CN104448953A - 一种利用油田伴生气生产炭黑的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，它包括炭黑反应炉，炉头原料气涡轮壳入口与原料气预热器连接，炉头空气入口、炉尾烟气出口分别与空气预热器连接，原料气预热器入口与油田伴生气集输系统连接，所述油田伴生气集输系统包括依次通过管道连接的储气柜、脱水器、吸附塔、储气罐、增压装置和稳压罐，所述炭黑反应炉炉头空气入口连接富氧空分装置。本发明生产系统装置投资规模小，建设时间短，生产成本低，并且根据本系统生产出的炭黑粒径大，适用范围广，经济效益明显。

Description

一种利用油田伴生气生产炭黑的系统和方法

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种利用油田伴生气生产炭黑的系统和方法。

背景技术

油田伴生气又称油田气，是一种伴随石油从油井中逸出的天然气。与一般天然气田产出的天然气不同，其主要成分是甲烷、乙烷等低分子烷烃，还含有相当数量的丙烷、丁烷、戊烷等，不同油井中逸出的伴生气组分往往有较大差异。油田伴生气属于易燃、易爆、有毒、有害气体。由于油田伴生气所需要的加工处理工艺比一般的气田气和凝析气的处理工艺更为复杂，加之油田伴生气的量一般较小，可利用的压能较低，在过去被误认为是没有利用价值的天然气，对于它们往往是采用就地直接燃烧的方法处理。这样既造成大量能源浪费，又排放大量的温室气体污染环境。随着国家对能源开采过程中所造成的环境污染以及能源浪费治理整顿力度的加大，对于合理回收利用该部分能源已是当务之急，也是国内能源长期持久发展的一个必然趋势。

油田伴生气的首选利用方式是用作城市民用燃料或工业（如发电）燃料。然而在远离城市或工业地区，它们均因气量小,就地无用户和远离输气管网等原因无法得到真正的集收利用。油田伴生气的第二种利用方式是用作合成氨、甲醇或甲醛等许多化工产品的原料，然而这些产品必须有足够大的规模、相应的公用工程和交通运输设施，而且投资多，建设时间长，通常是不可行的。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种合理利用油田伴生气生产炭黑的系统，该系统装置投资规模小，建设时间短，生产成本低，并且根据本系统生产出的炭黑粒径大，适用范围广，经济效益明显。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，包括炭黑反应炉，炉头原料气涡轮壳入口与原料气预热器连接，炉头空气入口、炉尾烟气出口分别与空气预热器连接，其特征在于：所述原料气预热器入口与油田伴生气集输系统连接，所述油田伴生气集输系统包括依次通过管道连接的储气柜、脱水器、吸附塔、储气罐、增压装置和稳压罐，所述炭黑反应炉炉头空气入口连接富氧空分装置。 

进一步的，上述增压装置优选螺杆式空气压缩机。

进一步的，所述储气罐内设置C/H检测装置，可以实时检测储气罐内油田伴生气的C/H比，从而根据燃烧数学动态模型确定入炭黑反应炉的富氧空气量和油田伴生气量，使一套炉子适应多种不同原料组分的油田伴生气，实现炭黑工艺的动态调整，生产出不同粒径的炭黑品种。

进一步的，在所述炉头原料气涡轮壳内设置环形湍流片，提高了油田伴生气入炉的燃烧扩散速度，使油田伴生气得到充分燃烧。

进一步的，所述炭黑反应炉的喷燃器在反应炉内多点布置，增加了喷燃器的数量，减少了单个喷燃器的燃气处理量，油田伴生气和富氧空气在喷燃器内充分混合，改善了燃烧状况，缩短了燃烧时间，适应多个品种炭黑的生产。

由于油田伴生气的各油井分布比较分散，产气量也不稳定，而油田伴生气的甲烷含量波动也大，若直接将各油井的油田伴生气用于生产炭黑，将导致炭黑生产工艺波动大，产品质量不易控制，针对不同C/H组分的油田伴生气，需要配套多个炭黑反应炉，因此本发明利用各油井的自身压力，选择合适的管线将各油井的油田伴生气集中到储气柜中，经脱水器预处理脱去油水和颗粒杂质后，再经吸附塔深层处理，除去S、N等杂质进入储气罐，增压、预热后进入炭黑反应炉生产炭黑，实现了炭黑的稳定生产，一种炉型可适用各种成分的油田伴生气，其产品收率得到提高，炭黑反应的反应强度和时间可控范围更宽，生产的炭黑粒径增宽至45-120nm，可用作为橡胶及其制品补强助剂、填充剂，用作为塑料着色及抗紫外光老化剂等，可使用炭黑品种增多。

在炭黑反应炉入口增加的富氧空分装置，使入炉空气含氧量提高到22-45%，将反应温度提高150—250℃，从而使反应温度可以达到1100℃~1620℃，强化反应，促进反应物向产品生成转化，可以生产更多品种的炭黑；燃烧热负荷从原来2.3~3.0×106 kJ/m³·h提高到2.8~3.5×106 kJ/m³·h，更利于反应物的产品转化，大大地提高了炭黑收率。产品收率比传统的气炉法天然气半补强炭黑生产工艺提高3-8%；可生产的炭黑的粒径范围由传统的气炉法天然气半补强炭黑生产工艺的61-100nm增宽至45-120nm，可生产品种大大增加。

综上所述，本发明炭黑生产系统实现了油田伴生气资源的回收利用，减少了SO2、CO2的排放，该系统投资规模小、生产成本低、建设时间短，适于零散气源的利用，具有良好的社会、经济、环保效益。

附图说明

图1为本发明炭黑生产系统示意图；

图2为本发明系统用炭黑反应炉炉头的结构示意图；

图3为图2A-A的截面示意图；

图4为油田伴生气涡轮的结构示意图。

图例说明：

1、油井；2、储气柜；3、脱水器；4、吸附塔；5、储气罐；6、螺杆式空气压缩机；7、稳压罐；8、原料气预热器；9、空气预热器；10、炭黑反应炉；11、富氧空分装置；12、C/H检测装置；13、主供风机；

101、油田伴生气涡轮壳；102、油田伴生气入口；103、环形湍流片；104、空气入口；105、喷燃器。

具体实施方式

为了更加清楚的理解本发明的目的、技术方案及有益效果，下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参加图1，本发明一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，包括炭黑反应炉10，炉头油田伴生气入口102与原料气预热器8连接，炉头空气入口104、炉尾烟气出口分别与空气预热器9连接，原料气预热器8入口与油田伴生气集输系统连接，所述油田伴生气集输系统包括依次通过管道连接的储气柜2、脱水器3、吸附塔4、储气罐5、螺杆式空气压缩机6和稳压罐7，炭黑反应炉炉头空气入口104连接富氧空分装置11。 

优选的是，所述储气罐5内设置C/H检测装置12，可以实时检测储气罐内油田伴生气的C/H比，从而根据燃烧数学动态模型确定入炭黑反应炉的富氧空气量和油田伴生气量，使一套炉子适应多种不同原料组分的油田伴生气，实现炭黑工艺的动态调整，生产出不同粒径的炭黑品种。

进一步的，参见图3，在所述炉头油田伴生气涡轮壳101内设置环形湍流片103，提高了油田伴生气入炉的燃烧扩散速度，使油田伴生气得到充分燃烧。

进一步的，参见图2、图3，所述炭黑反应炉的喷燃器105在反应炉内多点布置，增加了喷燃器的数量，减少了单个喷燃器的燃气处理量，油田伴生气和富氧空气在喷燃器内充分混合，改善了燃烧状况，缩短了燃烧时间，适应多个品种炭黑的生产。

本系统生产时，参见图1，首先，将分散在不同油井1的油田伴生气利用井口压力，再选择合适的管线，将其集中到储气柜2。然后储气柜2的气体进行预处理：在脱水器3中用除湿剂和细目滤网脱去油水和颗粒杂质；接着将其进行深层次处理：在吸附塔4中填料吸收剂，除去S、N等影响炭黑生产的杂质后进入储气罐5，吸附塔底设置喷淋水泵，循环使用部分填料吸收剂。在储气罐5设置C/H检测装置12，在此检测原料气的组分；在压缩中心站并列布置多台螺杆式空气压缩机6对原料气加压至2-6kpa，储于稳压罐7中，等待进入炭黑富氧反应系统。

经预处理和深层次处理后的油田伴生气的组成范围如下表所示：

炭黑富氧反应系统主要包含富氧空分装置11和炭黑反应炉10。富氧空分装置11采用三塔变压吸附空气制氧方式，这样就可以连续产生出氧气。每个吸附塔在工作时经历三个阶段：吸附、再生和充压。制备含氧量为22%~45%的富氧空气。

在炭黑反应炉中，来自稳压罐7的净化油田伴生气加压到2～6 kPa通过原料气预热器8预热后，进入火嘴箱与来自主供风机13提供的经空气预热器9加热的空气和富氧空分装置11提供的富氧空气分别进入反应炉燃烧室，在反应炉燃烧室内，油田伴生气同富氧空气旋转混合，使一部分油田伴生气充分燃烧放出热量，供另一部分油田伴生气裂解生成炭黑。反应炉燃烧温度根据生产炭黑品种的需要，一般在1250～1550℃之间选择，反应完成后，炭黑烟气温度冷却到280～320℃后依次分别进入炭黑收集系统、造粒系统、包装系统进行包装后，送入炭黑成品仓库。

炭黑烟气冷却一般是先用一次急冷水将反应后的炭黑烟气急冷到1000～1100℃终止反应，通过空气预热器9与空气热交换将炭黑烟气温度降低到550～600℃，再与原料预热器8热交换预热油田伴生气进一步降低炭黑烟气温度。空气预热器与原料预热器之间和原料预热器之后分别设置喷水口可以根据工艺需要喷入急冷水调节炭黑烟气温度，炭黑烟气温度冷却到280～320℃后才进入炭黑收集系统。

将油田伴生气经上述生产系统制得的炭黑产品质量如下表所示：

因此参见上表，使用油田伴生气利用本发明生产系统制得的炭黑产品质量符合国家标准GB3778-2003橡胶用炭黑技术条件。

在生产过程中由于油田伴生气的多样性及不稳定性，在储气罐设置分析检测装置12，对油田伴生气气体组分实施动态监测（即确定CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀的含量），据此确定反应工艺参数。通常我们是固定通入反应炉的风量，然后根据风气比（通常风气比选为4.5～5:1）自动控制入炉油田伴生气量，实现动态调整。以某特定井口油田伴生气组分为例，具体物料平衡表如下。

Claims (6)

1.一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，包括炭黑反应炉，炉头原料气涡轮壳入口与原料气预热器连接，炉头空气入口、炉尾烟气出口分别与空气预热器连接，其特征在于：所述原料气预热器入口与油田伴生气集输系统连接，所述油田伴生气集输系统包括依次通过管道连接的储气柜、脱水器、吸附塔、储气罐、增压装置和稳压罐，所述炭黑反应炉炉头空气入口连接富氧空分装置。

2.根据权利要求1所述的一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，其特征在于：所述的增压装置为螺杆式空气压缩机。

3.根据权利要求1所述的一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，其特征在于：所述储气罐内设置C/H检测装置。

4.根据权利要求1所述的一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，其特征在于：所述炉头原料气涡轮壳内设置环形湍流片。

5.根据权利要求1所述的一种利用油田伴生气生产炭黑的系统，其特征在于：所述炭黑反应炉的喷燃器在反应炉内多点布置。

6.根据权利要求1所述的系统生产炭黑的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）选择合适的管线，将每个油井的油田伴生气都集中到储气柜中；

（2）储气罐中的油田伴生气经增压装置加压至2-6Kpa；

（3）控制富氧空分装置提供的空气的含氧量在22-45%；

（4）控制炭黑反应炉的燃烧温度为1250～1550℃。