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一种制备炭黑-燃比的控制方法及系统

阅读:356发布:2020-05-22

专利汇可以提供一种制备炭黑-燃比的控制方法及系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开一种制备 炭黑 的 风 量- 燃料 比的控制方法,包括步骤:a)由预设风量确定有效风量;b)根据预设 炉膛 温度 确定第一理论燃烧温度;c)根据第一理论燃烧温度和所述预设风量确定燃料量;d)根据所述燃料量和有效风量向反应炉内供入燃料和空气制备炭黑。与 现有技术 相比,本发明根据预设炉膛温度确定燃料量并由预设风量确定有效风量,可以精确控制燃料和风量比,本发明提供的控制方法鲁棒性强、 稳定性 好,可靠性高,有效地改善燃烧温度难以测量的问题,在燃烧品种变换以及燃料成分变动的情况下,仍能够实现工况的稳定、 自动调节 。,下面是一种制备炭黑-燃比的控制方法及系统专利的具体信息内容。

1、一种制备炭黑量-燃料比的控制方法,包括步骤:
a)由预设风量确定有效风量;
b)根据预设炉膛温度确定第一理论燃烧温度;
c)根据第一理论燃烧温度和所述预设风量确定燃料量;
d)根据所述燃料量和有效风量向反应炉内供入燃料和空气制备 炭黑。
2、根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于步骤a)包括步 骤:
a1)采用标准孔板模型测量预设风量;
a2)根据所述预设风量通过公式(1)计算有效风量:
Q Vx = V k × P 0 Δ P 0 × T 0 × Δ P x × T x P x × ( 1 - 0.3780 × x V ) - - - ( 1 )
公式(1)中,QVx表示有效风量,单位为m3/h;Vk表示预设风量, 单位为m3/h;PO表示系统压,单位为kpa;TO表示设计温度,单位 为℃;ΔPx表示孔板差压,单位为kpa;Tx表示实测温度,单位为℃,Xv 表示汽百分含量。
3、根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于所述步骤a1) 中的标准孔板模型计算风量具体为按照公式(2)测量实际风量:
Q V 0 = K × ΔP ρ - - - ( 2 )
公式(2)中,Vk表示预设风量,单位为m3/h;K表示孔板特性 系数;ΔPO表示空气压力差,单位为kpa;ρ表示空气密度,单位g/L。
4、根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于所述空气密度 通过公式(3)计算:
ρ = 3.48353 * P ZT ( 1 - 0.378 P S P ) - - - ( 3 )
公式(3)中,ρ表示空气密度,P表示空气压力,单位为kpa;PS 表示空气中的水蒸气压力,单位为kpa;Z为空气压缩因子;T表示空 气温度,单位为℃。
5、根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于所述空气压缩 因子采用公式(4)所示的维里方程三项式进行计算:
Z = 1 + B RT P + C P 2 - - - ( 4 )
公式(4)中,R为理想气体的比例常数,单位为J/(mol·K);B表 示第二维里系数;C表示第三维里系数。
6、根据权利要求1至5任一项所述的控制方法,其特征在于所 述步骤b)采用公式(5)由预设炉膛温度确定第一理论燃烧温度:
T = To × ( P P O ) k - 1 k - - - ( 5 )
公式(5)中,T表示预设炉膛温度,单位为℃;To表示第一理 论燃烧温度,单位为℃;P表示燃烧室内压力,单位为kpa;PO表示空 气压力,单位为kpa;k表示燃烧产物绝热指数。
7、根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于所述步骤c)中 根据第一理论燃烧温度和所述预设风量使用公式(6)确定燃料量:

公式(6)中,Q空表示空气带入的物理热,单位为kJ;Q低表示燃 料油发热值,单位为kJ;Q燃表示燃料带入的物理热;C产表示燃烧产 物的综合热熔,单位为kJ/m3·℃;Vn表示燃烧产物体积,单位为m3;
公式(6)中,Q空采用公式(7)计算:
Q空=C空TkVk      (7)
公式(7)中,C空表示空气热熔,单位为kJ/m3·℃;Tk表示空气 预热温度,单位为℃;Vk表示预设风量,单位为m3/h;
公式(6)中,Q低采用公式(8)计算:
Q低=W×(12400-2100×1.0536×1.0536)×4.2
公式(8)中,W为燃料量;
公式(6)中,Q燃采用公式(9)计算:
Q燃=WC燃Ty    (9)
公式(9)中,W为燃料量,单位为kg/h;C燃表示燃料热熔,单 位为kJ/m3·℃;Ty表示燃料预热温度,单位为℃。
8、一种在权利要求1至7任一项所述的控制方法中使用的控制 系统,包括:
风量单元,所述风量单元根据预设风量确定有效风量;
燃料单元,所述燃料单元根据预设炉膛温度确定第一理论燃烧温 度、和根据第一理论燃烧温度和所述预设风量确定燃料量;
比值调节单元:所述比值调节单元根据所述燃料量和有效风量确 定风量-燃料比;
反应器燃烧单元:所述反应器燃烧单元根据所述比值调节单元确 定的风量-燃料比向反应炉内供入燃料和空气。
9、根据权利要求8所述的控制系统,其特征在于所述风量单元 包括:
风量测量单元,所述风量测量单元测量实际风量
风量补偿计算单元,所述风量补偿计算单元根据实际风量测量有 效风量。

说明书全文

技术领域

发明涉及黑反应,具体涉及一种制备碳黑的-燃比的控制方 法及系统。

背景技术

炭黑主要由碳元素组成,其微晶具有准石墨结构,且呈同心取向, 其粒子是近乎球形的,大都熔结成聚集体的胶体粒子。炭黑可以用作 聚合物组合物中的颜料、填料和/或补强剂。
炉法炭黑是目前常用的生产炭黑的方法。在炉法炭黑中,将燃料 与适量空气在燃烧室内燃烧形成高温膨胀气体,带动原料以接近音 速喷射入反应室,在极端时间内使原料烃发生不完全燃烧反应,生成 悬浮在烟气中的炭黑颗粒,然后经过工艺急冷后收集起来,再经造粒 干燥后即为成品炭黑。
由于炭黑生产过程中的复杂性,同时炭黑的转化率及生产炭黑的 品质均与烃类的燃烧和热裂解过程有关,因此控制好合适的风量-燃料 比就可以较好地控制反应炉内反应过程得到品质较好的炭黑。目前, 常用的炭黑燃料有乙烯焦油、天然气焦炉气。在炭黑生产的过程 中,燃烧炉内的温度、燃料组分、热值、流量、温度、助燃空气的预 热温度、湿度都是影响炭黑质量的重要因素。由于每种燃料的情况不 同,因此对于不同燃料都需要建立不同的燃烧模型,计算炭黑在生产 过程中的风量-燃料比。
现有技术下,采用炉法进行炭黑生产时,由于没有有效的对风 量-燃料比进行控制,因此导致碳黑产品质量不稳定。中国专利文献 CN1515631A公开了一种炭黑及其制备方法。其中提到风量和燃料对 于炭黑具有重要的影响,但是确并没有给出如何对风量-燃料量进行 控制,由于在实际的碳黑反应中,风量-燃料量的情况会随时变化, 在上述专利中,整个炭黑反应的可控性差。
因此,需要一种可以准确制备炭黑的风量-燃料比的控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种碳黑反应的风量-燃料比 控制方法,按照本发明的方法,可以有效地对炭黑反应中的风量和燃 料进行准确的控制。
为了解决以上技术问题,本发明提供一种制备炭黑的风量-燃料 比的控制方法,包括步骤:
a)由预设风量确定有效风量;
b)根据预设炉膛温度确定第一理论燃烧温度;
c)根据第一理论燃烧温度和所述预设风量确定燃料量;
d)根据所述燃料量和有效风量向反应炉内供入燃料和空气。
优选的,所述步骤a)包括步骤:
a1)采用标准孔板模型测量预设风量;
a2)根据所述预设风量通过公式(1)计算有效风量:
Q Vx = V k × P 0 Δ P 0 × T 0 × Δ P x × T x P x × ( 1 - 0.3780 × x V ) - - - ( 1 )
公式(1)中,QVx表示有效风量,单位为m3/h;Vk表示预设风量, 单位为m3/h;PO表示系统压,单位为kpa;TO表示设计温度,单位 为℃;ΔPx表示孔板差压,单位为kpa;Tx表示实测温度,单位为℃,Xv 表示汽百分含量。
优选的,所述步骤a1)中的标准孔板模型计算风量具体为按照公 式(2)测量实际风量:
V k = K × ΔP ρ - - - ( 2 )
公式(2)中,Vk表示预设风量,单位为m3/h;K表示孔板特性 系数;ΔPO表示空气压力差,单位为kpa;ρ表示空气密度,单位为g/L。
优选的,所述空气密度ρ通过公式(3)计算:
ρ = 3.48353 * P ZT ( 1 - 0.378 P S P ) - - - ( 3 )
公式(3)中,ρ表示空气密度,P表示空气压力,单位为kpa;PS 表示空气中的水蒸气压力,单位为kpa;Z为空气压缩因子,单位为 kg/m3;T表示空气温度,单位为℃。
优选的,所述空气压缩因子Z采用公式(4)所示的维里方程三 项式进行计算:
Z = 1 + B RT P + C P 2 - - - ( 4 )
公式(4)中,R为理想气体的比例常数,单位为J/(mol·K);B表 示第二维里系数;C表示第三维里系数。
优选的,所述步骤b)采用公式(5)由预设温度确定第一理论燃 烧温度:
T = To × ( P P O ) k - 1 k - - - ( 5 )
公式(5)中,To表示第一理论燃烧温度,单位为℃;P表示燃 烧室内压力,单位为kpa;PO表示空气压力,单位为kpa;k表示燃烧 产物绝热指数。
优选的,所述步骤c)中根据第一理论燃烧温度和所述预设风量 使用公式(6)确定燃料量:

公式(6)中,Q空表示空气带入的物理热,单位为kJ;Q低表示燃 料油发热值,单位为kJ;Q燃表示燃料带入的物理热;C产表示燃烧产 物的综合热熔,单位为kJ/m3·℃;Vn表示燃烧产物体积,单位为m3;
公式(6)中,Q空采用公式(7)计算:
Q空=C空TkVk    (7)
公式(7)中,C空表示空气热熔,单位为kJ/m3·℃;Tk表示空气 预热温度,单位为℃;Vk表示预设风量,单位为m3/h;
公式(6)中,Q低采用公式(8)计算:
Q低=W×(12400-2100×1.0536×1.0536)×4.2
公式(8)中,W为燃料量;
公式(6)中,Q燃采用公式(9)计算:
Q燃=WC燃Ty    (9)
公式(9)中,W为燃料量,单位为kg/h;C燃表示燃料热熔,单 位为kJ/m3·℃;Ty表示燃料预热温度,单位为℃。
本发明还提供一种在以上任一项技术方案所述的控制方法中使 用的控制系统,包括:
风量单元,所述风量单元根据预设风量确定有效风量;
燃料单元,所述燃料单元根据预设炉膛温度确定第一理论燃烧温 度、和根据第一理论燃烧温度和所述预设风量确定燃料量;
比值调节单元:所述比值调节单元根据所述燃料量和有效风量确 定风量-燃料比;
反应器燃烧单元:所述反应器燃烧单元根据所述比值调节单元确 定的风量-燃料比向反应炉内供入燃料和分量。
优选的,所述风量单元包括:
风量测量单元,所述风量测量单元测量实际风量
风量补偿计算单元,所述风量补偿计算单元根据实际风量测量有 效风量。
本发明提供一种制备炭黑的风量-燃料比的控制方法。与现有技术 相比,本发明根据预设炉膛温度确定燃料量并由预设风量确定有效风 量,可以精确控制燃料和风量比,本发明提供的控制方法鲁棒性强、 稳定性好,可靠性高,有效地改善燃烧温度难以测量的问题,在燃烧 品种变换以及燃料成分变动的情况下,仍能够实现工况的稳定、自动 调节。
附图说明
图1为本发明的制备炭黑的风量-燃料比的控制方法的流程图
图2为本发明的控制炭黑反应的风量-燃料比的控制系统示意图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案 进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征 和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
请参见图1和图2,图1为本发明提供的制备炭黑的风量-燃料比 的控制方法的一种实施方式的流程图;图2为本发明提供的控制炭黑 反应的风量-燃料比的控制系统的示意图。在本实施方式中,以乙烯焦 油作为燃料、液态烃作为原料制备炭黑,对气体-燃料比的控制方法, 包括步骤:
a):风量单元根据预设风量Vk确定有效风量QVx
炉法炭黑的生产过程中,燃烧所需要的空气是通过主供风机进行 输送,在进反应炉前首先通过预热器进行预热,预热后的空气进入到 反应炉的燃烧段与燃料进行燃烧反应。由于在整个燃烧过程中,参与 反应的只有空气中的气,氧气在空气中的比例被认为恒定,但是由 于空气的湿度会随着区域和季度的不同会有所差异,因此最终的有效 风量应该是除去水蒸气的干空气量。在S1步骤中,包括以下子步骤:
a1):风量测量单元测量预设风量
风量的测量一般都采用标准孔板作为测量元件,标准孔板的测量 原理如下式所示:
V k = K × ΔP ρ - - - ( 2 )
公式(2)中的K是本领域技术人员熟知的孔板特性综合系数, 可以在孔板设计手册中查到;ΔP表示孔板流量测量的压力差;空气密 度ρ根据空气温度、空气压力、湿度进行计算。
计算ρ时,当空气中含有水汽时,由于水汽密度等于干空气密度 的0.622倍,所以在相同的温度和压力条件下,湿空气总比干空气轻。 如果湿空气中水汽压力为Ps,则干空气的压力可以计算为P-Ps,因此 计算ρ的公式如(3)所示:
ρ = 3.48353 * P ZT ( 1 - 0.378 P S P ) - - - ( 3 )
公式(3)中的Z为空气压缩因子,单位为kg/m3,公式(2)中 的T表示空气温度,单位为℃。
在计算公式(3)中的空气压缩因子Z时,可以采用状态方程进 行进算,优选使用维里方程三项截断式:
Z = 1 + B RT P + C P 2 - - - ( 4 )
公式(4)中的B为第二维里系数,C’为第三维里关联系数,具 体采用公式(5)计算得到:

公式(5)中的C为第三维里系数,R为理想气体的比例常数, 单位为J/(mol·K)。
使用公式(2)测量得到实际风量Vk后,进行步骤a2)风量补偿 单元根据所述实际风量Vk计算有效风量QVx。
Q Vx = V k × P 0 Δ P 0 × T 0 × Δ P x × T x P x × ( 1 - 0.3780 × x V ) - - - ( 1 )
公式(1)中,QVx表示有效风量,单位为m3/h;Vk表示预设风量, 单位为m3/h;PO表示系统压力,单位为kpa;TO表示设计温度,单位 为℃;ΔPx表示孔板差压,单位为kpa;Tx表示实测温度,单位为℃,Xv 表示水汽百分含量。
风量单元根据上述过程确定有效风量后QVx,根据所述有效风量 QVx向反应炉内供入空气。
步骤a)之后,进行步骤b):燃料单元按照公式(5)根据预设炉 膛温度确定第一理论燃烧温度;
T = To × ( P P O ) k - 1 k - - - ( 5 )
公式(5)中,T表示预设炉膛温度,单位为℃;To表示第一理 论燃烧温度,单位为℃;PO表示燃烧室内压力,单位为kpa;P表示空 气压力,单位为kpa;k表示燃烧产物绝热指数。
在步骤b)中,确定第一理论燃烧温度To后,进行步骤c)根据 第一理论燃烧温度和所述预设风量使用公式(6)确定燃料量;

公式(6)中,Q空表示空气带入的物理热,单位为kJ;Q低表示燃 料油发热值,单位为kJ;Q燃表示燃料带入的物理热;C产表示燃烧产 物的综合热熔,单位为kJ/m3·℃;Vn表示燃烧产物体积,单位为m3;
公式(6)中,Q空采用公式(7)计算:
Q空=C空TkVk    (7)
公式(7)中,C空表示空气热熔,单位为kJ/m3·℃;Tk表示空气 预热温度,单位为℃;Vk表示预设风量,单位为m3/h;
公式(6)中,Q低采用公式(8)计算:
Q低=W×(12400-2100×1.0536×1.0536)×4.2
公式(8)中,W为燃料量,其它数值为乙烯焦油经验值;
公式(6)中,Q燃采用公式(9)计算:
Q燃=WC燃Ty    (9)
公式(9)中,W为燃料量,单位为kg/h;C燃表示燃料热熔,单 位为kJ/m3·℃;Ty表示燃料预热温度,单位为℃。
在步骤c)中,确定燃料量后,进行步骤d):比值调节单元根据 所述燃料量和有效风量确定风量-燃料比,然后燃料单元根据所述风量 -燃料比向反应炉内供入燃料和空气制备炭黑。
以下以具体实施例说明本发明提供的制备炭黑的风量-燃料比的 控制方法:
实施例1
原始数据如下:
燃料为乙烯焦油,气体为标准空气,空气中的水分含量按照等温 条件下饱和水蒸气含量计算,标准状态下空气的体积为22.4m3/kmol, 空气中氧气和氮气的体积分数分别为21%和79%。
乙烯焦油中碳元素的质量百分数为91.44%,氢元素的质量百分数 为7.68%,乙烯焦油重度为1.0536,乙烯焦油预热温度Ty=130℃,燃 料用空气预设流量Vk=1343m3/h,空气预热温度Tk=650℃,炉膛预设 温度T为1836℃。
已知气体的热熔:为1.9284kI/m3·℃;为3.2207kI/m3·℃; 为2.7284kI/m3·℃;为2.0251kI/m3·℃;
根据已知气体的热熔以及空气中的氧气和氮气的体积含量可以 确定空气的热熔。
本实施例的控制方法按照如下步骤:
S1:由公式(5)确定第一理论燃烧温度To:
T = To × ( P P O ) k - 1 k - - - ( 5 )
公式(5)中,空气压力P为110.325kpa,假设燃烧室表压为40kpa, 则燃烧室内压力PO为110.325+40=150.325kpa。
另外,乙烯焦油燃烧反应后,反应炉内的气体组分分别为:CO2、 N2、H2O、O2,请参见表1为反应炉内几种气体组分在不同温度下的 绝热指数:
表1、反应炉内气体组分的绝热指数

绝热指数按照公式(11)计算:
1 k - 1 = Σ c i k i - 1 , - - - ( 11 )
公式(11)中,ci表示气体的热熔,将、、、带 入表1,计算后得到表2所示的反应炉内的气体绝热指数。
表2、反应炉内气体绝热指数

将绝热指数、预设温度、空气压力和燃烧室内压力带入公式(5) 后得到第一理论燃烧温度To为1711℃。
S2:确定第一理论燃烧温度To后,根据第一理论燃烧温度To确 定燃料量,假设燃料量为W。
计算燃料量时,需要确定以下几个数据:空气中水含量M、完全 燃烧消耗空气量Lo、空气消耗系数η、实际空气消耗量La、燃烧产 物生成量、燃烧产物热熔。
S21)利用公式(12)确定空气中水含量M:
M=Vk×ρ空气×H    (12)
公式(12)中,Vk表示预设风量,单位为m3/h;ρ空气表示燃烧用 空气密度,这里取1.293kg/m3;H表示燃烧用空气湿度,单位为kg水 /kg空气。
其中,空气湿度H采用公式(13)计算:

公式(13)中,表示空气相对湿度,这里取65%;P水表示空气 中水蒸气分压,这里取3.1691kpa;P总表示空气压力,这里取101.66kpa。
将上述数值带入公式(12)
M = 1343 × 1.293 × 0.622 × 0.65 × 3.1691 101.66 - 3.1691 = 22.590 kg / h - - - ( 12 )
S13)利用公式(14)计算完全燃烧消耗空气量Lo

公式(14)中,ρ空气为空气密度,取1.293。
S13)利用公式(15)计算完全空气消耗系数η:
η = V k L O - - - ( 15 )
S14)实际空气消耗量La:
实际空气消耗量La等于预设风量。
S15)计算燃烧产物生成量:
燃烧产物中的CO2根据公式(16)计算:
V CO 2 = 91.44 % × W × 22.4 ÷ 12 - - - ( 16 )
燃烧产物中的N2根据公式(17)计算:
V N 2 = 79 % × La - - - ( 17 )
燃烧产物中的H2O根据公式(18)计算:
V H 2 O = W × 7.68 % ÷ 2 × 22.4 + M ÷ 0.804
燃烧产物中的O2根据公式(19)计算:
V O 2 = 21 % × ( La - Lo ) - - - ( 19 )
根据以上燃烧产物的各组成的含量可以计算燃烧产物的总体积:
V n = V CO 2 + V H 2 O + V N 2 + V O 2 - - - ( 20 )
则燃烧产物中的各组分的体积百分比分别为
CO 2 % = V CO 2 / V n % ; - - - ( 21 )
H 2 O % = V H 2 O / V n % ; - - - ( 22 )
N 2 % = V N 2 / V n % ; - - - ( 23 )
O 2 % = V O 2 / V n % - - - ( 24 )
S16)计算燃烧产物热熔C产

对于第一理论燃烧温度To,符合公式(6)

公式(6)中,C产表示燃烧产物的综合热熔,单位为kJ/m3·℃;Vn 表示燃烧产物体积,单位为m3;
公式(6)中,Q空采用公式(7)计算:
Q空=C空TkVk    (7)
公式(7)中,C空表示空气热熔,单位为kJ/m3·℃;Tk表示空气 预热温度,单位为℃;Vk表示预设风量,单位为m3/h;
公式(6)中,Q低采用公式(8)计算:
Q低=W×(12400-2100×1.0536×1.0536)×4.2    (8)
公式(8)中,W为燃料量;
公式(6)中,Q燃采用公式(9)计算:
Q燃=WC燃Ty    (9)
公式(9)中,W为燃料量,单位为kg/h;C燃表示燃料热熔,单 位为kJ/m3·℃;Ty表示燃料预热温度,单位为℃。
其中,计算C燃时,可以采用经验公式(26)计算:
C燃=0.416+0.0006Ty    (26)
公式(26)中,Ty表示空气预热温度。
将公式(7)、(8)和(9)中包含燃料量W的计算式以及第一理 论燃烧温度To带入公式(6)后,可以计算出燃料量W为83.8kg/h。
最后,确定燃料量后,进行反应时,根据所述燃料量83.8kg/h向 反应炉内供入燃料乙烯焦油。
以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以 上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当 指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的 前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落 入本发明权利要求的保护范围内。
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