способ получения газовой сажи

Формула изобретения

Способ получения газовой сажи, включающий подачу в зону горения топлива и окислителя, а в цилиндрическую реакционную камеру - турбулизированного потока газообразных углеводородов с последующим их разложением на сажу и водород, отличающийся тем, что часть цилиндра выполняют из термостойкого пористого материала, через который полость реакционной камеры аэродинамически связана с камерой горения, при этом на реакционную камеру воздействуют механическими колебаниями с резонансной частотой пористой части цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения сажи (технического углерода) методом термического разложения природного газа и может быть использовано для получения различных марок сажи из природного газа.

Известен способ получения газовой сажи, включающий подачу в зону горения топлива и окислителя, а в реакционную камеру - углеводородов с последующим их нагревом и выделением при разложении сажи [1]. В данном способе осуществляют режим кавитационного течения продуктов горения путем подачи воздуха на крыльчатку. При этом обеспечивают высокую интенсивность теплового потока из камеры горения в реакционную камеру.

Недостатком аналога является низкая производительность, поскольку не весь поток газа разлагается на реакционной поверхности и какая-то его часть проходит через реакционную камеру без разложения. Повышение полноты реакции разложения газа за счет увеличения длины реакционной камеры приводит к росту металлоемкости реактора и снижению коэффициента использования тепловой энергии.

Известен также способ получения газовой сажи, включающий подачу в зону горения топлива и окислителя, а в цилиндрическую реакционную камеру - турбулизированного потока газообразных углеводородов с последующим их разложением на сажу и водород [2].

В известном способе осуществляют эффективное перемешивание газообразных углеводородов в реакционной камере, что обеспечивает усреднение температуры газа в процессе его разложения на сажу и водород. Этот способ взят нами в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является высокие удельные энергетические затраты на производство сажи. Несмотря на высокий коэффициент теплоотдачи турбулентного газового потока в реакционной камере теплопередача из камеры сгорания через стенку реакционной камеры ограничен. Для обеспечения высокого теплового потока необходимо уменьшать толщину стенки и увеличивать его коэффициент теплопроводности. Тем не менее, поступающий через стенку реакционной камеры тепловой поток не обеспечивает равномерного нагрева газа, температура которого изменяется по сечению реакционной камеры. Это приводит к тому, что часть углеводородного газа не успевает разложиться на составные части и вместе с потоком образованного водорода поступает в камеру горения. При этом нагретые углеводороды выносят из реакционной камеры тепловую энергию, что понижает эффективность ее использования. Повышение коэффициента полезного действия за счет увеличения длины реакционной камеры имеет ограничение в связи с повышением металлоемкости конструкции и ростом тепловых потерь из камеры горения. К тому же, адгезия сажи на поверхности реакционной камеры снижает величину теплового потока, понижает теплообмен между реакционной поверхностью и газом, а также не позволяет осуществлять реакцию разложения в оптимальном температурном режиме. Все это приводит к высоким удельным энергетическим затратам на производство газовой сажи.

Задачей изобретения является понижение удельных энергетических затрат, повышение коэффициента полезного действия процесса производства газовой сажи и снижение металлоемкости технологического оборудования.

Это достигается тем, что в способе получения газовой сажи, включающем подачу в зону горения топлива и окислителя, а в цилиндрическую реакционную камеру - турбулизированного потока газообразных углеводородов с последующим их разложением на сажу и водород, часть цилиндра выполняют из термостойкого пористого материала, через который полость реакционной камеры аэродинамически связана с камерой горения, при этом на реакционную камеру воздействуют механическими колебаниями с резонансной частотой пористой части цилиндра.

На чертеже показан реактор для осуществления способа получения газовой сажи.

Реактор состоит из корпуса 1, внутри которого расположен соосно с ним цилиндр 2 с выступающими за пределы корпуса концами, образующим с корпусом камеру горения 3 с патрубком 4 для подачи топлива и патрубком 5 для подачи окислителя, тангенциального завихрителя 6 потока газообразных углеводоводородов, например метана, соединенного с патрубком 7 и закрепленного на верхнем конце цилиндра, а нижний его конец соединен с емкостью 8 для сбора сажи. Цилиндр 2 образует реакционную камеру, расположенную в зоне горения топлива и аэродинамически связанную с камерой горения через часть цилиндра, выполненную из термостойкого пористого материала, а остальная часть цилиндра выполнена из термостойкого материала. Для возбуждения механических колебаний в цилиндре на выступающих концах установлены вибраторы 9 и 10. Воспламенение топлива осуществляют из люка 11 розжига с помощью, например, свечи накаливания (на чертеже не показано). Измерение температуры в камере горения осуществляют с помощью датчика температуры 12, установленного на корпусе реакционной камеры. В качестве топлива можно использовать метан, а в качестве окислителя - воздух. Продукты сгорания отводят по дымовой трубе 13.

Способ получения газовой сажи заключается в следующем.

Нагрев цилиндра 2 осуществляют путем одновременной подачи в камеру горения 3 топлива через патрубок 4 и необходимого количества окислителя-воздуха через патрубок 5, которые воспламеняют из люка 11 розжига посредством свечи накаливания. Нагрев цилиндра 2 осуществляют до температуры 1500°С, при которой происходит процесс разложения газообразных углеводородов на водород и сажу. Подачу газообразных углеводородов в реакционную камеру осуществляют компрессором (на чертеже не показано). На входе в реакционную камеру поток газообразного углеводорода турбулизируют с помощью тангенциального завихрителя 6. На начальном участке движения газа в реакционной камере происходит предварительный нагрев. Затем нагретый турбулентный поток газа перемещается в следующую зону реакционной камеры, стенка которого выполнена из пористого материла. При контакте подогретого газа с пористой поверхностью цилиндрической стенки происходит разложение газообразных углеводородов на сажу и водород. Сажа накапливается на внутренней поверхности цилиндра и частично проникает внутрь пористого материала цилиндрической стенки. Под воздействием колебаний с резонансной частотой пористой части цилиндра 2 происходит отделение сажи от внутренней его поверхности и осаждение ее под собственным весом в емкость 8. В поровом пространстве цилиндра происходит разложение газа на сажу и водород. Водород, обладая высокой проникающей способностью, поступает далее через поры в камеру горения, и при горении выделяется дополнительное количество тепловой энергии, расходуемое на нагрев цилиндра.

В то же время при разложении газообразного углеводорода в поровом пространстве происходит накопление сажи, вследствие чего понижается проницаемость стенки. Однако, воздействуя на реакционную камеру механическими колебаниями с резонансной частотой пористой части цилиндра 2, уменьшают сцепление сажи с поверхностью пор, что повышает газопроницаемость стенки. В то же время в процессе непрерывной реакции разложения углеводорода внутри пор происходит увеличение в них массы сажи и ее плотности. Избыточное количество сажи вытесняется из пор и движется в сторону наименьшего сопротивления движению - обратно, в реакционную камеру. Второй продукт разложения - газообразный водород под действием градиента давлений поступает в камеру сгорания. Аэродинамический напор водорода в сторону камеры горения имеет невысокую величину и поэтому только незначительная часть мелких частиц сажи под напором водорода проходит через стенку цилиндра в камеру горения и сгорает там вместе с топливом. Таким образом, аэродинамическая связь реакционной камеры 3 и камеры горения, реализованная через пористый материал цилиндра 2, поддерживается на необходимом уровне. Вследствие вибрации цилиндра 2 с резонансной частотой, вызывающей сжатие и растяжение поперечного сечения цилиндра 2, частицы сажи в порах находятся в несвязанном состоянии, что обеспечивает высокую газопроницаемость пор цилиндра 2 и достаточную аэродинамическую связь между реакционной камерой и камерой горения 3.

Разработанный способ получения газовой сажи имеет высокий коэффициент полезного действия и низкие удельные энергетические затраты, что обеспечивается преобразованием в сажу полностью всего потока газа, поступающего в реакционную камеру. В данном способе имеет место высокий теплообмен между камерой горения и реакционной камерой, поскольку процесс разложения газа происходит не только на поверхности цилиндра 2, но также внутри его порового пространства. Эндотермическая реакция разложения углеводородов приводит к понижению температуры продуктов реакции внутри пор, что в свою очередь создает высокий градиент температуры между продуктами горения в камере 3 и пористой частью цилиндра 2. Следствием этого является высокий тепловой поток из камеры горения 3 в реакционную камеру. Резонансные колебания пористой части цилиндра 2 обеспечивают быстрое отделение от его внутренней поверхности сажи и, таким образом, исключается нерациональный перегрев готового продукта. Кроме того, резонансные колебания интенсифицируют конвективный теплообмен между газом в камере горения и внешней поверхностью цилиндра. Разработанный способ позволяет получить высококачественную сажу, поскольку позволяет реализовать технологический процесс в оптимальном температурном режиме. В данном способе реакция разложения происходит в основном на разветвленной поверхности пор, нагретых до оптимальной температуры, и поэтому частицы сажи отвечают заданным условиям производства по фактору температуры.

Пример реализации. Шахта «Северная», входящая в состав ОАО «Воркута-уголь», осуществляют дегазацию угольных пластов. На дневную поверхность извлекают метановоздушние смеси с концентрацией 40-60%, пригодные в качестве топлива в установке для получения газовой сажи. В качестве углеводородного сырья можно использовать метан или другой углеводородный газ. Установка, потребляющая в виде сырья 3 нм³ /мин чистого метана под давлением 0,8...1,0 МПа, имеет цилиндрическую камеру сгорания диаметром 0,5 м, высотой 3 м и реакционную камеру диаметром 0,4 м, высотой 4 м, установленную соосно. Корпус камеры сгорания выполнен из жаропрочной термостойкой стали, легированной хромом и никелем, выдерживающей температуру до 1600°С. Внешний диаметр реакционной камеры составляет 0,4 м, а высота - 4 м. Реакционная камера выполнена составной из трех частей. Верхняя и нижняя части выполнены также из жаропрочной термостойкой стали, легированной хромом и никелем, а ее средняя часть длиной 1,5 м - из термостойкого пористого материала - композитного сплава на основе тугоплавких соединений карбидов вольфрама, выдерживающего температуру нагрева до 1600°С. Толщина стенок верхней и нижней частей реакционной камеры составляет соответственно 10 мм и 20 мм. Толщина средней части реакционной камеры составляет 30 мм. Составные части реакционной камеры соединены между собой жестко, посредством сварки. Торцевые части камеры сгорания 1 герметично закрыты, а патрубки 4, 5 и 7 присоединены соответственно к источникам метановоздушной смеси (топливо), воздуха и чистого метана. В качестве средства для измерения температуры стенки реакционной камеры используют термопару «никель-хром», подключенную к милливольтметру, по показаниям которого определяют температуру. Для получения газовой сажи в камеру горения через патрубок 4 подают вентилятором метановоздушную смесь расходом 2 нм ³/мин (концентрация метана 40-60%), а через патрубок 5, также вентилятором, подают воздух расходом 10-15 нм ³/мин. При сгорании метановоздушной смеси и догорания водорода, поступающего в камеру горения через пористую стенку реакционной камеры, температура в камере горения может изменяться в диапазоне 1100...1550°С. Изменяя расход воздуха, устанавливают необходимую температуру в камере сгорания, при которой температура пористой реакционной камеры изменяется в необходимом оптимальном диапазоне 1200-1300°С. Для поддержания непрерывного процесса получения газовой сажи установка снабжена вибратором, позволяющим осуществлять механические колебания с частотой 9-11 кГц мощностью 300-400 Вт, достаточной для передачи необходимой энергии пористой части цилиндра.

Тепловая мощность установки позволяет получать конечный продукт газовую сажу в количестве до 2 т/сут с коэффициентом использования тепловой энергии на ее производство не менее 60%, что существенно меньше, чем в известных аналогах. Металлоемкость реактора по отношению к продуктивности по конечному продукту - саже - также минимальна, поскольку теплообмен между продуктами горения и метаном осуществляется преимущественно на участке пористой стенки, что позволяет отказаться от применения крупногабаритных теплообменников для экономии энергии.

Источники информации

1 Авт. свид. СССР №1241697 «Реактор для получения сажи», кл. С09с 1/50 от 30.05.84. БИ №26 от 20.09.97.

2 РСТ (WO) №93/12205. «Способ сжигания углеводородов», МПК⁵ С10К 3/00, С01В 3/24, С09С 1/48. «Изобретения стран мира», 1994, №10-12, стр.38. Дата публикации 24.06.1993.