燃料的燃烧效率更为提高，而排放的烟气量也大大减少。经测试，最适宜的富氧浓度为26%～32%，当富氧浓度过高时，会增加制氧投资等成本，火焰温度增加较少，综合效益下降。

进一步的，上述制氧装置优选为三塔变压吸附空分制氧装置。既克服了两塔变压吸附装置不能连续生产氧气的缺点；又克服了四塔变压吸附装置工艺流程复杂，操作麻烦的特点。

进一步的，上述炭黑生产循环利用尾气需要除湿预热处理。（1）炭黑生产的尾气需要进入脱水塔脱湿，使其水蒸气含量由39%左右降到3%左右，热值达到1000kCal/Nm³左右；（2）尾气需要通过尾气预热器预热，预热温度约400℃。

进一步的，在所述反应炉燃烧段采用双燃料气装置。在尾气量不足（特别是生产初期）或不合格（如湿度过大等）时用其它燃料，待尾气量充足或和合格时再切换为尾气。从而不因燃料的变化影响产品质量，实现连续生产。

进一步的，上述炭黑反应炉燃烧段尾气喷燃装置采用双点顺向均布中心对称布置，燃烧产生的两股混合流体由切向旋转进入反应炉燃烧段燃烧，提高尾气入炉的燃烧扩散速度，使尾气得到充分燃烧。

进一步的，该系统也可以用在已建炭黑厂，只做部分改造即可。其中，尾气循环利用工艺的反应炉型结构与同规模常规工艺炉型结构相同，只对燃烧段单独改造，避免重复建造反应炉。

综上所述，本发明炭黑生产系统实现了尾气循环回收利用，减少了燃料消耗，减少了二氧化碳和氮氧化物的排放量，同时还提高了燃烧效率，节约了原料消耗。该系统投资规模小、生产成本低、建设时间短，即适用于已建炭黑厂的改造，又适用于新建炭黑厂同步建设，具有良好的社会、经济、环保效益。

附图说明

图1为本发明炭黑尾气用作炭黑炉燃料生产炭黑的系统示意图；

图2为本发明炭黑反应炉燃烧段的示意图；

图3为本发明炭黑反应炉燃烧段的截面示意图。

图例说明：

1、富氧空分装置；2、储气罐；3、主供风机；4、空气预热器；5、炭黑反应炉；6、余热锅炉；7、原料油预热器；8、尾气预热器；9、袋滤器；10、尾气风机；11、脱水塔；12、尾气气柜；13、脱湿尾气加压风机；14、炭黑后处理装置；15、原料油储罐；16、原料油泵；

5-1、燃烧段；5-2、喉管段；5-3、反应段；5-4、急冷段；5-5、停留段；

101、尾气燃烧喷燃器；102、燃烧室；103、补充燃料入口；104、补充燃料空气入口；105、观察孔；

101-1、尾气入口；101-2、富氧空气入口。

具体实施方式

为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但并不将本发明的保护范围限定在以下实施例中。

参见图1，来自富氧空分装置1制备好的氧气贮藏于储气罐2，在主供风机3正压段进行混合后进入空气预热器4预热。预热后的富氧空气与尾气（尾气不足或不合格时采用补充燃料）在反应炉燃烧段5-1充分混合燃烧，生成高温燃烧气流进入反应炉喉管段5-2；此时原料油泵16将原料油储罐15的原料油加压输送至原料油预热器7中预热后通过原料油嘴在反应炉喉管段5-2喷入高温燃烧气流中，原料油的雾滴与气流迅速混合并分散、汽化及裂解脱氢形成炭黑晶核；在反应炉反应段5-3继续并基本完成炭黑的晶核生成、增长和聚集体的生成、增长；随后，在反应炉急冷段5-4对反应器内的炭黑烟气喷水急冷，终止反应；烟气在反应炉停留段5-4停留一段时间使喷入烟气中的急冷水充分汽化。反应生成的炭黑烟气通过余热锅炉6进入原料油预热器7再通过尾气预热器8，经袋滤器9收集，收集下来的炭黑通过炭黑后处理装置14（造粒、干燥、包装）后包装成炭黑；而尾气经尾气风机10加压，少部分（约20%）送至炭黑后处理装置14中的尾气燃烧炉燃烧作为干燥机热源。剩余80%的尾气送入脱水塔11中脱湿后进入尾气气柜12，脱湿尾气经脱湿尾气加压风机13送入尾气预热器8预热后预热，作为尾气燃料替代部分或全部燃料和富氧空气燃烧再产生高温燃烧气流提供原料油的裂解热生成炭黑，实现尾气利用做反应炉燃料的循环工艺。

本发明炭黑生产用空气采用预热的富氧空气。来自富氧空分装置1制备好的氧气贮藏于储气罐2，在主供风机3正压段进行混合后进入空气预热器4预热。助燃时所需的理论空气量比常规的理论空气量要少，而且理论燃烧温度更高，燃烧效率更高。

优选的是，上述富氧空分装置1优选三塔变压吸附空分制氧装置，该装置既克服了两塔变压吸附装置不能连续生产氧气的缺点，又克服了四塔变压吸附装置工艺流程复杂，操作麻烦的特点。

优选的是，上述炭黑生产循环利用尾气经过除湿预热处理。尾气经尾气风机10加压后，送入脱水塔11中脱湿后进入尾气气柜12，脱湿尾气经脱湿尾气加压风机13送入尾气预热器8预热后预热。

优选的是，上述反应炉燃烧段5-1采用双燃料气装置。在尾气量不足（特别是生产初期）或不合格（如湿度过大等）时，参见图2，补充燃料通过补充燃料入口103、富氧空气通过补充燃料空气入口104进入燃烧时充分燃烧，待尾气量充足或和合格时再切换为尾气。从而不因燃料的变化影响产品质量，实现连续生产。

优选的是，如图3所示，上述炭黑反应炉燃烧段尾气燃烧喷燃器101采用双点顺向均布中心对称布置。尾气分别由两个尾气燃烧喷燃器101上的尾气进口101-1进入喷燃器101，与从富氧空气入口101-2进来的富氧空气在尾气燃烧喷燃器101内进行混合点燃，达到两点燃烧，燃烧产生的两股混合流体由切向旋转进入反应炉燃烧段燃烧室102燃烧，从而提高尾气入炉的燃烧扩散速度，使尾气得到充分燃烧。

本发明炭黑生产系统也可以用在已建炭黑厂，只做部分改造即可，其中尾气循环利用工艺的反应炉型结构与同规模常规工艺炉型结构相同，只对反应炉燃烧段5-1单独改造，避免了重复建造反应炉。

在4.0万吨/年规模的硬质炭黑装置上，全部采用（预热到400℃的）脱湿尾气（残余水含量3％）作反应炉燃料，分析富氧空气条件下与同级品种硬质炭黑生产的差异，见下表。

在产量相同时，尾气循环利用工艺的燃余气量比常规工艺的要低6%～7%，尾气循环利用工艺的一次急冷前湿尾气量比常规工艺的要低11%～12%，尾气循环利用工艺的反应炉型结构与同规模常规工艺炉型结构相同，只对燃烧段稍加改造，使尾气燃烧更加充分。

将以往用于尾气锅炉燃料的尾气脱湿、预热后回用做反应炉燃料。不但可节约炭黑生产的燃料消耗，而且原料油油耗略有下降。可节约生产油耗13%～15%（将燃料按热值折算为油），降低了生产成本，减少了二氧化碳和氮氧化物的排放量13%～15%。