炭黑尾气锅炉的结构特点

色素碳黑生产中炭黑尾气锅炉的结构特点

1、燃烧装置的结构特点

    锅炉的燃烧装置必须适应锅炉所使用的燃料。不同的燃料所配置的燃烧设备形式也有所不同。

    炭黑尾气锅炉使用的燃料炭黑尾气。我们知道炭黑尾气是一种热值很低的可燃气体，其中的可燃成分只占20%左右，大部分都是氮气和水蒸气。作为燃料来说，这不是一种理想的燃料。因为其中的可燃成分少，发热值就低。它的理论燃烧温度有1250摄氏度左右。燃烧形成火焰的稳定性也较差。因为其惰性气体成分含量高，使可燃气体与空气中氧气混合较为困难。针对炭黑尾气的这种特点，为了保证燃烧温度，一般采用扩散式烦的燃烧器，这样可以使炭黑尾气燃烧温度，不易回火。而且炭黑尾气中的可燃成分很少，为了强化炭黑尾气与空气的混合，炭黑尾气锅炉的燃烧器采用了多管式或旋流式的燃烧器。多管式燃烧器使炭黑尾气从多根小管内流出，而空气则从多根小管之间流出，这样在很大程度上改善了炭黑尾气中可燃气体与空气中氧气的混合情况。另外一种旋流式的燃烧器，是空气通过配风器产生旋流，使炭黑尾气流出后与空气产生强烈的扰动，大大的改善了它们的混合状态，但这也增加燃烧器的阻力。 

   对于炭黑尾气锅炉的燃烧室（炉膛）来说，一般采用单室炉膛，在炉膛下部一般设置稳燃带（即不布置受热面），有的锅炉还设置稳燃器，使该区域成为高温区，以保证燃烧的稳定性。对于多管式的燃烧器，为了更进一步地改善可燃气体与空气中氧气的混合，都采用把燃烧器布置在炉膛的四个角上，并偏转一定的角度，使气流在炉膛内产生旋转，使混合更为充分，同时也增加了可燃气体在高温区域的停留时间，为可燃气体的完全燃烧创造了条件。

    同时，为了保证炭黑尾气燃烧的稳定，一般为炭黑尾气提供较高温度的助燃空气，也就是采用增加空气换热器的换热面积和设置高温空气预热器的方法，提高入炉空气的温度，一般预热后的空气温度均达到200摄氏度以上，为燃烧提供了良好的条件。

2、炭黑尾气锅炉受热面布置的特点

     根据传热的形式，锅炉的受热面分为辐射受热面和对流受热面。辐射受热面布置在炉膛内，用以吸收火焰的高温辐射热。对流受热面布置在烟道内通过对流换热的方式吸收高温烟气的热量。

     对于使用热值较高燃料的锅炉来说，因为其燃烧温度很高，所以在布置受热面时，辐射受热面的比例要高，因为这样，可以提高换热效率，节省金属材料的用量。

    而对于炭黑尾气来说，则因为它的发热值很低，其理论燃烧温度一般在1200~1300摄氏度，而且燃烧火焰呈透明状，其辐射强度较低，所以炭黑尾气燃烧产生火焰的辐射能力较差。同事，如果增大炉膛内的辐射受热面，因其吸热量过大，会使炉膛内的温度降低，因而导致燃烧的不稳定。所以作为炭黑尾气锅炉来说，不宜布置过多的辐射受热面。一般在炭黑尾气锅炉的蒸发受热面中，辐射受热面占20%左右。在炭黑尾气锅炉中，大部分的蒸发受热面是对流受热面，要提高对流换热的效率。可以提高烟气流速来提高对流传热系数。但增大烟气的流速就会增大烟气流动的阻力，也就增加通风设备的压头和动力。因为炭黑尾气及其燃烧产物中不含有带硬度的飞灰颗粒，这样提高烟气流速也就不会对受热面金属产生磨损。这对适当提高烟气的流速是很有利的。所以在炭黑尾气锅炉采用的烟气流速都在10m/s以上。如果风机设备许可，还可以更高一些。

    对流传热的传热效果总的来说与烟温、烟速、受热面形式以及受热介质的特性有关。传热除了与烟速有关外，还与受热面的形式有关；与受热面的管径、排列方式、烟气的冲刷方向等因素有着很大的关系。如采用错列方式排列的管道在相同的烟气流速下就比顺列排列的传热系数要高，烟气横向冲刷要比纵向冲刷传热系数要高。

    因为传热与温差有很大的关系。锅炉的省煤器和空气预热器都布置在烟温较低的锅炉的尾部烟道，其受热介质为谁和空气，它们的温度也相应较低。为保证得到较高的助燃空气温度，空气预热器的受热面积要大一些，这样可使助燃空气的温度达到200摄氏度以上。

    对于一般供热的锅炉，可以不设过热器。而用于动力拖动的（如驱动汽轮机等）锅炉，则需要用到过热蒸汽，这样锅炉还装有过热器和调节蒸汽温度的减温器。过热器一般布置在温度较高的烟道内，即炉膛出口处，这样便于取得较高的蒸汽温度。

3、炭黑尾气锅炉的排放及特点

  （1）粉尘的排放。 早期的炭黑烟气锅炉，因为炭黑尾气中的炭黑粉尘含量较高，而炭黑粉尘的着火点较高，除一部分可在炉膛内燃烧外，其余部分则被排放。这些粉尘虽不会对锅炉本身造成磨损，但会造成积灰，甚至堵塞通道，同时对环境造成污染。现在，由于炭黑生产中炭黑收集技术的快速发展，使炭黑尾气中的粉尘含量降低到1%以下，基本上不存在飞灰的影响。所以，在炭黑尾气锅炉的排放中基本上无粉尘的影响。但当炭黑生产的收集装置出现故障而导致炭黑尾气中含有炭黑粉尘时，排放中就会有炭黑粉尘的污染。

  （2）氮氧化物的排放。由于氮的氧化物对环境的影响较大，特别是二氧化氮是一种刺激人的呼吸系统、造成肺水肿、使人中毒的物质，同时还会在日光和氧的作用下生成光化学烟雾，造成光化学污染，危害很大。但对炭黑尾气锅炉来说，基本不会产生太多氮氧化物的排放。因为，由于燃烧产生的氮氧化物的氮来源有两个：一是来自助燃的空气中的氮；另一个就是燃料中氮的化合物。但炭黑尾气燃烧产生的氮化合物有限，而由氮分子和氧分子直接生成氮的氧化物在900摄氏度以上。而氮氧化物的大量生成则要求在很高的温度下（一般认为要在1300摄氏度以上）。而炭黑尾气锅炉燃烧所产生的火焰温度大大低于生成氮氧化物的温度。而氮的化合物（如氨等），虽然能在燃烧温度较低的环境中生成氮的氧化物，但因在炭黑尾气中成分极少，所以也可忽略。

   （3）含硫化合物的排放。由于炭黑原料油的来源很杂，所以其含硫量也不一致。根据目前的情况，一般硫的含量都在0.5%左右。其煤焦油系列的原料油含硫量要高一些，而乙稀焦油的硫含量要低，这也和上游产品的原料来源有关。如按原料油中0.5%的含硫量来算，炭黑尾气中的含硫量大约在0.02%~0.2%（体积百分比）左右。虽然，含量很低，但由于炭黑尾气的排放量较大，这些硫的氧化物对锅炉及管道的影响还是很大的。它主要对锅炉造成的负面影响，就是对锅炉受热面产生的低温腐蚀。锅炉产生低温腐蚀的条件是，烟气中有一定量的三氧化硫，而且有低于烟气里硫酸蒸汽的露点温度的受热面。三氧化硫和烟气里的水蒸气作用形成的硫酸蒸气，在低于其露点的受热面的表面结露，形成稀硫酸，使受热面金属受到强烈的酸腐蚀。这种腐蚀的速度很快。这种腐蚀都发生在尾部烟道的省煤器和空气预热器上，短的数个月，长的数年就会使金属表面穿孔损坏。要避免这种腐蚀，就需减少烟气的含硫量。这就要求在选择炭黑的原料时要选用低硫的原料油。另外就是提高排烟温度，使烟气不能在受热面上结露，但这样将降低锅炉的效率。

     另外，含硫烟气排入大气，对环境也造成污染。二氧化硫、三氧化硫都是有毒气体。当大气中的二氧化硫浓度达到（1~5）*10-6，就会使人难以忍受。所以，必须减少硫的排放。除了有条件的情况下选用低硫的炭黑原料油，再就是采取有效的脱硫方法，或是对原料油或是对尾气进行脱硫来降低硫的排放。

    目前，国家相关标准中对硫的排放标准为500mg/m3，而炭黑尾气锅炉的排放中未达到此项标准。但从总体来看，对环境还是有不良影响。所以必须对此项工作予以重视。