一种多级蜗壳进料旋流裂解器以及天然气裂解制炭黑的方法与流程

本发明涉及炭黑生产设备与工艺，更具体地，本发明涉及一种用于天然气热裂解制备半补强炭黑的多级蜗壳进料旋流裂解器，以及采用该裂解器实施的天然气裂解制炭黑的方法。

背景技术：

1、炭黑是橡胶工业不可或缺的补强填料，同时广泛应用于塑料、油墨、涂料等领域，其中半补强炭黑具有粒径大、结构低、弹性好、生热低等特点，主要用于轮胎的胎侧、胶管、胶带、密封件等橡胶制品，半补强炭黑的主流工业化生产工艺为天然气热裂解法。

2、天然气热裂解制备半补强炭黑的核心原理为：甲烷在1300-1400℃高温、绝氧环境下发生定向热裂解反应(ch4→c+2h2），生成炭黑与氢气。实际生产中，需将一部分天然气作为燃料燃烧，为裂解反应提供高温热量，另一部分天然气作为原料进行裂解。

3、目前行业内常规工艺与设备存在长期无法解决的技术痛点，包括：现有裂解器普遍采用单路进料结构，原料天然气未单独分出燃料气进入炉膛，原料天然气与燃料气混合后由同一通路喷入炉膛，即原料天然气中部分作为燃料气使用，形成 “边燃烧、边裂解” 的耦合工况。实际生产数据显示，传统工艺生产1吨半补强炭黑的天然气综合消耗量高达6000标准立方米（nm³）。

4、从理论热力学计算可知，生产1吨炭黑，仅需约1870nm³天然气作为原料气（基于ch4裂解生成c的化学计量比）；结合反应吸热、物料升温所需热量，在无额外热损失的理想条件下，生产1吨炭黑的天然气总消耗量（原料气+燃料气）理论最小值仅为3300-3400nm³。可见，现有工艺的天然气消耗量远超理论极限，存在巨大的节能空间，同时伴随着炭黑收率低、产品品质不稳定的问题。

5、针对上述问题，行业内已开展了多种改进尝试：部分技术路线采用蓄热式热裂解法，通过交替加热与热解循环回收沉积物燃烧热，但该工艺为周期性间歇操作，设备结构复杂，无法适配大规模连续生产；部分技术路线采用循环气回用工艺，通过将部分气固混合物循环回用与原料预混合提升燃烧率，但仍未实现燃烧区与裂解区的空间分离，燃烧与裂解的核心矛盾依然存在；还有部分技术采用双燃烧室结构提供稳定热源，但原料气仍与高温烟气直接混合，不可避免地发生氧化燃烧，原料利用率低；另有技术尝试将裂解副产物氢气提纯后作为燃料回用，但需要额外配套净化、加压设备，投资成本高，且无法在裂解炉内原位补充热量，热量损耗大。

6、综上，现有技术的改进路线均未能从根本上解决行业长期存在的技术难题：

7、燃烧与裂解的原理性矛盾无法调和：燃烧过程中要求燃料与空气充分混合以实现完全燃烧，而裂解过程要求原料气严格隔绝空气、保持稳定层流状态，两种工况在同一区域内耦合，必然相互干扰，导致原料气无效氧化；原料气无效消耗严重：原料气与空气不可避免的混合，导致大量原料气在裂解前被氧化燃烧，炭黑收率普遍低于65%，天然气能耗居高不下；裂解反应可控性差：高温燃余气与原料气的混合方式不可控，炉膛内温度常分布不均，裂解反应不均匀，导致炭黑粒径分布宽、结构稳定性差，产品合格率低，无法满足高端橡胶制品的应用需求；

8、热量利用率低：裂解副产物氢气具有高热值（10.8mj/nm³），但现有技术无法经济的对其进行安全、高效的原位回收利用，大量化学热随尾气排出，进一步加剧了能源浪费。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种多级蜗壳进料旋流裂解器及对应的裂解制炭黑方法，通过多层同轴同心嵌套的蜗壳组件，实现燃料气与原料气的分级独立进料、燃烧区与裂解区的完全空间分离，从根本上解决燃烧与裂解的原理性矛盾；同时通过同旋向导流叶片形成稳定旋流，消除湍流干扰；通过后段选择性补热结构，利用氢气与甲烷燃烧速度的数量级差异，优先燃烧裂解副产氢气原位补充裂解热量，实现能源的梯级高效利用，最终达到大幅降低天然气消耗、提升炭黑收率与产品品质的效果。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种多级蜗壳进料旋流裂解器，包括圆筒状炉体、蜗壳组件，炉体具有燃烧区、裂解反应区；蜗壳组件包括由外向内同心嵌套设置的空气蜗壳、燃料气蜗壳、至少一个原料气蜗壳，所有蜗壳的导流旋向相同；空气蜗壳、燃料气蜗壳、原料气蜗壳分别具有与其导流流道连通的介质进气接口，空气蜗壳与炉体的进料端固定连接，空气蜗壳、燃料气蜗壳的一端开口且末端延伸至燃烧区，原料气蜗壳的一端开口且末端延伸至裂解反应区；空气蜗壳的内筒体圆周上均布有多个导流开孔，空气蜗壳与燃料气蜗壳通过导流开孔相连通。

4、进一步的技术方案是，所述蜗壳组件中各层蜗壳的导流方向均为右旋或左旋结构，且相邻蜗壳的旋流夹角为 360°/级数得到的商。如蜗壳级数为4级，则相邻蜗壳的旋流夹角为90°。

5、可选地，所述原料气蜗壳包括第二原料气蜗壳和嵌套在第二原料气蜗壳内的第一原料气蜗壳；所述炉体的裂解反应区包括近燃烧区的第一梯度裂解反应区和第一梯度裂解反应区后部的第二梯度裂解反应区；第二原料气蜗壳的末端延伸至第一梯度裂解反应区，第一原料气蜗壳的末端延伸至第二梯度裂解反应区。

6、更进一步的技术方案是，所述炉体还具有选择性补热区，选择性补热区位于第二梯度裂解反应区后部，选择性补热区设有最少两处补充空气入口，补充空气入口在炉体圆周上均匀布置，补充空气入口采用切向偏置设计，进气方向与蜗壳组件的旋向一致，且补充空气入口进气端与炉膛中心的旋流裂解流道呈30°-60°夹角。更具体地说，补充空气入口的进气端延伸至炉体的外壁，补充空气入口的出气端延伸至炉体内部对应选择性补热区。

7、所述第一原料气蜗壳的中心轴向位置嵌入式安装有点火枪组件，点火枪组件与第一原料气蜗壳密封连接，点火枪本体的前端延伸至燃烧区。更具体地说，点火枪组件包括点火枪本体和耐高温密封法兰，点火枪本体的前端延伸至炉体内部，后端通过耐高温密封法兰与第一原料气蜗壳的端盖密封连接。点火枪组件仅用于设备启动阶段点火烘炉，将炉膛升温至额定反应温度，正常生产阶段闭合密封，不干扰炉膛内的气流状态与裂解反应。

8、所述燃烧区为炉体的进料端0-600mm段，所述第一梯度裂解反应区、第二梯度裂解反应区位于炉体的进料端下游600-1900mm处，所述选择性补热区位于炉体的进料端的下游1500-2500mm处。

9、可选地，所述导流开孔的数量为四个，沿空气蜗壳的内筒体周向等间距均布，轴向为等距离布置，单个矩形导流开孔的长宽比不小于2:1，所有导流开孔的总面积占空气蜗壳内筒体横截面积的 8%-12%。

10、可选地，所述空气蜗壳、燃料气蜗壳、原料气蜗壳的末端均设置有环形隔板，各蜗壳通过环形隔板延伸至对应的区。燃料气蜗壳的外壁连接有第三环形隔板，第三环形隔板末端延伸至燃烧区，第一原料气蜗壳的外壁上连接有第一环形隔板，第二原料气蜗壳的外壁上连接有第二环形隔板；其中第二环形隔板的末端延伸至第一梯度裂解反应区，第一环形隔板的末端延伸至第二梯度裂解反应区。

11、炉体出料端设有冷却装置用于对裂解产品进行急冷；优选所述炉体的内壁贴合铺设有耐火层，所述蜗壳组件的整体材质为耐高温不锈钢或高镍基钢。

12、本发明还提供了一种天然气裂解制炭黑的方法，采用上述多级蜗壳进料旋流裂解器，包括如下步骤：

13、（1）启动烘炉：通过点火枪组件点火，向空气蜗壳通入助燃空气，向燃料气蜗壳通入燃料天然气，空气与燃料天然气预混后燃烧形成稳定火焰，按工艺给定的升温曲线将炉膛烘至1200-1500℃的额定反应温度；

14、（2）分级进料与完全燃烧：向燃料气蜗壳持续通入燃料天然气，向空气蜗壳持续通入助燃空气；其中25%-35% 的助燃空气通过导流开孔进入燃料气蜗壳，与燃料天然气预混形成预混燃气，剩余助燃空气经空气蜗壳流道进入燃烧区与预混燃气混合完全燃烧，生成1750-1800℃的高温燃余气；

15、（3）梯度层流裂解：高温燃余气以与原料天然气同向的旋流状态，从燃烧区进入梯度裂解反应区，包裹在原料气蜗壳喷出的原料天然气外围，通过辐射与对流换热由外向内逐层加热原料天然气，使原料天然气在绝氧层流状态下发生渐进式热裂解反应，生成炭黑与含氢气的裂解气态产物；

16、（4）选择性补热：裂解气态产物随物料流进入选择性补热区后，通过补充空气入口通入补充空气，利用氢气火焰传播速度远快于甲烷的特性，使补充空气优先与裂解气态产物中的氢气发生部分燃烧，释放的热量为剩余未裂解天然气的裂解提供补充热源；

17、（5）产品收集：裂解反应完成后的产物经急冷终止反应、气固分离，得到炭黑产品。

18、进一步的技术方案是：

19、步骤（2）中助燃空气的总通入量为燃料天然气完全燃烧所需理论空气量的 1.0-1.05倍；燃料天然气的通入量为1400-2200 nm³/吨炭黑；

20、步骤（3）中，原料天然气分为两路，分别通入径向内侧的两层原料气蜗壳，两路原料气的体积比为（3.5-4.5）:（5.5-6.5），优选4:6，原料天然气总通入量为2150-3000 nm³/吨炭黑；

21、步骤（4）中，补充空气的通入量为裂解气态产物完全燃烧所需理论化学当量空气量的30%-40%；

22、步骤（5）中，将产物急冷至700-800℃终止反应。

23、本发明中所述“原料天然气”“燃料天然气”是相同的天然气，仅其用途不同。原料天然气可简称为原料气，燃料天然气可简称为燃料气。

24、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

25、1.彻底解决燃裂工况的原理性矛盾：通过多层同心蜗壳的径向分区流道 + 轴向功能分区设计，首次实现了燃烧供热与原料裂解的完全空间分离，即燃料气在燃烧区精准配风完全燃烧，原料气在裂解区隔绝空气层流裂解；从根本上消除了 “燃烧需充分混氧、裂解需严格绝氧” 的核心矛盾，彻底避免了原料天然气的无效燃烧损耗。

26、2.大幅降低天然气综合能耗：通过梯度换热预热、同向旋流强化换热、裂解副产物氢气原位选择性回燃补热的三重热量高效利用机制，天然气综合消耗量可从传统工艺的6000 nm³/吨炭黑，降至最低约4000 nm³/吨炭黑，较传统工艺降低 33%左右，无限逼近3400nm³的理论极限值，大幅降低了半补强炭黑的生产成本。

27、3.显著提升炭黑收率与产品品质：由外至内的渐进式梯度加热模式，可将裂解反应温度稳定控制在1350℃±50℃的额定范围内，炭黑成核均匀、粒径分布窄、结构稳定，产品合格率提升至94%以上；同时炭黑收率从传统工艺的63%最高提升至79%。经检测，本发明制备的半补强炭黑吸碘值14±5 g/kg，dbp 吸收值47±6 cm³/100g，可满足高端橡胶制品的应用需求。

28、4.实现裂解副产物氢气的安全高效原位利用：首次在炭黑反应炉中设计了选择性补热结构，利用氢气与甲烷燃烧速度的数量级差异，实现补充空气优先与氢气燃烧，既回收了氢气的高热值补充裂解热量，减少了外部燃料消耗，又完全避免了空气与原料气、炭黑的接触，解决了传统工艺中氢气回用易破坏裂解绝氧环境、设备投资高的技术难题。

29、5.尾气中氢气的浓度显著提升，副产物氢气回收价值大幅提高：本发明通过燃裂空间分离和精准选择性补热技术，在原位利用部分氢气补热的同时，显著提升了尾气中氢气的体积浓度，从传统工艺的8.9%大幅增至12.1-18.8%且干尾气总量降低约50%，这一突破从技术、经济、安全、环保及产业模式多维度彻底重构了副产物氢气的利用价值体系，大幅降低了氢气回收的成本和难度。

30、6.设备运行稳定性强，适配性广：同旋向蜗壳稳流设计，炉膛内气流无紊乱、无局部超温结焦，设备可连续稳定运行，维护成本大幅降低；设备结构可直接适配现有半补强炭黑生产线的改造，也可用于新建项目，无需大幅改动原有工艺，落地成本低，适配不同产能规模的生产需求，同时可拓展应用于热裂法炭黑的生产。