CN111484022A - 一种白炭黑燃烧炉结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工设备领域，公开了一种白炭黑燃烧炉结构，包括水解段、聚集段和筛分出料段；水解段的顶部设有主燃烧器；水解段的侧壁上设有二次原料进口和空气进口；聚集段的侧壁上设有二次燃烧器喷枪和炉壁清理喷枪；聚集段的侧壁底部设有小粒径白炭黑排料口；筛分出料段的底部设有出料口和筛分热空气进口；所述出料口上方设有筛分板。本发明白炭黑燃烧炉结构可提高白炭黑产品等级，减少金属杂志含量；解决因炉壁积灰而导致的温场波动问题，同时降低产品中块状白炭黑出现概率；解决燃烧器在生产过程中经常性的熄火问题；减少底部排废料口中合格白炭黑产品的比重；解决反应生产过程中氯气及氮氧化物超标问题降低后端处理成本。

Description

一种白炭黑燃烧炉结构

技术领域

本发明涉及化工设备领域，尤其涉及一种白炭黑燃烧炉结构。

背景技术

气相白炭黑粒径微小，比表面积大，产品纯度高分为亲水型和疏水型产品，作为一种重要的纳米级无机化工原材料，该产品具有优越的表面化学性能以及良好的生理惰性，广泛应用与硅橡胶，胶黏剂，油漆，涂料等领域起到补强消光等作用，属于朝阳行业，是高技术领域和国防工业必不可少的原材料。

在气相法白炭黑生产工艺中，燃烧炉一直是对产品质量影响最大，也是最关键的设备之一，然而现有燃烧炉及其结构及物料管道设计不尽合理，散热方式及其炉温不好控制，火焰燃烧不稳定，造成的结果是产品质量不稳定粒径分布不均匀，极其容易出现结块结焦等现象使品质大大下降，同时三废产量增加导致后续工段处理符合变大。

综上所述，现有的气相白炭黑燃烧炉存在的不足如下：

1、炉体温度场不平衡，压力波动较大，难以根据工艺自动调节。

2、火焰稳定性差，容易回火停机。

3、物料燃烧效率太低，反应不完全，系统后端存在原料组份。

4、炉壁容易附着白炭黑并结块影响产品质量。

5、反应器氯气及氮氧化物超标，后处理成本太高。

6、炉体制造安装繁琐。

7、炉体腐蚀严重。

发明内容

本发明提供了一种白炭黑燃烧炉结构，本发明白炭黑燃烧炉结构可提高白炭黑产品等级，减少金属杂志含量；解决因炉壁积灰而导致的温场波动问题，同时降低产品中块状白炭黑出现概率；解决燃烧器在生产过程中经常性的熄火问题；减少底部排废料口中合格白炭黑产品的比重；解决反应生产过程中氯气及氮氧化物超标问题降低后端处理成本；可降低原辅料投入成本。

本发明的具体技术方案为：一种白炭黑燃烧炉结构，包括依次连接的水解段、聚集段和筛分出料段。

所述水解段的顶部设有主燃烧器；水解段的侧壁上设有朝向主燃烧器喷射火焰的二次原料进口和空气进口。

所述聚集段的侧壁不同高度上设有若干二次燃烧器喷枪和炉壁清理喷枪；每一所述炉壁清理喷枪上设有多个不同方向的与炉壁相切的清灰空气喷口；聚集段的侧壁底部设有小粒径白炭黑排料口。

所述筛分出料段的底部设有出料口和筛分热空气进口；所述出料口上方设有筛分板。

本发明的白炭黑燃烧炉结构具有以下特点：

1、水解段：本发明在水解段设计有长明火点火器，可设计为自动伸缩式，可避免主燃烧器熄灭和防止回火产生。在水解段还设有二次原料进口和空气进口，其与燃烧器配合下可在火焰外围形成层层包裹的补充气体，提高原料反应率。

2、聚集段：本发明在炉体上布置多个二次燃烧器喷枪和多个炉壁清理喷枪，炉壁清理喷枪用于清理内壁结块现象，降低产品中混入的大颗粒白炭黑。炉壁清理喷枪与炉内壁相切，可有效清除杂质。二次燃烧器喷枪用于补充气体（甲烷和/或氢气），提高燃烧效率降低副产物（氯气等）的产生。此外，由于炉壁上多个二次燃烧器的设计，可灵活调节炉体内的气压和温度。

3、筛分出料段：炉体底部设有筛分板和筛分热空气进口，不同粒径的白炭黑，使得小粒径产品可通过小粒径出料口排出，大块产品掉落在底部等待排出，从而提高产品质量。

作为优选，炉体可采用耐腐蚀材质与碳钢结合，耐腐蚀材质可以是哈氏合金,蒙乃尔合金，inconel合金等，可有效提高寿命使用寿命及降低产品中金属含量。

作为优选，所述水解段、聚集段和筛分出料段可拆卸连接；所述聚集段由多段筒体可拆卸连接。

本发明较传统燃烧炉体整体成型结构相比采用多段式连接便于制造及安装大大降低设备投入成本。

作为优选，所述空气进口、二次原料进口位于水解段的同一侧侧壁，且空气进口位于二次原料进口外侧。

水解段的空气进口位于二次原料进口外侧。在配合主燃烧器中将二次可燃气体进料管套设于二次空气进料管侧壁外，如此设计可使得补充的气体包裹在火焰外部，由外至内依次为空气-可燃气体-空气，该特殊的包裹结构可有效提升可燃气体与空气的接触面积，大幅提升燃烧效率，减少副产物的产生。而在现有技术中都是比较随便的设计进气口位置，并未关注到这一点。

作为优选，所述空气进口、二次原料进口与垂直方向的夹角为30-50度。

作为优选，所述空气进口充入的空气过量系数为1.10-1.2。

作为优选，所述水解段的侧壁上设有朝向主燃烧器喷射火焰的长明火点火器。

作为优选，所述主燃烧器包括：

可燃气体进料管，

助燃空气进料管，倾斜设于所述可燃气体进料管的侧壁上并与可燃气体进料管连通；助燃空气进料管内助燃空气斜向下流入可燃气体进料管内；

至少两个混合器，设于可燃气体进料管内；

至少一个分布盘，每个分布盘设于可燃气体进料管内且位于相邻两个混合器之间；

二次空气进料管，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

二次可燃气体进料管，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

多孔喷嘴，设于可燃气体进料管底部的出口处。

本发明主燃烧器的工作原理为：可燃气体从可燃气体进料管顶部通入，助燃空气从助燃空气进料管斜向下通入与可燃气体在第一个混合器中发生预混，预混后的气体依次穿过分布盘使其流动更加稳定，混合气在通过分布盘后进入下一个混合器，进行第二次混合，最大程度保障混合效果，最后通过多孔喷嘴喷出燃烧。多孔喷嘴使火焰燃烧更加稳定，也最大程度的隔离了粉尘进去燃烧器内部。于此同时，二次空气和二次可燃气体分别从二次空气进料管和二次可燃气体进料管通入并向下喷出，由于可燃气体进料管中的空气多为过量，通过补加二次可燃气体，可包裹住过量的空气进行二次燃烧，提高原料的反应效率。

本发明的主燃烧器的优点为：

（1）火焰长度波动小，不易受进气压力波动而波动，反应温场均匀，提高了火焰稳定性及安全性，不易回火；

（2）燃烧器较传统相比设置预混区，缓冲区，改变原料流动状态，提高多股原料混合程度，使物料混合均匀，提高燃烧效率，反应完全；

（3）燃烧头喷嘴处不易结垢，不易熄火；

（4）喷嘴稳固性好，不易脱落。

作为优选，所述助燃空气进料管内按进气方向间隔设有多个折流板，多个折流板的角度交错。

多个折流板通过不同的角度叠加，在助燃空气依次通过时，空气从平流状态变为湍流状态，有利于后续与可燃气体混合并燃烧。

作为优选，所述折流板通过固定杆连接于助燃空气进料管内。

作为优选，所述助燃空气进料管与可燃气体进料管的切斜夹角为25-90度。

作为优选，位于最高位的所述混合器高度位于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处。

最高处的混合器必须设于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处，以确保助燃空气与可燃气体在混合器内预混。

作为优选，燃烧器结构还包括套设于可燃气体进料管底部侧壁外的夹套冷却管。

可燃气体进料管底部采用夹套水冷，替代了传统的浇注料结构，提高使用寿命。

作为优选，所述夹套冷却管的底部设有进水口A，顶部设有出水口A。

底部进水顶部出水，可提高水冷效果。

作为优选，燃烧器结构还包括设于可燃气体进料管、二次空气进料管或二次可燃气体进料管外壁的固定法兰。

作为优选，所述二次可燃气体进料管同时套设于二次空气进料管侧壁外。

将二次可燃气体进料管套设于二次空气进料管侧壁外，然后配合水解段的空气进口位于二次原料进口外侧。如此设计可使得补充的气体包裹在火焰外部，由外至内依次为空气-可燃气体-空气，该特殊的包裹结构可有效提升可燃气体与空气的接触面积，大幅提升燃烧效率，减少副产物的产生。而在现有技术中都是比较随便的设计进气口位置，并未关注到这一点。

作为优选，所述二次空气进料管套设于夹套冷却管侧壁上。

二次可燃气体进料管、二次空气进料管依次套设夹套冷却管，利用余热可对二次可燃气体和二次空气进行预热，有利于后续充分燃烧，同时充分利用了能源。

作为优选，所述聚集段上每400-800mm高度内设置一个炉壁清理喷枪；炉壁清理喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布。

在上述设计下，炉壁清理喷吹出的清灰空气可沿着炉壁呈螺旋状流动，可有效吹扫炉壁积灰。

作为优选，所述二次燃烧器喷枪包括喷嘴管体，所述喷嘴管体内设有贯穿喷嘴管体长度方向的燃气通道；所述喷嘴管体外套设有夹套冷却管，所述夹套冷却管上设有冷却介质进口和冷却介质出口；喷嘴管体的出口端上设有一个主出口和围绕于主出口周侧呈发散状排布的若干副出口；二次燃烧器喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布。

上述喷嘴管体出口端主出口和副出口的特殊设计，可使二次燃烧器喷枪喷出的气体呈螺旋状，可进一步促进反应的高效进行。

作为优选，炉壁清理喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布。

作为优选，所述筛分板距离筛分出料段的底部300-500mm。

作为优选，所述水解段、聚集段和筛分出料段的外侧设有冷却水循环夹套；筛分出料段的底部设有进水口B，水解段的侧壁上设有出水口B。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

1.本发明可提高白炭黑产品等级，减少金属杂志含量。

2.本发明可解决因炉壁积灰而导致的温场波动问题，同时降低产品中块状白炭黑出现概率。

3.本发明可解决主燃烧器在生产过程中经常性的熄火问题。

4.本发明可减少底部排废料口中合格白炭黑产品的比重。

5.本发明可解决反应生产过程中氯气及氮氧化物超标问题降低后端处理成本。

6.本发明可降低原辅料投入成本。

7.本发明与传统燃烧炉相比，副产物的产生百分比降低至0.2%，后续系统处理成本较传统同比下降80%。同时产品质量等级上升，较传统产品价格相比同比增长60%一吨。安全稳定性提高，原辅料投入成本下降10%。

附图说明

图1是本发明燃烧炉结构的一种结构示意图；

图2为本发明聚集段的一种俯视图(仅标出炉壁清理喷枪)；

图3为本发明二次燃烧器喷枪的一种结构示意图；

图4为本发明二次燃烧器喷枪出口端的一种结构示意图；

图5为本发明二次燃烧器喷枪出口端的一种结构示意图；

图6为本发明主燃烧器的一种结构示意图。

附图标记为：可燃气体进料管1，助燃空气进料管2，混合器3，分布盘4，二次空气进料管5，二次可燃气体进料管6，多孔喷嘴7，折流板8，固定杆9，夹套冷却管10，进水口A 11，出水口A 12，固定法兰13，水解段14，聚集段15，筛分出料段16，主燃烧器17，二次原料进口18，空气进口19，二次燃烧器喷枪20，炉壁清理喷枪21，出料口22，筛分热空气进口23，筛分板24，长明火点火器25，冷却水循环夹套26，进水口B 27，出水口B 28，小粒径白炭黑排料口29，喷嘴管体100，燃气通道101，夹套冷却管102，冷却介质进口103，冷却介质出口104，主出口105，副出口106。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

如图1所示，一种白炭黑燃烧炉结构，包括依次连接的水解段14、聚集段15和筛分出料段16。水解段、聚集段和筛分出料段可拆卸连接；所述聚集段由多段筒体可拆卸连接。其中：

水解段结构为：水解段的顶部设有主燃烧器17；水解段的侧壁上设有朝向主燃烧器喷射火焰的二次原料进口18、空气进口19和长明火点火器25（可设计为具有自动伸缩功能）。所述空气进口、二次原料进口位于水解段的同一侧侧壁，且空气进口位于二次原料进口外侧。空气进口、二次原料进口与垂直方向的夹角为40度。空气进口充入的空气过量系数为1.10-1.2。

聚集段的结构为：聚集段的侧壁不同高度上设有若干二次燃烧器喷枪20和炉壁清理喷枪21（每400-800mm高度内设置一个）；每一炉壁清理喷枪上设有多个不同方向的与炉壁相切的清灰空气喷口；聚集段的侧壁底部设有小粒径白炭黑排料口29。炉壁清理喷枪和二次燃烧器喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布（如图2所示）。

如图3所示，所述二次燃烧器喷枪包括喷嘴管体100，所述喷嘴管体内设有贯穿喷嘴管体长度方向的燃气通道101；所述喷嘴管体外套设有夹套冷却管102，所述夹套冷却管上设有冷却介质进口103和冷却介质出口104；如图5-6所示，喷嘴管体的出口端上设有一个主出口105和围绕于主出口周侧呈发散状排布的若干副出口106。

筛分出料段的结构为：所述筛分出料段的底部设有出料口22和筛分热空气进口23；所述出料口上方设有筛分板24，筛分板距离筛分出料段的底部300-500mm。

此外，所述水解段、聚集段和筛分出料段的外侧设有冷却水循环夹套26；筛分出料段的底部设有进水口B 27，水解段的侧壁上设有出水口B 28。

具体地，如图6所示，所述主燃烧器包括：

可燃气体进料管1。

助燃空气进料管2，60度倾斜设于所述可燃气体进料管的侧壁上并与可燃气体进料管连通；助燃空气进料管内助燃空气斜向下流入可燃气体进料管内；所述助燃空气进料管内按进气方向间隔设有多个折流板8，多个折流板的角度交错。所述折流板通过固定杆9连接于助燃空气进料管内。

两个混合器3，依次设于可燃气体进料管内；位于最高位的混合器高度位于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处。

一个分布盘4，分布盘设于可燃气体进料管内且位于相邻两个混合器之间。

二次空气进料管5，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

二次可燃气体进料管6，套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；二次可燃气体进料管同时套设于二次空气进料管侧壁外。

多孔喷嘴7，设于可燃气体进料管底部的出口处。

套设于可燃气体进料管底部侧壁外的夹套冷却管10。夹套冷却管的底部设有进水口A 11，顶部设有出水口A 12。二次空气进料管套设于夹套冷却管的侧壁外。

设于可燃气体进料管侧壁的固定法兰13。

本实施例主燃烧器的工作原理为：多个折流板通过不同的角度叠加，在助燃空气依次通过时，空气从平流状态变为湍流状态，有利于后续与可燃气体混合并燃烧。可燃气体从可燃气体进料管顶部通入，助燃空气与可燃气体在第一个混合器中发生预混，预混后的气体依次穿过分布盘使其流动更加稳定，混合气在通过分布盘后进入下一个混合器，进行第二次混合，最大程度保障混合效果，最后通过多孔喷嘴喷出燃烧。多孔喷嘴使火焰燃烧更加稳定，也最大程度的隔离了粉尘进去燃烧器内部。于此同时，二次空气和二次可燃气体分别从二次空气进料管和二次可燃气体进料管通入并向下喷出，由于可燃气体进料管中的空气多为过量，通过补加二次可燃气体，可包裹住过量的空气进行二次燃烧，提高原料的反应效率。

本发明的主燃烧器，可使熄火率降低40%，原料利用率提高50%。降低投入成本。同时火焰温度可控精度在±3°。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种白炭黑燃烧炉结构，其特征在于：包括依次连接的水解段（14）、聚集段（15）和筛分出料段（16）；

所述水解段的顶部设有主燃烧器（17）；水解段的侧壁上设有朝向主燃烧器喷射火焰的二次原料进口（18）和空气进口（19）；

所述聚集段的侧壁不同高度上设有若干二次燃烧器喷枪（20）和炉壁清理喷枪（21）；每一所述炉壁清理喷枪上设有多个不同方向的与炉壁相切的清灰空气喷口；聚集段的侧壁底部设有小粒径白炭黑排料口（29）；

所述筛分出料段的底部设有出料口（22）和筛分热空气进口（23）；所述出料口上方设有筛分板（24）。

2.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述水解段、聚集段和筛分出料段可拆卸连接；所述聚集段由多段筒体可拆卸连接。

3.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于：

所述空气进口、二次原料进口位于水解段的同一侧侧壁，且空气进口位于二次原料进口外侧；和/或

所述空气进口、二次原料进口与垂直方向的夹角为30-50度；和/或

所述空气进口充入的空气过量系数为1.10-1.2；和/或

所述水解段的侧壁上设有朝向主燃烧器喷射火焰的长明火点火器（25）。

4.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述主燃烧器包括：

可燃气体进料管（1），

助燃空气进料管（2），倾斜设于所述可燃气体进料管的侧壁上并与可燃气体进料管连通；助燃空气进料管内助燃空气斜向下流入可燃气体进料管内；

至少两个混合器（3），设于可燃气体进料管内；

至少一个分布盘（4），每个分布盘设于可燃气体进料管内且位于相邻两个混合器之间；

二次空气进料管（5），套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

二次可燃气体进料管（6），套设于可燃气体进料管的侧壁外且出气口向下，并位于助燃空气进料管下方；

多孔喷嘴（7），设于可燃气体进料管底部的出口处。

5.如权利要求4所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于：

所述助燃空气进料管内按进气方向间隔设有多个折流板（8），多个折流板的角度交错；所述折流板通过固定杆（9）连接于助燃空气进料管内；和/或

所述助燃空气进料管与可燃气体进料管的切斜夹角为25-90度；和/或

位于最高位的所述混合器高度位于助燃空气进料管与可燃气体进料管的连接处。

6.如权利要求4或5所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述主燃烧器还包括套设于可燃气体进料管底部侧壁外的夹套冷却管（10）；所述夹套冷却管的底部设有进水口A（11），顶部设有出水口A（12）；所述二次空气进料管套设于夹套冷却管的侧壁外；所述二次可燃气体进料管同时套设于二次空气进料管侧壁外。

7.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述聚集段上每400-800mm高度内设置一个炉壁清理喷枪；炉壁清理喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布。

8.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述二次燃烧器喷枪包括喷嘴管体（100），所述喷嘴管体内设有贯穿喷嘴管体长度方向的燃气通道（101）；所述喷嘴管体外套设有夹套冷却管（102），所述夹套冷却管上设有冷却介质进口（103）和冷却介质出口（104）；喷嘴管体的出口端上设有一个主出口（105）和围绕于主出口周侧呈发散状排布的若干副出口（106）；二次燃烧器喷枪在聚集段的圆周方向上均匀分布。

9.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述筛分板距离筛分出料段的底部300-500mm。

10.如权利要求1所述的白炭黑燃烧炉结构，其特征在于，所述水解段、聚集段和筛分出料段的外侧设有冷却水循环夹套（26）；筛分出料段的底部设有进水口B（27），水解段的侧壁上设有出水口B（28）。

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