节能的炭黑生产系统和方法
技术领域
本发明涉及炭黑生产技术领域，具体涉及炭黑生产系统和炭黑生产方法。
背景技术
炉法是现有技术中常见的炭黑生产方法，一般采用由五段式反应炉、空气预热器、余热锅炉、原料油预热器、袋滤器和炭黑精制系统组成的炭黑生产线。在生产炭黑时，经空气预热器预热后的空气进入反应炉并与燃料混合后在燃烧段燃烧，产生的1950℃左右的高温气体流经喉口，进入反应段；经原料油预热器预热后的原料油由设置在喉口段的原料油喷入口喷入，在喉口处经高速流经喉口的高温气流的剪切雾化后进入反应段，在高温气体中进行裂解生成炭黑，生成的炭黑悬浮在烟气中流向急冷段；悬浮着炭黑的烟气在急冷段与给入的一次急冷水迅速混合，流向气化段，在气化段水吸收高温烟气热能汽化，烟气迅速降温冷却，使炭黑尾气冷却到1000℃以下(此温度为一次急冷温度)；终止炭黑的反应；冷却到1000℃以下后的悬浮着炭黑的烟气依次进入空气预热器、余热锅炉、原料油预热器进行换热，悬浮着炭黑的烟气持续得到冷却，并通过二次急冷水控制在280℃左右进入袋滤器进行炭黑与烟气的分离；分离出的炭黑进入到后部的炭黑精制系统，烟气(炭黑行业将分离出炭黑后的烟气称为尾气)送到尾气锅炉燃烧，生产蒸汽供汽轮机发电。
在现有的炭黑生产技术中，虽然使用了空气预热器、余热锅炉、原料油预热器等在线余热利用的节能装置，但在炭黑反应结束时还是用了大量的急冷水来冷却炭黑烟气，并且在现有工艺技术的束缚下，炭黑烟气在进入空气预热器前需冷却到1000℃以下，使这部分热量白白浪费，同时还消耗大量的水资源。
发明内容
为了节约炭黑生产过程中消耗的能源，本发明提供一种节能的炭黑生产系统和方法。
本发明的第一方面，提供了一种节能的炭黑生产系统，它包括：
炭黑反应炉，所述炭黑反应炉包括燃烧段、喉口段、反应段、急冷段和气化段；
高效换热锅炉，所述高效换热锅炉嵌入设置在所述炭黑反应炉的急冷段和气化段之间，所述高效换热锅炉的热源入口与所述炭黑反应炉的急冷段连接，所述高效换热器的热源出口与所述炭黑反应炉的气化段连接；
空气预热器，所述空气预热器的热源入口与所述炭黑反应炉的气化段连接；
蒸汽过热器，所述蒸汽过热器的热源入口与所述空气预热器的热源出口连接，所述蒸汽过热器的冷源入口与所述高效换热锅炉的冷源出口连接；
余热锅炉，所述余热锅炉的热源入口与所述蒸汽过热器的热源出口通过管道连接；
原料油预热器，所述原料油预热器的热源入口与所述余热锅炉的热源出口通过管道连接；
其中，所述空气预热器的空气出口与所述炭黑反应炉的空气入口通过管道连接，所述原料油预热器的原料油出口与设置在所述炭黑反应炉的喉口段的原料油喷入口通过管道连接。
进一步地，所述原料油预热器的热源出口连接有管道，所述管道上设有二次急冷水入口。
本发明的第二方面，提供一种节能的炭黑生产方法，该方法采用上述的节能的炭黑生产系统，包括以下步骤：
向炭黑反应炉中输入燃料和空气，使所述燃料与空气在燃烧段燃烧，产生高温烟气；
向喉口段输入原料油，使所述原料油在高温下发生裂解反应，产生炭黑烟气；
向急冷段输入一次急冷水，使得所述炭黑烟气降温，通过控制一次急冷水的用量使得所述炭黑烟气的温度控制在1000℃以上；
使所述炭黑烟气经过高效换热锅炉并与冷源换热，使得所述炭黑烟气的温度降低至1000℃以下；
使温度降低至1000℃以下的所述炭黑烟气依次经过空气预热器、蒸汽过热器、余热锅炉和原料油预热器；
其中，向炭黑反应炉中输入的所述空气为经过所述空气预热器预热的空气，向喉口段输入的所述原料油为经过所述原料油预热器预热的原料油。
进一步地，通过控制一次急冷水的用量使得所述炭黑烟气的温度为1000℃以上，此点温度为非设定温度，随一次急冷水量变化而变化；一次急冷温度是设定值，一次急冷水量与一次急冷温度联锁，随一次急冷温度的变化通过微机自动控制一次急冷水量。
进一步地，经过高效换热锅炉并与冷源换热后的所述炭黑烟气的温度降低至980±10℃(一次急冷温度，为设定温度)。
进一步地，所述高效换热锅炉的冷源为水。
本发明具有以下有益效果：
1、利用高效换热锅炉来迅速降低炭黑烟气的温度，可节省炭黑生产所需的大量急冷用水，节省了水资源；
2、急冷水冷却炭黑烟气气化后存在于炭黑烟气中，由于减少了急冷水量，使炭黑烟气(尾气)中含水量降低，提高了尾气中可燃组分的浓度，进而提高了尾气的燃烧热值，使尾气锅炉的热效率提高，蒸汽产量和发电量增加；
3、由于减少了大量的急冷水，使炭黑烟气量减少，降低了袋滤器的负荷，提高了袋滤器的过滤效果，延长了袋滤的使用寿命；
4、高效换热锅炉可生产大量的饱和蒸汽，饱和蒸汽再加温成过热蒸汽，用于汽轮发电机的蒸汽系统，可增加发电量。
附图说明
图1为本发明的一种节能的炭黑生产系统的结构示意图。
图2为本发明的一种节能的炭黑生产方法的流程示意图。
附图标记解释：1.燃烧段，2.喉口段，3.反应段，4.急冷段，5.高效换热锅炉，6.气化段，7.空气预热器，8.蒸汽过热器，9.余热锅炉，10.原料油预热器，11.燃料入口，12.空气管道，13.蒸汽管道，14.过热蒸汽管道，15.第一烟气管道，16.第二烟气管道，17.第三烟气管道，18.二次急冷水入口，19.一次急冷水入口，20.原料油管道，21.原料油入口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。附图中各层膜层的厚度和形状不反映真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
如图1所示，一种节能的炭黑生产系统，它包括炭黑反应炉、高效换热锅炉5、空气预热器7、蒸汽过热器8、余热锅炉9和原料油预热器10。
其中，所述炭黑反应炉包括燃烧段1、喉口段2、反应段3、急冷段4和气化段6，燃烧段1、喉口段2、反应段3、急冷段4之间依次通过法兰连接；燃烧段1设有燃料入口11，急冷段4设有一次急冷水入口19。高效换热锅炉5嵌入设置在所述炭黑反应炉的急冷段4和气化段6之间，通过法兰进行连接。高效换热锅炉5的热源入口与所述炭黑反应炉的急冷段4连接，所述高效换热锅炉5的热源出口与所述炭黑反应炉的气化段6连接。高效换热锅炉5的冷源出口与蒸汽过热器8的冷源入口通过管道13连接。空气预热器7的热源入口与所述炭黑反应炉的气化段6通过法兰连接，空气预热器7的空气出口与所述炭黑反应炉的空气入口通过管道12连接。蒸汽过热器8的热源入口与空气预热器7的热源出口通过法兰连接，蒸汽过热器8的热源出口与余热锅炉9的热源入口通过管道15连接。蒸汽过热器8的冷源入口与高效换热器5的冷源出口通过管道13连接，蒸汽过热器8的冷源出口连接管道14，管道14的另一端连接蒸汽发电系统。原料油预热器10的热源入口与余热锅炉9的热源出口通过管道16连接，原料油预热器10的原料油出口与设置在所述炭黑反应炉的喉口段2的原料油喷入口通过管道20连接。原料油预热器10的热源出口连接管道17，管道17的另一端连接炭黑收集系统(袋滤器)。管道17上设有二次急冷水入口18，可喷入急冷水对所述炭黑烟气进一步降温。
在以上实施例中，炭黑反应炉、高效换热锅炉、空气预热器、蒸汽过热器、余热锅炉和原料油预热器均为现有技术中常用的设备。其中高效换热锅炉、空气预热器、过热器、余热锅炉和原料油预热器均可实现换热，在换热时，吸热的介质称为冷源，放热的介质称为热源。在炭黑生产过程中，热源为炭黑烟气，高效换热锅炉、蒸汽过热器、余热锅炉中的冷源为水，空气预热器中的冷源为空气，原料油预热器中的冷源为原料油。
如图2所示，使用本发明的节能的炭黑生产系统生产炭黑时，可以按照以下步骤操作：
S1、向炭黑反应炉中输入燃料和空气(燃料由轴向的燃料入口11输入，空气从由径向的空气入口输入)，使所述燃料与空气在燃烧段1燃烧，产生高温(1950℃左右)；
S2、向喉口段2输入原料油，使所述原料油在高温下发生裂解反应，产生炭黑烟气；
S3、向急冷段4输入急冷水，使得所述炭黑烟气降温，通过控制急冷水的用量使得所述炭黑烟气的温度在1000℃以上；
S4、使所述炭黑烟气经过高效换热锅炉5并与冷源(水)换热，使得所述炭黑烟气的温度降低至980℃(允许有10℃的误差)；
S5、使温度降低至980℃的所述炭黑烟气依次经过空气预热器7、蒸汽过热器8、余热锅炉9和原料油预热器10；
其中，S1中的空气来自空气预热器预热7，S2中的原料油来自原料油预热器预热10。
在高效换热锅炉5中，所述炭黑烟气与水换热，水的温度升高而产生饱和蒸汽，产生的饱和蒸汽经过管道13进入蒸汽过热器8。在蒸汽过热器8中，所述炭黑烟气与饱和蒸汽换热，饱和蒸汽温度升高而变为过热蒸汽，过热蒸汽可以通过管道14输送至蒸汽发电系统。在空气预热器预热7中，所述炭黑烟气与空气换热，空气温度升高，高温空气送入所述炭黑反应炉的燃烧段1内。在余热锅炉9中，所述炭黑烟气与水换热，水的温度升高并汽化为蒸汽。在原料油预热器10中，所述炭黑烟气与原料油换热，原料油的温度升高，升温后的原料油送入所述炭黑反应炉的喉口段2。经过多次换热，所述炭黑烟气温度已较低，可以由管道17输送至炭黑收集系统。
与行业内同级别的炭黑反应炉对比，设计综合产能40000吨/年炭黑反应炉，生产相同品种N326炭黑，得到表1数据。
表1
从上述数据可看出，在相近的入炉空气量、空气温度、入炉原料油量、原料油温度的反应条件下，安装高效换热锅炉的炭黑反应炉一次急冷水量较未安装高效换热锅炉少1720kg/h，少的这部分一次急冷水降低炭黑烟气温度的作用由高效换热锅炉来完成。高效换热锅炉每小时产蒸汽4500kg/h，从20℃的水到生成蒸汽，每小时可以回收热能折合成标准煤为约430kg。
本发明在原有炭黑生产线的急冷段与气化段中间加一高效换热锅炉，保留急冷段，用来控制通过高效换热锅炉后炭黑烟气进入空气预热器的温度，并防高效换热锅炉故障时，保护后部装置不会超温烧毁。炭黑反应炉反应段过来的高温炭黑烟气进入高效换热锅炉后，迅速与高效换热锅炉中的冷介质(水)进行交换热量，高效换热锅炉产生大量饱和蒸汽，炭黑烟气温度迅速降低，能够减少急冷段急冷水的用量。在空气预热器出口端增加一蒸汽过热器，高效换热锅炉产生的饱和蒸汽经过过热器被从空气预热器出来的次高温烟气加热成过热蒸汽，过热蒸汽并入尾气发电的蒸汽系统。
生产的炭黑品种不同、产量不同，从反应段通过的烟气量和温度也不同，所以从高效换热锅炉出来的烟气温度也不同。在急冷段用少量的水来调节控制进入空气预热器的烟气温度，以保证空气预热器预热空气的温度不受影响。预热后的空气温度稳定，来保证炭黑生产过程和产品质量的稳定。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。
