CN1051786C - 从天然气和/或甲烷的热分解生产纯炭黑颗粒的方法和用途 - Google Patents
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Abstract
应用基于由天然气或甲烷而产生的纯炭黑作为橡胶工业特别适用的混合物,颜料和印刷油墨,冶金工业的还原材料,铝生产中的阳极材料和钢铁工业的脱碳材料。
Description
本发明与用天然气或甲烷生产纯净的炭黑有关。
生产炭黑的烃分解作用是一公知的过程并为此有许多现成的方法。用甲烷生产炭黑还被同一申请人介绍在挪威专利申请第914904号中。在本申请所介绍的方法中,现已表明,有可能以这样的方式分解烃类以使炭黑的物理性质在很大程度能根据给定的加工参数而被预测。
这已证明是非常有价值的加工性能,它能开拓较宽应用和达到更高产品质量的已经使用炭黑作为基本原料的道路。
从GB 1 492 346,GB 1 400 266和DD 292 920中已知在等离子体反应器中使烃物料高温分解而生产炭黑的方法和工艺。所得到的炭黑可用于橡胶,电器,涂料和印刷工业。但是,这种应用仅仅涉及到炭黑的一般用途,并没有公开应用特殊质量的炭黑使产品具有特殊性能。
现已需要寻求炭黑,尤其是用天然气生产的纯炭黑的新用途,因为已确定的天然气资源是非常巨大的。甲烷是一种大量存在的气体烃,它的价格合理,并已被证明是非常适于作为制造纯净的炭黑与氢的原料。然而,迄今还没有充分注意到这种使用纯炭黑作为最终产品的基本原料的可能性和重要性。
因此本发明的目的是提供应用纯炭黑的新方法。本发明的另一目的是提供以基本原料形式应用这些材料的机会,这些材料有利于节约成本,同时还可提高质量。
这些目的是通过将由天然气或甲烷组成的原料进行热分解而得到的碳粒形式的纯炭黑而达到的,该方法是让预热的原料通过等离子炬,等离子体气体为循环氢气,该气体使原料高温分解并且反应在反应区发生,将原料,优选为甲烷传送通过温度受到控制的导入管内的等离子炬,从而使原料离开导入管时具有低于1000℃,优选650-700℃的温度,原料在与等离子火焰极其接近的区域内经历第一次均匀加热,就等离子炬火焰而言原料从中间送入,而在紧随等离子火焰后面的区域内原料与等离子体气体混合,其温度升到1600℃以上,该温度为原料的分解温度,在该区域内形成游离的氢气和液滴形式的被脱氢物料,这样形成的物料再送到后续的一或多个阶段,在此温度保持在1200-1600℃之间并且原料最后完全分解成炭黑和氢,在该区域内进一步加入原料,用该原料达到急冷效果并且该原料与已形成的炭黑反应,从而在无须进一步提供能量的情况下使颗粒尺寸,密度和产量增大,之后将生成的产品排出并进行分离,而且可用回流管将热气送到等离子炬中以进一步提高能量放出量,可通过调节反应物和等离子体气体的进料速度和/或调节给等离子炬的能量供给和/或调节反应区域内的压力而控制反应区域内的温度,从而使所生成的炭黑质量得到控制并使其达到要求的质量,所得炭黑在粒径,结构,表面,比重,酸度,导电率和反应性方面有所限定,从而得到适用于冶金工业的还原材料,阳极材料,渗碳材料或衬里材料的所需性质的一定的炭黑产品。纯炭黑可用于橡胶工业生产混合物,用作颜料和印刷油墨,用于生产电池,用作冶金工业的还原材料,生产铝时的阳极材料,钢铁工业的渗碳剂或活性炭等而实现的。
令人惊奇的事实表明,基于被分解成为其基本元素即碳黑和氢的天然气或甲烷,特别能得到含碳材料,其碳性质,即其比重、粒径、表面特性、孔隙率和结构能在以所得的最终产物尤其适用于上述特定目的。用天然气作为原料提供特殊用途的具有特殊性质的价格合理的炭黑,并且现已表明,通过根据本发明的特殊应用,能得到具有有利性质的,例如铝业或其他冶金工业中用的电极、混合物等和更无污染的生产方法。在活性炭生产中表明,通过本发明能得到一种比迄今所用的基于传统原料诸如木材、沥青炭、褐煤、泥炭、椰壳等的活性炭具有高得多的吸附性能的材料,在本发明方法中还有可能通过改变表面孔径来控制活性炭的吸附性。作为本发明的结果所显示出的应用可能性业已被证明是非常惊人的。借助使用表明的原始产物,天然气或甲烷,并利用由这特定原料提供的可能性,在已经出现的调整所生成碳的物理性质的可能性方面,现已获得令人惊奇的结果,在用于所说场合时对最终产品提供明显的改进和赋于最终产品以更多的获得特殊产品性质的机会。在橡胶工业中,例如,应用本发明的炭黑使有可能生产出具有意想不到的弹性和回弹性的优质橡胶。就活性炭来说,能提供其吸附能力完全适于此目的的质量。作为电极材料来说,本发明使有可能以合理的成本生产出意想不到的纯的电极,因此基本上避免了由不纯材料所引起的污染。
在本发明的另一个有利的实施方案中,在使用混合物的专门应用时,它在具体情况下也可能是有利的。于是本发明为指出的领域提供许多新产品的可能性,在这些中污染碳可被具有相当的或更好性质的完全纯净的碳所取代。
通过改变反应器内的气氛,即氧化性介质如O2,空气,H2O,CO2或其它介质的混合物,就可单独地或相互关联地将炭黑的物理性质如BET,DBP,pH和颗粒形式加以控制并使其达到要求的值。
现通过某些应用例对本发明作进一步的介绍。
实施例1
在应用通过甲烷分解而产生的碳黑时,在生产汽车轮胎橡胶和工业橡胶的生产过程中对碳的质量进行选择和调整。各被选值示于下表。
BET:“Brunauer,Emmet & Telfer”法DBP:ASTM D-2414“炭黑的邻苯二甲酸二丁酯吸收”分类:ASTM D-1765“用于橡胶制品中的炭黑”
橡 胶 | BETm2/g | DBPml/100g | ASTM分 类 |
汽车轮胎工业橡胶 | 20~2005~80 | 65~20040~150 | N110-N660N550-N990 |
此炭黑适用于全部等级的橡胶。实施例2
所提供的具有以下物理性质的由甲烷制得的炭黑被用作颜料/印刷油墨。颜料/印刷油墨
色调强度:ASTM D-3265“炭黑的色调强度测定法”
BETm2/g | DBPml/100g | 色调强度% | PH |
20-N500 | 30~150 | 20~130 | 3~9 |
此炭黑适用于所有等级。实施例3
根据本发明的具有以下质量规格的炭黑被用于制造干电池的电极。
干电池的电极
AS:“吸附刚性”(adsorption rigidity),即,为能摇晃粉末使之成
BETm2/g | ASml/5g | 规定的电阻率,欧姆·厘米(Spec.el.resistance,ohm·cm) |
40~80 | 20~50 | <0.1(200巴) |
球体而所需的丙酮溶液混合物,单位为ml/5g粉末,“Knap-
sack”法。适用“乙炔黑”级。实施例4
使用具有以下质量特性的本发明的炭黑。
用作冶金工业的还原材料。
反应性:根据J.Kr.Tuset和Q.Raaness的“Reactivity of Reduction
BETm2/g | DBP(ml/100g) | 规定的电阻率欧姆·厘米 | 反应性(ml Sio) |
5~30 | 30~200 | <0.1 | 250~1000 |
Materials in the Production of Silicon,Silicon-rich Ferro
Alloys and Silicon-Carbide”,AIME El.Furnace Conf.,St.
Louis,Miss.7~10 December 1976。
对颗粒结构必须进行改进。使用具有晶体形式和良好导电性的碳颗粒。
炭黑必须通过糖蜜型的、沥青和其他树脂型的粘合剂混合物进行精加工处理,以便在高温下达到高的强度,使它被制造所要求的产品形式(具有“开式结构”的炭砖/附聚物)。产品的必要性质:
反应性:高反应性,即,开式结构。小于1000ml/Sio(Sintef法)。
机械强度:“很高”,应能经受高温时的炉中装载负荷而不
结渣。实施例5
用作铝生产中的阳极材料。
铝生产中的阳极材料
对炭黑的要求:——“无”结构,即“重于”N-990级。——高度石墨化而形成具有结晶形状/良好导电性的碳颗粒。——较小的反应性(小的开孔率)。
BETm2/g | DBPml/100g | 压缩的比重g/cm3 | 规定的电阻率Ohm·cm |
<5 | <30 | 1.5~1.7 | <0.1 |
对炭黑与粘合剂一起进行精加工处理,得到合适的产品形式(具有“紧密”结构的“焦炭”、炭砖、附聚体)。对所制成的阳极材料的要求:密度:1.5~1.6g/cm3规定的导电率:30~60 Ohm·m抗压强度:接近45MPa总的孔隙度:接近30%实施例6钢铁工业用的渗碳材料
对炭黑的要求:——炭黑必须是“活性的”,即,就此而论,它作为碳原子应快
BETm2/g | DBPml/100g | 规定的电阻率Ohm·cm | Hppm |
5~30 | 30~200 | <0.1 | <200 |
速地溶于材料中。——氢的比例应该是低的,否则会形成氢“泡”。实施例7活性炭
对炭黑与粘合剂一起进行精加工处理而产生所需的产品形式(附聚体/挤出物形式),随后进行活化。对活性炭的要求:
*取决于用途(即,取决于被吸附分子的类型)。
BETm2/g | DBPml/100g |
5~50 | 30~200 |
BETm2/g | 孔径 |
500~1500 | 10~100* |
Claims (3)
1.以天然气和/或甲烷组成的原料热分解成碳和氢而得到的碳粒形式的纯炭黑的方法,其特征在于让预热的原料通过等离子炬,等离子体气体为循环氢气,该气体使原料高温分解并且反应在反应区发生,将原料传送通过温度受到控制的导入管内的等离子炬,从而使原料离开导入管时具有低于1000℃的温度,原料在与等离子火焰极其接近的区域内经历第一次均匀加热,就等离子炬火焰而言原料从中间送入,而在紧随等离子火焰后面的区域内原料与等离子体气体混合,其温度升到1600℃以上,该温度为原料的分解温度,在该区域内形成游离的氢气和液滴形式的被脱氢物料,这样形成的物料再送到后续的一或多个阶段,在此温度保持在1200-1600℃之间并且原料最后完全分解成炭黑和氢,在该区域内进一步加入原料,用该原料达到急冷效果并且该原料与已形成的炭黑反应,从而在无须进一步提供能量的情况下使颗粒尺寸,密度和产量增大,之后将生成的产品排出并进行分离,而且可用回流管将热气送到等离子炬中以进一步提高能量放出量,可通过调节反应物和等离子体气体的进料速度和/或调节给等离子炬的能量供给和/或调节反应区域内的压力而控制反应区域内的温度,从而使所生成的炭黑质量得到控制并使其达到要求的质量,所得炭黑在粒径,结构,表面,比重,酸度,导电率和反应性方面有所限定,从而得到适用于冶金工业的还原材料,阳极材料,渗碳材料或衬里材料的所需性质的一定的炭黑产品,用作还原材料的炭黑表面积(BET)为5-30m2/g,邻苯二甲酸二丁酯吸收量(DBP)为30-200ml/100g并且电阻率小于0.1ohm.cm,用作生产Al的阳极材料的炭黑BET值小于5m2/g,DBP值小于30ml/100g,压实比重为1.5-1.7g/cm3并且电阻率小于0.1ohm.cm,而且用作钢铁工业的渗碳材料的炭黑BET值为5-30m2/g,DBP值为30-200ml/100g,电阻率小于0.1ohm.cm并且氢含量小于200ppm。
2.按照权利要求1的以天然气和/或甲烷组成的原料热分解成碳和氢而得到的碳粒形式的纯炭黑的方法,其特征在于其中的原料为甲烷。
3.按照权利要求1的以天然气和/或甲烷组成的原料热分解成碳和氢而得到的碳粒形式的纯炭黑的方法,其特征在于其中原料离开导入管时具有650-700℃的温度。
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