储存在原料油罐的原料油，用高压油泵将其输送，经原料油预热器从反应炉的后管段喷入，供给反应所需的原料。储存在燃料油罐的燃料油，由齿轮泵将其经燃油预热器送到反应炉，并用压缩空气将其雾化，从反应炉的燃烧室前部轴向喷入炉内，在与预热的高温空气再燃烧室**燃烧，提供炭黑生成反应所需能量。由多级离心风机提供的燃烧用空气，经空气预热器和反应炉燃烧室外壳的夹套预热后进入反应炉。燃料油**燃烧产生的含有过剩空气的高温燃余气，从燃烧室以大于声速的高速传过后管段，并与喉管段径向喷入的高温原料油液滴发生不**燃烧和复杂的化学反应，产生了大量的含有炭黑的烟气。烟气流经反应炉急冷段喷入急冷水，使烟气温度迅速降到不大于850度终止反应。烟气又经空气预热器，废热锅炉和油预热器换热及二次极冷。使烟气冷却到280度左右，进入主袋滤器将绝大部分炭黑从烟气中分离出来。附着在滤袋上的炭黑用反吹风机定期吹扫，使炭黑落入储斗内，通过气座进入风送管线净化后的尾气，用离心风机加压，一部分送*尾气燃烧炉作为燃料使用，大部分加压输送给界外锅炉，作为燃料使用。
富氧后提供炭黑生成反应所需能量
减少含有炭黑的烟气。使后期尾气处理量减少如。烟气流经反应炉急冷段喷入急冷水，使烟气温度迅速降到不大于850度终止反应。烟气又经空气预热器，废热锅炉和油预热器换热及二次极冷
一、由于天然气半补强炭黑能耗高，在国外已经被淘汰，但在国内还有一定市场，甚*今年来还比较畅销。再加上有些天然气产地偏僻，气量又小，不便于输入大管网，就地处理炭黑比较经济，从而使它在我国炭黑行业占有一席之地。但天然气半补强炭黑的能耗太高，并且低热值尾气又未处理利用，既浪费能源，又污染环境，如不技术改革，将来实在难于生存。
为了解决天然气半补强炭黑生产中的问题，我国于八十年代后期开发了富氧空气生产天然气半补强炭黑，炭黑尾气联合成氨的新技术，为富氧空气技术在我国炭黑行业的开发创造了良好的开端。
据资料介绍，利用33.5%的富氧空气生产天然气半补强炭黑，每吨天然气耗量比传统工艺低1630m3，尾气热值提高1.5倍。传统与富氧空气工艺的尾气成分对比见表1：
表1： 天然气半补强炭黑尾气成分对比
尾气成分%
空气 |
CO2 |
CO |
O2 |
H2 |
N2 |
CH4 |
尾气低温热值
kj/㎡ |
21%常 规 空 气
33.5% 富氧空气
83.61%富氧空气 |
3.05
4.30
9.00 |
9.36
9.80
15.00 |
0.22
0.2
0.5 |
20.7
33.4
50.00 |
65.13
48.80
22.50 |
1.54
3.50
5.00 |
3974.95
6107.70
9098.96 |
从表1可见，富氧空气浓度在33.5%时，尾气中的CO经转换，再稍用半水煤气调节就可以作为合成氨的原料气（满足氢氮比为3 ：1）。
同时，由于富氧空气的使用，入炉氮气量减少，在保持炉温（1250～1360℃）及停炉时间（1.5～2.5秒）的情况下，单炉生产能力和炭黑收率都会提高。并且炭黑产品质量达到国标优等品的指标，炭黑尾气变废为宝，经济、环境效益都很理想。
二、富氧空气技术用于新工艺炭黑生产
首先，从表2可以看出，在富氧空气浓度一定的情况下，理论燃烧温度随一次燃烧率的提高而**，烟气中的过剩氧量随之增多，在一次燃烧率一定的情况下，理论燃烧温度随富氧空气浓度增加而增高，烟气过剩氧量也随之增多，当炉内温度控制在一定范围的情况下，随着富氧浓度的增加，一次燃烧率的上下限值逐渐增大。
表2： 理论燃烧温度、烟气组分与富氧空气浓度和一次燃烧率
|
富氧空气浓度% |
一次燃烧率% |
理论燃烧温度℃ |
烟气组分 % |
|
CO2 |
H2O |
N2 |
O2 |
|
21 |
150 |
1785 |
6.6 |
13.98 |
72.95 |
6.46 |
|
160 |
1713 |
6.21 |
13.22 |
73.25 |
7.30 |
|
170 |
1649.6 |
5.87 |
12.56 |
73.52 |
8.05 |
|
180 |
1591 |
5.56 |
11.96 |
73.76 |
8.71 |
|
22 |
140 |
1883 |
7.35 |
15.42 |
71.46 |
5.75 |
|
150 |
1806 |
6.89 |
14.54 |
71.8 |
6.75 |
|
160 |
1735 |
6.49 |
13.75 |
72.12 |
7.63 |
|
170 |
1670 |
6.13 |
13.06 |
72.40 |
8.41 |
|
23 |
150 |
1859 |
7.18 |
15.10 |
70.68 |
7.04 |
|
160 |
1784 |
6.77 |
14.28 |
71.00 |
7.05 |
|
170 |
1718 |
6.39 |
13.55 |
71.28 |
8.77 |
|
180 |
1657 |
6.06 |
12.90 |
71.53 |
9.50 |
|
24 |
160 |
1832 |
7.04 |
14.80 |
69.88 |
8.27 |
|
170 |
1765 |
6.65 |
14.05 |
70.17 |
9.12 |
|
180 |
1703 |
6.31 |
13.37 |
70.43 |
9.88 |
|
190 |
1645 |
6.00 |
12.76 |
70.66 |
10.57 |
|
25 |
160 |
1882 |
7.31 |
15.32 |
68.76 |
8.60 |
|
170 |
1812 |
6.91 |
14.54 |
69.06 |
9.48 |
|
180 |
1746 |
6.55 |
13.84 |
69.33 |
10.27 |
|
190 |
1688 |
6.23 |
13.21 |
69.57 |
10.98 |
|
26 |
170 |
1857 |
7.17 |
15.02 |
67.96 |
9.83 |
|
180 |
1790 |
6.80 |
14.30 |
68.23 |
10.65 |
|
190 |
1730 |
6.46 |
13.05 |
68.48 |
11.40 |
|
200 |
1675 |
6.16 |
13.06 |
68.70 |
12.07 |
|
27 |
180 |
1832 |
7.04 |
14.76 |
67.14 |
11.04 |
|
190 |
1772 |
6.70 |
14.10 |
67.40 |
11.81 |
|
200 |
1716 |
6.38 |
13.48 |
67.62 |
12.51 |
|
210 |
1685 |
6.10 |
12.92 |
67.83 |
18.14 |
|
28 |
180 |
1877 |
7.29 |
15.22 |
66.06 |
11.42 |
|
190 |
1815 |
6.93 |
14.53 |
66.32 |
12.22 |
|
200 |
1756 |
6.61 |
13.90 |
66.55 |
12.94 |
|
210 |
1703 |
6.31 |
13.32 |
66.76 |
13.60 |
|
30 |
190 |
1894 |
7.39 |
15.40 |
64.17 |
13.02 |
|
200 |
1833 |
7.05 |
14.73 |
64.41 |
13.80 |
|
210 |
1778 |
6.73 |
14.12 |
64.83 |
14.61 |
|
220 |
1726 |
6.45 |
13.56 |
64.83 |
15.15 |
|
35 |
230 |
1850 |
7.14 |
14.85 |
69.80 |
18.20 |
|
240 |
1802 |
6.87 |
14.31 |
69.97 |
18.84 |
|
250 |
1755 |
6.61 |
13.81 |
60.14 |
19.43 |
|
260 |
1712 |
6.37 |
13.35 |
60.29 |
20.00 |
注：1、燃料为天然气，成分为CH4 ，97.7%，CO，0.6%，CO2，1.6%，O2，01%H2S0.1%
2、大气平均温度为17℃，平均温度为60%。
3、入炉天然气温度17℃，富氧空气温度400℃。
对新工艺三段炉而言，*主要的特征是燃烧和裂解是分开的，在这样的条件下实施富氧空气技术，首先要考虑的就是燃烧炉的炉温，必须在燃烧炉能承受的温度下来探讨富氧空气浓度的变化规律，就硬质炭黑炉而言，通常使用纯刚玉作内衬耐火材料，其使用温度范围是1600～1850℃，在不超过1850℃的情况下，我们希望燃烧炉产生的烟气温度越高越好，同时，烟气中的氧量越低越好，这有利于提高炭黑的收率和质量。
从表2可见，富氧空气浓度控制在25%以内，燃烧炉产生的烟气含氧量可以制在10%以下，富氧空气浓度大于25%，使得烟气中过剩氧量超过10%，这样可能造成的后果是原料油在反应炉内继续燃烧，炭黑收率**，反应温度升高，甚*超过1900℃或更高，反应炉有被烧坏的危险，显然这是我们不希望的。也就是说富氧空气浓度超过25%，对新工艺炭黑产生可能造成不良后果，这与专利US4904454使用的富氧空气浓度一致。该专利将富氧空气浓度控制在27%以内，这主要与燃烧炉内衬耐火材料有关。由此可见，新工艺炉只能在低富氧浓度下运行。
表3是国外采用富氧空气与常规空气生产炭黑的主要工艺参数：
|
炭黑品种工艺参数 |
N375 |
N375 |
N326 |
N326 |
N550 |
N550 |
|
常规空气量 m3/h |
8000 |
7700 |
7400 |
7800 |
7200 |
7200 |
|
氧气量 m3/h |
221 |
200 |
580 |
— |
— |
580 |
|
富氧空气浓度 % |
23.12 |
23.00 |
26.7 |
— |
— |
26.9 |
|
空气预热温度 ℃ |
616.8 |
611 |
642 |
618 |
646.8 |
652 |
|
原料油量 kg/h |
2900 |
2980 |
3805 |
2520 |
3905 |
5410 |
|
燃料油量 kg/h |
620 |
— |
— |
— |
— |
— |
|
燃料气量 m3/h |
— |
700 |
655 |
786 |
353 |
480 |
|
炭黑产量 kg/h |
1945 |
1934 |
2358 |
1848 |
2580 |
3580 |
注：表中炭黑产品是在同一既能生产硬质又能生产软质炭黑的反应炉中生产的。
从表3可以看出，对同一个炭黑反应炉，采用富氧空气生产硬、软质炭黑，燃料油处理量与炭黑产量比用常规空气高的多，相应的炭黑收率也有所提高。这对**成本，提高经济效益是很有益处的。专利还介绍了富氧空气对炭黑产品的质量没有什么不良影响。采用富氧空气使得原料油处理量、炭黑产量、炭黑收率和尾气热值都有较大的提高。
注：以上有关数据出自《炭黑工业》。
四、富氧空气生产炭黑过程尾气的利用
由于富氧空气技术的采用，使得入炉氮气减少，这不但能节约一定的燃料，而且使炭黑尾气中的氮组分相应**，一氧化碳与氢气组分提高。为炭黑尾气进一步利用创造了条件。
1、 碳黑尾气回流作为碳黑生产的燃料气
富氧空气的引入，使得碳黑尾气的热值有所提高，这使得以碳黑尾气为燃料气，以富氧空气作为氧化剂生产新工艺碳黑成为可能。从表2可见，当炉温控制在1600～1850℃时，富氧空气浓度在28%～40%是合适的，**是控制在30～35%。因为浓度低于28%时，烟气中含氧量较低，实际可能造成低热值尾气燃烧不**或发生熄火现象。浓度高于40%时，烟气中的含氧量较高，很容易超过10%，这会造成下游的原料油再燃烧，**收率或烧坏反应炉。只有富氧空气浓度在30～35%时，很容易得到1700摄氏度左右的理论燃烧温度，同时烟气中含氧量较适中。
2、 碳黑尾气合成氨
利用富氧空气生产碳黑，尾气生产合成氨工艺，能够有效利用碳黑尾气，大幅度**碳黑与合成氨生产的能耗，且彻底根治了碳黑尾气对环境的污染。根据生产测定，采用该工艺每吨炭黑天然气耗量比传统工艺低1630m3，且回收排放的尾气可副产合成氨2.238吨。对生产能力为1500吨/h的天然气半补强碳黑生产装置来说，每年可增加效益150万左右。
综合以上分析，从经济效益、提高炭黑质量、提高燃料利用率、减少热损失、提高烟气温度有利于合成氨以及环保等方面考虑该项目是可行的。富氧空气用于炭黑的生产已经成为炭黑行业不可缺少的一部分。让我们携手共进，一同打造品牌炭黑。
