CN1037832C - 由在等离子反应器中热解烃生产碳黑和氢气的方法及装置 - Google Patents

Abstract

在通过用反应室中的等离子炬(3)热解烃生产碳黑和氢气的方法中，调节反应室(1)的压力、氢气等离子气和烃的进料速率和在反应室(1)中喷射喷嘴(2)的角度以便在反应室的中心区域以一定的位置形成反应区(5)，其确定了用于分解烃为氢气和碳黑的反应焓，以得到所要求的碳的质量，焓值被调节在1-50KW/NM³/h的范围内，反应区域中的温度保持在1000-4000℃。

Description

由在等离子反应器中热解烃生产碳黑和氢气的方法及装置

本发明涉及一种用于烃类高温分解成碳和氢气的方法和装置。

现有技术中存在许多用于烃类高温分解成碳和氢气的方法以及系统，因而可生产许多不同质量和密度的碳。在这方面，本申请人已开发了各种方法，列为本文参考文献的为，例如，申请人的挪威专利申请No.914904和No.921359。这些申请涉及用于连续生产碳黑形式的碳和氢气的方法和系列。

大多数现有的已知技术不得不描述为非连续方法，其中，装置仅可在短时间内操作，或其中，由所形成的碳生产其他演变的产物。此外，没有进行完全的分解，因而最终的产物是不纯的碳和氢气。

在连续过程中，传统的生产碳黑的方法是通过输入空气燃烧烃类进行的。所获得的质量与方法有关，在方法中，被输入空气或氧气，不管以过量或不足的方式使用氧气。这些方法是低效率的，因为将要被转化的大部分烃类用作过程的能源，因而，得到低的利用系数。此外，由于燃烧过程不完全，进一步降低了产率，于是，导致产生了碳和氮的氧化物。来自该过程的废气除了用作为燃料气体外不能用于任何其他用途，因而释放了污染环境的气体。

就烃原料的利用系数而言，热解已被证实有效得多并且利用等离子炬(plasma torches)已进行了许多实验。然而，如上所述，由于沉积在电极上和反应室中从而导致过程停止，热解不能以任何连续生产方式进行。因此，对于本申请人的上述专利申请中所描述的这些方法，还没有研制出连续热解生产碳黑的方法。

然而，在烃类的高温裂解过程中，所生产的碳的质量将取决于操作系数。所生产的碳原则上属于两种主要种类中的一种，即或者是碳黑或者是碳黑和也称之为高温热解碳的焦。碳黑是低密度物质，在气相中在高于700℃，通常高于1100℃的温度下形成。

因此，人们要求能够控制该生产过程以便获得具有预定质量的碳黑，即，一种以该方式可控制的方法，即，通过该方法，可根据需要生产不同质量的碳黑。

因此，本发明的一个目的是提供一种方法和系统，它们能够实现这种控制的方法。或者是通过系统的设计和它的操作以获得特定的质量，或能够以这样的方式调节系统，以便使系统可从生产一种质量转变成生产另一种质量。

本发明的另一个目的能够生产一种最终产品，其在整个生产过程中保持稳定和均匀的质量，因而避免了生产具有不同物理性质的碳黑。

这些目的通过以权利要求书中存在的特征为特点的方法和系统达到的。

为了使本发明能够得到令人满意的结果，重要的是它也应当能以能源的经济使用和差不多连续地进行。应注意应确保操作条件和系统的设计是这样的状态，以致在反应器和下游的设备中没有出现所产生的物质的阻塞的沉积。同时，重要的是在反应器室内保持限定的温度梯度以可能使产物获得最均匀质量。

业已发现本发明，采用相互之间的和在限定范围内的操作条件的精确控制，能够以这样的方式控制方法，使得所得到的产物能够预先确定而同时使产物质量保持在均匀的程度。同时，就能源而言，该方法能够经济地进行操作。

通过本发明可达到了这样的目的，即，生产方法可以在正常原料，如甲烷的情况下，以简单的方式在发生分解的实际反应区域中通过调节反应条件来控制。这不是在本发明所述的设备的反应室中的一般条件，而是在实际反应区域中的一般条件，在实际反应区域中，很难测量所存在的条件。然而，如果研究了反应区域中全部的能量的相互关系和能量消耗，人们将发现，分解过程的关健因素是能量的供给和使用，即在该区载中存在的焓状态。本发明人认识到这样的事实，并进一步认识到，通过简单的方式和根据对影响该区域中焓值的这些因素所作的计算能够调节和调整分解过程，以得到所需的产物。我们进一步发现，为得到连续过程，该焓值必须在本专利权利要求书所述的范围内。此外，必需在生产碳黑所必须的温度范围内。

根据本发明，存在三个能用于控制这些焓值条件的主要方式，即，温度、反应室中的压力和导入原料气体或烃进料的角度。该认识是出乎意料的，但其基于这样一种事实，即反应区域根据这些条件，尤其是根据烃物流的进料角度将位于不同的位置。这种变化可通过调节喷射喷嘴的角度很简单地得到，但是，这种变化也可以通过改变进料速率来改变或除此之外。

这些反应系数可以用来对照。在此基础上可画出一组系数，其将提供精确规定的最终产品的质量，从而也确定了过程的效率。因此，提供了一种用在热解反应器中控制生产预定值的碳黑的简单方法。

根据本发明，反应区域中的焓应在1至50kWh/Nm³，优选2至20kWh/Nm³之间，同时，温度应在1000-4000℃，优选1600-3000℃之间。

用于实施该方法的装置包括上述本申请人的以前的申请中本来已知的许多部件，因而通常将包括一根伸入反应室中的吹管(torch)，在反应室的四壁中有若干用于供入额外的气体，如产物气体的输入口，在反应室的另一端有用于所形成的产物的出口，该出口连接冷却系统。根据本发明，用于输入额外的烃气体和/或等离子气体的喷咀被安装成可调节角度，在燃烧室周围分别呈不同的角度。在最简单的方式中，这种系统可被设计成仅有一组固定的喷嘴，其被调节用于一种特定的生产过程。用于调节焓值所要求的那些参数因而可简单地通过这样一个系统控制。

现在，本发明通过具体实例和所附的附图更详细地详述，附图包括：

附图1：本发明装置的设计原理；附图2A、2B示意性地说明本装置的反应区域的效果的两张草图；附图3A、3B说明本发明的一个具体实例的示意性的侧视图和剖面图，和附图4-6用于调节可获得提所要求的碳黑质量的参数的模拟曲线的例子。

附图1是完全示意性地说明本发明的基本原理。烃的高温分解在反应室1中进行，反应室通常为延伸的管形，但这里仅仅是示意性地表示。以垂直方式构造的吹管3伸入燃烧室中，用例如氢气作为等离子气体进行操作。在燃烧室1的另一端，有一个用于所形成的产物的出口4。参考号数2表示如何在反应器中设置用于烃的进料孔，在圆周上进料孔的数量和所处多少高度由所要求的产物质量确定。为了减少在反应器侧壁上孔的数量而同时避免在水平平面上过大的浓度梯度，侧孔应/可以能够以相对于水平面的不同角度旋转。

在这种类型的反应室中，进行两项实验，其中烃气体通过与反应室的中心轴呈一定角度的进料孔输入反应室和反应区域5，输入角度分别为45°和60°。术语中心轴指的是由通过反应室的主要物流方向确定的轴。得到的产物被冷却和分离。所生产的碳黑被收集在过滤器中，而气体混合物在烧掉之前作出分析。通过若干方法(包括测量BET表面积)仔细分析碳黑，结果列于如下表中：

          实验1，45°    实验2，60°高离子气体，NM³/h   BET，m²/g   BET，M²/g

           6          45          41

           12         56          47

           18         50          56

           24                     50

上述变化是仅仅改变等离子气体速率和原料输入反应器的角度而获得的。该变化被认为由于实际形成碳黑的温度差异而造成的。这指的是在反应器中间的实际反应区域5内的温度，而不是反应器壁或出口温度。事实上，所得的结果表明，仅仅通过改变原料的输入角度，就能得到产物质量的大的变化。

该表进一步说明，在等离子气体的量改变时，所测量的产物表面积达到最佳值。这是由于如下事实，即在主要反应区域中温度通过一最佳值，即使焓也如此，因而，在等离子气体的量增加，等离子气体的温度稳定下降，这种现象的原因是已经反应的并且相对冷的物料的物流的再次循环。

附图2a和2b说明，在主反应区域5中的温度如何通过这种最佳值。

在附图2a，整个反应区域5位于等离子气体区域6中，没有再次循环产物7之混合。这可以通过具有足够量的等离子气体来完成以确保再循环区域被压离反应区域。使再循环物不混合入反应区域5的最低量等离子气体将在反应区域中得到最高温度，从而得到最大的产物表面积。如果等离子气体量进一步增加，等离子气体的焓将下降，反应区域的温度也下降，其结果是，减少了产物的表面积。然而，产物的质量比起如果反应区域的温度保持下降来更均匀和一致，这是因为逆流产物混合入反应区域中。在后者情况下，反应区域的温度梯度将较大，作为其结果质量分散也较大。

附图2b显示再循环物流6将如何降低反应区域5的温度，等离子气体的量太小以致不能防止流回的物质混合入反应区域中。

对于产物的质量来说，角度的重要性与上述解释有密切联系。如果相对于中心轴的角度减小，在反应器中反应区域将进一步下移，这会导致需要较多量的等离子体，从而降低了焓和温度，以防止逆流物质混入反应区域中，而导致温度下降。

附图3A和3B说明安装有进料孔2的本发明装置的应用实例，进料孔呈喷嘴形式是有利的。在该实例中，在反应区域的顶部安装垂直于反应室中心轴的环状部件8，在这种情况下，附图2B中所示的再循环物流7将仅以最高值时达到环状部件8，在环状部件8中安装，例如如附图3B中所示的三个对称的喷咀2，在那里加入额外的进料气体。在这种环状部件中安装用于喷咀的角调节装置将是一顶简单的工作，例如，这种装置能够使环状部件向上旋转到达虚线所示的位置9，如果需要的话，也能够成切线地调节喷咀。在这种方式下，获得了进料孔或喷咀2的保护装置，同时，使用简单的装置用于它们的调节。另一种情况可以是将喷咀安装在环状部件8和等离子吹管(plasma torch)3之间的空间，在那里喷咀或进料孔被保护免遭再循环物流，并且能够更容易地进行角度调节。环状部件8被描述为盘形元件，但它也可以是开放结构。

进一步的应用设计可包括一个这种环状部件8，它如附图3A中箭头P所示在反应区域5中是可移动的。所需进料的烃从而可通过移动环或在该区域安装若干环提供给反应区。然而，通常优选的设计是在反应区域5的顶部安装环状部件8。因此，附图3仅仅以纯理论的方式说明这些可能性，在此原理的基础上可能有许多变化。

上文中已描述如何通过改变等离子气体的量和输入原料的角度来调节所生产的碳黑的质量。然而，还存在另一个参数，其可有助于控制产物的质量，该参数为压力。

反应通常在1×10⁵帕过压的压力下进行，由于化学平衡，反应器在低压下操作是合乎要求的。甲烷至氢气的反应遵循如下反应式

         。

由于反应导致摩尔数的增加，对于原料的转化程度有利的是具有低的压力，因此，压力不应增加至太高，因为太高不是所希望的。等的压力增加1×10⁵-2×10⁵帕导致原颗粒变大，测量的表面积下降，产物质量朝着较重和较软质量的方向变化。随着压力的增加，所生产的，碳的质量也变得与等离子气体量不太有关，换句话说，如果降低压力，减少了原颗粒的尺寸，从而增加了测量的表面积。改变压力的实验结果在如下表格中表示：等离子气体NM³/h  压力，帕    压力，帕    压力，帕

6              6.5×10⁶    -

12             5.9×10⁶ 4.5×10⁶   4.1×10⁶

18              -         5.6×10⁶   4.2×10⁶

24              -         5.0×10⁶   3.7×10⁶

根据本发明，已开发了一种模型，以用作操作计划的助手。附图4-6显示在实验开始之前如何能够计算产物的质量。所有附图是以三个用于原料的喷射喷咀作三维计算的。附图显示在反应区域中温度和温度梯率地如何变化的。

附图4显示一个小的输入角度和因此反应区域在反应器中相当低是如何获得低的反应区域温度和小的温度梯度。这将得到均匀的产物，但具有相对小的表面积。

附图5显示，一个较大的输入角度是如何获得较高的反应区域温度以及较大的温度梯度。这将生产的附图3具有较大平均表面积的物质，但产物将不太均匀。

在附图4和5中，采用了径向输入反应器的方法。

附图6显示了一个变化，其中如果喷射管在切线方向旋转30℃，改变了反应温度。在反应器中发生的旋转降低了温度梯度。并增加了平均反应温度。因此，输入角度在切线方向上的小的改变导致产物变得更均匀，得到较大的表面积。

上文仅提供了本发明原理的实例，显然，许多改进将在本发明的范围内。当然，可以使用除上述角度之外的其它角度，通过各系数的适当组合，能够得到进一步精制过程所要求的产物。

就设备而言，仅仅是以纯粹示意性的形式说明，仅仅包括了对本发明有意义的那些部件。反应室和操作系统的其余的设计包括通常被认为属于现有技术或在本发明申请人先前的专利申请中描述的那些部件。

Claims (8)

1.在装有可调喷嘴的反应室中用等离子炬热解烃而生产碳黑和氢气的方法，其特征在于为了使碳产品达到符合要求的质量，将焓值调为1kWh/Nm³和50kWh/Nm³之间，反应区的温度保持为1000℃和4000℃之间反应室的压力调为1×10⁵-3×10⁵帕之间，氢气等离子气的进料速度调为6Nm³/h和24Nm³/h之间，反应室中相对于其中的中心轴而将喷嘴角度调为90°和30°之间，并且反应室中通过在切线方向上旋转而将喷嘴角度调为0°和45°之间。

2.权利要求1的方法，其特征在于焓值调为2kWh/Nm³和20kWh/Nm³之间。

3.权利要求1或2的方法，其特征在于反应区的温度保持为1600℃和3000℃之间。

4.权利要求1的方法，其特征在于为了在用于操作计划的模型中获得预定的分解产物，对调为1×10⁵-3×10⁵帕之间的压力，调为6Nm³/h和24Nm³/h之间的氢气等离子气进料速度，相对于反应室中的中心轴而将喷嘴调为90°和30°之间的角度和通过在切线方向上旋转而将喷嘴调为0°和45°之间的角度所涉及到的有关系数进行计算，将这些值记录在用于各种质量的模拟曲线中，并且在生产期间从该模拟曲线中选出与预定值有关的焓值。

5.权利要求1的方法，其特征在于在反应室中的喷嘴角度相对于反应室中的中心轴调为60°和45°之间。

6.权利要求1的方法，其特征在于反应室中通过在切线方向上旋转而将喷嘴角度调为0°和30°之间。

7.实施权利要求1的在装有可调喷嘴的反应室中用等离子炬热解烃而生产碳黑和氢气的装置，其特征在于在反应室的一或多个高度上装有至少一个喷嘴和/或在与反应室中心轴垂直的反应室内的反应区中装有带有喷嘴的环状元件，该环状元件在反应室的纵向上可移动，而喷嘴以90°和30°之间的角度相对于反应室的中心轴进行角度调节并且还在切线方向上以0°和45°之间的角度进行角度调节。

8.权利要求7的装置，其特征在于在环状元件的等离子炬侧所限定的空间中安装喷嘴。

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