CZ287533B6 - Apparatus for producing carbon black and hydrogen by thermal decomposition of hydrocarbon gases - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů, zejména metanu v tepelném rozkládaném reaktoru s plazmovým hořákem, opatřeným přívodem uhlovodíkových plynů a přívodem plazmového plynu.

Dosavadní stav techniky

Ze spisů EP 0 315 442, EP 0 392 121, US 4 213 939 a GB 1 150 362 jsou známy způsoby a systémy pro výrobu karbonové černi neúplným spalováním uhlovodíku v plynné formě a/nebo kapalné formě při rozkladu části uhlovodíku krakováním. Hlavními komponenty plynových doprovodných produktů jsou však kysličníky uhlíku. Ze spisu GB 1 492 346 je znám pyrolytický způsob výroby karbonové černi tepelným rozkladem uhlovodíků v reakční komoře. Vodní pára však je zaváděna do plazmového proudu plynného tepelného nosiče a uhlovodíky jsou rozkládány na uhlík a plynné doprovodné produkty, z nichž vodík je jen jeden komponent. Ze známého stavu techniky je známa celá řada rozličných systémů a postupů pro výrobu sazí z uhlovodíkových plynů. Jedna skupina těchto postupů využívá tepelný rozklad uhlovodíků na složky sazí a vodíku za použití plazmového hořáku. Dosud známé způsoby však obvykle vedly jen k tvorbě jiných plynných uhlovodíkových produktů, například acetylenu. Dosud nebyl vyvinut žádný systém, který by umožňoval plynulou výrobu sazí a vodíku, protože předchozí systémy se musely vždy zastavit po krátkých provozních obdobích z důvodu tvorby usazenin, aby hořáky a tepelné rozkladné reaktory mohly být vyčištěny před opětným uvedením systému do provozu. Tyto nevýhody vedly k vysokým provozním nákladům těchto systémů s odpovídajícími vysokými náklady na konečný produkt. Další známé systémy měly tu nevýhodu, že neumožňovaly dosažení úplné regulace konečných produktů, tj. vyráběných sazí a vodíku, jelikož bylo možné vyrábět jen normální jakost sazí bez ohledu na jejich fyzikální vlastnosti s důsledkem, že další zpracování tohoto produktu muselo být založeno na docílených sazích. Vodík se hlavně nechával odhořívat. Cílem vynálezu je odstranit nevýhody dosavadního stavu techniky a zajistit zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů, který by pracoval plynule a u něhož by bylo možné předem nastavit podmínky procesu tak, aby saze byly vyrobeny s předem určenými fyzikálními vlastnostmi.

Podstata vynálezu

Nevýhody dosavadního stavu techniky podstatnou měrou odstraňuje a cíl vynálezu splňuje zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů, zejména metanu, v tepelném rozkladném reaktoru s plazmovým hořákem, opatřeným přívodem uhlovodíkových plynů a přívodem plazmového plynu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že tepelný rozkladný reaktor je opatřen vstupy pro přívody plynů a materiálů do tepelných zón, vytvořených v tepelném rozkladném reaktoru ve směru toku uhlovodíkového plynu pro úpravu fyzikálních vlastností sazí, dále je opatřen výstupním potrubím pro odvod produktu rozkladu, tvořeného vodíkem a pevnými částicemi, zahrnujícími saze, zahrnujícím ve směru toku produktu rozkladu výměníky tepla pro výměnu tepla mezi produkty rozkladu na jedné straně a napájecím plynem a/nebo plazmovým plynem na straně druhé, oddělovací zařízení hrubých částic od sazí a filtrační zařízení pro filtraci částic sazí zvolené velikosti a struktury a jejich odvod pro další zpracování, a výstupem pro odvod vodíku, spojeným s potrubím plazmového plynu. Tepelné výměníky mohou být s výhodou tvořeny trubkovými chladiči pro předehřívání napájecího plynu a plazmového plynu. S výhodou může plazmový hořák zahrnovat zařízení pro řízené přidávání napájecího plynu do plazmového plynu. Podle výhodného provedení zahrnuje potrubí regulační ventil pro regulaci množství vodíku, dodávaného jako plazmový plyn, v závislosti na parametrech plazmo

- 1 CZ 287533 B6 vého oblouku. Zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů podle vynálezu umožňuje racionální a plynulou výrobu sazí pro další zpracování, přičemž saze jsou vyrobeny s požadovanou velikostí částic a strukturou a tak přesně připraveny pro následné užití. Kromě toho byl docílen velmi racionální a ekonomický provoz, neboť podíl vyrobeného vodíku je vracen do plazmového hořáku a tam použit jako plazmový plyn. Navíc je vodík využit v plazmovém hořáku spolu s uhlovodíkovým napájecím plynem, čímž se snižuje spotřeba elektrody, což vede k další úspoře. V systému jsou částice a hrubé frakce o nežádoucí velikosti odfiltrovány, čímž se získává rovnoměrný konečný produkt s definovanou strukturou. Díky použití tepelného rozkladného reaktoru je pomocí příměsí a nastavení tepelné zóny zaručeno, že vyrobené saze mají žádanou strukturu. Pomocí cyklu s vracením vodíku a díky použití zemního plynu nebo metanu jako výchozího materiálu je docíleno vysoce čistého rozkladu uhlovodíků, čímž se předchází blokování a usazeninám v systému a dosahuje se plynulého procesu.

Přehled obrázku na výkrese

Vynález bude dále detailně popsán pomocí obrázku na výkresu, na němž je schematicky znázorněno zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Na obrázku znázorněné zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů představuje hlavní součásti zařízení, důležité pro tento vynález, přičemž všechna ostatní potrubí a vedení, obvykle používaná a tvořící součást uvedeného zařízení, byla vynechána z důvodu zachování jasnosti. Proto výkres uvádí jen principy, použité v tomto vynálezu. Hlavní část systému pozůstává z plazmového hořáku _1 a tepelného rozkladného reaktoru 2. Plazmový hořák J je vybaven zařízením 20 pro řízené přidávání napájecího plynu do plazmového plynu. Rozkladný reaktor 2 je opatřen vstupy 18a, 18b, 18c pro přívody plynů a materiálů do tepelných zón 18a'. 18b'. 18c'. které jsou vytvořeny v tepelném rozkladném reaktoru 2 ve směru toku uhlovodíkového plynu pro úpravu fyzikálních vlastností sazí. Plazmový hořák je napájen plazmovým plynem, např. vodíkem, potrubím Γ2 a uhlovodíkovým plynem, např. metanem, z nádrže 16 nebo přímo z plynovodu potrubím Γ7. Jako bezpečností opatření lze na potrubí 17 připojit ochranné potrubí, např. argonového přívodu 15 nebo dusíkového přívodu 14. Tato odbočková potrubí se obvykle uzavírají ventily. V plazmovém hořáku _1 se uhlovodíkový plyn rozkládá. V uvedeném příkladu se metan rozkládá na saze a na vodík, které jsou potom v tepelném rozkladném reaktoru 2 dále zpracovány za účelem získání požadovaných fyzikálních vlastností výsledných sazí. Toho se dosahuje regulací tepelných zón 18a', 18b'. 18c' v tepelném rozkladném reaktoru a řízeným napájením metanu, případně směsí, odbočkovými potrubími, vedoucími do tepelného rozkladného reaktoru. Vytvořené saze postupují z tepelného rozkladného reaktoru spolu s vodíkem, přičemž saze nyní mají předem určené fyzikální vlastnosti, výstupním potrubím 3 s tepelnými výměníky 19a, 19b, provedenými jako trubkové chladiče, a dále do oddělovacího zařízení 4, které může být provedeno jako cyklonového zařízení, kde se oddělují hrubé částice, pokud nejsou požadovány pro další zpracování. Teplota v chladicím systému je snížena z výstupní teploty tepelného rozkladného reaktoru, která může ležet mezi 800 až 1600 °C, na teplotu např. 50 až 160 °C. Teplo, odvedené z toku produktu, lze směnit v tepelných výměnících 19a, 19b mezi produkty rozkladu a napájecím plynem a/nebo plazmovým plynem za účelem energetické optimalizace. Výstupní teplota z plazmového hořáku J v tepelném rozkladném reaktoru 2 je řádově 3000 až 8000 °C. Po oddělení hrubých částic v oddělovacím zařízení 4 se hrubé částice sbírají ve struskovém silu 5, z něhož mohou být později odstraněny a použity pro méně náročné účely, než jsou speciálně vyráběné saze. Vodík a saze jsou odvedeny potrubím 6 do filtračního zařízení 7, které odfiltruje přídatné složky, takže ve filtrovém silu 8 se sbírají jen saze o žádaném definovaném rozsahu a o speciální struktuře, docílené rozkladem v tepelném rozkladném reaktoru. Speciální saze jsou potom odstraněny z filtrového sila 8 pro další zpracová

-2CZ 287533 B6 ní. Zbývající vodík lze získat zpět z filtrů a sloučit jej s vodíkem v potrubí. Vodík může být dodán buď přímo do chemického zpracovatelského průmyslu, nebo uložen pro pozdější použití, lze jej použít jako nosiče energie, např. v energetice, a požadovaný podíl je vracen potrubím 11 do plazmového hořáku a tam použit jako plazmový plyn. Potrubí 11 zahrnuje regulační ventil 21 pro regulaci množství vodíku, dodávaného jako plazmový plyn, v závislosti na parametrech plazmového oblouku. Z bezpečnostních důvodů je systém spojen s plamenovým komínem, ve kterém lze plyn nechat odhořet. Tímto způsobem je jeden z produktů z procesu, provozovaného v systému, využit jako provozní prostředek pro vlastní proces. To poskytuje výhodu snížení spotřeby energie a současně zcela čistý plyn bez jakéhokoliv znečištění slouží jako plazmový plyn, což vede k minimálnímu znečišťování hořáku. Během spouštěcí doby může být nutné dodat další vodík z jiného vodíkového zdroje. Při regulaci napájení hořáku vodíkovým plynem je možné řídit provoz tepelného rozkladného reaktoru a hořáku takovým způsobem, že systém tím nabude určitého stupně samoregulace. Během normálního provozu bude systém zcela soběstačný, pokud se týká plazmového plynu. Ve shora uvedeném popisu byly popsány jen hlavní komponenty a mělo by být zcela zřejmé, že z toho je možné odvodit mnoho modifikací v rámci tohoto vynálezu. Systém podle vynálezu poskytuje též tu výhodu, že vytvořené saze nejsou znečištěny jinými prvky než těmi, které jsou přítomné v napájecím plynu, nebo materiály, jejichž přidání může být žádoucí, a které mohou být přidány do tepelného rozkladného reaktoru. Podle výhodného provedení vynálezu lze vodíkový plyn, používaný jako plazmový plyn, navíc dodávat spolu s uhlovodíkovým plynem, což má příznivý účinek ve spojitosti s opálem, nebo-li spotřebou elektrod, jejichž spotřeba se tím sníží. Řízení napájení vodíku do plazmového hořáku je docíleno regulačním ventilem, vztaženým na podmínky v plazmovém oblouku.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů, zejména metanu, v tepelném rozkladném reaktoru s plazmovým hořákem, opatřeným přívodem uhlovodíkových plynů a přívodem plazmového plynu, vyznačené tím, že tepelný rozkladný reaktor (2) je opatřen vstupy (18a, 18b, 18c) pro přívody plynů a materiálu do tepelných zón (18a', 18b', 18c'), vytvořených v tepelném rozkladném reaktoru (2) ve směru toku uhlovodíkového plynu pro úpravu fyzikálních vlastností sazí, dále je opatřen výstupním potrubím (3) pro odvod produktu rozkladu, tvořeného vodíkem a pevnými částicemi, zahrnujícími saze, které je ve směru toku produktu rozkladu opatřeno výměníky tepla (19a, 19b) pro výměnu tepla mezi produkty rozkladu na jedné straně a napájecím plynem a/nebo plazmovým plynem na straně druhé, oddělovacím zařízením (4) hrubých částic od sazí a filtračním zařízením (7) pro filtraci částic sazí zvolené velikosti a struktury a jejich odvod pro další zpracování a výstupem (9) pro odvod vodíku, spojeným s potrubím (11) plazmového plynu.
2. 2. Zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů podle nároku 1, vyznačené tím, že tepelné výměníky (19a, 19b) jsou tvořeny trubkovými chladiči pro předehřívání napájecího plynu a plazmového plynu.
3. 3. Zařízení pro výrovu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že plazmový hořák (1) zahrnuje zařízení (20) pro řízené přidávání napájecího plynu do plazmového plynu.
4. 4. Zařízení pro výrobu sazí a vodíku tepelným rozkladem uhlovodíkových plynů podle nároku 3, vyznačené tím, že potrubí (11) zahrnuje regulační ventil (21) pro regulaci množství vodíku, dodávaného jako plazmový plyn, v závislosti na parametrech plazmového oblouku.