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(xué)工業(yè)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(xué)工業(yè)有限公司 ,河南焦作 454001)

通過對炭黑裂解爐內(nèi)物料反應(yīng)及物料平衡的計(jì)算與分析,針對爐況,我們進(jìn)行改造,改半密封為全密封,減少系統(tǒng)負(fù)壓,改變爐結(jié)構(gòu)等,提高尾氣中的氫氣含量,降低了炭黑生產(chǎn)成本。

乙炔炭黑 ;尾氣 ;氫氣含量 ;裂解爐

焦作市和興化學(xué)工業(yè)有限公司(原焦作市化工一廠)是全國生產(chǎn)乙炔炭黑最多的廠家之一,現(xiàn)擁有年產(chǎn) 12 000 t的生產(chǎn)能力,有 12條生產(chǎn)線,居全國之首。質(zhì)量獲炭黑行業(yè)唯一的“金牌獎(jiǎng)”。

我公司生產(chǎn)乙炔炭黑的尾氣用來生產(chǎn)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(shí)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(yīng)及尾氣成分

乙炔裂解主要反應(yīng)：

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

從以上的反應(yīng)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(yīng)的O2、C2H2、N2。經(jīng)過分離將炭黑收集為產(chǎn)品,而其它氣體統(tǒng)稱為尾氣。

2 裂解爐內(nèi)的物料平衡計(jì)算

裂解爐內(nèi)物料平衡計(jì)算數(shù)據(jù)參見表 1、表 2和表3。

表 1 公司乙炔氣成分分析表

表2 設(shè)備密封改造前尾氣成分分析表(體積分?jǐn)?shù)) %

表3 設(shè)備密封改造后尾氣成分分析表(體積分?jǐn)?shù)) %

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

從以上列表可以求出每生產(chǎn)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(fèi)掉。

經(jīng)過計(jì)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(chǎn)的改進(jìn)意見

3.1 將半密封操作改為全密封操作

根據(jù)物料平衡原理,多數(shù)副反應(yīng)都是有氧氣參與的反應(yīng),因此減少氧含量是減少副反應(yīng)發(fā)生的最好辦法,即減少進(jìn)氧量。要減少O2入爐量首先要求爐頭一定要密封生產(chǎn),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(jī)等都是自制設(shè)備,比較陳舊,密封形式不合理,密封材料不適應(yīng),各傳動設(shè)備都有不同程度的泄漏,相應(yīng)增加了系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)入的氧氣量。造成 O2與高溫炭黑和 H2發(fā)生二次反應(yīng),生成 CO2、CO、H2O等尾氣,不反應(yīng)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(chǎn)和氫氣鍋爐的正常運(yùn)行。特別是由于漏氣造成的二次燃燒,更使得設(shè)備冷卻失效,氧化腐蝕加劇,零部件受損變形,強(qiáng)度及壽命大大降低,嚴(yán)重影響炭黑生產(chǎn)的穩(wěn)定性和炭黑的收率。

表4 生成1 t炭黑裂解爐內(nèi)的物料平衡表 kg

改進(jìn)措施：①改爐頭操作為全密封生產(chǎn);②采用膨脹石墨填料代替石棉填料。根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)負(fù)壓

公司乙炔炭黑的生產(chǎn)設(shè)備都是自制非標(biāo)設(shè)備,加上高溫下長期運(yùn)轉(zhuǎn),在負(fù)壓狀況下生產(chǎn),很難保證不進(jìn)空氣。要想減少空氣進(jìn)入就應(yīng)該在低負(fù)壓下生產(chǎn)。所謂低負(fù)壓就是盡量使系統(tǒng)負(fù)壓與大氣壓力的壓差減少,這樣進(jìn)空氣量就會減少,副反應(yīng)也相對減少。

在乙炔炭黑的生產(chǎn)中唯一的動力就是離心風(fēng)機(jī),系統(tǒng)內(nèi)各段負(fù)壓力值的分布大小不同,其壓力以風(fēng)機(jī)為原點(diǎn)進(jìn)行變化,即風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力最低,出口壓力最高,回流閥前為正壓,回流閥后為負(fù)壓。壓力具體變化沿風(fēng)機(jī)出口 ＞研磨機(jī) ＞大螺旋 ＞裂解爐 ＞回流閥 ＞放空管 ＞尾氣出口 ＞旋風(fēng)分離器 ＞風(fēng)機(jī)進(jìn)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(tǒng)負(fù)壓與大氣壓力偏差越小,進(jìn)空氣的量就會越少,副反應(yīng)就會減少。因此我們要用低負(fù)壓生產(chǎn),抑制空氣進(jìn)入系統(tǒng),阻止副反應(yīng)的發(fā)生。

改進(jìn)措施：①加大尾氣抽力;②調(diào)節(jié)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(shí)減少炭黑二次燃燒。

3.3 改變裂解爐結(jié)構(gòu)

公司過去用的裂解爐為上下直通結(jié)構(gòu),即反應(yīng)區(qū)與冷卻區(qū)為一臺設(shè)備。這種爐型的優(yōu)點(diǎn)首先是維修量小,水利用比較充分;其次是壽命長,缺點(diǎn)是水量不易控制,進(jìn)水量大對炭黑的冷卻有利,但反應(yīng)區(qū)保溫較困難,密封后難以保溫。這樣就必須借用C2H2與 O2反應(yīng)放出的熱量來維持爐溫,若冷卻水調(diào)小對炭黑生產(chǎn)不利,因?yàn)橐胰蔡亢谏a(chǎn)后在高溫區(qū)停留的時(shí)間越長,炭黑的結(jié)構(gòu)越容易被破壞。為了減少O2用量,保持反應(yīng)區(qū)溫度,保持現(xiàn)有爐型的優(yōu)點(diǎn)而克服其缺點(diǎn),我們將裂解爐上部改用石墨環(huán)代替,這樣既可以保溫也便于密封。

4 結(jié)論

通過以上對炭黑裂解爐內(nèi)物料反應(yīng)及物料平衡的計(jì)算與分析,針對爐況,我們進(jìn)行了改造,改半密封為全密封,減少系統(tǒng)負(fù)壓,改變爐結(jié)構(gòu)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(chǎn)成本。滿足了生產(chǎn)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。