热裂解烃制炭黑的机理及工程化技术发展历程

简介人类制造和利用炭黑(CB)的历史和炭黑特性,对烃热解过程中碳原子组成六碳环并历经一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)增长形成准石墨微晶(GMC)和最终形成CB粒子的系列参数进行了模拟计算,总结有关CB准石墨微晶结构增长机理、粒子结构及其与粒子硬度和导电性等性能间的关系等方面基础研究的最新成果。基于CB中碳原子结构研究成果和基本理化性能,建议了CB的分子式。结合检测数据解读CB拥有高达30GPa硬度、补强橡胶的活性和独特导电性的结构原因。本文还从键能变化角度计算了用于制造CB的几种典型烃热裂解生成CB的化学反应热,解释CB生产时煤系原料油比石油系原料油收率高10%的原因,重点介绍现代热裂解烃制造CB的工程化技术在原料、反应器、耐火材料、装置大型化、资源综合利用技术与装备等方面取得突破并促成我国成为炭黑制造第一大国的发展历程。对炭黑行业节能环保的最新要求进行了归纳,展望了行业未来,并对其技术进步重点方向和研究内容提出建议。

等离子体裂解天然气制纳米炭黑和乙炔

利用200kW的中试装置,在常压下研究了天然气在氮热等离子体中的裂解行为,考察了输入功率、甲烷流量以及CH4/N2摩尔比对反应的影响。结果表明:天然气在氮热等离子体中发生了强烈的分解反应,生成大量炭黑和C2烃;CH4/N2摩尔比为0.4,输入功率120kW时,炭黑的收率为42.0%,甲烷的最大转化率为97.1%;所制得的炭黑平均粒径38nm,分布范围狭窄,炭黑的DBP吸收值1.40mL/g,是一种高结构性炭黑;红外光谱分析发现炭黑中存在芳香C—C键及大量氮基官能团如—NH、—CN等,以及—CH,—OH,—COOH等。

等离子体裂解天然气制纳米炭黑和乙炔

利用 2 0 0KW的中试装置 ,在常压下研究了天气然在氮热等离子体中的裂解行为 ,考察了输入功率、甲烷流量以及CH4 N2 比对反应的影响。结果表明 :天然气在氮热等离子体中发生了强烈的分解反应 ,生成大量炭黑和C2 烃 ;CH4 N2 为 0 4 ,输入功率 12 0千瓦时 ,炭黑的收率为 4 2 0 % ,甲烷的转化率为 97 1% ;所制得的炭黑平均粒径 38nm ,分布范围狭窄 ;炭黑的DBP吸收值 1 4 0ml g ,是一种高结构性炭黑。红外光谱分析发现炭黑中存在芳香C—C键及大量氮基官能团如—NH、—CN等以及—CH ,—OH 。

几种烃化合物在氮热等离子体中的热解

研究了数种烃包括液态苯和甲苯以及气态的甲烷、乙烯及乙炔在氮热等离子体中的热解行为。结果发现，所有烃化合物在氮等离子体中均发生了强烈的分解反应，生成大量炭黑和气体。气体产物中的主要成分是氢、乙炔和丙炔腈，在液态烃苯和甲苯的热解产物中还含有甲烷及乙烯等小分子烃。乙炔的浓度与丙炔腈的含量有关。丙炔腈的含量高时，乙炔的浓度低，反之亦然。所制得的炭黑颗粒细小，粒度分布范围较窄，具有较强的吸附性能，其碘值为１４０～１８０ｍｇ／ｇ。用红外光谱研究了炭黑的表面结构，发现此类炭黑中存在芳香Ｃ－Ｃ键及大量氮基官能团，如＝ＮＨ、－ＣＮ等。

等离子体热解处理废轮胎实验研究

以废轮胎为实验物料 ,在N2 热等离子体反应器内进行了一系列热解试验。气体产物产率达 40 % ,固体产物产率为 60 % ,气体产物主要成分为CO、H2 、CH4 等可燃气体 。

低成熟海相黑色页岩生烃特征的热模拟实验

页岩气是黑色富有机质页岩生烃演化完成后滞留在页岩中的烃类气体,为了查明海相黑色页岩生排烃过程中产物的变化规律及影响因素,揭示海相富有机质页岩的生烃潜力,采用地层孔隙热压生烃模拟仪对四川盆地广元地区上寺剖面大隆组黑色页岩进行热压模拟实验。结果表明:①黑色页岩具有极高的生烃潜力,最高产烃量达452.43 mg/gTOC(总有机碳),其中气态烃总产率195.45 mL/gTOC,液态烃最高产率为377.8 mg/gTOC;②油的产率随热模拟温度升高表现为先升后降的特征,生油演化成峰型尖锐的单峰特征,生油高峰在360℃,甲烷随成熟度升高而增加,而重烃气C2-5则表现为先升后降的特征,甲烷主要由油裂解形成,其次是干酪根热解和重烃气裂解;③气态烷烃呈现δ^(13)C1<δ^(13)C2<δ^(13)C3<δ^(13)C4,且随热模拟温度增加,气态烃的碳同位素值均表现为逐渐富集13C,说明了热模拟过程中只发生了碳同位素的动力学分馏。基于本次热模拟产物产率随热成熟度变化特征,建立了黑色富有机质页岩的生烃模式,分为两个主要阶段:热催化生油气阶段和热裂解生湿气阶段,特别是在很高热模拟温度下仍未进入生干气阶段,表明在过成熟阶段黑色页岩仍具有一定的生烃潜力。研究结果对拓展高过成熟页岩气勘探领域具有较好的参考意义。

废轮胎等离子体热解固体产物性质研究

等离子体热解废弃轮胎的产物包括可燃气、固体产物两部分,本文利用工业分析、元素分析、SEM扫描、XPS表面分析、NMR分析等手段考察了等离子体热解固体产物的特性,并与轮胎工业用碳黑做了对比研究。研究结果表明,废轮胎等离子体热解固体产物可作为热解碳黑进行回收利用。

热等离子体裂解低碳烃制备石墨烯研究进展

石墨烯是一种新型二维碳纳米材料,因其特殊的二维结构而具有卓越的力学、电学、光学、热力学等性质,在储能、电子、环境等方面具有广阔的应用前景。然而,现有的制备方法还难以实现高品质石墨烯的低成本、大规模的制备,阻碍了石墨烯的产业化广泛应用。文章综述了近年来石墨烯的各种制备方法,介绍了不同制备方法的特点,重点介绍了热等离子体法裂解低碳烃制备石墨烯的研究进展,主要包括射频热等离子体法和直流电弧放电热等离子体法,并对该领域存在的问题和发展方向进行了总结和展望。

等离子体改性裂解炭黑填充天然橡胶硫化胶的微、介观结构及性能

对比了不同功率等离子体改性裂解炭黑(CBp)的粒径分布、比表面积和表面活性,考察了等离子体改性功率对填充天然橡胶硫化胶微、介观结构及其对动、静态力学性能的影响。结果表明,CBp-200W的比表面积最大,CBp-600W的比表面积最小。当改性功率高于400 W时,CBp聚集体出现不同程度的熔结现象。与NR/CBp-0W复合材料相比,NR/CBp-200W复合材料的表面粗糙度减小,交联密度和结合橡胶含量增大。随着等离子体改性功率增大,复合材料的表面粗糙度和交联密度均增大,结合胶含量减少。改性CBp填充体系强填料与橡胶相互作用(E′st)差别不大,而NR/CBp-200W体系的弱填料与橡胶相互作用(E′1)最大,且随改性功率的增大而下降。NR/CBp-200W体系的拉伸强度最大,NR/CBp-600W体系的定伸应力最大,其扯断伸长率和拉伸强度均最小。

温度对等离子体热解烃类生成炭黑形貌的影响

使用磁旋转电弧等离子体发生器产生均匀的高温热源,通过热解碳氢化合物制备了炭黑颗粒。利用透射电子显微镜(TEM)图像,表征了炭黑聚集体的形貌,计算了聚集体的分形维数、粒度分布和平均粒径,研究了反应温度和原料对炭黑聚集体形貌和微观物理特性的影响。研究结果显示,在1500 K较低温度下所有热解产物均为球形碳颗粒;随着温度的升高,初级粒子粒径减小,分形维数变大,聚集体形态变复杂;甚至在约2500 K高温下在甲烷和乙烯的热解产物中出现石墨烯片层。分析认为,温度和原料影响了初级粒子的成核速率、表面生长和碰撞团聚等过程,从而决定了聚集体的最终形貌。

用氢气、空气取代氮气的地化录井仪器的研发探讨

地球化学录井仪器常使用氮气、氢气和空气气源。在录井仪器房狭小的空间使用氮气十分不便,为了寻找可行的技术方案,经过实验尝试用氢气、空气取代氮气作为仪器载气,并通过大量实践验证表明,此思路和方法是可行的。改进后的仪器其性能有所提高,可以满足现场使用的需要。由于取代了氮气,减少了附带的设备,使现场录井工作更加方便。

热等离子体法裂解碳氢化合物制备炭黑的热力学研究

用Gibbs自由能最小法计算了在不同温度下,不同体系的碳氢化合物裂解的平衡组成。考察了不同压力和温度下,以甲烷、乙烷和苯为原料时系统中主要组分的浓度随反应条件的变化;改变了等离子体工作气的种类,考察了工作气对平衡组分的影响。计算结果表明:低温裂解碳氢化合物有利于生成固体的碳,在很高温度下,体系中仅有气相碳、氢自由基等组成,容易形成纳米碳管和纳米碳球;热裂解时使用氮等离子体将产生大量的毒气,而使用空气等离子体可以适当减少毒气的生成,但是纳米碳球和纳米碳管的产率下降。