吸热式可控气氛发生装置 吸热式气氛的应用比较广泛。吸热式可控气氛制备方法简图如图1-63所示,燃料气(天然气、丙烷等)和空气按氧、碳原子比1:1混合,经鼓风机抽取加压送入发生炉的反应罐内,加热到960~1040℃,在催化剂作用下进行化学反应,然后急速冷却即获得吸热式可控气氛。其成分中含有:CO的体积分数为20%~24%,H
2的体积分数为30%~40%,N
2的体积分数为38%~45%和微量CO
2、H
2O、CH
4。由于CO、H
2、N
2的含量基本恒定,可以通过H
2O(露点)或CO
2量的调节来控制气氛的碳势。下图是实际生产应用的吸热式可控气氛发生装置流程图,包括发生炉、气体流量、压力、温度、碳势的测量、控制和安全保护装置。
(2)吸热式可控气氛发生装置的控制
1)设备起动前的准备工作
①检查设备:仪表温度、露点仪、红外仪等是否正常。
②检查管路是否严密有无漏气现象。
③将触媒装入反应罐内其填充尺寸应符合技术规定。
④装好冷却水套并检查冷却水是否通畅。
⑤打开冷却水套顶部的螺塞。
⑥装好炭黑过滤器的滤芯。
⑦检查原料气是否符合技术要求。如:丙烷气成分压力应符合技术要求[纯度(体积分数)应不低于90%~95%,压力应不低于0.12MPa]。
2)发生炉的生温程序如下:
①新炉新砌炉衬、旧炉衬触媒未烘干、旧炉衬旧触媒分别按技术规程在100℃、200℃、300℃、400℃、600℃、800℃保温适当时间,若触媒未烘干应每小时启动罗茨泵一次时间5~8min,风量10~15m
3/h。
②800℃保温完毕将冷却水套的螺塞盖上。
③炉子最高工作温度为1040℃,使用丙烷气工作温度为960~1000℃,天然气工作温度为1020~1040℃。
3)送气程序如下:
①炉子到达工作温度保温1h后可送气。
②打开原料气阀门。
③将三通阀转向放散位置。
④接通露点仪电源,将环境温度定为20%,或接通红外仪电源使其预热。
⑤将产气流量计、空气流量计、原料气流量计下面的阀门稍稍打开并立即启动罗茨泵,随即根据需要调节流量,并使空气与原料气比例符合规定。如以丙烷为原料气,其理论混合比例由化学反应式可知:
2C
3H
8+3(O
2+3.8N
2)→6CO+8H
2+11.4N
2 (1-5)
因此,若获得完全生成CO和H
2,所需的空气与丙烷的混合比为7.2:1。实际操作时空气与原料气的混合比如下:空气:城市煤气=1:(3~4);空气:甲烷=(2.5~3):1;空气:丙烷=(7~8):1;空气:丁烷=(9.6~11):1,不同原料气制备的吸热式气氛,组成见表1-16。
表1-16不同原料气制备的吸热式气氛组成
|
原料气 名称 |
空气与原料 气混合比 |
气氛组成(体积分数,%) |
CO2 |
O2 |
H2O |
CH4 |
CO |
H2 |
N2 |
城市煤气 甲烷 丙烷 丁烷 |
1:3 2.5:1 7.2:1 9.6:1 |
0.3 0.3 0.3 0.3 |
0 0 0 0 |
— 0.6 0.6 0.6 |
≤0.04 ≤0.04 ≤0.04 ≤0.04 |
18.35 20.90 23.0 23.20 |
68.35 40.70 33.40 30.30 |
其余 其余 其余 其余 |
|
⑥送气时流量:应以产气量大于1/3额定产气量而小于2/3额定产气量为准给定混合气体,直至露点或CO
2含量达到技术要求后再调整混合气量。这主要是为了防止炉气恢复时析出炭黑堵罐,大于1/3额定产气量是为了防止混合气体流速过低而小于2/3额定产气量是考虑到送气初期,尤其是新触媒还原初期活性差,混合气体量大在低活性阶段易产生炭黑,是还原速度降低。
⑦调整出口压力为3.0~3.5kPa。
⑧通气后可见到产气流量计内有水出现(约15min内),待水分逐渐消失后在过15min即可用露点仪测定露点,当露点进入正常控制值以上5℃以内后,可启动自动控制,调节二次空气。调节量到总空气量的6%~8%(体积分数)左右、待露点稳定到预定值时,关闭放散阀门,即可通入工作炉。
4)停炉 其停炉调试程序如下:
①将三通阀转至放散位置。
②按额定产气量2/3,露点为10~15℃,运行3h以烧除炭黑。
③关闭气样阀门,停止向露点仪或红外仪送气,切断露点仪或红外仪电源。
④停罗茨泵,关闭原料气进口阀门,空气进口阀门与发生炉出口阀门。
⑤切断炉子电源,炉温降至200℃时,关闭冷却水阀门。
5)烧炭黑其程序如下:
①在正常情况下,发生炉每生产20天至30天,需烧炭黑一次。
②在生产过程中,如发现有下述情况时应及时烧炭黑:a.改变混合气体比例露点、CO
2无变化;b.混合气体比例没变,残留CH
4的体积分数>0.08%;c.反应罐压差增大1.5×10
3Pa(过滤器的影响除外)。
③烧炭黑方法有以下两种:
a.混合气体烧炭黑:方法同4),当改变混合气体比例,露点及二氧化碳量随之改变时,可认为烧炭黑完毕。
b.压缩空气烧炭黑:将工作炉温降至845℃,关闭流向反应罐的丙烷气体或原料气,空气量降至9.6m
3/h,随炉温调整压缩空气量,分析气体成分(体积分数),CO
2低于0.5%时,其余成分为O
2和N
2,表明烧炭黑完毕。
④烧炭黑完毕后气体分析中若存在CH
4的体积分数>0.1%时,应更换触媒。
6)发生炉的冷调:升温前须冷调,目的是检验各部件是否完好,考核零压阀、回流阀、放散阀以及混合器的协调工作能力,考核设备在额定产气量至2/3额定产气量下工作的稳定性,步骤如下:
①第一次冷调时用压缩空气代替丙烷气或其他原料气,将火焰止回阀顶部的提环提到最高位置,再返时针回转90℃,使限位开关处于通路状态。
②将三通阀转向放散位置。
③将比例混合器的手柄置于零位,将零压阀、回流阀、放散阀底部的限位螺钉向下松开,顶部的拉力弹簧拉紧。
④关闭压差计的两旋塞阀。
⑤启动罗茨泵,调节原料气、空气流量计下面的阀门,使流量符合额定产气量数值,调节产气流量计下面的阀门,使出口压力为3.5kPa。
⑥松开回流阀顶部的拉力弹簧,直至出口压力降至低于3.5kPa时再稍稍拉紧调至出口压力为3.5kPa。
⑦调节产气流量计下面的阀门,使出口压力增加到4.3kPa,这时逐渐放松放散阀顶部的弹簧到出口压力下降为止,再稍稍拉紧弹簧至出口压力为4.3kPa。
⑧将回流阀下面的限位螺钉向上拧紧直到出口压力刚要上升为止。
⑨调节产气流量计下面的阀门使出口压力为4.9~5.0kPa,并将放散阀底部限位螺钉向上拧紧直到出口压力刚要上升时为止。
⑩上述调整结束后,可调节产气流量计下的阀门,复核上述各参数。
接通原料气重新调整出口压力与产气量:a.起动罗茨泵,在额定产气量下运转;b.调整原料气压力为4.5kPa;c.调整原料气与空气的混合比;d.打开U形压差计的两个旋塞,压差指标应小于30Pa;e.压差大于30Pa时,应调整零压阀的拉力弹簧,如果U形压差计原料气一侧水柱高,则使零压阀拉力弹簧拉力减小,反之则使零压阀拉力弹簧拉力增大;f调节产气流量计下的阀门,检查个参数是否符号要求。
7)日常维护管理
①操作者应每小时记录如下数据:发生炉温度、空气流量、原料气压力、流量、露点、CO
2、风机出口压力与发生炉出口压力。
②出口过滤器每两天清理一次。
③一次空气过滤器每周清理一次。
④二次空气过滤器每周清理一次。
⑤气样过滤器每天清理一次。
⑥冷却水套每停炉清理碳灰。
⑦氯化锂元件每3个月更换、重涂一次氯化锂。遇有特殊情况随时更换。