CN1047609C - 一种通过烃热分解连续生产炭黑和氢的设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

由烃分解生产炭黑和氢的设备，装有与热分解反应器(1)连接的具有可调温度区域的反应器(2)，以影响和控制炭黑的性质和改进该炭黑的表面和结构。该反应器具有在各种温度区域内供气和供原料的装置。反应器(2)下游有反应产物的冷却器(3)，能预热原料气和等离子体气，其后是旋风分离器(4，5)，以分离炭成分中的粗颗粒，它与过滤装置(7)连接，将粒度和结构符合要求的炭黑过滤到筒(8)中再进一步处理。该设备装有管道返回反应器(2)和向化学工业输送部分氢。

Description

一种通过烃热分解连续生产炭黑和氢的设备及其操作方法
本发明涉及一种由烃分解生产炭黑和氢的设备。
从EP0315442，EP0392121，US4213939和GB1150362已知通过气态和/或液态烃不完全燃烧，即让一部分烃裂解以生产炭黑的方法和设备。但是，气态副产物中的主要成分为碳氧化物。
从GB1492346又已知通过烃在反应室中热分解以生产炭黑的热解方法。但是，要将水蒸汽引入气态热载体的等离子体物流中并且烃分解成碳和气态副产物，后者之中氢是唯一成分。
在现有技术中已知有许多不同的由烃气生产炭黑的设备和方法，其中一类方法是利用等离子体喷灯热分解烃成为炭黑和氢成分。然而，已经使用的这种方法直到现在通常还仅能产生其它的气体烃产物，例如乙炔。到目前为止还没有研制出一种设备能连续生产炭黑和氢，因为早期的设备由于沉积物的形成，在很短的操作时间之后就必须停止，以便设备再次开动之前能使喷灯和反应器得到清理，这些缺点导致这些设备对于操作花费很大，相应的使最终产物的成本很高。
已知设备另外的缺点是不能充分控制最终产物的获取，即所生产的炭黑和氢，因为这类方法仅有可能生产就物理性质而言的标准质量的炭黑，结果须根据获得的炭黑对这种产品进一步处理。氢主要被烧掉。
本发明的目的是提供一种通过分解烃气体生产炭黑和氢的设备，这种设备可连续操作并且有可能按预定的条件使所生产的炭黑具有预定的物理性质。这一目的的实现是利用了一个设备，该设备的特征在于具有于下所列的特性。
按照本发明，应用一种通过烃气体，尤其是甲烷热分解生产炭黑和氢的设备，其特征在于作为热分解反应器应用的等离子炬(1)，应用时其中供入预热的烃气体作为进料气体并且以这种预热的烃气体和/或预热的氢气作为等离子体气体，其中至少部分产生的氢气进行循环并且用作等离子体气体，其特征还在于提供了进一步的反应器(2)并使其与热分解反应器(1)连接，该进一步的反应器带有可调温度区以便影响和控制炭黑的性能以及改善炭黑的表面和结构，该反应器(2)还在各温度区域内设有供入气体和物料的装置，其特征还在于反应器的下游又设有反应产物冷却器(3)，该冷却器中可使原料气体和等离子体气体得以预热，该冷却器后又设有分离装置(4，7)，所述分离装置优选由旋风分离器构成，其目的是将粗颗粒与炭黑组分分离，其特征还在于该旋风分离器(4)与过滤装置(7)相连，该过滤装置中将符合要求粒径和结构的炭黑滤出并收集在滤筒(8)中以作进一步处理，其特征还在于该设备装有将氢气部分送到化学工业，作为能量载体使用以及经返回管道(11)回送到热分解反应器(4)的管线。
按照本发明所述的方法，其特征在于所用等离子体气体仅由原料气体或来自过滤装置(4，7)的分解气体组成，而且作为等离子体气体而返回的氢气量由与等离子体电弧相连的控制阀通过施加给等离子炬(1)的作用进行控制。
按照本发明所使用的设备，对于进一步加工合理而连续地进行炭黑生产是可能的，其中生产的炭黑具有所要求的粒度和结构，以这样的方式生产的炭黑准确地讲适合于一种后续的应用。此外，能实现一种非常合理的经济的操作，即产生的氢部分返回等离子体喷灯并作为喷灯的等离子体气体来使用。除此之外，氢与原料气中的烃一起在等离子体喷灯中使用，因此可降低电极消耗，从而进一步做到了节约。在本设备中，不合乎要求的粒度和粗的部分可过滤出去，因此能得到均匀的、合乎要求的最终产物，另外事实上本发明使用了一种反应器，用于加热区的混合和调整，以保证生产的炭黑具有所要求的结构。由于在本系统中所使用的循环和氢的返回与所用的天然气或甲烷一起作为原料，能使烃达到高度无污染的分解程度，以致于可避免在本发明反应器系统中的阻塞和弄污，从而达到连续工艺技术。
通过实施方案将对本发明作更加详细地说明，该实施方案用附图作纯粹地图解说明，该附图表示了按照本发明的一个系统的简化工艺图。
附图所描绘的设备表明了主要的特征，该特征对本发明是重要的，为了清楚起见，通常所用的并在设备中存在的这类所有其它管线和管道都予以省略。因而该附图只表明用于本发明的本质的内容。
本设备主要部分包括与反应器室2连接的作为热分解反应器应用的等离子体喷灯1。向等离子体喷灯供给等离子体气体，该气体可以是流经管11的氢和烃的气体，例如甲烷，该烃气来源于储罐16或直接来源于经管17的气体管线。作为安全装置，管线，例如来自氩源15和氮源14的管线都与管17连结，这些支管通常用阀关闭。
烃的气体在等离子体喷灯1中分解，例如甲烷分解成炭黑和氢，为了使得到的炭黑能获得所希望的物理性质，将在反应器2中进一步处理。这依赖于反应器中区域温度的控制和控制流经引向反应器室支管混合物的各自地甲烷控制源，该控制源用图示18表示。申请人的待批挪威专利申请92 1360和PCT/N092/00196对反应器的设计作了较详细的描述，产生的炭黑和氢气一块由反应器流出，此时炭黑具有预定的物理性能，通过管式冷却器3到达分离装置，例如由旋风分离器装置4、5组成，在该处不希望的粗颗粒被分离掉进一步进行处理。在冷却系统中，反应器出口的温度如800-1600℃之间，降至如50-160℃的温度。由产品流放出的热量可在19处与进料气和等离子体气体进行热交换以利于能量的最佳化使原料气和等离子体气体预热。在反应器中等离子体喷灯的出口温度在3000-8000℃范围内。
粗粒经冷却旋风分离器4(具有冷却器)分离之后，粗粒收集在渣筒5中以后被除去并用于相对特制炭黑来说要求不严格的目的。氢气和炭黑经管6(管6接有完工冷却器)传给主过滤器7过滤出去额外的成分，以至于在滤筒8仅收集粒度合乎要求的一定范围的和特定结构的炭黑，所述结构在反应器部分已经实现。然后特定的炭黑从滤筒8移出用于进一步处理。剩余的氢气由过滤器回收并与管道的氢气合并。氢气即可直接供给化学加工工业也可储存供以后使用，它可以作为能量载体使用，如用于动力生产，并且所要求部分经管道11返回到等离子体喷灯而作为该处的等离子体气使用。出于安全的目的，所述设备与烟筒10连结，气体可在烟囱处烧掉。这样在本设备内所实施的方法的最终产品的一部分成为了实际工艺中的一种操作部分而被使用。这点具有降低能耗的好处，同时完全无污染的纯气体可用作等离子体气，使喷灯的污染程度降至最低。在启动时必须由一气源供应额外的氢气。在控制向喷灯加氢气的条件下有可能控制反应器和喷灯的操作，从而以这样的方式即可使本设备达到某种程度的自我监测。在正常的操作过程中在能使本设备自己充分供应等离子体气。
在关于设备的上述描述中仅描述了主要内容而且非常清楚在本发明的范围内许多变更方案都是可能的。至于本发明的设备所能获得的利益在于生产的炭黑不会受到其它元素的污染，这是与原料气中存在的或按希望加入的原料和已加入反应器的那些元素对比而言。
在本发明一最佳实施例中，用作等离子体气的氢气还能用烃的气体来提供，在相应地燃烧或电极消耗上具有良好的效果，因此其消耗不是很快的。对等离子体喷灯供给氢气的控制是由一个控制阀门来提供的，该阀门与等离子体电弧的状态相联系。

Claims (7)

1. 一种通过烃热分解连续生产炭黑和氢的设备，其特征在于作为热分解反应器应用的等离子炬(1)，应用时其中供入预热的烃气体作为进料气体并且以这种预热的烃气体和/或预热的氢气作为等离子体气体，其中至少部分产生的氢气进行循环并且用作等离子体气体，其特征还在于提供了进一步的反应器(2)并使其与热分解反应器(1)连接，该进一步的反应器带有可调温度区以便影响和控制炭黑的性能以及改善炭黑的表面和结构，该反应器(2)还在各温度区域内设有供入气体和物料的装置，其特征还在于反应器的下游又设有反应产物冷却器(3)，该冷却器中可使原料气体和等离子体气体得以预热，该冷却器后又设有分离装置(4，7)，所述分离装置，其目的是将粗颗粒与炭黑组分分离以作进一步处理，其特征还在于该设备装有将氢气部分送到化学工业，作为能量载体使用以及经返回管道(11)回送到热分解反应器(1)的管线(9)。
2. 按权利要求1所述的设备，其特征在于其中烃气体是甲烷。
3. 按权利要求1所述的设备，其特征在于冷却器(3)为使进料和等离子体气体预热的管式冷却器。
4. 按权利要求1所述的设备，其特征在于其中分离装置是旋风分离器，并且该旋风分离器(4)与过滤装置(7)相连，在该过滤装置中将符合要求粒径和结构的炭黑滤出并收集在滤筒(8)中。
5. 按权利要求1-4的任一项所述设备的操作方法，其特征在于作为热分解反应器应用的等离子炬(1)中应用氢气和烃气体组合作等离子体气体，并且供入等离子体气体中的烃气体量由施加给等离子炬(1)的作用进行控制。
6. 按权利要求5所述的方法，其特征在于所用等离子体气体仅由原料气体或来自过滤装置(4，7)的分解气体组成，而且作为等离子体气体而返回的氢气量由与等离子体电弧相连的控制阀通过施加给等离子炬(1)的作用进行控制。
7. 按权利要求6所述的方法，其特征在于该设备在不供入除原料气体以外的任何物料的情况下进行操作。
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