炭黑反应炉耐火材料反应炉的工作机理.doc

炭黑反应炉耐火材料一、炭黑简介碳黑（carbon black），又名炭黑，是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末，表面积非常大，范围从103000m2/g，是含碳物质（煤、天然气、重油、燃料油等）在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。比重1.8-2.1。由天然气制成的称“气黑”，由油类制成的称“灯黑”，由乙炔制成的称“乙炔黑”。此外还有“槽黑”、“炉黑”。按炭黑性能区分有“补强炭黑”、“导电炭黑”、“耐磨炭黑”等。可作黑色染料，用于制造中国墨、油墨、油漆等，也用于做橡胶的补强剂，炭黑的耗用量一般占橡胶耗用量的40%50% ,也就是说,在橡胶配方中,通常每使用2 份橡胶就会搭配使用1 份炭黑。按用途和使用特点把炭黑可分为三类：橡胶用炭黑、色素炭黑和导电炭黑。二、炭黑的分类1、橡胶用炭黑在橡胶制品中，配合一定数量的炭黑可起到补偿和填充作用来改善橡胶制品的性能称橡胶用炭黑。它占炭黑总量的95%左右。在橡胶工业中，为了表示炭黑对橡胶的补强效果和在轮胎上的应用部位，也习惯把炭黑分成硬质炭黑和软质炭黑两大类。前者对橡胶用良好的补强作用，后者补强作用差，在很大程度上填充作用。油炉法炭黑的大部分（超耐磨炉黑、中超耐磨炉黑、高耐磨炉黑，细粒子炭黑）属于硬质炭黑；小部分油炉法炭黑（快压出炉炭黑，通用炭黑、半补强炉黑）、气炉黑和热烈炭黑属于软质炭黑。2、色素炭黑：色素炭黑colorblack在油墨、油漆、涂料等制品中作着色颜料用的炭黑。按着色强度(或黑度)和粒子大小一般分为高色素炭黑、中色素炭黑、普通色素炭黑和低色素炭黑四种。主要由接触法和油炉法生产。3、导电炭黑：某些炭黑具有低电阻或高电阻性能，用于不同的制品，如干电池、导电橡胶、电缆料、无限电元件等。其中乙烯炭黑由于导电性能好，主要用于干电池。三、炭黑反应设备炭黑反应炉 carbon black reactor 炉法炭黑生产中的一个核心设备。不同炉型可以生产出性能不同的炭黑品种。炭黑反应炉由单室、双室发展到带喉管的三室炉(亦称新工艺炭黑反应炉)。产品的品种、质量、原料油的处理量和炭黑的回收率等均与反应炉的炉型、结构、尺寸及气流的状况和流速等密切相关1、炭黑反应炉的一般结构早先的炭黑反应炉是一个内衬耐火砖的钢制圆筒形的单室炉，燃烧和生成炭黑均在此炉内完成。后来，人们认识到将燃烧和裂解分开可以提高炭黑质量和回收率，就出现了双室炉。现在的炭黑生产采用的是新工艺多段炉。单室炉双室炉新工艺多段炉新工艺多段炉（图1）一般由燃烧段、混合（喉管）段、反应段、急冷段、停留段等组成。在燃烧段，燃料完全燃烧，以产生原料油裂解所需要的能量。因此，燃烧段需要高效的燃烧器和能保证燃料充分燃烧的炉型结构：混合段的结构要保证高温气体与原料油的充分混合：在混合段，小部分原料油与过剩空气中的氧发生反应，进行燃烧，但主要原料油在这里被裂解成炭黑随气体排出：在急冷段，喷入急冷水，使反应混合物被急冷水冷却，中止反应；然后进入停留段，再从反应炉中排出。 炭黑反应炉生产炭黑流程图：2、在炭黑反应炉内，不同的位置对炉衬的要求也不相同 1 反应炉的最内层因直接接触火焰，炉衬应采用具有耐热性和气密性的耐火材料：2 次内层应采用有较高热阻力的耐火材料：3 外层则用绝热材料以减少热损失。另外还要注意炉内的气氛：1 燃烧段，炉内气氛为氧化气氛；2 反应段，炉内气氛则为还原气氛。燃烧段是反应炉温度最高的部位，温度可达1900，甚至超过2000，其内层选材要着重考虑耐氧化性的高温性能。混合段和反应段，不仅要考虑前部的氧化气氛，还要考虑后部的还原气氛，并要能耐受高速气流的冲刷。急冷段要充分考虑耐火材料自身的热稳定性和在高温下对还原气氛的抵抗力。总之，炭黑反应炉各部位选用的耐火材料要有良好的热稳定性，即良好的耐急冷急热性能。炭黑反应炉炉衬的选材，一般最内层炉衬直接接触高温气流，采用铬质刚玉作浇注料，它比刚玉制品具有更优的高温力学性能和抗渣蚀性能，外层用一层轻质隔热耐火浇注料。反应炉的混合段又称喉管段，它是炭黑反应炉的核心，出口和进口不是圆锥形就是阶梯形，其几何结构对生产炭黑的性质有直接的影响，径向截面决定了炭黑反应炉的生产能力。它的主要作用就是既要保质保量地喷入原料油，又要最佳利用燃烧段燃烧产物的热能和动能，对喷入的燃料油进行有效的分散，使原料油完全雾化和气化。反应炉中最易损坏的部位是混合段和反应段，这两部分的工作条件非常苛刻，其内衬可选用高纯刚玉砖。高纯刚玉砖纯度高，成型压力大，烧成温度高，除热震稳定性指标外，其他指标均优于浇注料。外层选用氧化铝空心球浇注料。急冷段可选用厚度较薄的刚玉砖砌体，外层选用轻质隔热的耐火浇注料。3、国内外炭黑反应炉内衬用耐火材料四大类：AL2O3-SiO2系、AL2O3系、AL2O3-Cr2O3系、ZrO2系l AL2O3-SiO2系：高铝质、莫来石质、刚玉-莫来石质制品l AL2O3系：刚玉质制品l AL2O3-Cr2O3系：Cr2O3含量不同的铬刚玉材料l ZrO2系：含氧化锆的铬刚玉制品及纯氧化锆制品这些材料可是定形（如烧成砖、化学反应结合砖），也可以是不定形状（如浇注、捣打）制品。表2炭黑反应炉常用内衬材料 炭黑反应炉工作层：l 燃烧段：刚玉砖、铬刚玉砖、铬刚玉浇注料；l 喉管段：刚玉砖、铬刚玉砖、铬刚玉浇注料；l 反应段：刚玉砖、铬刚玉砖、铬刚玉浇注料；l 急冷段：刚玉砖、刚玉-莫来石砖；l 停留段：莫来石砖、高铝砖、高铝浇注料；炭黑反应炉保温层：l 燃烧段：氧化铝空心球浇注料；l 喉管段：氧化铝空心球浇注料；l 反应段：氧化铝空心球浇注料；l 急冷段：高铝浇注料；l 停留段：高铝轻质浇注料；4、实际生产中对炉衬的损坏因素：（1）经常出现更换产品品种，停炉和原料油喷嘴被堵塞等特殊情况。更换产品品种，停炉时因要用约0.3Mpa的热蒸汽从原料油入口处喷入反应炉内，约120的热蒸汽直接射向1600-1760的炉衬，对炉衬材料产生强烈冲击力，导致热面衬里表面产生裂纹，甚至成片剥落或炸裂。（2）炭黑沉积引起炉衬膨胀开裂损毁。原料油加热膨胀分解温度，温度较低时生成部分分散状的炭，而部分炭沉积在反应炉内壁上，称固体焦，碳氢化合物在一定氧分解下热解生成CO，沿衬砖显气孔渗入耐材中，导致耐火材料气孔内CO相对分压增大发生CO分解反应，800以上CH4热解生成的C或CO分解生成的C沉积在耐火材料内部空隙内，导致耐火材料膨胀开裂。（3）炉内流体对砖衬的化学反应作用。流