СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛИРОВАННОЙ САЖИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C09C1/56 

Изобретение относится к области производства сажи из жидкого углеводородного сырья и может быть использовано при производстве печных гранулированных саж, применяемых в качестве наполнителей в производстве шин.

Известен способ производства гранулированной сажи, включающий разложение углеводородного сырья с образованием потока сажегазовых продуктов, отделение сажи от газов, гранулирование сажи с водой с образованием мокрых гранул, их сушку в барабанной сушилке газами полного горения топлива, причем часть этих газов пропускают через внутреннюю полость барабана противотоком саже и направляют на очистку от сажи, увлеченной потоком газов, а другая часть газов омывает снаружи барабан, охлаждается в результате теплообмена через стенку и выводится через дымовую трубу в атмосферу [1].

Известна установка для производства гранулированной сажи, включающая реактор, систему аппаратов для отделения сажи от газов, смеситель-гранулятор и сушильный барабан с камерой обогрева. Сушильный барабан снабжен устройством для подачи части газов полного горения из камеры обогрева во внутреннюю полость барабана. Патрубок для вывода другой части газов горения из камеры обогрева соединен с рекуперативным устройством для подогрева инертного газа, также подаваемого во внутреннюю полость барабана, и далее с дымовой трубой для вывода газов в атмосферу [2].

Недостатком известных способа и установки для производства сажи является недостаточно высокая эффективность производства, связанная с повышенным расходом топлива на сушку влажной гранулированной сажи и большие выбросы газов в окружающую среду.

Известен способ производства гранулированной сажи, выбранный в качестве прототипа, включающий разложение углеводородного сырья с образованием потока сажегазовых продуктов, отделение сажи от газов, гранулирование сажи с водой с образованием влажных гранул и их сушку в сушильном барабане с камерой обогрева газами горения топлива с воздухом путем теплообмена через стенку и пропусканием части газов горения через внутреннюю полость барабана [3].

В известном способе производства сажи топливо с воздухом сжигают непосредственно в камере обогрева при коэффициенте расхода воздуха α =2,5-3,5. При этом в газах горения, прошедших через внутреннюю полость барабана и содержащих удаляемые из мокрых гранул водяные пары и некоторое количество унесенной потоком газов сажи, содержание свободного кислорода составляет до 9 об. %. Смешивание данных газов с потоком сажегазовых продуктов недопустимо, так как предельно допустимая концентрация кислорода, при которой не образуется взрывоопасная смесь, составляет не более 1,5 об.%. В связи с этим газы из внутренней полости барабана подают в специальную систему аппаратов для очистки от сажи и затем выводят в атмосферу. Газы полного горения из камеры обогрева также выводятся в атмосферу. Таким образом имеется несколько источников выброса сажи в атмосферу: следовательно, данный способ не обеспечивает достаточно высокого выхода сажи.

Известна установка для производства гранулированной сажи, выбранная в качестве прототипа, включающая реактор, систему аппаратов для отделения сажи от газов и смеситель-гранулятор с рубашками для их наружного обогрева, сушильный барабан с патрубком для подачи в его внутреннюю полость газов горения и патрубком для вывода из него содержащих сажу влажных газов и с камерой обогрева, снабженной горелками и инжекторами [4].

Недостатком известной установки является недостаточно высокая производительность установки по саже и большие выбросы сажи в окружающую среду.

Предложенные способ производства гранулированной сажи и установка для его осуществления позволяет увеличить выход сажи за счет снижения выбросов ее в атмосферу.

Целью изобретения является увеличение выхода сажи за счет снижения выбросов ее в атмосферу.

Способ производства гранулированной сажи по изобретению, включающий разложение углеводородного сырья а потоке продуктов горения топлива с воздухом с образованием потока сажегазовых продуктов, отделение сажи от газов, гранулирование сажи с водой, сушку влажных гранул в сушильном барабане с внешней камерой обогрева газами горения топлива с воздухом и при пропускании газов горения через внутреннюю полость барабана, подачу газов горения в рубашки наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, отличается тем, что, в качестве газов для сушки влажных гранул используют продукты горения топлива с воздухом при коэффициенте расхода воздуха 1,0-1,1 в смеси с охлажденными газами, прошедшими через рубашки для наружного обогрева указанных аппаратов, в соотношении от 1:1 до 1:4, причем в эти рубашки подают газы из камеры обогрева, а газы, прошедшие через внутреннюю полость барабана, подают в поток сажегазовых продуктов для коагуляции сажи перед отделением сажи от газов.

При сжигании топлива в дополнительных топках при коэффициенте расхода воздуха 1,0-1,1, т.е. при стехиометрическом соотношении топлива с воздухом, получаемые газы горения содержат минимальное количество свободного кислорода (менее 1,5% об.%). Благодаря этому достигнута возможность подачи этих газов, прошедших через внутреннюю полость барабана и содержащих водяные пары и некоторое количество унесенной потоком газов сажи, в поток сажегазовых продуктов перед системой для отделения сажи от газов. Высокое содержание водяных паров и высокая степень уплотнения унесенных из барабана агрегатов сажи способствует интенсификации процесса коагуляции сажи, повышает эффективность улавливания сажи и, соответственно, ее выход в расчете на сырье и производительность по саже.

Установка для производства гранулированной сажи по изобретению, включающая реактор, аппараты для отделения сажи от газов, смеситель-гранулятор, сушильный барабан с камерой обогрева, снабженный патрубком для подачи газов горения из камеры обогрева во внутреннюю полость барабана и патрубком для вывода влажных газов из барабана, при этом камера обогрева снабжена горелками с инжекторами и патрубком для вывода газов горения в рубашки для наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, отличается тем, что она снабжена коагулятором, установленным между реактором и аппаратами для отделения сажи от газов, с патрубком для подачи содержащих сажу влажных газов, соединенным с выходным патрубком сушильного барабана, а камера обогрева снабжена дополнительными топками, расположенными соосно между горелками и инжекторами, причем каждая топка включает соосно расположенные стабилизатор и камеру горения, смесительную камеру с патрубками для подачи охлажденных газов горения из рубашек для наружного обогрева и выходное сопло.

Выполнение установки указанным образом обеспечивает осуществление предлагаемого способа с высоким выходом сажи и улучшением защиты окружающей среды.

Введение в состав установки коагулятора позволяет резко увеличить размер агломератов сажи, поступающих в систему аппаратов для отделения сажи от газов (циклоны, рукавный фильтр). Агломераты сажи в сажегазовых продуктах после реактора имеют размер 0,5-0,8 мкм. Содержание водяных паров в сажегазовых продуктах приблизительно 40%. Газы, подаваемые в коагулятор из внутренней полости сушильного барабана, содержат агломераты сажи размером 220-270 мкм и имеют влажность приблизительно 60%. При интенсивном их перемешивании в коагуляторе размер агломератов сажи достигает в среднем 200-250 мкм, что резко повышает эффективность их улавливания в циклонах и в рукавном фильтре.

Установка дополнительных топок, включающих стабилизаторы горения, камеры горения и смесительные камеры, позволяет осуществить стабильное сжигание топлива с воздухом при коэффициенте расхода воздуха 1,0-1,1. При этом в камерах горения генерируется поток газов горения с содержанием кислорода менее 1,5 об. % с температурой 1650-1850^oC. Соединение патрубков для вывода газов горения из рубашек для обогрева аппаратов для отделения сажи от газов и для гранулирования сажи с патрубками смесительных камер дополнительных топок позволяет снизить температуру газов горения, поступающих в камеру обогрева, до рабочей (≤1000^oC) температуры в результате их разбавления в смесительных камерах рециркулирующими охлажденными газами горения.

На фиг. 1 приведена схема установки для производства сажи; на фиг. 2 - сушильный барабан в продольном разрезе; на фиг. 3-4 - сечение А-А на фиг. 2.

Установка включает последовательно установленные реактор 1 для разложения сырья, коагулятор 2, циклоны 3 и 4, рукавный фильтр 5, циклон 6 газотранспорта, мешалку-уплотнитель 7, смеситель-гранулятор 8 и сушильный барабан 9. Циклоны 3, 4 и бункеры рукавного фильтра 5 снабжены рубашками 10 для наружного обогрева. Бункерная часть мешалки уплотнителя 7 и смеситель-гранулятор 8 также снабжены рубашками 11 для наружного обогрева.

Сушильный барабан 9 включает камеру обогрева 12 и снабжен патрубком 13 для подачи газов горения из камеры обогрева во внутреннюю полость барабана и патрубком 14 для вывода газов из барабана в коагулятор 2. Камера обогрева 12 снабжена горелками 15 и инжекторами 16, между которыми соосно расположены дополнительные топки 17, и патрубком 18 для вывода газов горения в рубашки 10, 11 для наружного обогрева аппаратов. Дополнительные топки 17 включают последовательно распложенные стабилизатор горения 19, камеру горения 20, смесительную камеру 21 и выходное сопло 22. Смесительная камера 21 снабжена патрубками 23, соединенными с выходными патрубками рубашек 10 и 11 для наружного обогрева аппаратов. Патрубки 23 могут быть смонтированы радиально (фиг. 3) или под углом к продольной оси смесительной камеры (фиг. 4).

Установка работает следующим образом.

Углеводородное сырье подают в реактор 1, где оно разлагается в потоке продуктов горения топлива с воздухом с образованием сажегазовых продуктов. Охлажденные сажегазовые продукты подают в коагулятор 2 и далее в циклоны 3, 4 и рукавный фильтр 5 для отделения сажи от газов. Отходящие газы после рукавного фильтра подают на установку дожига (на схеме не показана) и затем выводят в атмосферу. Сажу газотранспортом подают в циклон 6. Газы из циклона 6 подают в коагулятор 2, а сажу - в мешалку-уплотнитель 7. Уплотненная сажа из мешалки-уплотнителя поступает в смеситель-гранулятор 8, где она гранулируется с образованием влажных гранул, которые поступают затем в сушильный барабан 9.

В горелки 15 подают топливо и воздух с коэффициентом расхода α =1,0-1,1. Топливо смешивается с воздухом, полученная смесь проходит через стабилизаторы горения 19, обеспечивающие непрерывное поджигание топливо-воздушной смеси, и сжигается в камерах горения 20. Газы горения в количестве V₁ поступают в смесительные камеры 21, смешиваются с охлажденными газами из рубашек обогрева и полученная смесь через выходные сопла 22 подается в инжекторы 16, благодаря которым обеспечивается многократная циркуляция газов горения вокруг сушильного барабана 9 и, соответственно, эффективный теплообмен через стенку с сажей и ее сушка. Газы горения из камеры обогрева через патрубок 13 поступают во внутреннюю полость барабана для конвективной сушки сажи и удаления выделяющихся при сушке водяных паров. Влажные газы горения, содержащие некоторое количество унесенной потоком газов сажи, через патрубок 14 выводятся из сушильного барабана и подаются в коагулятор 2.

Часть газов горения из камеры обогрева в количестве V₂ через патрубок 18 подается в рубашки 10 и 11 для наружного обогрева аппаратов, а затем охлажденные газы через патрубки 23 поступают в смесительные камеры 21 дополнительных топок 17 и смешиваются с горячими газами горения топлива перед их подачей в камеру обогрева при соотношении V₁:V₂, равном от 1:1 до 1:4. Высушенную гранулированную сажу выводят из сушильного барабана.

Пример 1. Опыты проводились на опытной установке производительностью по сырью 1000 кг/ч. В реактор подавали топливо (пропан-бутановую смесь) в количестве 45 м³ и подогретый до 500^oC воздух в количестве 3300 м³/ч. В поток продуктов горения подавали сырье (антраценовое масло) в количестве 1000 кг/ч. Сажегазовые продукты охлаждали до 350-450^oC и подавали в коагулятор. Скоагулированная сажа отделяется в циклонах и рукавном фильтре от газов и уплотняется в мешалке-уплотнителе. Уплотненная сажа в смесителе-грануляторе смешивается с химочищенной водой в соотношении 1:1 с получением влажных гранул, которые поступают в сушильный барабан.

В горелки камеры обогрева подают топливо (пропан-бутановую смесь) в количестве 36 м³/ч. и воздух в количестве от 900 до 1200 м³/ч. При этом коэффициент расхода воздуха варьируется в диапазоне от 0,9 до 1,2. Концентрация кислорода во влажных газах горения из внутренней полости барабана изменяется, соответственно, от 0,0 до 2,5% об. В опытах поддерживали соотношение V₁:V₂ постоянным в равным 1:2. Результаты опытов приведены в табл. 1 в сравнении с прототипом. В опытах 2, 3 при величинах коэффициента расхода воздуха 1,0-1,1 концентрация кислорода во влажных газах горения из внутренней полости сушильного барабана составляет 0,0-1,2 об.% и не превышает допустимую концентрацию (1,5 об.%, при которой возможно образование взрывоопасной смеси с сажегазовыми продуктами. При подаче этих газов в коагулятор средний размер агломератов сажи перед циклонами увеличивается с 0,5-0,8 мкм по прототипу до 200-250 мкм. В результате увеличивается эффективность улавливания сажи и, соответственно, производительность установки по саже. При величине коэффициента расхода воздуха меньше 1,0 (опыт 1) в газах горения появляется оксид углерода, что говорит о неполноте горения топлива. В результате снижается эффективность сушки сажи и увеличивается выше нормы влажность гранулированной сажи после установки. При величине коэффициента расхода воздуха больше 1,1 (опыт 4) концентрация кислорода во влажных газах горения из внутренней полости барабана превышает допустимую.

Пример 2. Опыты проводили при условиях, аналогичных условиям опыта 2 в примере 1. В опытах поддерживали постоянный расход газов горения топлива V₁, поступающих из камер горения в смесительные камеры. Расход газов горения V₂, поступающих в рубашки обогрева, изменяли в пределах от 1000 до 5500 м³/ч. При этом величина соотношения V₁:V₂ варьировалась от 1:0,9 до 1:5. Результаты опытов приведены в табл. 2. При соотношении V₁:V₂, равном от 1:1 до 1:4, (опыты 6-9), за счет разбавления газов горения топлива, поступающих с температурой 1800^oC из камер горения в смесительные камеры, охлажденными газами из рубашек обогрева, температура газов горения на входе в камеру обогрева сушильного барабана составляет 650-1000^oC. При этом обеспечивается эффективная сушка сажи и ее полное соответствие требованиям ГОСТ 7885-86.

При величине соотношения V₁:V₂, равном 1:0,9, (опыт 5), температура газов горения на входе в камеру обогрева превысила 1000^oC, что привело к окислению сажи, и ее показатель pH водной суспензии снизился ниже требований норм ГОСТ 7885-86. При величине соотношения V₁:V₂, равном 1:5, (опыт 10), эффективность сушки сажи не увеличивается. В то же время начинает резко расти гидравлическое сопротивление рубашек, что ведет к росту энергетических затрат на транспортировку газов.

Предлагаемый способ производства гранулированной сажи и устройство для его осуществления обеспечивают повышение эффективности производства за счет повышения производительности установки по саже, снижение материалоемкости за счет исключения системы аппаратов для очистки влажных, содержащих сажу газов из внутренней полости сушильного барабана. Повышается выход сажи и улучшается защита окружающей среды за счет повышения эффективности улавливания сажи и вывода всех газовых выбросов после установки через одну дымовую трубу.

Сущность изобретения: сушку гранулированной сажи осуществляют продуктами горения топлива с воздухом в смеси с охлажденными газами, прошедшими через рубашки для наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, в соотношении 1 : 1 - 4, причем в эти рубашки подают газы из камеры обогрева, а газы, прошедшие через внутреннюю полость барабана, подают в поток сажегазовых продуктов для коагуляции перед отделением сажи от газов. Установка для производства гранулированной сажи включает реактор, аппараты для отделения сажи от газов, смеситель - гранулятор, сушильный барабан с камерой обогрева, снабженный патрубком для подачи газов горения из камеры в полость барабана, камера обогрева снабжена горелками с инжекторами и дополнительными топками и патрубком для вывода газов горения в рубашки для наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, при этом между реактором и этими аппаратами установлен коагулятор, соединенным с выходным патрубками сушильного барабана. Производительность установки по саже 490 кг/ч. 2 с.п.ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ производства гранулированной сажи, включающий разложение углеводородного сырья в потоке продуктов горения топлива с воздухом с образованием потока сажегазовых продуктов, отделение сажи от газов, гранулирование сажи с водой, сушку влажных гранул в сушильном барабане с внешней камерой обогрева газами горения топлива с воздухом и при пропускании газов горения через внутреннюю полость барабана, подачу газов горения в рубашки наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода сажи за счет снижения выбросов ее в атмосферу, в качестве газов для сушки влажных гранул используют продукты горения топлива с воздухом при коэффициенте расхода воздуха 1,0-1,1 в смеси с охлажденными газами, прошедшими через рубашки для наружного обогрева указанных аппаратов, в соотношении от 1:1 до 1:4, причем в эти рубашки подают газы из камеры обогрева, а газы, прошедшие через внутреннюю полость барабана, подают в поток сажегазовых продуктов для коагуляции перед отделением сажи от газов. 2. Установка для производства гранулированной сажи, включающая реактор, аппараты для отделения сажи от газов, смеситель-гранулятор, сушильный барабан с камерой обогрева, снабженный патрубком для подачи газов горения из камеры обогрева во внутреннюю полость барабана и патрубком для вывода влажных газов из барабана, при этом камера обогрева снабжена горелками с инжекторами и патрубком для вывода газов горения в рубашки для наружного обогрева аппаратов для отделения сажи от газов, отличающаяся тем, что, с целью увеличения выхода сажи за счет снижения выбросов ее в атмосферу, она снабжена коагулятором, установленным между реактором и аппаратами для отделения сажи от газов, с патрубком для подачи содержащих сажу влажных газов, соединенным с выходным патрубком сушильного барабана, а камера обогрева снабжена дополнительными топками, расположенными соосно между горелками и инжекторами, причем каждая топка включает соосно расположенные стабилизатор и камеру горения, смесительную камеру с патрубками для подачи охлажденных газов горения из рубашек для наружного обогрева и выходное сопло.