CN109847673B - 一种电弧等离子体反应器及重油轻质化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧等离子体反应器及重油轻质化方法，所述等离子体反应器包括反应罐和设置在反应罐内的等离子体阵列；所述反应罐设有气体入口、气体出口、反应物入口和液体产物出口，物料收集器与液体产物出口连接；所述电弧等离子体阵列由高压电极、低压电极帽和绝缘介质组成，所述低压电极帽上设有供产生的等离子体羽喷出的孔，外层的绝缘介质与低压电极帽密封连接，外层绝缘介质上方有气体入口，通过连接管与罐体气体入口连通。将本发明所述等离子体反应器用于重油轻质化反应时，可以减少重油结焦反应，增加氢自由基产生效率，提高能量转换效率。

Description

一种电弧等离子体反应器及重油轻质化方法

技术领域

本发明涉及电弧等离子体反应器和重油转化领域，具体而言，涉及一种可以用于重油转化的电弧等离子体反应器及重油轻质化方法。

背景技术

当前，世界各国炼油工业正面临着石油资源逐渐减少、原油性质日趋重劣质化、轻质油和中间馏分油需求量不断增加以及环保法规越来越严格等严峻挑战。重油的密度大，粘度高，沥青质含量高，流动性差，含有的大量硫、氮、氧及金属元素等杂质。通过重油加工，可以将劣质的重油资源最大限度的利用起来，以生产更多的汽油、煤油以及其他燃料。传统重油加工技术如脱碳技术和加氢技术，存在产物价值低、催化剂易失活、需要高温高压环境、生产运营成本高等问题。因此，探寻和发展高效、无污染的新型重油加工技术具有重要意义。

作为一种新兴的技术，低温等离子体已广泛地应用于材料表面处理、微电子加工、环保、能源、生物医学等领域。等离子体中的高能量电子、离子和自由基等能使常规条件下难以发生的化学反应得以顺利进行。如在电子和氢自由基作用下，重油分子中的C-C键和C-H键发生断裂，产生高活性自由基并发生复杂的化学反应，生成高价值的轻质油和乙烯、氢气等产物，从而实现重油的重整加工。与传统技术相比，低温等离子体重油处理技术具有低能耗、无污染、高效简洁的优势，因此受到炼油领域科研人员的高度重视。需要指出的是，等离子体加工重油的能量转化效率是决定其能否工业化应用的重要指标。

美国专利US 6896854和US 7494574公开了一种等离子体技术用于转化天然气和重质烃的装置，包括等离子体和供反应物通过的反应通道，该等离子体放电类型为介质阻挡形式(DBD)，由高压电极、绝缘介质以及低压电极组成，绝缘介质位于高压电极与低压电极之间。反应区域位于两个电极之间，为提高反应转化率，优选在反应区域装填催化剂。此外，还公开了将该装置用于重油加氢改质的方法。

中国专利CN 102942950公开了一种提质重质碳氢化合物生产轻质油品的方法及其等离子体加氢反应器，该等离子体加氢反应器包括由低压电极反应管围成的腔体，与传统催化加氢相比，等离子体加氢可以成倍提高的活性氢自由基量，并可以通过调节放电参数调控活性氢自由基产生的量和速度，通过调节温度来调控重油自由基的产生的量和速度，使二者达到匹配。

现有的等离子体反应器当前用于重油转化的等离子体装置大多为DBD结构，反应区域位于两电极之间，反应物料不但影响等离子体放电，而且不适合用于强电场中会结焦或变质的物料的反应，例如反应物料为重油等流动性差的物料时，高温和强电场的作用会使得原料结焦导致反应无法有效控制，进而影响装置正常运转。

发明内容

本发明的发明人经过刻苦的研究发现，当物料反应区域在等离子体发生区域相对独立时，可以避免反应物料置于强电场中，不会对等离子体放电性能产生影响，保证等离子体连续平稳产生，在降低能耗的同时，大大提高等离子体的电子密度，提高效应效率，并保证装置连续稳定运行。

本发明的发明人基于前述发现完成了本发明，具体的，本发明涉及以下方面的内容：

本发明提供一种电弧等离子体反应器，包括反应罐和设置在反应罐内的等离子体阵列；所述反应罐上方设有罐体气体入口和气体出口，反应罐侧壁的下方设有液体产物出口，物料收集器与液体产物出口连接，所述反应罐下部设有反应物入口；所述电弧等离子体阵列由至少一个高压电极、低压电极帽和绝缘介质组成，所述高压电极和低压电极帽分别与等离子体电源的高压端和低压端连接，所述高压电极为针状或棒状电极，所述低压电极帽上设有不少于高压电极数量的供产生的等离子体羽喷出的孔，高压电极的电极头指向反应罐底部，每个高压电极的电极头与至少一个所述孔对准，所述高压电极之间和外层设有绝缘介质，外层的绝缘介质与低压电极帽密封连接，外层绝缘介质上方有阵列气体入口，通过连接管与罐体气体入口连通。

根据本发明，优选的，所述反应罐的底部设有溢流器。反应物从反应物入口进入溢流器，然后再经溢流器上方的溢流孔进入反应罐。溢流器上表面呈水平状态，反应物更加均匀平稳的进入反应区域，保证反应物与等离子体阵列产生的等离子体羽更好的接触。

根据本发明，罐体气体入口优选设置在反应罐顶部，从气体入口进入的气体直接进入到等离子体阵列中。实际应用中，进入到阵列中的气体至少包括反应气体，必要的时候还可以包括载气。所述反应气体为等离子体条件下能激发产生自由基的气体，如富氢气体，所述载气为在等离子体和高温环境下难以发生反应的气体。优选的，所述反应气体为氢气、C1-C4气体等，所述载气为氮气、惰性气体等。优选的，在气体进入罐体气体入口之前，先通过气体预热器，气体预热器可对进入等离子体阵列的气体进行预热。

根据本发明，气体出口主要用于释放未反应完的气体或者反应产生的气体，必要的时候出口处可以设置压力调节装置和/或连接气体分析装置，压力调节装置用于维持反应过程中的体系压力，分析装置用于实时监测反应进程。气体出口设置在反应器上部，例如可以是顶部或者侧壁靠上的位置，优选设置在反应罐侧壁靠上的位置。

根据本发明，反应物入口优选设置在反应罐底部，实际使用时，可以通过泵将反应物料从反应物入口泵入反应罐内，当需要加热时，可以在泵的前端和\或后端设置有加热装置，如预热器。针对不同的反应，为了进一步改善效应效果，可以在反应罐底部可以通过装填或者其它方式放置相应的催化剂。

根据本发明，液体产物出口设置在反应罐侧壁的下方，其竖直位置位于反应罐内底部(当有溢流器时，为溢流器上沿)至低压电极帽下沿之间，优选的，以反应罐底部(当有溢流器时，为溢流器上沿)至低压电极帽下沿之间的距离为基准，液体产物出口的竖直位置位于距离低压电极帽下沿五分之一至五分之四的位置，进一步优选为距离低压电极帽下沿四分之一至四分之三的位置。液体产物出口出来的物料可以直接进入物料收集器，也可以通过循环泵再次泵入反应罐内循环反应。根据需要，物料收集器单元还可以设置分离装置，分离出其中部分产物，剩余产物在进料泵的作用下循环进入反应器继续反应。其中所述的分离装置为本领域的常规选择，根据物料的不同可以选择不同的分离装置，例如，当用于重油的轻质化反应时，分离装置可以是快速蒸馏装置、闪蒸罐等。

根据本发明，为了在必要的时候为反应罐提供热量或保证反应过程中温度的稳定，反应罐外部、尤其是反应罐的溢流器部位可以任选的设置有加热和\或保温装置，可以根据反应对加热条件的需要选择合适的加热和\或保温装置，如保温套、加热套、加热炉、电热丝等。

根据本发明，所述的电弧等离子体反应器的高压电极和低压电极帽的材质没有特别要求，可以为本领域的常规选择，优选的，分别独立的采用铜、铝、钨和不锈钢中的至少一种。

根据本发明，所述的电弧等离子体反应器的高压电极可以为针状或棒状，优选为直径范围2mm-4cm的棒状。

根据本发明，所述高压电极外层设置有绝缘介质，当高压电极多于一个时，高压电极之间也设置有绝缘介质。本发明对高压电极外层和之间的绝缘介质没有特别要求，均为本领域的常规选择，优选的，高压电极外层和之间的绝缘介质分别独立的采用玻璃或石英或聚四氟乙烯或陶瓷。

本发明还提供了一种利用前述电弧等离子体反应器进行重油轻质化的方法，所述方法包括将从反应物入口进入反应罐的重油与等离子体阵列产生的等离子体羽进行接触，气体经气体出口排出反应器，液体产物经液体产物出口进入物料收集器；所述等离子体羽产生过程如下：将高压电极与低压电极帽分别与高压电源的高压输出端和低压输出端连接，反应气体和载气的混合气从罐体气体入口进入到所述电弧等离子体阵列内，经高压电极与低压电极帽之间的强电场激发后产生所述等离子体羽，并在气流作用下从位于低压电极帽的孔喷出。

根据本发明所述的方法，优选的，所述重油在泵作用下经预热器预热后从反应罐底部的反应物入口进入反应罐，预热温度为100-250℃，以使反应物料能自由流动为标准。进一步优选的，重油经溢流器的溢流孔进入到反应罐的反应区域。

根据本发明，优选的，所述等离子体羽与溢流器之间的反应区域的温度优选为100-600℃，进一步优选为200～550℃。

根据本发明所述的方法，所述高压电源为直流电源或交流电源或脉冲电源，优选的，电压激励范围为1-100kV，频率为30-100KHz。

根据本发明所述的方法，所述重油样品可以为一切适合在常规炼油工艺中进行轻质化的重油，包括但不限于常压渣油、减压渣油、裂化渣油、裂化柴油、催化柴油、脱沥青油、油页岩油、煤焦油中的至少一种。

在一个优选的实施方式中，本发明所述方法通过如下步骤实现：

步骤1，将载气和反应气体混合，混合气体通过气口入口进入反应罐内的等离子体阵列内。

步骤2，重油样品经重油循环泵进入预热器，预热至100-250℃后，在重油循环泵的作用下从反应物入口进入溢流器。

步骤3，接通高压电源，电弧等离子体阵列被激发，在高压电极与低压电极帽之间形成强电场，混合气体被激发，等离子体羽在气流的作用下从低压电极帽中的孔喷出，与从溢流器中溢出的重油样品在反应区域接触，其中，通过调节重油循环泵的速度来调节等离子体羽与重油样品的接触时间。

步骤4，经等离子体羽处理后的重油样品经液体产物出口流出，并经重油收集器收集分析，生成的气体产物经气体出口收集分析。

步骤5，经等离子体羽处理后的重油样品从重油收集器中再次循环进入重油循环泵，重复步骤1-4，直至重油收集器收集的重油样品和气体出口收集的气体产物满足要求。

本发明所述电弧等离子体反应器采用电场与等离子体羽相分离的射流状电弧等离子体装置处理反应物料，物料位于电场下方。将本发明所述反应器应用于重油轻质化反应时，可以显著减少重油结焦，也可有效增加氢自由基的产生效率，提高能量转换效率。本发明的有益效果具体为：

1、电弧等离子体为射流结构，重油大分子处于强电场下方，电场不受重油分子影响，放电具有稳定性，减少重油结焦反应；

2、充分利用电弧等离子体电子密度高(10¹⁷cm^-3)的特点，有效增加氢自由基的产生效率，提高重油处理的能量转换效率；

3、电弧等离子体的火焰温度范围为100-300℃，正好为自由基反应的最佳温度；

4、电弧等离子体阵列采用针状或棒状金属电极组成，有利于增加重油处理面积，而且电极结构数量不限，可根据需要调整阵列的大小；

5、循环式溢流的处理方式有利于重油的充分处理，可根据需求控制循环次数。

6、装置结构简单，成本低，易操作，产品易扩大，易于工业转化。

附图说明

图1为本发明提供的电弧等离子体反应器中的一种的结构示意图。

图2为本发明提供的重油轻质化方法流程图。

图1中各标记如下：1高压电极、2低压电极帽、3绝缘介质、4等离子体阵列、5等离子体羽、6反应罐、7反应物入口、8罐体气体入口、9阵列气体入口、10液体产物出口、11泵、12预热器、13溢流器、14物料收集器、15气体产物出口、16高压电源、17气体单元。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是需要指出的是，本发明列举的实施方式只是为了解释本发明，帮助本领域人员更好的理解本发明，并不会对本发明的保护范围构成限制。

另外，本说明书所用的所有技术和科学术语都具有本领域技术人员常规理解的含义。在有冲突的情况下，以本说明书的定义为准。在本说明书的上下文中，除了明确说明的内容之外，未提到的任何事宜或事项均直接适用本领域已知的那些而无需进行任何改变。而且，本文描述的任何实施方式均可以与本文描述的一种或多种其他实施方式自由结合，由此而形成的技术方案或技术思想均视为本发明原始公开或原始记载的一部分，而不应被视为是本文未曾披露或预期过的新内容，除非本领域技术人员认为该结合是明显不合理的。

以下通过具体实施例解释本发明的方案，并采用重油为反应原料对本发明的效果进行进一步说明。

实施例

如图1所示，本实施例所用电弧等离子体包括反应罐6和位于反应罐6内部的等离子体阵列4，反应罐6上方设有罐体气体入口8，连接有载气和反应气体两路气路，气体出口15设置在反应罐6的侧面靠上的部位，反应罐6侧壁的下方设有液体产物出口10，液体产物出口10通过管线和阀门与物料收集器14连接，反应罐下部设有反应物入口7，所述反应罐6的底部设有溢流器13，从原料泵11泵出的重油可经过预热器12预热至反应温度后通过反应物入口7经溢流器13进入反应罐内，与等离子体阵列产生的等离子体羽5进行接触，溢流器外部设置有加热装置。

所述电弧等离子体阵列4，由高压电极1、低压电极帽2和绝缘介质组成，高压电极1和低压电极帽2分别与等离子体电源的高压端和低压端连接。低压电极帽2上设有供产生的等离子体羽喷出的孔，每个高压电极1的电极头与所述孔对准，指向反应罐底部，高压电极1之间和外层都设有绝缘介质3，外层的绝缘介质与低压电极帽2密封连接，外层绝缘介质上方有一入口9，通过连接管与罐外入口8连通，供反应气体或混合气体进入等离子体阵列。

采用该电弧等离子体反应器对华北渣油进行轻质化处理。其中华北渣油的物理、化学性质如表1所示。

表1华北渣油的物理化学性质

使用时，具体处理步骤如下：

(1)载气采用氩气，反应气体为甲烷，调节载气Ar的流量为10L/min，反应气体甲烷的流量为2L/min，混合后经罐体气体入口8进入等离子体阵列4内部。

(2)在重油循环泵11的作用下，渣油经预热器12预热至200℃，从反应物入口7进入溢流器13，调节泵速使得渣油在反应罐内的停留时间为2小时。

(3)接通等离子体电源，采用微秒脉冲电源，脉冲宽度500ns，脉冲半宽高8us，电源频率5kHz，放电电压20kV，在高压电极与低压电极帽之间形成强电场，混合气体被激发，富含氢自由基的等离子体羽在气流的作用下从低压电极帽上的孔喷出，与从溢流器13的溢流孔中溢出的重油样品接触。

(4)控制等离子体羽与溢流器之间的反应区域的温度为250℃，未反应的或反应产生气体产物经气体出口15排出、收集并分析，所得的液体产物经液体产物出口10排出进入物料收集器14并分析。

经稳定运行12小时之后，取电弧等离子体反应器处理后的重油样品进行分析，其物理、化学性质和组成见表2，生成的气体产物见表3。

表2电弧等离子体反应器处理后的液体产物物理化学性质

表3电弧等离子体反应器处理后的气体产物组成及生成速度

由表2和表3可以看出，经电弧等离子体反应器处理后华北渣油的密度和粘度均有所下降，并且炭、硫、氮等含量也降低，同时氢含量增加；重油分子在等离子体作用下生成氢气、C2-C5等高价值的气态副产物，其中以氢气产率最高。由此可见，本发明为重油的高效利用提供了一种全新的解决方案，具有良好的应用前景。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电弧等离子体反应器，包括反应罐和设置在反应罐内的等离子体阵列；

所述反应罐上方设有罐体气体入口和气体出口，反应罐下部设有反应物入口，反应罐侧壁的下方设有液体产物出口，物料收集器与液体产物出口连接；液体产物出口的竖直位置位于反应罐内底部至低压电极帽下沿之间；

所述等离子体阵列由至少一个高压电极、低压电极帽和绝缘介质组成，所述高压电极和低压电极帽分别与等离子体电源的高压端和低压端连接，所述高压电极为针状或棒状电极，所述低压电极帽上设有不少于高压电极数量的供产生的等离子体羽喷出的孔，高压电极的电极头指向反应罐底部，每个高压电极的电极头与至少一个所述孔对准，所述高压电极之间和外层设有绝缘介质，外层的绝缘介质与低压电极帽密封连接，外层绝缘介质上方有阵列气体入口，通过连接管与罐体气体入口连通。

2.根据权利要求1所述的电弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应罐的底部设有溢流器，液体产物出口的竖直位置位于反应罐内溢流器上沿至低压电极帽下沿之间。

3.根据权利要求1或2所述的电弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应罐外设有保温和/或加热装置。

4.根据权利要求1或2所述的电弧等离子体反应器，其特征在于，所述高压电极（1）和低压电极帽的材质分别独立的采用铜、铝、钨和不锈钢中的至少一种。

5.根据权利要求1或2所述的电弧等离子体反应器，其特征在于，所述高压电极为直径范围2 mm-4cm的棒状。

6.根据权利要求1或2所述的电弧等离子体反应器，其特征在于，所述高压电极之间和外层的绝缘介质分别独立的采用玻璃或石英或聚四氟乙烯或陶瓷。

7.一种利用权利要求1-6任意一项所述的电弧等离子体反应器进行重油轻质化的方法，包括将重油与等离子体阵列产生的等离子体羽在反应罐内进行接触，气体经气体出口排出反应器，液体产物经液体产物出口进入物料收集器；

所述等离子体羽产生过程如下：将高压电极与低压电极帽分别与高压电源的高压输出端和低压输出端连接，反应气体和载气混合后从罐体气体入口进入所述等离子体阵列内，混合气体经高压电极与低压电极帽之间的强电场激发后产生所述等离子体羽，并在气流作用下从位于低压电极帽的孔喷出。

8.根据权利要求7所述的方法，所述重油在循环泵作用下经预热器预热后从反应罐下部的反应物入口经溢流器进入反应罐，预热温度为100-250℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述等离子体羽与溢流器之间的反应区域的温度为100-600℃。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高压电源为直流电源或交流电源或脉冲电源，电压激励范围为1-100kV，频率为30-100KHz。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述重油样品为常压渣油、减压渣油、裂化渣油、裂化柴油、催化柴油、脱沥青油、油页岩油、煤焦油中的至少一种。

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