專利名稱：使用固體燃料源制造炭黑的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，其中加熱炭黑生成原料以形成炭黑產(chǎn)物。
背景技術(shù)：
用于生產(chǎn)炭黑的方法是熟知的。許多這些方法包括熱燃燒氣流的生產(chǎn)，而炭黑生成原料則在能夠形成包含炭黑產(chǎn)物的熱燃燒氣流的條件下注入其中。所得物流隨后冷卻，然后將所得炭黑從熱燃燒氣流中分離并回收。
在常規(guī)方法中，其中注入原料的熱燃燒物流由共同注入反應(yīng)器的燃燒區(qū)的燃料和氧化劑形成。通常，與氧化劑混合形成熱燃燒氣體的燃料包括容易燃燒的物質(zhì)如氫，一氧化碳，甲烷，乙炔，醇，煤油，液體烴燃料，和類似物。通常，優(yōu)選使用富含甲烷的物流如天然氣和改性的或濃縮的天然氣，以及包含高量的烴如各種烴氣體，和液體的其它物流和包括乙烷，丙烷，丁烷，戊烷，燃料油，和類似物的精煉廠副產(chǎn)物。但這些燃料和這些燃料的組合許多都包含或形成會污染炭黑形成反應(yīng)器的非所需沉積物或殘渣。需要提供一種用于燃燒氣流的新的燃料源或提供與用于熱燃燒氣流的常規(guī)燃料源通常所形成的相比形成較少沉積物和殘渣的焦化條件和炭黑制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，它采用固體燃料并優(yōu)選與用于燃燒氣流的常規(guī)燃料源通常所形成的相比形成較少的沉積物和殘渣。通過使用固體燃料，與使用常規(guī)熱燃燒氣流燃料相比產(chǎn)生較少的氫并因此可明顯增加炭黑的產(chǎn)率。
按照本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，其中將通過固體燃料氣化得到的氣態(tài)燃料源優(yōu)選與氧化劑一起引入炭黑形成反應(yīng)器的燃燒區(qū)作為熱燃燒氣流。氣化固體燃料源優(yōu)選在炭黑形成反應(yīng)器中形成低量的沉積物和殘渣。
按照本發(fā)明的其它實施方案，提供了一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，其中固體燃料源優(yōu)選在空氣存在下燃燒得到熱氣體，然后通過炭黑形成反應(yīng)器的一個區(qū)導(dǎo)入以提供能夠?qū)⑻亢?生成原料熱解形成炭黑的條件。優(yōu)選，固體燃料的燃燒產(chǎn)生較少的氫并因此形成高產(chǎn)率的炭黑。
按照本發(fā)明的其它實施方案，提供了一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，其中將固體燃料源氣化并將來自固體燃料氣化作用的所得氣態(tài)產(chǎn)物通過炭黑形成反應(yīng)器的一個區(qū)導(dǎo)入并提供足以將炭黑-生成原料熱解形成炭黑的條件和溫度。
按照本發(fā)明的一個實施方案，固體燃料源如煤，焦炭，石油焦炭，炭，其組合，和類似物通過氣化方法氣化形成氣態(tài)燃料，或燃燒以提供可用于將炭黑-生成原料熱解形成炭黑的熱解條件。氣態(tài)燃料優(yōu)選隨后在炭黑生產(chǎn)反應(yīng)器的燃燒區(qū)中與氧化劑合并形成其中注入炭黑-生成原料的熱燃燒氣流。通過固體燃料氣化得到的氣態(tài)燃料也可用作熱氣流而不燃燒并通過炭黑-生成反應(yīng)器的一個區(qū)導(dǎo)入以提供足以將炭黑-生成原料熱解形成炭黑的條件。原料的注入條件使得形成包含炭黑的熱氣流或熱燃燒氣流，隨后優(yōu)選驟冷。來自所得物流的炭黑隨后從氣流中分離并回收。由固體燃料氣化制成的氣態(tài)燃料的使用產(chǎn)生用于熱解的更清潔的燃燒熱氣流，而且相對常規(guī)燃料源時聚集的沉積物和殘渣的量，聚集在炭黑形成反應(yīng)器中的沉積物和殘渣被減至最低。另外，炭黑的產(chǎn)率明顯較大，因此本發(fā)明還涉及通過使用一種或多種上述方法來增加炭黑產(chǎn)率的方法。
可以理解，以上的一般描述和以下的詳細描述僅是示例性的和說明性的并用于進一步解釋所要求的本發(fā)明。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，用于炭黑形成反應(yīng)器的熱氣流包括通過氣化固體燃料而制成的氣態(tài)燃料或氣態(tài)燃料的燃燒產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，固體燃料優(yōu)選在氧化劑如空氣存在下燃燒，然后將燃燒固體燃料得到的熱燃燒氣體通過炭黑形成反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)導(dǎo)入并提供足以將炭黑-生成原料熱解形成炭黑的焦化條件。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，固體燃料優(yōu)選在氧化劑如空氣存在下燃燒，然后將燃燒固體燃料所產(chǎn)生的熱在炭黑形成反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)中用于熱解炭黑-生成原料以形成炭黑。
要氣化或燃燒的固體燃料優(yōu)選為煤，焦炭，石油焦炭，炭，或其組合，但可以是其它固體燃料源。固體燃料源的氣化通常包括，通過將固體燃料與空氣，氫，氧，蒸汽，二氧化碳，或這些組分的混合物反應(yīng)將固體燃料轉(zhuǎn)化成氣態(tài)產(chǎn)物。這些組分優(yōu)選與固體燃料在常規(guī)氣化爐中反應(yīng)。由固體燃料氣化得到的產(chǎn)物包括二氧化碳，一氧化碳，氫，甲烷，和通?？砂N的其它化學(xué)品。氣化得到的產(chǎn)物和各種產(chǎn)物的比率取決于所用的特殊反應(yīng)物和反應(yīng)器內(nèi)的溫度和壓力，以及來自氣化爐的氣體在氣化之后和/或在它們離開氣化爐之后所要進行的處理的種類。在此，術(shù)語″氣化″包括燃燒過程，其中煤，焦炭，石油焦炭，和/或炭與空氣或氧反應(yīng)以產(chǎn)生熱和二氧化碳，但這些過程通常稱作燃燒而不是氣化。
按照本發(fā)明的實施方案，可氣化或燃燒形成熱，熱氣流，或熱可燃氣流的固體燃料優(yōu)選為含碳材料?？蓺饣蛉紵暮线m的含碳材料包括，但不限于，無煙煤，瀝青煤，褐煤，焦炭，石油焦炭，廢紙，農(nóng)業(yè)廢料，和類似物。一般，在氣化過程中，一部分含碳材料燃燒得到用于吸熱氣化反應(yīng)的能量。但可以使用其它熱源如核能，電能，太陽能，和類似物以供給固體燃料氣化所需的能量。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，固體燃料的氣化是吸熱反應(yīng)?？諝饣蜓鮾?yōu)選供給氣化爐以提供必需的熱輸入。固體燃料的氣化優(yōu)選能夠生產(chǎn)低-BTU或中-BTU氣體，隨后原樣使用或在炭黑生產(chǎn)方法中形成燃燒氣流。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，中-BTU氣體產(chǎn)物可隨后通過使用常規(guī)氣體-處理步驟而升級形成合成天然氣。盡管優(yōu)選使用固體燃料和最少產(chǎn)生氫氣的方法條件，但用以提供燃燒氣流源的固體燃料氣化的應(yīng)用可提供一氧化碳源和可用于不相關(guān)方法的和氫積聚區(qū)。
可以使用許多種類的氣化爐以氣化固體燃料并形成根據(jù)本發(fā)明的熱氣流或氣態(tài)燃料。一種合適的氣化爐是固定床氣化爐，其中熱氣體經(jīng)過一個慢慢移動的煤床。也可使用流化床氣化爐，其中炭的小顆粒通過氣流而流化。一般在流化床氣化爐中使用較低的溫度以防煤灰顆粒的軟化。其它合適的氣化爐是連續(xù)床氣化爐，其中細煤顆粒被熱氣流夾帶通過氣化反應(yīng)器。連續(xù)床氣化爐一般在較高的溫度下操作。另外，煤也可在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，在地下，通過將空氣向下壓向一個孔，點燃煤，和通過一個優(yōu)選100-1000英尺遠的第二孔取出燃料氣體而氣化。
優(yōu)選用于本發(fā)明的氣化爐是煤氣化爐。優(yōu)選的煤氣化爐是使用煤，空氣，和蒸汽以生產(chǎn)包含100-120BTU每立方英尺的燃料氣體的低BTU煤氣化爐。這種低BTU燃料氣體包含一氧化碳，二氧化碳，氫，水蒸氣，和氮。
另一優(yōu)選的氣化爐是使用煤，氧，和蒸汽以生產(chǎn)包含約300BTU每立方英尺的燃料氣體的中BTU氣化爐。這種中BTU燃料氣體包含一氧化碳，二氧化碳，氫，和水蒸氣。
上述的每種氣化爐是本領(lǐng)域常見的且該氣化爐在用于本發(fā)明時優(yōu)選無需特殊的要求或改變。
與氣化方法無關(guān)，根據(jù)本發(fā)明，采用固體燃料氣化得到的熱氣流或氣體燃料源可用于常規(guī)或非常規(guī)炭黑制造方法中。優(yōu)選，固體燃料源氣化得到的氣態(tài)燃料替代所有的或一些常用于生產(chǎn)炭黑制造所用的燃燒氣流的液體燃料。
根據(jù)本發(fā)明的其它實施方案，固體燃料通過液化方法處理得到液體燃料，隨后作為燃燒氣流的燃料源而用于炭黑制造方法。可以使用來自固體燃料液化的各種各樣的液體燃料，包括，例如，重燃料，餾出物燃料油，和汽油。在此，術(shù)語″固體燃料氣化″理解為包括固體燃料液化，除非另有所指。
用于本發(fā)明實施方案的熱氣流或氣態(tài)燃料可由常規(guī)或非常規(guī)固體燃料氣化方法制成。按照本發(fā)明，適用于固體燃料氣化的示例性氣化方法包括描述于U.S.專利Nos.5,676,713；5,069,685；4,872,886；4,785,622；4,785,621；4,662,443；4,378,974；4,312,638；3,976,446；和3,971,639的那些方法，在此將其作為參考完全并入本發(fā)明。得自氣化方法的氣態(tài)燃料可儲存以用于本發(fā)明或直接加料或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器。如果得自氣化方法的氣態(tài)燃料燃燒形成熱燃燒氣流，該氣態(tài)燃料優(yōu)選加料或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器的燃燒區(qū)。但如果得自氣化方法的氣態(tài)燃料不燃燒，而是直接用于炭黑-生成原料的熱解以形成炭黑，該氣態(tài)燃料優(yōu)選加料或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器的反應(yīng)區(qū)。
已通過固體燃料氣化制成的用于本發(fā)明的氣態(tài)燃料可替代用于形成可用于炭黑形成反應(yīng)器的燃燒氣流的常規(guī)燃料和氧化劑組合物或與其結(jié)合。尤其是，用于本發(fā)明的氣化燃料可單獨或與常規(guī)燃料結(jié)合使用以形成可稱作″熱氣流″，或如果燃燒，稱作″氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的物流″，″熱氣體的物流″，″熱第一階段氣體的物流″，″燃燒氣流″，或″熱燃燒氣體″的物質(zhì)，而炭黑-生成原料則在炭黑形成方法中加料到其中。
按照本發(fā)明，可改變以采用由氣化或燃燒固體燃料得到的燃料源的示例性炭黑形成方法包括描述于U.S.專利Nos.3,619,140；Re.28,974；3,922,335；3,952,087；4,105,750；4,370,308；4,374,113；4,645,657；4,879,104；5,093,407；5,110,576；5,124,396；5,137,962；5,168,106；5,190,739；5,211,932；5,212,226；5,229,452；5,232,974；5,236,992；5,288,788；5,352,289；5,393,821；5,456,750；和5,688,317的方法，在此將其作為參考完全并入本發(fā)明。
按照本發(fā)明的實施方案，炭黑在具有燃燒區(qū)和反應(yīng)區(qū)的炭黑反應(yīng)器，優(yōu)選爐法炭黑反應(yīng)器中制成。熱燃燒氣體在燃燒區(qū)中通過接觸一種固體燃料氣化得到的氣態(tài)燃料而生成。如此制成的氣態(tài)燃料優(yōu)選與合適的氧化劑物流如空氣，氧，空氣和氧的混合物，或類似物接觸。優(yōu)選，由固體燃料氣化制成的氣態(tài)燃料提供一種可容易燃燒的氣體或蒸氣物流，包括天然氣，氫，一氧化碳，甲烷，乙炔，醇，或煤油之類的組分。優(yōu)選，氣態(tài)燃料具有低氫含量和高含量的含碳組分，尤其是，高含量的烴。空氣或氧與用于形成熱燃燒氣體的燃料的比率可優(yōu)選為約10∶1-約100∶1。為了便于生成熱燃燒氣體，可預(yù)熱氧化劑物流。
熱燃燒氣流優(yōu)選由燃燒區(qū)向下游導(dǎo)入反應(yīng)器，其中將炭黑-生成原料引入熱燃燒氣體。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，固體燃料氣化得到的氣態(tài)燃料沒有燃燒而是加料或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器的反應(yīng)區(qū)。在這些條件下，將有或沒有氧化劑如空氣的未燃燒氣態(tài)燃料的熱加入或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器的反應(yīng)區(qū)以提供足以在反應(yīng)區(qū)中焦化炭黑-生成原料的條件。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，將固體燃料燃燒并將燃燒固體燃料產(chǎn)生的熱，或燃燒固體燃料得到的熱氣體加料或?qū)蛱亢谛纬煞磻?yīng)器的反應(yīng)區(qū)以提供足以在反應(yīng)區(qū)中將炭黑-生成原料熱解成炭黑的條件。
在本文中適用作炭黑-生成原料的是烴原料，尤其在反應(yīng)條件下可容易揮發(fā)的烴原料。優(yōu)選的原料包括不飽和烴原料如乙炔；烯烴如乙烯，丙烯，和丁烯；芳族化物如苯，甲苯，和二甲苯；某些飽和烴；其它烴如煤油，萘，萜烯，乙烯焦油，芳環(huán)原料，和類似物；和其組合。優(yōu)選，炭黑-生成原料是液體形式。
根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，炭黑-生成原料從熱氣體或熱燃燒氣體的物流的內(nèi)或外周注入該物流。優(yōu)選，炭黑-生成原料在相對熱氣流或熱燃燒氣流流動的基本上徑向的方向上，且優(yōu)選從物流的內(nèi)或外周注入。
在反應(yīng)形成本發(fā)明炭黑的過程中，可以采用各種非常規(guī)方法步驟或添加劑而不背離本發(fā)明的范圍。例如，該方法可包括，在反應(yīng)器中其中起始注入炭黑-生成原料的位置的下游加入第二量的炭黑-生成原料。為了控制反應(yīng)過程中或反應(yīng)形成的炭黑的形態(tài)，也可沿著反應(yīng)器在一個或多個位置上注入蒸汽本發(fā)明的方法可包括將固體燃料源氣化得到的氣態(tài)燃料加入反應(yīng)器的燃燒區(qū)或反應(yīng)區(qū)的步驟。該燃料可隨后在有或沒有氧化劑的情況下反應(yīng)，得到具有足夠能量以將炭黑-生成原料轉(zhuǎn)化成炭黑的熱燃燒氣體的物流。另外，氣化制成的氣態(tài)燃料可直接加料到炭黑-生成反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)且氣態(tài)燃料的熱可用于熱解炭黑-生成原料。該方法還包括，將炭黑-生成原料注入物流熱氣體或熱燃燒氣體。包括炭黑-生成原料的物流隨后導(dǎo)向或流過反應(yīng)區(qū)以形成包含炭黑的熱燃燒氣體的物流。該方法也可包括，冷卻，分離，和收集所得炭黑。可以采用任何適用于冷卻，分離，和收集所得炭黑的方式，包括本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員熟知的且在以上作為參考并入的專利中描述的方式。
本發(fā)明還提供了一種用于制造炭黑的裝置。該裝置可優(yōu)選包括常規(guī)炭黑形成反應(yīng)器元件和，另外，氣態(tài)燃料源，熱氣體，或固體燃料氣化或燃燒產(chǎn)生的熱。更尤其，本發(fā)明的裝置優(yōu)選提供一種炭黑反應(yīng)器，更優(yōu)選，爐法炭黑反應(yīng)器，包括燃燒區(qū)，與所述燃燒區(qū)相通的反應(yīng)區(qū)，通過氣化或燃燒固體燃料得到的氣態(tài)燃料和/或熱氣體源，和炭黑生成原料源。另外，本發(fā)明的裝置也可包括驟冷介質(zhì)源，用于驟冷在反應(yīng)區(qū)中形成的包含炭黑的熱氣體或熱燃燒氣體的物流。另外，本發(fā)明裝置可包括一個冷卻設(shè)備，分離設(shè)備，和用于收集在該裝置中形成的所得炭黑的收集設(shè)備。
本發(fā)明進一步包括通過使用一種或多種上述方法增加炭黑形成產(chǎn)率的方法，包括固體燃料的使用。當(dāng)熱氣體或熱在炭黑形成反應(yīng)中接觸炭黑-生成原料時，本發(fā)明的方法優(yōu)選通過形成低量的氫而導(dǎo)致形成高產(chǎn)率的炭黑。該產(chǎn)率可增加至少20％和更優(yōu)選至少50％，和最優(yōu)選至少75％或更多。另外，固體燃料源的使用是經(jīng)濟的，因為其成本明顯低于用于炭黑形成的傳統(tǒng)燃料源。
本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員根據(jù)本說明書和本文所公開的本發(fā)明實踐顯然得出本發(fā)明的其它實施方案。可以理解，本說明書和實施例被認為是僅示例性的，而本發(fā)明的真實范圍和主旨則由以下的權(quán)利要求書和其等同物表示。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括將燃料引入燃燒區(qū)，所述燃料包含固體燃料氣化的氣態(tài)產(chǎn)物；使該燃料反應(yīng)以提供具有足夠能量以將炭黑-生成原料轉(zhuǎn)化成炭黑的熱燃燒氣體的物流；將炭黑-生成原料注入熱燃燒氣體的物流；使包含原料的熱燃燒氣體的物流流過反應(yīng)區(qū)以形成包含炭黑的熱燃燒氣體的物流；和冷卻，分離，和收集所得炭黑。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料包含煤，焦炭，石油焦炭，炭，或其組合。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料是煤。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料是焦炭。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料是石油焦炭。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料是炭。
7.權(quán)利要求1的方法，進一步包括將氧化劑與所述燃料一起引入所述燃燒區(qū)。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述炭黑-生成原料包含烴。
9.權(quán)利要求1的方法，進一步包括在冷卻，分離，和收集所得炭黑之前驟冷包含炭黑的熱燃燒氣體的物流。
10.一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括將熱氣體的物流引入炭黑形成反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)，熱氣體的所述物流包含氣化固體燃料的熱氣態(tài)產(chǎn)物并具有足夠能量以將炭黑-生成原料轉(zhuǎn)化成炭黑；將炭黑-生成原料注入熱氣體的物流；使包含原料的熱氣體的物流流過反應(yīng)區(qū)以形成包含炭黑的熱氣體的物流；和冷卻，分離，和收集所得炭黑。
11.權(quán)利要求1的方法，其中所述固體燃料包含煤，焦炭，石油焦炭，炭，或其組合。
12.一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括燃燒固體燃料以形成熱和熱氣體；將熱或熱氣體或兩者導(dǎo)入炭黑形成反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)；將炭黑-生成原料注入反應(yīng)區(qū)并用所述熱或熱氣體加熱原料；使原料流過反應(yīng)區(qū)以形成包含炭黑的物流；和冷卻，分離，和收集所得炭黑。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述固體燃料包含煤，焦炭，石油焦炭，炭，或其組合。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述固體燃料的所述燃燒形成熱燃燒氣體的物流；將所述炭黑-生成原料注入熱燃燒氣體的物流；和所述方法進一步包括，將包含原料的熱燃燒氣體的物流導(dǎo)入反應(yīng)區(qū)以形成包含炭黑的熱燃燒氣體的物流，然后冷卻，分離，和收集所得炭黑。
15.一種用于生產(chǎn)炭黑的裝置，包括具有反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)器；包含固體燃料的燃料的源；注射設(shè)備，用以將熱的、所述固體燃料的燃燒產(chǎn)物，或所述固體燃料的氣化產(chǎn)物注入所述燃燒區(qū)；炭黑-生成原料源；和注射設(shè)備，用于將炭黑-生成原料源注入反應(yīng)區(qū)。
16.權(quán)利要求15的裝置，進一步包括用于冷卻在所述反應(yīng)區(qū)中形成的包含炭黑的熱氣體的物流的冷卻設(shè)備。
17.權(quán)利要求16的裝置，進一步包括用于將炭黑從包含炭黑的氣流中分離的分離設(shè)備。
18.權(quán)利要求17的裝置，進一步包括用于收集分離的炭黑的收集設(shè)備。
19.權(quán)利要求15的裝置，進一步包括用以驟冷在所述反應(yīng)區(qū)中形成的包含炭黑的熱氣體的物流的驟冷設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)炭黑的方法，包括燃燒或氣化固體燃料并采用燃燒或氣化所產(chǎn)生的熱，熱氣體，或熱燃燒氣體在炭黑形成反應(yīng)器熱解炭黑－生成原料。通過使用固體燃料，與使用常規(guī)熱燃燒氣流燃料相比產(chǎn)生較少的氫并因此可明顯增加炭黑的產(chǎn)率。優(yōu)選，使用由固體燃料如煤，焦炭，石油焦炭，炭，其組合氣化而形成的氣態(tài)燃料，或其它固體燃料源以形成熱燃燒氣流。將炭黑－生成原料注入燃燒或氣化所得的熱氣體或熱的物流中以生成包含炭黑的熱氣體的物流，隨后驟冷。固體燃料源的使用優(yōu)選提供與使用常規(guī)燃料的方法相比產(chǎn)生較少沉積物和殘渣的更清潔的熱氣流或熱以形成熱燃燒氣體的物流。
文檔編號C09C1/50GK1498251SQ01813520
公開日2004年5月19日 申請日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者羅斯科·W·泰勒, 羅斯科 W 泰勒 申請人:卡伯特公司