NO176968B - Anlegg til fremstilling av karbon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et anlegg til fremstilling av karbon og hydrogen ved spalting av hydrokarboner.

Det er kjent en rekke forskjellige systemer og prosesser til fremstilling av karbon av hydrokarboner. Fra EP 315 442, EP 411 160, GB 1 150 362 og US 4 213 939 er kjent reaktorer og anlegg som benyttes ved den tradisjonelle fremstillingsmetoden for produksjon av carbon black hvor det oppnås en termisk spalting ved fullstendig eller ufullstendig forbrenning av hydrokarboner under tilførsel av luft. Avgassene fra slike reaktorer som tilføres store mengder luft, består av en blanding av gasser. Hvis hydrogen skal fremstilles er det derfor nødvendig med kostbare renseprosesser.

Fra GB 1 492 346 er kjent en pyrolytisk prosess for produksjon av carbon black ved spalting av hydrokarboner i en plasmabrenner. Gass med høy temperatur dannes i en plasmabrenner. Gassen tilføres vanndamp og ledes inn i en spaltningsreaktor hvor carbon black dannes. Avgassene består av en blanding av gasser og kostbare renseprosesser er nødvendig hvis hydrogen skal produseres.

Når det gjelder uttnyttelsesgraden av de innmatede hydrokarboner har pyrolyse vist seg langt mer effektiv enn de tradisjonelle fremstillingsmetodene. En gruppe av disse prosesser benytter seg av termisk spalting av hydrokarboner i en karbon og en hydrogenandel ved utnyttelse av en plasmabrenner. De inntil nu benyttede metoder har dog vanligvis kun ført til andre gassformede hydrokarbonprodukter, f.eks. acetylen. Det har inntil nå ikke vært utviklet noe anlegg som har muliggjort en kontinuerlig fremstilling av karbon og hydrogen, idet de tidligere anlegg etter korte driftsperioder har måttet stanses på grunn av avsetninger, slik at brennere og reaktorer har måttet renses før anlegget igjen har kunnet settes i drift. Disse ulemper har ført til at anleggene har vært meget dyre i drift med tilsvarende høye omkost-ninger og kostnader for sluttproduktene.

Det har videre vært en ulempe ved de kjente anlegg at man ikke har hatt full kontroll over de sluttprodukter, dvs. karbon og hydrogen som er blitt fremstilt, idet man kun har vært i stand til å produsere en standardkvalitet av karbonet med hensyn til fysikalske egenskaper slik at videreforedlingen av dette produkt har måttet baseres på det oppnådde karbon. Hydrogenet har i hovedsak blitt forbrent. Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et anlegg til fremstilling av karbon og hydrogen ved spalting av hydrokarbongass, som kan drives i en kontinuerlig prosess og hvor det er mulig å innstille prosessbetingelsene slik at det kan produseres et karbon med på forhånd definerte fysikalske egenskaper. Denne hensikt oppnås ved et anlegg som er kjennetegnet ved det som fremgår av patentkravene.

Ved anlegget i henhold til oppfinnelsen er det muliggjort en rasjonell og kontinuerlig produksjon av karbon for videre bearbeidelse, hvor karbonet produseres med en ønsket partikkelstørrelse og struktur, slik at karbonet er nøye tilpasset et senere anvendelsesformål. Videre er det oppnådd en meget rasjonell og kostnadsbesparende drift, idet andeler av det fremstilte hydrogen tilbakeføres til plasmabrenneren og benyttes der som plamagass. Videre benyttes hydrogen i plasmabrenneren sammen med hydrokarbonene i fødegassen, slik at elektrodeforbruket reduseres hvorved en ytterligere besparelse er blitt oppnådd. Ved anlegget filtreres uønskede partikkel-størrelser og grovfraksjoner ut, slik at man får et ensartet, definert sluttprodukt. Dette kommer i tillegg til at det benyttes en reaktor hvor det ved tilsetninger og justering av varmesonen er sørget for at det fremstilte karbon har en ønsket struktur. Ved den benyttede syklus i anlegget og ved tilbakeføring av hydrogen samt ved anvendelsen av naturgass eller metan som utgangsmateriale oppnås en meget forurensningsfri spaltning av hydrokarbonene, slik at tilstopninger og begroninger i reaktorsystemet unngås og dermed en kontinuerlig prosess.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av et utførelses-eksempel, som rent skjematisk er fremstilt på tegningen, som viser et forenklet prosesskjema for et anlegg ifølge oppfinnelsen.

Anlegget som er skissert på den vedlagte tegning viser de hovedtrekk som er av betydning for den foreliggende oppfinnelse, idet alle de ellers benyttede rør-ledninger og ledningsføringer som ville være tilstede ved et slikt anlegg er utelatt av oversiktsgrunner. Tegningen viser således kun de prinsipper som benytes ved oppfinnelsen.

Anleggets hoveddel utgjøres av en plasmabrenner 1 med et tilsluttet reaktorkammer 2. Plasmabrenneren lfår tilført plasmagass som kan være hydrogen gjennom en ledning 11 og hydrokarbongass, f.eks. metangass fra en lagertank 16 eller direkte fra en gassrørledning gjennom en ledning 17. Som sikkerhetsutstyr kan det til ledningen 17 være tilknyttet ledninger fra f.eks. argonforråd 15 og nitrogenforråd 14, idet disses grenledninger vanligvis er stengt med ventiler.

I plasmabrenneren 1 spaltes hydrokarbongassen, i eksempelet metan i karbon og hydrogen, som i reaktoren 2 viderebehandles for oppnåelsen av de ønskede fysikalske egenskaper for det dannede karbon. Dette gjøres ved temperaturstyring av soner i reaktoren og en styrt tilførsel av metan, henholdsvis tilsetningsstoffer gjennom grenledninger som fører inn i reaktorkammeret og som skjematisk er antydet ved 18. Reaktorens konstruksjon er nærmere beskrevet i søkerens samtidige patentsøknad 92 1360. Fra reaktoren føres det produserte karbon sammen med hydrogenet, idet karbonet nå har forutbestemte fysikalske egenskaper gjennom en rørkjøler 3 og videre til utskillerutstyr som f.eks. kan bestå av en syklonanordning 4,5, hvor grovpartikler utfelles, hvis disse ikke er ønsket for den videre behandling. I kjølesystemet reduseres temperaturen fra en utgangstemperatur fra reaktoren som kan ligge mellom f.eks. 800 og 1600°C, til en temperatur på f.eks. 50-160°C. Varmen som fjernes fra produktstrømmen kan varmeveksles ved 19 mot fødegass og plasmagass for energioptimalisering. Utgangstemperaturen fra plasmabrenneren i reaktoren ligger i størrelsesorden 3000-8000°C.

Etter utskillelse av grovpartikler i kjølesyklonen 4, samles de grove partikler i en slaggsilo 5 hvorfra de senere kan tas ut og benyttes til mindre kritiske formål enn det spesialrfemstilte karbonet. Hydrogenet og karbonet føres videre gjennom ledningen 6 til et hovedfilter 7 som filterer fra ytterligere bestanddeler, slik at det i filtersiloen 8 samles kun karbon med en partikkelstørrelse innenfor et ønsket, definert område og med en spesiell struktur som er oppnådd i reaktordelen. Fra filtersiloen 8 kan så det spesielle karbon tas ut og videreføres for videre bearbeidelse. Rest av hydrogen kan tas ut fra filterne og føres sammen med hydrogenet i ledningen 9. Hydrogenet kan enten tilføres direkte til en kjemisk prosessindustri eller lagres for senere bruk, det kan benyttes som energibærer og anvendes f.eks. til kraftproduksjon, og en ønsket andel føres i retur gjennom ledningen 11 til plasmabrenneren og brukes som plasmagass der. Av sikkerhets-messige grunner er anlegget forbundet med et flammetårn 10 hvor gassen kan avbrennes. Man benytter således et av sluttproduktene fra prosessen som utføres i anlegget som et drivmiddel for selve prosessen, noe som gir fordelen av redusert energiforbruk samtidig som det som plasmagass benyttes en helt ren gass uten forurensning og som gir en minimal forurensning av brenneren. I en oppstartperiode kan det være nødvendig å tilføre ekstra hydrogen fra et forråd 13. Ved styring av hydrogengasstilførselen til brenneren er det mulig å styre reaktorens og brennerens drift, slik at anlegget derved har en viss grad av selvstyring. Ved normaldrift vil anlegget være fullstendig selvforsynt med plasmagass.

Det er ved den ovenfor gitte beskrivelse av anlegget kun gitt en beskrivelse av hovedkomponentene og det skulle være helt innlysende at mange modifikasjoner vil være mulig innenfor oppfinnelsens ramme. Ved anlegget i henhold til oppfinnelsen oppnås også at det fremstilte karbon ikke vil være forurenset med andre elementer enn det som er tilstede i fødegassen eller av stoffer som er ønsket tilsatt og som kan tilsettes i reaktoren.

I gunstig utforming av oppfinnelsen kan også hydrogengassen som brukes som plasmagass tilføres hydrokarbongass i tillegg, noe som kan virke gunstig i forbindelse med avbrenningen eller forbruket av elektrodene, som derved ikke blir så hurtig forbrukt. Styringen av hydrogentilførselen til plasmabrenneren tilveiebringes ved hjelp av en styrt ventil som er knyttet til betingelser i plasmabuen.

Claims (5)

1. Anlegg til kontinuerlig fremstilling av karbon og hydrogen ved pyrolytisk spalting av hydrokarbongass, særlig metan, karakterisert ved at det som termisk spaltningsreaktor er anordnet en plasmabrenner (1) med tilførselsrørledninger (11, 17) for henholdsvis forvarmet hydrokarbongass som fødegass og forvarmet hydrogen som plasmagass og at det er anordnet midler for resirkulering av en del av det produserte hydrogen i varm tilstand til brennerens plasmagasstilførsel og at det i tilknytning til plasmabrenneren (1) er anordnet en reaktor (2) med innstillbare temperatursoner for å påvirke og bestemme karbonets egenskaper samt for å modifisere karbonets overflate og struktur, hvilken reaktor (2) har innretninger for tilførsel av gasser og materialer gjennom grenledninger (18) til de ulike temperatursoner, at det etter reaktoren er anordnet en kjøler (3) for reaksjonsproduktene og en eller flere varmevekslere (19) hvor føde- og plasmagass kan forvarmes og som etterfølges av utskillerutstyr (4, 7) som fortrinnsvis kan bestå av en syklon (4) for utskilling av grovpartikler fra karbonandelen, at syklonen (4) er forbundet med en filteranordning (7) hvor karbon med ønsket partikkelstørrelse og struktur filtreres ut til en silo (8) og til videre bearbeidelse, og at anlegget er utstyrt med en ledning (9) for overføring av hydrogen delvis til kjemisk prosessindustri, som energibærer, samt via en returledning (11) tilbake til plasmabrenneren (1).

2. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det i forbindelse med plasmabrennerens (1) tilførselsledninger (11, 17) er anordnet innretninger for styring av mengden av hydrokarbongass som tilføres plasmagassen på basis av effekten tilført plasmabrenneren (1).

3. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det i forbindelse med plasmabrennerens (1) tilførselsledninger (11, 17) er anordnet en styrt ventil knyttet til plasmabuen for styring av mengden av spaltningsgass som føres tilbake til plasmabrenneren (1) på basis av effekten tilført plasmabrenneren (1).

4. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter en lagertank (16) for tilførsel av fødegass.

5. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at kjøleren (3) er en rørkjøler for forvarming av fødegass og plasmagass.