炭黑濾餅處理方法

2023-11-11 07:37:17

專利名稱：炭黑濾餅處理方法
技術領域：
本發明涉及對利用烴類原料的部分氧化反應來生產包含H2、CO和其它氣態物質的合成氣或合成氣混合物的方法的改進。特別是，該改進涉及未反應碳的回收以及用於生產合成氣的其中與循環炭黑分散體混合的烴類原料被引入氣化系統、特別是供給油的氣化系統的氣化反應器溫度的調節。
用烴類原料生產合成氣需要向合成氣反應器中添加氧，合成氣反應器也叫合成氣發生器或氣化器。該方法也需要加入諸如CO2、蒸汽或水之類的調節劑以將反應器溫度保持在運行的經濟性所允許的限度內以及反應器耐火材料結構所允許的限度內。
與部分氧化氣化方法相關聯的問題是在粗合成氣產物中存在著未反應或未轉化的主要是以炭黑形式存在的碳。一些技術可被用來除去這些炭黑，最常用的是在洗滌塔中用水洗滌合成氣產物，在洗滌塔中，所夾帶的碳被轉移到洗滌水中，從而製得洗滌過的不帶炭黑的合成氣。
可通過利用石腦油將碳從水相中萃取出來對含炭黑的水進一步處理。然後炭黑可以用重油從石腦油中萃取出來。這樣所述重油將含有基本上所有被夾帶的碳，並可被用作部分氧化反應器的原料，這樣就利用了這些碳的能量。苯也可被用來代替石腦油作為碳的萃取劑。用苯將碳從水中分離出來以後，苯被汽提掉並被回收以再利用。
用來除去未反應或未轉化的碳的另一項技術是過濾上述洗滌水並回收碳濾餅用於進一步處理。
授予McCallister的美國專利No.3,979,188公開了一種方法，其將從反應器氣態排出物洗滌方法中得到的水—碳淤漿濃縮至含碳量大約為5到7％，並將濃縮後的淤漿與燃料油混合後，將該碳/油/水混合物不經汽化作用送回到部分氧化反應器以替代普遍使用的高壓過熱蒸汽調節劑。
授予Marion的美國專利No.4,699,631也公開了一種方法，其濃縮炭黑的水分散體以製得可泵送的約0.55至4.0重量％菸灰的炭黑—水分散體，並將該炭黑—水分散體再循環至部分氧化氣化器的氣體進料側。
授予殼牌國際研究所(Shell International Research)的英國專利No.1,321,069公開了通過藉助烴油作助劑來附聚菸灰粒以除去炭黑的方法。其還公開了一種能夠使菸灰粒變得疏水或親油的輔助物質的應用。該附聚粉末一旦成型，可利用篩子使用物理方法除去，並被乾燥以除去殘餘水份，最後作為反應物被再循環回到氣化器。
授予Tippmer的美國專利No.4,289,647公開了一種從氣化反應排出氣體中回收碳的方法。用水使該氣體驟冷以分離未燃燒的碳和灰分，排出氣體的熱量被用來產生蒸汽。然後，該洗滌水被潷析以分離成清水、含碳水和灰泥。含碳水被用來產生蒸汽以控制在氣化反應中灰油(ash oil)的轉化。
部分氧化氣化器通常以高轉化率運行以使炭黑的生成量減到最小。由於炭黑懸浮液的不穩定以及體積粘度的增加，人們不希望炭黑形成率很高。除非炭黑的熱值被回收了，否則越高的炭黑形成率意味著越低的冷氣體效率(cold gas efficiency)。
可被用來洗滌炭黑的水量被限制在由熱平衡決定的在部分氧化氣化器裡作為調節劑發揮作用的水量。炭黑生成量由碳氧的比例設定。因此不能為防止炭黑過度堆積而改變水量。本發明的一個目的是分離上述水和炭黑物流以允許用於洗滌炭黑的驟冷水量變化。通過將驟冷水再循環到驟冷區的驟冷環，該炭黑可被濃縮。
理論上，當炭黑/水混合物保持低粘度時，氣化器可以以較低的合成氣轉化率運行。
在部分氧化氣化方法中，粗方法氣體以範圍為大約1700°F至3500°F，典型地從大約2000°F至2800°F的溫度，大約200磅/平方英寸至2500磅/平方英寸，典型地大約700磅/平方英寸至1500磅/平方英寸的壓力從氣化器的反應區排出。根據原料中碳的量，碳粒所存在的範圍為0至約20％重量。
授予Robin等人的美國專利No.4,021,366指出應將驟冷水中碳粒的濃度保持在0到202％重量的範圍內，最好低於1.5％重量。
離開部分氧化氣化器反應區的熱粗合成氣排出物流攜帶著在氣化器反應區中產生的基本上所有炭黑顆粒。熱粗合成氣排出物流被引入一位於該氣化器反應區下方的驟冷區或室。通過大體積量的合成氣鼓泡穿過存在於其中的驟冷水而引起的該驟冷區的湍流條件有助於將合成氣中大部分炭黑洗滌去或除去。驟冷室產生大量與水混合的炭黑。
在一些氣化反應方法中，油進料需要使用蒸汽、水或其它諸如二氧化碳之類材料等形式的調節劑。當使用蒸汽時，一般所需氧量較少，並可具有更高的冷氣體效率。
當在氣化器中用水作調節劑時，在部分氧化氣化反應方法中形成的炭黑和水可被再循環至該氣化器，因此最大限度地降低或完全消除對排出炭黑濾餅的需要或對碳萃取單元的需要。
本發明通過將炭黑和水再循環至油進料從而綜合了水蒸汽調節劑和水調節劑的優點。然後通過在高壓下汽化將水除去。
對由過濾驟冷水而得到的濾餅進行簡單處理會造成許多環境難題。本發明提供一個通過將炭黑濾餅作為反應物再循環至氣化器來利用炭黑濾餅的新方法。
本發明提供一種回收在烴類燃料與氧的部分氧化反應方法中產生的單質碳或炭黑的方法。在部分氧化反應方法中產生一粗合成氣或夾帶著炭黑的合成氣的排出流。該排出流用水洗滌以生成一無炭黑合成氣流和一被炭黑汙染了的水流。通常通過過濾或其它等效手段將炭黑從水中除去以形成濾餅。這些濾餅大部分或者全部被作為反應物再循環至氣化器。


圖1是本發明方法的流程示意圖。
根據本發明，包含少量夾帶炭黑和少量夾帶灰分的粗合成氣排出流用水來洗滌。從而生成一清潔的合成氣流和一包含炭黑和灰分的洗滌水流。
洗滌水流通過過濾除去以濾餅形式存在的炭黑的主要部分。典型地，該濾餅包含大約50至85重量％水、大約15至50重量％炭黑及大約2到20重量％灰分。
這些溼濾餅的大部分或全部與供應給氣化器的進油的滑流在升壓下相接觸。基本上所有的水都從濾餅中汽化以形成蒸汽，並被通向該氣化器的燃燒區，並在燃燒區中作為溫度調節劑。炭黑和灰分變成油滑流的一部分以形成一油/炭黑/灰分混合物，然後該混合物與引入該氣化器反應區中的主要給油相結合。
本發明可使上述炭黑在氣化器中被完全燒掉，從而使整個方法的效率被提高了。並且最大限度地降低或完全消除對濾餅的固體廢物處理的需要，因此消除或充分減少了有關的環境問題和運行成本。
本發明的作業系統包括至少一個活底料鬥或等效設備，也可包含兩個或多個並行工作的活底料鬥、一公用分離器、循環泵和熱交換器。
參照附圖1，通常通過過濾合成氣洗滌水得到的溼炭黑濾餅2在環境條件下進入受料倉10。
該濾餅2可以被分成濾餅部分4和6。濾餅部分4可以被引向固體廢物處理系統(未示出)以控制系統中灰分的堆積。通常，濾餅部分4佔被處理的總濾餅量的比例可高達大約20重量％。
濾餅部分6可被送至與活底料鬥14並行工作的一個或多個活底料鬥(未示出)。
溼濾餅8離開受料倉10，通過打開的閥12在優選為氮氣的惰性氣氛下進入活底料鬥14。活底料鬥14的入口被閥16、18、20、22環繞著，這些閥在溼濾餅8通過閥12進入的方法中處於關閉位置。
當溼濾餅佔活底料鬥14的總容積約10％到約50％時，閥12關閉，活底料鬥14被加壓到高於部分氧化氣化器操作壓力約100磅/平方英寸至300磅/平方英寸。
然後閥22和16打開，給油流36通過閥22進入活底料鬥14以在其中形成一溼濾餅/給油混合物。當在活底料鬥14中的油的水位上升時，氮氣通過閥16、包含一壓力控制閥(未示出)的管線38被排出，並流經管線42、進入分離器44。
活底料鬥14最終完全被溼濾餅/給油混合物充滿，接著溼濾餅/給油混合物通過閥16排出，並類似地經過管線38和42流入分離器44。
管線38的控制閥下遊的壓力被調節以使一部分水汽化，以便直到它被用作溫度調節劑進入氣化器的反應區為止始終保持在汽相。根據氣化器的要求，所有或一部分這些水蒸汽加上伴隨的油蒸汽可被通向氣化器。
該油和水的蒸汽混合物離開分離器44，流經管線46和50，進入該氣化器(未示出)的反應區。油蒸汽在部分氧化反應中被消耗，水蒸汽有助於調節反應溫度。
更加濃縮的溼濾餅/給油混合物在分離器44中堆積，直到達到了運行水位為止。按容積計算，運行水位處在分離器44總體積的約30％至約50％。
一旦在分離器44中達到指定的運行水位，活底料鬥閥18打開。更濃縮的溼濾餅/給油混合物流經管線52、泵54和管線56進入熱交換器58，在熱交換器58中熱量被供給至作為流60流出並接著被分成流62和64的更濃縮的溼濾餅/給油混合物。流64經過閥18流入活底料鬥14。流62進入另一個並行的活底料鬥(未示出)。
在活底料鬥14內，更濃縮的溼濾餅/給油60與通過閥22進入的給油流36混合。給油和更濃縮的溼濾餅/給油的合併混合物從活底料鬥14的頂部排出，並經過閥16、管線38上的壓力控制閥(未示出)。經過壓力控制閥時發生閃蒸以產生一含小量油的水蒸汽流和一較幹的濾餅/給油混合物，它們如前所述進入分離器44並被分成管線46和52。
較幹的濾餅/給油流52從分離器44至活底料鬥14的循環方法不斷進行，直到在管線46中幾乎沒有額外水蒸汽產生並且得到了基本上幹的濾餅/給油時為止。例如，典型地，含水量小於約0.5重量％。
然後，循環泵54和熱交換器58停止工作。活底料鬥閥16、18和22關閉，活底料鬥閥20打開。基本上幹的給油和濾餅的混合物，更確切地說是給油/碳粒混合物，排出活底料鬥14，經過管線66和70，進入給油儲罐26。
給油24進入給油儲罐26的一側。給油的壓力從大約300磅/平方英寸到2600磅/平方英寸，優選從大約600磅/平方英寸到1600磅/平方英寸變化。給油的溫度從大約400°F到700°F變化，優選從大約450°F到650°F變化。
給油24的大部分流過內部擋板27進入罐26的另一側。留在鼓26左邊入口側的部分油流經管線28、泵30、管線32，然後被分成管線34和36。管線36向活底料鬥14提供給油流，管線34向其他活底料鬥(未示出)提供給油流。管線36上的水位控制閥(未示出)調節向活底料鬥14供給的給油流。
給油及其夾帶的固體的無水混合物通過管線70進入罐26右側，並通過管線72排出，流經泵74、管線76，然後進入氣化器(未示出)的反應區。
物流40、48、62和68與最好是並行工作的其他活底料鬥相連。物流40與物流38相似，用作高壓氮氣及溼濾餅/給油混合物流出系統內一併行的活底料鬥(未示出)的管道。料流48與料流46相似，用作系統內一併行分離罐(未示出)的油和水蒸汽輸出管線。料流62與料流64相似，用作系統內一未閃蒸溼濾餅/給油流進入並行活底料鬥(未示出)的管線。料流68與料流66相似，用作系統內給油及其夾帶固體的基本上不含水混合物離開並行活底料鬥(未示出)的管線。
就像已經說明的那樣，在溼濾餅被加載後與在熱油供給流引入之前，這些活底料鬥用氮氣加壓。這樣做是為了避免水的顯著汽化及因此而引起的油的顯著冷卻。由於油的粘度隨著溫度的降低而增大，因此油的顯著冷卻將引起堵塞問題。
對於一給定的給油組合物，濾餅排料流4的尺寸相對於總濾餅料流2的尺寸決定了系統內灰分的平衡濃度。排出物流4數量大會導致低的金屬濃度，而排出物流4數量少會導致高的金屬濃度。
在後一種情況下，濾餅的金屬含量可以足夠高，從而將該排出物流送到金屬回收設備而不是送到固體廢料處理設備。如果100％濾餅被再循環到活底料鬥，則不會有金屬排料。在這個方案下，需要定期地，例如一年一次地，進行氣化器的受控氧化除渣以處理減壓殘渣進料。
權利要求
1.用於回收和再利用通過烴類燃料與氧在部分氧化反應器中進行的生成合成氣及夾帶炭黑的排出流的部分氧化反應所產生的未反應炭黑的方法，其中包括a)用水洗滌所述排出流以從中除去所夾帶的碳，由此產生不含炭黑的合成氣和含有水與被夾帶碳的物流；b)過濾所述含水與被夾帶碳的物流以生成一炭黑溼濾餅；c)所述溼濾餅在第一壓力下與油接觸以形成一炭黑/油/水初始混合物；d)將所述炭黑/油/水混合物暴露於第二壓力下，然後降低所述第一壓力，以汽化和分離所述炭黑/油/水混合物中的一部分水份並由此形成更濃縮的炭黑/油/水混合物；e)將所述濃縮的炭黑/油/水混合物再循環至步驟(c)和(d)，直到得到一基本上無水的炭黑/油混合物為止；以及f)將所述基本上無水的炭黑/油混合物作為反應物送到一部分氧化氣化反應中。
2.權利要求1的方法，其特徵在於在所述部分氧化氣化反應中，所述水蒸汽的全部或一部分被用作溫度調節劑。
3.權利要求1的方法，其特徵在於所述第一壓力比所述部分氧化氣化反應的操作壓力高大約100磅/平方英寸至300磅/平方英寸。
4.權利要求1的方法，其特徵在於所述第二壓力足以使所述水蒸汽保持在汽相，直到其進入所述氣化器的反應區為止。
5.權利要求1的方法，其特徵在於步驟(c)在一活底料鬥中進行。
6.權利要求5的方法，其特徵在於所述溼濾餅與所述油的初始接觸發生在溼濾餅佔到所述活底料鬥總容積的大約10％至50％的時候。
7.權利要求1的方法，其特徵在於步驟(d)中的水蒸汽的分離過程在分離器中進行。
8.權利要求7的方法，其特徵在於當所述分離器的容積的大約30％至50％被充滿時，所述更濃縮的炭黑/油/水混合物從所述分離器被再循環。
9.權利要求1的方法，其特徵在於所述基本上不含水的炭黑/油混合物包含少於大約0.5重量％水。
全文摘要
本發明提供用於回收在烴類燃料與氧的部分氧化反應方法中產生的單質碳或炭黑的方法。在該部分氧化反應中產生粗合成氣或夾帶著炭黑的合成氣的排出流。濾餅(2)被送到受料倉(10),然後被送到活底料鬥(14),在活底料鬥中該溼濾餅被加壓。從活底料鬥(14)出來的溼濾餅/給油混合物通過管線(38)被送到分離器(44),從該分離器油和水蒸汽輸出(50)到氣化器。給油/碳粒混合物從活底料鬥(14)中排出,並經過管線(66)和(70)被送到給油儲罐(26),該給油儲罐由給油(24)進料,並輸出油和固體的無水混合物(76)到氣化器反應區。
文檔編號C10J3/52GK1326422SQ99813355
公開日2001年12月12日 申請日期1999年11月12日 優先權日1998年11月16日
發明者F·C·簡克 申請人:德士古發展公司