способ получения карбида кальция

Формула изобретения

Способ получения карбида кальция, включающий термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов, которые используют для производства углекислоты, отличающийся тем, что используют тонкодисперсную смесь сырьевых материалов, при этом термическую обработку смеси ведут в одном реакторе, причем на первом этапе в процессе ввода сырья в реактор его подвергают нагреву предпочтительно до 1000-1200°С путем нагрева сырьевой массы теплопередачей от конструктивных элементов загрузочного канала реактора, по которому тонкодисперсное сырье перемещают самотеком, и воздействием на него плазменного луча, формируемого плазмотроном в зоне свободного перемещения частиц сырьевой массы, при этом термическую обработку сырья осуществляют в атмосфере диоксида углерода, который подают в загрузочный канал с последующим синтезом карбида кальция, осуществляемого при температуре как минимум 1700-1800°С путем индукционного нагрева реакционной массы, и полученный расплав карбида кальция отводят через выпускное отверстие, расположенное на дне реактора, при этом из верхней части полости реактора отводят газообразные продукты, из которых выделяют окись углерода и диоксид углерода, причем как минимум часть отводимого диоксида углерода используют для заполнения загрузочного канала, а для производства углекислоты используют объем диоксида углерода, оставшийся после заполнения загрузочного канала, и весь объем выделенной окиси углерода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки углекарбонатного минерального сырья и может быть использовано при его глубокой переработке с получением карбида кальция.

Известен способ переработки углекарбонатного минерального сырья, включающий обжиг известняка в реакторе с подачей в него и сжиганием высокотемпературного энергоносителя (см. SU № 1449553, кл. С04В 2/02, 1989).

Однако в этом техническом решении невелик спектр получаемых товарных продуктов (только известь), низка экологичность производственного процесса, кроме того, осложнен процесс обеспечения производства высокотемпературным энергоносителем.

Известен также способ получения карбида кальция, включающий термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов и их использованием для производства углекислоты (RU № 2256611, С01В 31/32, С04В 2/02, C01F 11/06, C07C 11/24, 2005).

Однако в этом техническом решении процесс обеспечения производства высокотемпературным энергоносителем осуществляется за счет использования части получаемого карбида кальция для производства ацетилена, который и сжигают для подвода тепла в процессы обжига извести и синтеза карбида кальция, что снижает выход целевого продукта. Кроме того, процессы обжига извести и синтеза карбида кальция осуществляют в двух последовательно размещенных реакторах, что приводит к непроизводительным потерям тепла в процессе передачи материалов из одного реактора в другой.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение выхода целевого продукта и снижение энергоемкости производства карбида кальция.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в исключение расхода карбида кальция на технологические нужды и исключении непроизводительных потерь тепла (из-за охлаждения сырьевых компонентов) за счет реализации способа в объеме одного реактора.

Поставленная задача решается тем, что способ получения карбида кальция, включающий термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов, которые используют для производства углекислоты, отличается тем, что используют тонкодисперсную смесь сырьевых материалов, при этом ее термическую обработку ведут в одном реакторе, при этом на первом этапе в процессе ввода сырья в реактор его подвергают нагреву, предпочтительно до 1000°-1200°С для чего нагрев сырьевой массы осуществляют теплопередачей от конструктивных элементов загрузочного канала, по которому тонкодисперсное сырье перемещают самотеком, и воздействием на него плазменного луча, формируемого плазмотроном в зоне свободного перемещения частиц сырьевой массы, при этом термическую обработку сырья осуществляют в атмосфере диоксида углерода, который подают в загрузочный канал, причем, последующий синтез карбида кальция осуществляют при температуре, как минимум 1700-1800°, для чего осуществляют индукционный нагрев реакционной массы, кроме того, расплав карбида кальция отводят через выпускное отверстие, расположенное на дне реактора, при этом из верхней части полости реактора отводят газообразные продукты из которых выделяют окись углерода и диоксид углерода, причем как минимум часть отводимого диоксида углерода используют для заполнения загрузочного канала, кроме того, для производства углекислоты используют объем диоксида углерода оставшийся после заполнения загрузочного канала и весь объем окиси углерода.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию"новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признак "используют тонкодисперсную смесь сырьевых материалов" обеспечивает возможность прогрева сырьевой массы до температуры диссоциации карбонатов, при сравнительно небольшой длине загрузочного канала.

Признак указывающий, что "термическую обработку (тонкодисперсной смеси сырьевых материалов) ведут в одном реакторе" исключает потерю тепла прогретой сырьевой массой при переходе из зоны контактного и плазменного нагрева в зону индукционного нагрева реактора.

Признаки "на первом этапе в процессе ввода сырья в реактор его подвергают нагреву, предпочтительно до 1000-1200°С для чего нагрев сырья осуществляют теплопередачей от конструктивных элементов загрузочного канала, по которому тонкодисперсное сырье перемещают самотеком, и воздействием на него плазменного луча, формируемого плазмотроном в зоне свободного перемещения частиц сырьевой массы" обеспечивают прогрев сырьевой массы до температуры диссоциации карбонатов, что снижает затраты энергии на индукционный прогрев реакционной массы.

Признак "термическую обработку сырья осуществляют в атмосфере диоксида углерода, который подают в загрузочный канал" обеспечивает наличие плазмообразующего газа в загрузочном канале, кроме того, тем самым исключается взрывное горение горючих газов, выделяющихся при газифицировании угольной массы.

Признак "последующий синтез карбида кальция осуществляют при температуре, как минимум 1700-1800°, для чего осуществляют индукционный нагрев реакционной массы" обеспечивает возможность получения карбида кальция при прогреве до заявленного температурного диапазона, предварительно подогретой реакционной массы.

Признак "расплав карбида кальция отводят через выпускное отверстие, расположенное на дне реактора» обеспечивает оптимальную схему перемещения материала реакционной массы, сверху-вниз, под действием силы тяжести, не требующее использования специальных средств.

Признак "из верхней части полости реактора отводят газообразные продукты из которых выделяют окись углерода и диоксид углерода» упрощают организацию отвода газовой массы из реактора, при котором не оказывается влияние на расплав реакционной массы, при этом обеспечивается возможность утилизации окислов углерода.

Признак "как минимум часть отводимого диоксида углерода используют для заполнения загрузочного канала» обеспечивают возможность получения диоксида углерода для обеспечения процесса синтеза карбида углерода, без использования внешнего источника этого газа.

Признак "кроме того, для производства углекислоты используют объем диоксида углерода оставшийся после заполнения загрузочного канала и весь объем окиси углерода» обеспечивает возможность полной утилизации газов-окислов углерода, образующихся при синтезе карбида углерода.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема реализации способа.

На чертеже показаны верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса плазменного реактора, загрузочный канал 3, источник сырьевой смеси 4, верхняя крышка 5 загрузочного канала 3, источник плазмообразующего газа 6, наклонные пересыпные полки 7, каналы 8 и 9, соответственно для ввода сырьевой смеси и диоксида углерода, верхняя 10 и нижняя 11 электромагнитные катушки, выпускной патрубок 12, поворотная платформа 13, привод 14 поворота платформы, источники угля 15, известняка 16, воды 17, плазмотрон 18 с соплом 19, продольная ось 20 загрузочного канала 3, плазменный шнур 21, кромки 22 пересыпных полок 7, первый 23 и второй 24 газоотводящие каналы, газоразделительный блок 25, второй реактор 26, основание 27 поворотной платформы 13, ролики 28, дополнительный канал подачи угля 29.

Верхняя 1 и средняя часть корпуса плазменного реактора выполнена в виде цилиндрической камеры. Ее нижняя часть 2 выполнена конической и завершена выпускным патрубком 12. Корпус плазменного реактора и выступающая из него часть загрузочного канала 3 выполнены водоохлаждаемыми (снабжены рубашкой, выполненной известным образом с возможностью прокачки теплоотводящего агента (воды). Загрузочный канал 3 пропущен через верхнюю крышку корпуса плазме иного реактора, выполнен из тепло-стойкой стали. Он снабжен герметичной крышкой и сообщен каналом 8 с источником сырьевой смеси 4 (бункером-накопителем дисперсного сухого материала), размещенным выше корпуса 1, что обеспечивает самотечное перемещение смеси в реактор при открытых затворах (на чертежах не показаны), при этом источник сырьевой смеси 4 сообщен с источниками угля 15 и известняка 16. Кроме того, источник угля 15, посредством дополнительного канала подачи угля 29 (снабженного запорным клапаном известной конструкции - на чертеже не обозначен) сообщен напрямую с каналом 8.

Полость загрузочного канала 3 выполнена с возможностью сообщения известным образом с источником плазмообразующего газа 6 (в качестве которого используют диоксид углерода), кроме того, источник плазмообразующего газа 6 сообщен каналом 9, для ввода диоксида углерода с плазмотроном 18. Кроме того, в полости загрузочного канала 3 установлены наклонные пересыпные полки 7 выполненные из металла, наклоненные под углом близким к углу естественного откоса шихты, используемой для синтеза карбида кальция. На верхнем торце загрузочного канала 3(на его верхней крышке 5) зафиксирован по меньшей мере один плазмотрон известной конструкции, мощностью до 25-50 квт, обеспечивающий формирование плазменного шнура 21 ориентированного вниз, в зазор между кромками 22 пересыпных полок 7. Целесообразно, чтобы плазмотронов было бы хотя бы два, при этом формируемые ими плазменные шнуры 21 должны быть ориентированы под острым углом к продольной оси 20 загрузочного канала 3 в зазоре между кромками 22 пересыпных полок 7.

В качестве средств нагрева сырьевой смеси в реакторе используют верхнюю 10 и нижнюю 11 электромагнитные катушки, выполненные известным образом с возможностью индукционного нагрева сырьевого материала до температуры его плавления, размещенные на разной высоте относительно корпуса плазменного реактора.

При этом нижняя 11 электромагнитная катушка установлена стационарно или с возможностью возвратно-поступательного перемещения по высоте реактора (например, на платформе установленной на раздвижных силовых цилиндрах - на чертежах названные элементы не показаны и не обозначены) с возможностью ее опускания максимально близко к выпускному патрубку 12 - до начала нижнего (конического) участка корпуса реактора.

Верхняя катушка 10 установлена на поверхности поворотной платформы 13, выполненной с возможностью поворота вокруг корпуса реактора, которой придана переменная высота и которая снабжена приводом 14 обеспечивающим ее поворот, для этого, нижняя поверхность поворотной платформы 13 оперта на ряд роликов 28 опирающихся на кольцевой желоб (на чертеже не обозначен) основания 27, один из которых и выполнен приводным (например, закреплен на валу реверсивного электродвигателя).

Второй реактор 26 выполнен с возможностью синтеза углекислоты, в виде емкости связанной с газоразделительным блоком 25 газопроводами подачи CO₂ и СО, кроме того, он сообщен с источником воды 17 выполненному в виде емкости с водой. Второй реактор 26 снабжен насосным, дозирующим и контрольно-измерительным оборудованием известной конструкции (на чертежах не показаны), обеспечивающим реализацию процесса синтеза Н₂СО ₃. Выход второго реактора 26 связан с хранилищем углекислоты (на чертеже не показано), конструкция которого определяется формой поставки углекислоты потребителю, т.е. сжиженная или "сухой лед", и не отличается от известных конструкций, сходного назначения.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

На этапе запуска плазменного реактора в плазмотрон 18 подают плазмо-образующий газ (диоксид углерода) и включают его в работу, что обеспечивает формирование плазменного шнура 21 в зазоре между кромками 22 пересыпных полок 7 загрузочного канала 3.

На этапе запуска плазменного реактора в него подают только дисперсный уголь, для чего уголь из источника угля 15 направляют по дополнительному каналу подачи угля 29 напрямую в канал 8 и далее в загрузочный канал 3.

Таким образом, на самую верхнюю из пересыпных полок 7 поступает дисперсный уголь, который пересыпаясь с одной полки на другую перемещается вниз по загрузочному каналу 3 и пересекая зазор между кромками 22 пересыпных полок 7 попадает под действие плазменного шнура 21 (или шнуров) действующих в названном зазоре. Это приводит к воспламенению объема дисперсного угля и прогрева загрузочного канала и полости реактора.

Генерируемые при этом газы-продукты сжигания дисперсного угля отбираются через первый 23 и второй 24 газоотводящие каналы, после чего попадают в газоразделительный блок 25, где из них выделяются оксид и диоксид углерода (остальные газы выбрасываются в атмосферу. При этом, оксид углерода подают во второй реактор 26, а диоксид углерода накапливают в источнике плазмообразующего газа 6.

После прогрева загрузочного канала до температуры 1000°-1200°С дополнительный канал подачи угля 29 перекрывают, полость реактора и загрузочного канала 3 заполняют диоксидом углерода, который известным образом подают от источника плазмообразующего газа 6, добиваясь вытеснения всех иных газов.

Далее, от источника сырьевой смеси 4, в загрузочный канал 3 по каналу 8 подают сухую сырьевую шихту, содержащую в расчетном количестве химические соединения (дисперсные уголь и известняк), обеспечивающие при их плавлении получение карбида кальция (коммуникации связывающие источник сырьевой смеси 4 и загрузочный канал 3 выполнены известным образом).

Таким образом, на самую верхнюю из пересыпных полок 7 (прогретую, как и остальные узлы загрузочного канала 3, до температуры 1000°-1200°С) поступает смесь дисперсных известняка и угля, которая пересыпаясь с одной полки на другую перемещается вниз по загрузочному каналу 3. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении частиц шихты происходит их контактный нагрев от деталей загрузочного канала 3. Это приводит к разогреву шихты до температуры диссоциации карбонатов и обеспечивает конверсию частиц известняка СаСО₃ в частицы извести (СаО), в соответствии с формулой:

CaCO₃=CaO+СО₂.

Таким образом далее в процессе участвует шихта содержащая частицы извести и частицы угля.

При этом, воздействие на частицы этой шихты плазменных шнуров 21 (формируемых работой плазматронов 18), фактически полностью пересекающих поток частиц шихты обеспечивает расплавление материала и синтез карбида кальция (температура расплава достигает 1700-1900°С и выше). Синтез карбида кальция идет в соответствии с формулой:

Расплав попадает на дно реактора постепенно накапливаясь при этом процесс расплавления идет с большой скоростью, т.к. в этом случае происходят уже экзотермические реакции.

При подъеме уровня расплава выше уровня нижней катушки 11 подается напряжение на ее обмотку. Стенки камеры плазменного реактора выполняются из немагнитного материала, например стали, содержащей большое количество никеля, хрома и титана. Образующееся в результате прохождения тока через катушку электромагнитное поле воздействует на расплав, который в жидком состоянии становится токопроводным. Индуктивный ток поддерживает температуру на достигнутом (благодаря воздействию плазмы) уровне.

При подъеме расплава выше верхней электромагнитной катушки 10, подается напряжение на последнюю. Это обеспечивает индукционный прогрев остального объема расплава в камере плазменного реактора.

При этом включают привод 14 вращения приводного ролика 28, который, плотно контактируя с нижней поверхностью поворотной платформы 13, в свою очередь приводит последнюю во вращательное движение на остальных (неприводных) роликах 28 относительно ее основания 27 жестко закрепленного на корпусе реактора. Благодаря тому, что катушка 10 закреплена на поверхности поворотной платформы 13, при вращении последней происходит колебательное движение катушки 10 в плоскостях, пересекающих продольную (вертикальную) ось реактора.

При колебательных движениях катушки 10 меняет свое положение и магнитное поле, образующееся внутри токопроводящего расплава, который активно перемешивается и дополнительно нагревается. В результате перемешивания расплава за счет вращающегося магнитного поля, создаваемого трехфазной катушкой и колебательного движения самой катушки происходит гомогенизация расплава, что активно способствует увеличению производительности установки и повышению качества основной продукции, расплава карбида кальция. Скорость перемешивания задается скоростью изменения магнитного поля и зависит от частоты и мощности переменного тока и скорости механических колебаний катушки, которая в свою очередь зависит от скорости вращения поворотной платформы 13. Скорость перемешивания регулируется в зависимости от вязкости расплава, а последняя - от его температуры. Имея данные по температуре расплава, задают и скорость колебаний катушки 10 (скорость вращения поворотной платформы 13).

Диоксид и оксид углерода, выделяемые в результате декарбонизации карбонатных компонентов сырьевой смеси, выходят под действием разрежения, создаваемого в газоотводных каналах, расположенных в верхней части плазменного реактора (выше максимального уровня расплава), где может использоваться для получения сухого льда или снова вводится в реактор через электроды. Расплав карбида кальция периодически или непрерывно (при согласованном вводе в реактор) выливают через выпускной патрубок 12 в холодильник или гранулятор, в которых утилизируют тепло расплава (на чертежах не показаны).

Для снижения вязкости расплава карбида кальция во время периодического слива, нижняя катушка должна быть подвижной по высоте корпуса реактора, чтобы ее можно было перемещать в зону разгрузочного отверстия.

Остывший карбид кальция известным образом измельчают для получения кондиционного материала.

При выходе реактора на рабочий режим возникает избыток диоксида углерода по сравнению с его количеством необходимым для использования в технологическом процессе синтеза карбида кальция. При этом избыток диоксида и оксида углерода подают во второй реактор 26, где используют для синтеза углекислоты.