CN113214683B - 等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置，属于炭黑制备技术领域。包括依次连接的等离子炭黑炉、高温旋风分离器Ⅰ、高温旋风分离器Ⅱ、空气急冷器、布袋除尘器、燃烧炉和洗涤塔，洗涤塔的进液口连接水泵，洗涤塔的出气口通过引风机连接烟囱，等离子炭黑炉底部设置有出渣口，等离子炭黑炉的侧面设置有多个进料口，进料口与等离子炭黑炉内的等离子炬交错设置，高温旋风分离器Ⅰ底部设置有收集箱Ⅰ，高温旋风分离器Ⅱ底部设置有收集箱Ⅱ，空气急冷器底部设置有收集箱Ⅲ。本发明成本低，操控简单，安全可靠，不但能够提高能源利用率，还能够提高炭黑产率和品质，避免了炭黑废水的产生，实现了清洁生产，具有较强的实用性。

Description

等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置，属于炭黑制备技术领域。
背景技术
页岩气赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，是以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，其主要成分为甲烷，是一种高效、清洁的能源资源和化工原料，用途非常广泛。虽然页岩气的生产周期较长，一般为30年～50年，但是勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值。根据预测，我国的主要盆地和地区资源量约36万亿立方米，经济价值巨大，资源前景广阔。
页岩气属于非常规、低品位天然气，其开发周期长，投资大，风险也大，且由于岩气分布广，开采后的调质、运输成本较高，因此急需一种就地处理工艺装置。针对页岩气中的主要成分是甲烷，可作为高品质炭黑的生产原料的优势，同时结合等离子技术制备炭黑，利用等离子的缺氧气氛、高能量集束、自由基团强化反应等特点，能够实现将低品位天然气制成高品质炭黑的目的，提出了一种高品质炭黑的制备工艺装置。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种成本低，操控简单，安全可靠，不但能够提高能源利用率，还能够提高炭黑产率和品质，避免产生炭黑废水，实现清洁生产的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，包括以下步骤：
(1)将页岩气通过进料口输送至封闭的等离子炭黑炉进行裂解，裂解产生的灰渣通过等离子炭黑炉底部的出渣口排出；
(2)等离子炭黑炉裂解产生的炭黑和裂解气依次进入高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ，通过高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ分离出粗炭黑，粗炭黑通过高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ底部的收集箱Ⅰ和收集箱Ⅱ收集；
(3)经过高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ处理后的裂解气进入空气急冷器，空气急冷器将温度从高温降至200℃，急冷过程中产生的细炭黑通过空气急冷器底部的收集箱Ⅲ进行收集；
(4)经过空气急冷器处理后的裂解气进入布袋除尘器，通过布袋除尘器除去杂质，防止造成燃烧炉内燃烧器堵塞；
(5)裂解气经过布袋除尘器去除杂质后进入燃烧炉，通过燃烧炉回收裂解气燃烧产生的余热；
(6)燃烧炉燃烧后的烟气进入洗涤塔，通过洗涤塔进行气体净化；燃烧后的烟气经过洗涤塔脱除烟气中酸性组分，洗涤塔内设置喷淋碱液与烟气顺流，既能中和酸性组分，又可以将烟气温度由200℃降至120℃以下；
(7)净化后的气体经过引风机抽出，通过烟囱排入大气。
所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺将页岩气通过进料口送至等离子炭黑炉的不同高度，进料口与等离子炭黑炉内的等离子炬交错布置，不但保证整个炉体内温度均匀分布，还能够使页岩气在等离子炉内各层受热均匀。进入等离子炭黑炉的页岩气进料口由炉外向炉内直径逐渐扩大，能够大大降低页岩气入炉的流速。同时通过高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ两级处理，在产出粗炭黑的同时，能够在高温气流中继续脱氢，将炭黑表面上在等离子炭黑炉中裂解积存的油滴清除干净，避免含油炭黑用于橡胶中引起制品表面起泡。
进一步的优选，洗涤塔内通过碱液喷枪喷出碱液中和酸性气体进行气体净化，碱液通过水泵引入的洗涤塔内。
进一步的优选，等离子炭黑炉内部的耐火材料表面温度保持在1300℃-1600℃，保证炭黑生成所需的热量。
进一步的优选，页岩气通过不同高度的进料口进入等离子炭黑炉内，使页岩气在等离子炉内各层受热均匀。
进一步的优选，高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ内部的温度高于1260℃，裂解气经高温旋风分离器Ⅰ和高温旋风分离器Ⅱ进入空气急冷器后，温度从1260℃以上的高温急冷降至200℃，在短时间内由高温降至200℃，能够避免炭黑粒子表面呈多孔状。
所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，包括依次连接的等离子炭黑炉、高温旋风分离器Ⅰ、高温旋风分离器Ⅱ、空气急冷器、布袋除尘器、燃烧炉和洗涤塔，洗涤塔的进液口连接水泵，洗涤塔的出气口通过引风机连接烟囱，等离子炭黑炉底部设置有出渣口，等离子炭黑炉的侧面设置有多个进料口，进料口与等离子炭黑炉内的等离子炬交错设置，高温旋风分离器Ⅰ底部设置有收集箱Ⅰ，高温旋风分离器Ⅱ底部设置有收集箱Ⅱ，空气急冷器底部设置有收集箱Ⅲ。
进一步的优选，进料口的直径由等离子炭黑炉的外面向内部逐渐扩大，降低页岩气入炉的流速。
进一步的优选，洗涤塔内设置有碱液喷枪，碱液喷枪的进液口连接洗涤塔的进液管道，进液管道连接水泵。
进一步的优选，引风机采用离心风机，离心风机的材质为钛合金或玻璃钢，能够满足腐蚀和温度要求。
进一步的优选，烟囱的材质为碳钢镀钛，满足温度要求。
本发明所具有的有益效果是：
1、本发明所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置投资低，操控简单，安全可靠，采用空气急冷器采集炭黑，能够有效避免采用急冷喷水方式产生炭黑废水，不但实现了清洁生产，还大大提高了炭黑的产率和品质。
2、本发明所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺及装置解决了页岩气开采后期开发利用的问题，尤其对含杂质较多的页岩气可直接进行处理，降低了运输成本，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中，1、等离子炭黑炉；2、高温旋风分离器Ⅰ；3、高温旋风分离器Ⅱ；4、空气急冷器；5、布袋除尘器；6、燃烧炉；7、洗涤塔；8、引风机；9、烟囱；10、水泵；11、出渣口；12、等离子炬；13、进料口；14、收集箱Ⅰ；15、收集箱Ⅱ；16、收集箱Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
本发明所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，包括以下步骤：
(1)将页岩气通过分布在等离子炭黑炉1不同高度的进料口13输送至封闭的等离子炭黑炉1的不同高度进行裂解。进料口13与等离子炭黑炉1内的等离子炬12交错布置，裂解过程中，要保证等离子炭黑炉1内部的耐火材料表面温度保持在1300℃-1600℃，满足炭黑生成所需的热量，同时裂解产生的灰渣通过等离子炭黑炉1底部的出渣口11排出。其中，进料口13的口径由炉外向炉内逐渐扩大，降低页岩气入炉的流速。
(2)等离子炭黑炉1裂解产生的炭黑和以氢气为主的裂解气依次进入高温旋风分离器Ⅰ2和高温旋风分离器Ⅱ3，通过高温旋风分离器Ⅰ2和高温旋风分离器Ⅱ3分离出低品质的粗炭黑，粗炭黑通过高温旋风分离器Ⅰ2和高温旋风分离器Ⅱ3底部的收集箱Ⅰ14和收集箱Ⅱ15收集；高温旋风分离器Ⅰ2和高温旋风分离器Ⅱ3内部的温度高于1260℃，在分离产出低品质粗炭黑的同时，在高温气流中继续脱氢，将炭黑表面上在等离子炭黑炉1中裂解积存的油滴清除干净，避免含油炭黑用于橡胶中引起制品表面起泡。
(3)经过高温旋风分离器Ⅰ2和高温旋风分离器Ⅱ3处理后的裂解气进入空气急冷器4，空气急冷器4将温度从高温降至200℃，急冷过程中产生的细炭黑通过空气急冷器4底部的收集箱Ⅲ16进行收集；裂解气进入空气急冷器4后，温度从1260℃以上的高温急冷降至200℃，能够避免炭黑粒子表面呈多孔状。
(4)经过空气急冷器4处理后的裂解气进入布袋除尘器5，通过布袋除尘器5除去残留颗粒等杂质，避免燃烧炉6内的燃烧器堵塞。
(5)裂解气经过布袋除尘器5去除杂质后进入燃烧炉6，通过燃烧炉6回收裂解气燃烧产生的余热。
(6)燃烧炉6燃烧后的烟气进入洗涤塔7，通过洗涤塔7进行气体净化，除去硫、氯等元素；洗涤塔7内通过碱液喷枪喷出碱液中和酸性气体进行气体净化，碱液通过水泵10引入的洗涤塔7内。
(7)净化后的气体经过引风机8抽出，通过烟囱9排入大气。
如图1所示，等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，包括依次连接的等离子炭黑炉1、高温旋风分离器Ⅰ2、高温旋风分离器Ⅱ3、空气急冷器4、布袋除尘器5、燃烧炉6和洗涤塔7，洗涤塔7的进液口连接水泵10，洗涤塔7的出气口通过引风机8连接烟囱9，引风机8采用离心风机，离心风机的材质为钛合金或玻璃钢，烟囱9的材质为碳钢镀钛，等离子炭黑炉1底部设置有出渣口11，等离子炭黑炉1的侧面设置有多个进料口13，进料口13与等离子炭黑炉1内的等离子炬12交错设置，进料口13的直径由等离子炭黑炉1的外面向内部逐渐扩大，高温旋风分离器Ⅰ2底部设置有收集箱Ⅰ14，高温旋风分离器Ⅱ3底部设置有收集箱Ⅱ15，空气急冷器4底部设置有收集箱Ⅲ16。
所述的洗涤塔7内设置有碱液喷枪，碱液喷枪的进液口连接洗涤塔7的进液管道，进液管道连接水泵10。
本发明成本低，操控简单，安全可靠，不但回收过程中余热能够进行二次利用，提高能源利用率，还能够提高炭黑的产率和品质，避免了炭黑废水的产生，实现了清洁生产，具有较强的实用性。
本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将页岩气通过进料口（13）输送至封闭的等离子炭黑炉（1）进行裂解，裂解产生的灰渣通过等离子炭黑炉（1）底部的出渣口（11）排出；
（2）等离子炭黑炉（1）裂解产生的炭黑和裂解气依次进入高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3），通过高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3）分离出粗炭黑，粗炭黑通过高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3）底部的收集箱Ⅰ（14）和收集箱Ⅱ（15）收集；
（3）经过高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3）处理后的裂解气进入空气急冷器（4），空气急冷器（4）将温度从高温降至200℃，急冷过程中产生的细炭黑通过空气急冷器（4）底部的收集箱Ⅲ（16）进行收集；
（4）经过空气急冷器（4）处理后的裂解气进入布袋除尘器（5），通过布袋除尘器（5）除去杂质；
（5）裂解气经过布袋除尘器（5）去除杂质后进入燃烧炉（6），通过燃烧炉（6）回收裂解气燃烧产生的余热；
（6）燃烧炉（6）燃烧后的烟气进入洗涤塔（7），通过洗涤塔（7）进行气体净化；
（7）净化后的气体经过引风机（8）抽出，通过烟囱（9）排入大气；
所述的（3）步骤中，高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3）内部的温度高于1260℃，裂解气经高温旋风分离器Ⅰ（2）和高温旋风分离器Ⅱ（3）进入空气急冷器（4）后，温度从1260℃以上的高温急冷降至200℃。
2.根据权利要求1所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，其特征在于：所述的洗涤塔（7）内通过碱液喷枪喷出碱液中和酸性气体进行气体净化，碱液通过水泵（10）引入的洗涤塔（7）内。
3.根据权利要求1所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，其特征在于：所述的等离子炭黑炉（1）内部的耐火材料表面温度保持在1300℃-1600℃。
4.根据权利要求1所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的工艺，其特征在于：所述的页岩气通过不同高度的进料口（13）进入等离子炭黑炉（1）内。
5.一种等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，其特征在于：包括依次连接的等离子炭黑炉（1）、高温旋风分离器Ⅰ（2）、高温旋风分离器Ⅱ（3）、空气急冷器（4）、布袋除尘器（5）、燃烧炉（6）和洗涤塔（7），洗涤塔（7）的进液口连接水泵（10），洗涤塔（7）的出气口通过引风机（8）连接烟囱（9），等离子炭黑炉（1）底部设置有出渣口（11），等离子炭黑炉（1）的侧面设置有多个进料口（13），进料口（ 13）与等离子炭黑炉（1）内的等离子炬（12）交错设置，高温旋风分离器Ⅰ（2）底部设置有收集箱Ⅰ（14），高温旋风分离器Ⅱ（3）底部设置有收集箱Ⅱ（15），空气急冷器（4）底部设置有收集箱Ⅲ（16）。
6.根据权利要求5所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，其特征在于：所述的进料口（13）的直径由等离子炭黑炉（1）的外面向内部逐渐扩大。
7.根据权利要求5所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，其特征在于：所述的洗涤塔（7）内设置有碱液喷枪，碱液喷枪的进液口连接洗涤塔（7）的进液管道，进液管道连接水泵（10）。
8.根据权利要求5所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，其特征在于：所述的引风机（8）采用离心风机，离心风机的材质为钛合金或玻璃钢。
9.根据权利要求5所述的等离子体裂解页岩气制备高品质炭黑的装置，其特征在于：所述的烟囱（9）的材质为碳钢镀钛。
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