改造工藝條件提高乙炔炭黑尾氣中的氫氣含量

崔秀珍

(焦作市和興化學工業有限公司 ,河南焦作 454001)

改造工藝條件提高乙炔炭黑尾氣中的氫氣含量

崔秀珍

(焦作市和興化學工業有限公司 ,河南焦作 454001)

通過對炭黑裂解爐內物料反應及物料平衡的計算與分析,針對爐況,我們進行改造,改半密封為全密封,減少系統負壓,改變爐結構等,提高尾氣中的氫氣含量,降低了炭黑生產成本。

乙炔炭黑 ;尾氣 ;氫氣含量 ;裂解爐

焦作市和興化學工業有限公司(原焦作市化工一廠)是全國生產乙炔炭黑最多的廠家之一,現擁有年產 12 000 t的生產能力,有 12條生產線,居全國之首。質量獲炭黑行業唯一的“金牌獎”。

我公司生產乙炔炭黑的尾氣用來生產雙氧水和供氫氣鍋爐使用,因此提高尾氣中的氫氣含量極其重要。同時提高尾氣中的氫氣含量對降低炭黑成本也有很大的作用。

1 乙炔炭黑裂解爐反應及尾氣成分

乙炔裂解主要反應：

這是比較理想的完全隔離空氣的條件下發生的反應,但實際上原料氣中本身就含有少量的 O2、N2和 H2O(蒸汽狀態),再加上乙炔的裂解反應是在負壓下進行的,難免會產生以下副反應：

從以上的反應可知,伴隨著乙炔炭黑的生成將有H2、CO2、H2O(汽)、CO、CH4和未完全反應的O2、C2H2、N2。經過分離將炭黑收集為產品,而其它氣體統稱為尾氣。

2 裂解爐內的物料平衡計算

裂解爐內物料平衡計算數據參見表 1、表 2和表3。

表 1 公司乙炔氣成分分析表

表2 設備密封改造前尾氣成分分析表(體積分數) %

表3 設備密封改造后尾氣成分分析表(體積分數) %

設生成1 kg乙炔炭黑需要X(Nm3)干乙炔原料氣進入裂解爐進行反應,放出的尾氣量為V(Nm3),參加反應的O2為N(kmol)。物料進出平衡見表 4。

從以上列表可以求出每生產1 t炭黑將會有2.397+1.8645+13.717+1.3318=19.3103 kg的碳生成尾氣浪費掉。

經過計算可求出炭黑的收率為 98.1%。

由于尾氣還要帶走一部分炭黑,另有一部分落地炭黑,所以炭黑的回收率要低于此值。

3 對乙炔炭黑生產的改進意見

3.1 將半密封操作改為全密封操作

根據物料平衡原理,多數副反應都是有氧氣參與的反應,因此減少氧含量是減少副反應發生的最好辦法,即減少進氧量。要減少O2入爐量首先要求爐頭一定要密封生產,改變以前的半密封操作方式。其次各傳動裝置如大螺旋、研磨機等都是自制設備,比較陳舊,密封形式不合理,密封材料不適應,各傳動設備都有不同程度的泄漏,相應增加了系統內進入的氧氣量。造成 O2與高溫炭黑和 H2發生二次反應,生成 CO2、CO、H2O等尾氣,不反應的O2也會隨尾氣放出,造成尾氣 O2含量增高,H2含量降低,影響 H2O2生產和氫氣鍋爐的正常運行。特別是由于漏氣造成的二次燃燒,更使得設備冷卻失效,氧化腐蝕加劇,零部件受損變形,強度及壽命大大降低,嚴重影響炭黑生產的穩定性和炭黑的收率。

表4 生成1 t炭黑裂解爐內的物料平衡表 kg

改進措施：①改爐頭操作為全密封生產;②采用膨脹石墨填料代替石棉填料。根據膨脹石墨受熱溫度越高,其膨脹率也越高,密封效果越好的原理,系統在受熱的情況下,所有軸向、徑向密封填料均改為膨脹石墨填料。

3.2 減少系統負壓

公司乙炔炭黑的生產設備都是自制非標設備,加上高溫下長期運轉,在負壓狀況下生產,很難保證不進空氣。要想減少空氣進入就應該在低負壓下生產。所謂低負壓就是盡量使系統負壓與大氣壓力的壓差減少,這樣進空氣量就會減少,副反應也相對減少。

在乙炔炭黑的生產中唯一的動力就是離心風機,系統內各段負壓力值的分布大小不同,其壓力以風機為原點進行變化,即風機進口壓力最低,出口壓力最高,回流閥前為正壓,回流閥后為負壓。壓力具體變化沿風機出口 ＞研磨機 ＞大螺旋 ＞裂解爐 ＞回流閥 ＞放空管 ＞尾氣出口 ＞旋風分離器 ＞風機進口依次降低,成直線分布,回流閥處壓力接近 0(與大氣壓力相等)。由此可見系統負壓與大氣壓力偏差越小,進空氣的量就會越少,副反應就會減少。因此我們要用低負壓生產,抑制空氣進入系統,阻止副反應的發生。

改進措施：①加大尾氣抽力;②調節回流閥減少尾氣回爐量,在回流管前通入高壓N2代替回爐氣體來稀釋炭黑,便于炭黑輸送,同時減少炭黑二次燃燒。

3.3 改變裂解爐結構

公司過去用的裂解爐為上下直通結構,即反應區與冷卻區為一臺設備。這種爐型的優點首先是維修量小,水利用比較充分;其次是壽命長,缺點是水量不易控制,進水量大對炭黑的冷卻有利,但反應區保溫較困難,密封后難以保溫。這樣就必須借用C2H2與 O2反應放出的熱量來維持爐溫,若冷卻水調小對炭黑生產不利,因為乙炔炭黑生產后在高溫區停留的時間越長,炭黑的結構越容易被破壞。為了減少O2用量,保持反應區溫度,保持現有爐型的優點而克服其缺點,我們將裂解爐上部改用石墨環代替,這樣既可以保溫也便于密封。

4 結論

通過以上對炭黑裂解爐內物料反應及物料平衡的計算與分析,針對爐況,我們進行了改造,改半密封為全密封,減少系統負壓,改變爐結構等,提高了尾氣中的氫氣含量,加大了乙炔炭黑的回收率,降低了炭黑生產成本。滿足了生產雙氧水和氫氣鍋爐的使用。

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1003-3467(2010)16-0086-02

2010-07-08

崔秀珍(1969-),女,注冊安全工程師,從事安全管理工作,電話：13782755967。