炭黑反应器耐火砖选型指南：基于工况理解与分区策略

要正确选择炭黑反应器的耐火砖，首先需要深入了解其结构构造与工作条件

炭黑生产，特别是现代油炉法工艺，本质上是在极端高温环境下进行的精密受控化学反应过程。其核心设备——圆柱形反应器，内部可划分为四个功能各异的区域：燃烧区、喉管区、反应区和急冷区。每个区域都对内衬耐火材料提出了独特且极其严格的要求。为确保生产的稳定性、高效性和长周期运行，深入理解各区域的工作条件并选用最适宜的耐火材料，已成为炭黑工业中的关键技术。

炭黑反应器的极端工作条件及对耐火材料的挑战

反应器内部环境构成一个动态而复杂的物理化学系统：从燃烧区开始温度急剧上升，在喉管区达到峰值，此处气体流速也最高；进入反应区后温度略有回落，流场趋于稳定，炭黑在此生成；最终在急冷区通过喷水实现快速冷却，使反应骤然终止。

这一过程对耐火材料造成三大主要挑战：

1. 极端高温：根据所生产炭黑的品种，工作温度可在1550°C至2100°C甚至更高范围内变化，对材料的耐火度提出极高要求
2. 剧烈热震：切换炭黑品种或调整急冷区位置时，反应器内温度会发生急剧波动，易因热应力导致耐火材料开裂和剥落
3. 高温侵蚀与腐蚀：高速高温气流持续对衬里产生机械冲刷和化学侵蚀，在喉管区等部位尤为严重

因此，理想的炭黑反应器内衬材料必须兼具：高耐火度、优异的热震稳定性、高密度、低气孔率，以及出色的抗高温腐蚀/侵蚀能力。

耐火材料的分区选择策略

炭黑反应器衬里通常采用分区砌筑方案，根据各区域的温度和工况条件选用不同等级的耐火材料，以实现技术性能与经济性的最佳平衡。

中低温区域（1550-1750°C）
– 通常选用氧化铝含量大于90%的刚玉砖，其结合相为莫来石
– 急冷区有时也采用氧化铝含量60-70%的高纯度矾土砖

高温区域（1750-1925°C）
– 燃烧区工作面通常选用成分为90% Al₂O₃ – 10% SiO₂的材料
– 喉管区及反应区热面这些温度最高、侵蚀最剧烈的部位，则需要采用99% Al₂O₃的纯刚玉砖或90% Al₂O₃ – 10% Cr₂O₃的铬刚玉砖（氧化铬的引入增强了抗热震性）

超高温区域（＞1925°C，可达2000-2100°C）
– 在生产特种炭黑时，传统材料已无法满足要求
– 必须采用以Cr₂O₃-Al₂O₃体系为代表的超高温耐火材料