RU166224U1

RU166224U1 - PLANT FOR PRODUCTION OF TECHNICAL CARBON BY PLASMA CHEMICAL PYROLYSIS METHOD

Info

Publication number: RU166224U1
Application number: RU2015155041/05U
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Рыков
Original assignee: Алексей Анатольевич Рыков
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-11-20

Abstract

1. Установка для получения технического углерода методом плазмохимического пиролиза, характеризующаяся тем, что она содержит вертикальный цилиндрический плазмохимический реактор, в верхней части которого располагается зона формирования плазменной струи, в средней части - зона протекания термической реакции, включающая системы подачи в зону реакции пара, воды и дополнительных веществ, в нижней части - система отвода и разделения продуктов реакции (циклоны и фильтры), причем плазменная струя формируется электродуговым плазмотроном с внутренней электрической дугой, с магнитно-вихревой стабилизацией дуги, с медными или графитовыми электродами, с водяным охлаждением, с питанием от источника постоянного тока.2. Установка для получения технического углерода по п. 1, отличающаяся тем, что реактор ориентирован под разными углами к горизонту, выполнен из графитных материалов, жаропрочной нержавеющей стали с термоизоляцией внешних стенок, может иметь исполнение коаксиального типа («цилиндр в цилиндре») с термоизоляцией.3. Установка для получения технического углерода по п. 1, отличающаяся тем, что реактор включает систему из двух и более синхронизированных электродуговых плазмотронов.4. Установка для получения технического углерода по п. 1, отличающаяся тем, что электродуговой плазмотрон содержит медный катод и медный анод со вставкой из лантанированного вольфрама.5. Установка для получения технического углерода по п. 1, отличающаяся тем, что диапазон мощности электродугового плазмотрона составляет 20-3000 кВт.6. Установка для получения технического углерода по п. 1, отличающаяся тем, что диапазон мощности источника постоянного тока составляет 20-30001. Installation for producing carbon black by plasma-chemical pyrolysis, characterized in that it contains a vertical cylindrical plasma-chemical reactor, in the upper part of which there is a zone of formation of a plasma jet, in the middle part - a zone of a thermal reaction, including systems for supplying steam, water to the reaction zone and additional substances, in the lower part there is a system for the removal and separation of reaction products (cyclones and filters), and the plasma jet is formed by an electric arc plasmatron with an internal electric arc, with magnetic vortex stabilization of the arc, with copper or graphite electrodes, water-cooled, powered by a DC source. 2. The plant for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the reactor is oriented at different angles to the horizon, made of graphite materials, heat-resistant stainless steel with thermal insulation of the external walls, and can have a coaxial type (“cylinder in cylinder”) with thermal insulation. 3. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the reactor includes a system of two or more synchronized electric arc plasmatrons. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the electric arc plasmatron contains a copper cathode and a copper anode with an insert made of lanthanum tungsten. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the power range of the electric arc plasma torch is 20-3000 kW. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the power range of the DC source is 20-3000

Description

Полезная модель относится к области производства технического углерода из газообразного углеродсодержащего сырья.The utility model relates to the production of carbon black from gaseous carbon-containing raw materials.

Известны и описаны в научно-технической литературе способы плазмохимического пиролиза углеводородного сырья посредством смешения сырья с теплоносителем, нагретым в электрической среде. При этом в качестве теплоносителя применяют аргон, водород, природный газ, продукты его пиролиза и т.п. (В.Н. Антонов, А.С. Лапидус. Производство ацетилена, с. 131-151, М.: Химия, 1970 г.).The methods of plasma-chemical pyrolysis of hydrocarbon feedstock by mixing the feedstock with a heat carrier heated in an electric medium are known and described in the scientific and technical literature. In this case, argon, hydrogen, natural gas, products of its pyrolysis, etc. are used as a heat carrier. (V.N. Antonov, A.S. Lapidus. Acetylene production, pp. 131-151, M .: Chemistry, 1970).

Из существующего уровня техники известно устройство для получения технического углерода и водорода [патент РФ №2087413, 1992 г., C01B 3/24]. Устройство состоит из главной плазменной горелки, впускной трубы для исходного потока сырья и реакционной камеры. Основная плазменная горелка снабжена минимум тремя трубчатыми коаксиально расположенными электродами, изготовленными из графита. В месте горения плазменной дуги установлена магнитная катушка, связанная с отдельным источником энергии, для регулирования магнитного поля. Устройство также снабжено дополнительными плазменными горелками, расположенными вдоль боковой стены реакционной камеры. Питающий исходный поток сырья по охлажденной впускной трубе вводится в плазменную горелку. Первый нагрев исходного материала осуществляется в области, расположенной вблизи факела плазмы. Ниже факела плазмы углеводородный материал смешивается с плазменным газом и происходит разложение углеводородного сырья. Полученный таким образом материал далее пропускают через одну или более последовательных зон для достижения заключительного разложения углеводородов. Возможно введение дополнительного сырьевого материала для охлаждения смеси и реакции с уже полученной углеродной сажей.A prior art device is known for producing carbon black and hydrogen [RF patent No. 2087413, 1992, C01B 3/24]. The device consists of a main plasma torch, an inlet pipe for the feed stream and a reaction chamber. The main plasma torch is equipped with at least three tubular coaxially arranged electrodes made of graphite. A magnetic coil connected to a separate energy source is installed in the place of burning of the plasma arc to control the magnetic field. The device is also equipped with additional plasma torches located along the side wall of the reaction chamber. The feed feed stream through a cooled inlet pipe is introduced into the plasma torch. The first heating of the starting material is carried out in the region located near the plasma torch. Below the plasma plume, the hydrocarbon material is mixed with the plasma gas and the decomposition of the hydrocarbon feed occurs. The material thus obtained is then passed through one or more consecutive zones to achieve the final decomposition of hydrocarbons. It is possible to introduce additional raw materials for cooling the mixture and the reaction with carbon black already obtained.

Одна из задач в данном изобретении формулировалась как «разработка улучшенного способа разложения углеводородов пиролизом без источника сверхэнергии», т.е. при ограниченном потреблении электрической энергии, что привело к ограничению его температурных возможностей, многоступенчатости и использованию помимо головной еще и дополнительных плазменных горелок и, как следствие, к усложнению самого устройства и возможности его управления.One of the objectives in this invention was formulated as "the development of an improved method for the decomposition of hydrocarbons by pyrolysis without a source of super energy", i.e. with limited consumption of electrical energy, which led to a limitation of its temperature capabilities, multi-stage and the use of additional plasma torches in addition to the head one and, as a result, to complicating the device itself and the possibility of its control.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому техническому результату является устройство для получения углерода путем разложения углеродсодержащего сырья, рассматриваемое в настоящей заявке в качестве прототипа [US 7452514 B2, 2008, B01J, 19/08]. Указанное устройство представляет собой плазмохимический реактор, в головной части которого расположены по крайней мере три графитовых электрода, подключенные к источнику переменного тока. При подаче напряжения между электродами создается электрическая дуга, через которую направляется плазмообразующий газ для формирования плазменной струи, в которую подается исходное углеродсодержащее сырье для проведения реакции термического разложения (пиролиза) сырья и отделения углерода от прочих продуктов реакции.The closest in technical essence and the technical result achieved is a device for producing carbon by decomposition of carbon-containing raw materials, considered in this application as a prototype [US 7452514 B2, 2008, B01J, 19/08]. The specified device is a plasma chemical reactor, in the head of which are located at least three graphite electrodes connected to an AC source. When voltage is applied between the electrodes, an electric arc is created through which the plasma-forming gas is directed to form a plasma jet, into which the carbon-containing feedstock is supplied to conduct the thermal decomposition (pyrolysis) reaction of the raw material and to separate carbon from other reaction products.

Однако при использовании для создания электрической дуги переменного тока стандартной электрической сети (50 Гц) возникают проблемы стабилизации электрической дуги, что влечет за собой невозможность четкого контроля за протекающими процессами, а упомянутая возможность применения высокочастотного источника переменного тока предпочтительно 500 Гц - 10 кГц ведет к резкому удорожанию оборудования, не решая проблему стабилизации дуги полностью, вследствие чего снижается возможность гибкого управления параметрами реакции. Также в качестве недостатка можно отметить использование графитовых электродов, которые подвержены относительно быстрому естественному износу в процессе реакции и, соответственно, необходимости разборки головной части реактора для их замены.However, when using a standard electric network (50 Hz) to create an electric arc of an alternating current (50 Hz), problems arise in stabilizing the electric arc, which entails the inability to clearly monitor the ongoing processes, and the mentioned possibility of using a high-frequency alternating current source, preferably 500 Hz - 10 kHz, leads to a sharp more expensive equipment, without solving the problem of arc stabilization completely, which reduces the possibility of flexible control of reaction parameters. Also, a drawback is the use of graphite electrodes, which are subject to relatively quick natural wear during the reaction and, accordingly, the need to disassemble the head of the reactor to replace them.

Из уровня техники известно изобретение, представляющее собой дополнительный блок, состоящий из теплообменника для рекуперации тепла отходящих газов и газовой горелки, установленной перед реакционной камерой, используемый для подогрева исходного сырья с целью увеличения КПД плазмохимического реактора и снижения энергозатрат [RU 2349545 C2, 2006]. Однако предлагаемый предварительный подогрев исходного сырья до 800 град C приведет к началу термического разложения сырья до попадания в реакционную камеру, что приведет к образованию нагара на стенках впускной трубы (инжектора) и затруднению подачи сырья в реактор.The invention is known from the prior art, which is an additional unit consisting of a heat exchanger for recovering heat from exhaust gases and a gas burner installed in front of the reaction chamber, used to heat the feedstock in order to increase the efficiency of the plasma chemical reactor and reduce energy consumption [RU 2349545 C2, 2006]. However, the proposed preliminary heating of the feedstock to 800 degrees C will lead to the onset of thermal decomposition of the feedstock before it enters the reaction chamber, which will lead to the formation of carbon deposits on the walls of the inlet pipe (injector) and the difficulty of supplying feedstock to the reactor.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является реализация отвечающего современным требованиям по безопасности, энергосбережению, удобству транспортировки, монтажа и эксплуатации оборудования для производства технического углерода различных марок с заданными физическими и химическими свойствами, новых углеродных материалов, наноматериалов.The task to which the claimed technical solution is directed is the implementation of modern safety, energy conservation, ease of transportation, installation and operation of equipment for the production of carbon black of various grades with specified physical and chemical properties, new carbon materials, nanomaterials.

Поставленная задача решается за счет того, что установка для получения технического углерода методом плазмохимического пиролиза содержит вертикальный цилиндрический плазмохимический реактор, в верхней части которого располагается зона формирования плазменной струи, в средней части - зона протекания термической реакции, включающая системы подачи в зону реакции пара, воды и дополнительных веществ, в нижней части - система отвода и разделения продуктов реакции (циклоны и фильтры), причем плазменная струя формируется электродуговым плазмотроном с внутренней электрической дугой, с магнитно-вихревой стабилизацией дуги, с медными или графитовыми электродами, с водяным охлаждением, с питанием от источника постоянного тока.The problem is solved due to the fact that the installation for producing carbon black by plasma-chemical pyrolysis contains a vertical cylindrical plasma-chemical reactor, in the upper part of which there is a zone of formation of a plasma jet, in the middle part - a zone of a thermal reaction, including systems for supplying steam, water to the reaction zone and additional substances, in the lower part there is a system for removal and separation of reaction products (cyclones and filters), and the plasma jet is formed by an electric arc plasma otronom with internal arc, with magnetic vortex stabilization of the arc, with copper or graphite electrodes, water-cooled, powered by dc current source.

Реактор может быть ориентирован под разными углами к горизонту, выполнен из графитных материалов, жаропрочной нержавеющей стали с термоизоляцией внешних стенок, может иметь исполнение коаксиального типа («цилиндр в цилиндре») с термоизоляцией.The reactor can be oriented at different angles to the horizon, made of graphite materials, heat-resistant stainless steel with thermal insulation of the external walls, and can be of the coaxial type (“cylinder in cylinder”) with thermal insulation.

Реактор может включать включает систему из двух и более синхронизированных электродуговых плазмотронов.The reactor may include a system of two or more synchronized electric arc plasmatrons.

Электродуговой плазмотрон может содержать медный катод и медный анод со вставкой из лантанированного вольфрамаAn electric arc plasmatron may contain a copper cathode and a copper anode with an insert made of lanthanum tungsten

Диапазон мощности электродугового плазмотрона составляет 20-3000 кВт.The power range of the electric arc plasma torch is 20-3000 kW.

Диапазон мощности источника постоянного тока составляет 20-3000 кВт.The power range of the DC source is 20-3000 kW.

Реактор предпочтительно содержит инжекторный блок для ввода сырьевого газа в зону реакции, включающий по крайней мере шесть одинаково распределенных по окружности вокруг зоны реакции форсунок.The reactor preferably comprises an injection unit for introducing feed gas into the reaction zone, comprising at least six nozzles equally distributed around the circumference of the reaction zone.

Реализована возможность проводить термохимические реакции преимущественно в диапазоне температур 800-7000 градC в течение 0,01-0,5 с.The ability to carry out thermochemical reactions predominantly in the temperature range of 800-7000 degrees C for 0.01-0.5 s.

Реализована возможность получать ацетиленовый технический углерод.Implemented the ability to produce acetylene carbon black.

Электродуговой плазмотрон может работать на различных плазмообразующих газах (азот, аргон, гелий, природный газ, водород и их смеси), тем самым меняя компоненты рабочей среды в зоне реакции и состав конечных продуктов реакции.An electric arc plasmatron can operate on various plasma-forming gases (nitrogen, argon, helium, natural gas, hydrogen and their mixtures), thereby changing the components of the working medium in the reaction zone and the composition of the final reaction products.

Системы подачи в зону реакции пара, воды и дополнительных веществ позволяют проводить одноступенчатые и двухступенчатые охлаждение и закалку продуктов реакции.The systems for supplying steam, water and additional substances to the reaction zone allow one-stage and two-stage cooling and quenching of reaction products.

В зоне реакции могут устанавливаться сменные инжекторные модули с разными количеством (от 1 до 200) и параметрами (диаметр, угол распыления, пропускная способность) форсунок для введения водяного пара под давлением (1-25 бар) и дополнительных веществ - жидкостей, газов, мелкодисперсных твердых частиц - для взаимодействия их с продуктами реакции при высоких температурах (800-7000 градC).In the reaction zone, replaceable injection modules can be installed with different numbers (from 1 to 200) and parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for introducing water vapor under pressure (1-25 bar) and additional substances - liquids, gases, finely dispersed solid particles - for their interaction with the reaction products at high temperatures (800-7000 degrees C).

В конце зоны реакции могут устанавливаться сменные инжекторные модули с разными количеством (от 1 до 200) и параметрами (диаметр, угол распыления, пропускная способность) форсунок для подачи воды под давлением (1-25 бар) и дополнительных веществ - жидкостей, газов, мелкодисперсных твердых частиц - для взаимодействия их с продуктами реакции при низких температурах (100-1000 градC).At the end of the reaction zone, replaceable injection modules can be installed with different numbers (from 1 to 200) and parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for supplying water under pressure (1-25 bar) and additional substances - liquids, gases, finely dispersed solid particles - for their interaction with the reaction products at low temperatures (100-1000 degrees C).

Установка в зоне реакции предпочтительно содержит генератор электромагнитного и электростатического полей.The installation in the reaction zone preferably comprises a generator of electromagnetic and electrostatic fields.

Плазменная струя может формироваться из газообразных продуктов реакции, рециркулируемых в систему подачи в плазмотрон.The plasma jet can be formed from the gaseous reaction products recycled to the plasma torch feed system.

Плазменная струя может формироваться из сырьевого газа.The plasma jet can be formed from feed gas.

Предпочтительно, установка включает блок рекуперации, для предварительного подогрева сырьевого газа до температуры в диапазоне 100-700 градC с целью регулировки его исходной температуры и снижения энергозатрат.Preferably, the installation includes a recovery unit for preheating the feed gas to a temperature in the range of 100-700 degrees C in order to adjust its initial temperature and reduce energy consumption.

Установка может работать на следующих видах сырьевого газа: природный газ, попутные газы при нефтепереработке, пиролизные газы из пиролизных установок различного типа, любые углеродсодержащие газы и их смеси с содержанием углерода не менее 50% массы.The installation can operate on the following types of raw gas: natural gas, associated gases during oil refining, pyrolysis gases from pyrolysis plants of various types, any carbon-containing gases and their mixtures with a carbon content of at least 50% by weight.

Установка может включать вихревой коагуляционный циклон для отделения высокодисперсного технического углерода.The installation may include a vortex coagulation cyclone to separate highly dispersed carbon black.

Предпочтительно, установка имеет автоматизированную систему управления.Preferably, the installation has an automated control system.

Достигаемый технический результат заключается в получении технического углерода различных марок и его соединений, новых углеродных материалов (в т.ч. наноматериалов) с заданными физическими и химическими свойствами за счет комплексного функционирования модулей и систем установки и управления параметрами процесса плазмохимического пиролиза углеродсодержащего сырья на любом этапе реакции.The technical result achieved is the production of carbon black of various grades and its compounds, new carbon materials (including nanomaterials) with specified physical and chemical properties due to the integrated functioning of the modules and systems of the installation and control of the process parameters of plasma-chemical pyrolysis of carbon-containing raw materials at any stage reactions.

Промышленная применимость технического углерода весьма широка. Технический углерод используется в производстве автомобильных шин, резинотехнических изделий, в качестве усиливающего компонента резин и пластических масс, в качестве черного пигмента; замедлителя «старения» пластмасс; компонента, придающего материалам специальные свойства (электропроводные, антистатические, способность поглощать ультрафиолетовое излучение, излучение радаров) и в прочих отраслях промышленности. Мировое производство технического углерода с каждым годом растет.The industrial applicability of carbon black is very wide. Carbon black is used in the manufacture of car tires, rubber products, as a reinforcing component of rubbers and plastics, as a black pigment; retardant “aging” of plastics; a component that gives materials special properties (electrically conductive, antistatic, the ability to absorb ultraviolet radiation, radar radiation) and in other industries. World production of carbon black is growing every year.

Данное техническое решение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более, не ограничивают весь его объем притязаний, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:This technical solution is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit its entire scope of claims, but are only illustrative materials of a particular case of execution:

На фиг. 1 представлена схема установки для получения технического углерода.In FIG. 1 shows a diagram of a plant for producing carbon black.

Установка для получения технического углерода методом плазмохимического пиролиза содержит плазмохимический реактор 1, в верхней части которого располагается зона формирования плазменной струи ЗП, в средней части - зона протекания термической реакции ЗР, включающая системы подачи в зону реакции пара 11, воды 13 и дополнительных веществ, в нижней части - система отвода и разделения продуктов реакции 15 (циклоны и фильтры), причем плазменная струя формируется электродуговым плазмотроном 2 с внутренней электрической дугой, с магнитно-вихревой стабилизацией дуги, с медными или графитовыми электродами, с водяным охлаждением 5, с питанием от источника постоянного тока 3.The installation for producing carbon black by plasma chemical pyrolysis contains a plasma chemical reactor 1, in the upper part of which there is a zone of formation of a plasma jet of ZP, in the middle part is a zone of the course of the thermal reaction of ZR, which includes systems for supplying steam 11, water 13 and additional substances to the reaction zone, the lower part - the system of removal and separation of reaction products 15 (cyclones and filters), and the plasma jet is formed by an electric arc plasmatron 2 with an internal electric arc, with a magnetic vortex tabilizatsiey arc, with copper or graphite electrodes, water-cooled 5, powered by dc current source 3.

Для создания плазменной струи в плазмотрон подается плазмообразующий газ 4. Для подогрева сырьевого газа 6 применяется блок рекуперации 7, включающий теплообменник 8. Подогретый сырьевой газ 6 вводится через инжекторный блок 9 в реактор 1.To create a plasma jet, a plasma-forming gas 4 is supplied to the plasmatron 4. To heat the feed gas 6, a recovery unit 7 is used, including a heat exchanger 8. Heated feed gas 6 is introduced through the injection unit 9 into the reactor 1.

В зоне реакции ЗР установлены сменные инжекторный модуль подачи водяного пара и дополнительных веществ 10 и инжекторный модуль подачи воды и дополнительных веществ 12.In the reaction zone of ZR, replaceable injection module for supplying water vapor and additional substances 10 and an injection module for supplying water and additional substances 12 are installed.

В зоне реакции ЗР размещены генераторы электромагнитного и электростатического полей 14 для воздействия на продукты реакции.In the reaction zone of the ZR placed generators of electromagnetic and electrostatic fields 14 to influence the reaction products.

Для разделения продуктов реакции установка содержит систему циклонов и фильтров 15 и газоразделительную установку 16, а для упаковки конечного продукта - фасовочное оборудование 17.For the separation of reaction products, the installation contains a system of cyclones and filters 15 and a gas separation unit 16, and for packaging the final product - packaging equipment 17.

Установка для получения технического углерода имеет автоматизированную систему управления 18 с пультом оператора.Installation for producing carbon black has an automated control system 18 with an operator panel.

Сущность плазмохимического метода получения технического углерода заключается в термическом разложении углеродсодержащего сырья в плазменной струе на составные элементы с последующей их обработкой и разделением. Для создания плазменной струи применяется электродуговой плазмотрон.The essence of the plasma-chemical method for producing carbon black lies in the thermal decomposition of carbon-containing raw materials in a plasma stream into constituent elements, followed by their processing and separation. An electric arc plasmatron is used to create a plasma jet.

Генерация плазмы в плазмотронах по сравнению с другими видами нагрева газа, например с помощью химических или ядерных реакций, имеет ряд неоспоримых преимуществ. Используемая для нагрева электрическая энергия - наиболее универсальный, доступный, а в большинстве случаев и наиболее дешевый вид энергии. В плазмотронах для получения плазмы могут быть использованы практически любые вещества. Плазмотроны обладают широкими возможностями нагрева плазмы в диапазоне температур до (1…20)*10^-3 К. Установки с плазмотронами относительно просты в обслуживании… (Клименко Г.К., Ляпин А.А. Конструкции электродуговых плазмотронов, с. 3, М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010)Plasma generation in plasmatrons in comparison with other types of gas heating, for example using chemical or nuclear reactions, has a number of undeniable advantages. The electric energy used for heating is the most universal, affordable, and in most cases the cheapest type of energy. In plasmatrons, virtually any substance can be used to obtain plasma. Plasmatrons have wide possibilities of plasma heating in the temperature range up to (1 ... 20) * 10 ^-3 K. Installations with plasmatrons are relatively easy to maintain ... (Klimenko G.K., Lyapin A.A. Designs of electric arc plasmatrons, p. 3, M : MSTU named after N.E.Bauman, 2010)

Установка для получения технического углерода методом плазмохимического пиролиза работает следующим образом:Installation for producing carbon black by plasma chemical pyrolysis is as follows:

Процесс плазмохимического пиролиза углеродсодержащего газообразного сырья проводится в плазмохимическом вертикально расположенном реакторе 1 предпочтительно цилиндрической формы, выполненном из графитных материалов, жаропрочной нержавеющей стали и их комбинаций с термоизоляцией внешних стенок. Реактор может быть ориентирован под разными углами к горизонту, иметь исполнение коаксиального типа («цилиндр в цилиндре») с термоизоляцией. Линейные размеры и объем реактора рассчитываются в соответствии с мощностью используемого плазмотрона и могут варьироваться в пределах 1-7 м по высоте и 0,15-2 м в диаметре.The process of plasma chemical pyrolysis of carbonaceous gaseous feed is carried out in a plasma chemical vertical reactor 1 preferably of cylindrical shape made of graphite materials, heat-resistant stainless steel and their combinations with thermal insulation of the outer walls. The reactor can be oriented at different angles to the horizon, have a coaxial type design (“cylinder in cylinder”) with thermal insulation. The linear dimensions and volume of the reactor are calculated in accordance with the power of the used plasma torch and can vary between 1-7 m in height and 0.15-2 m in diameter.

Плазменная струя формируется электродуговым плазмотроном 2 с магнитно-вихревой стабилизацией внутренней дуги с медными или графитовыми электродами, подключенными к источнику (преобразователю) постоянного тока 3 соответствующей характеристикам плазмотрона мощностью, запитываемого от стандартной электрической сети переменного тока 50 Гц 380 В. При необходимости возможно питание источника постоянного тока от электрической сети 6 кВ или 10 кВ. Исходя из физики процесса, источник постоянного тока позволяет добиться гораздо более высокой стабильности горения электрической дуги по сравнению с электрической дугой от источникаThe plasma jet is formed by an electric arc plasmatron 2 with magnetically vortex stabilization of the internal arc with copper or graphite electrodes connected to a source (converter) of direct current 3 corresponding to the characteristics of a plasma torch with a power supplied from a standard electric alternating current network of 50 Hz 380 V. If necessary, the source can be powered direct current from an electric network of 6 kV or 10 kV. Based on the physics of the process, the direct current source allows to achieve a much higher stability of burning an electric arc compared to an electric arc from a source

переменного тока, тем самым упрощая управление формируемой плазменной струей и расширяя его диапазон.alternating current, thereby simplifying the control of the generated plasma jet and expanding its range.

Плазмообразующий газ 4 подается непосредственно в плазмотрон 2, проходит через тангенциально расположенные относительно оси каналы в корпусе плазмотрона, приобретая сильное вихревое течение, вызывающее стабилизацию дуги в приосевой зоне.Plasma-forming gas 4 is supplied directly to the plasma torch 2, passes through channels tangentially located relative to the axis in the plasma torch body, acquiring a strong vortex flow, causing arc stabilization in the axial zone.

Стабилизирующее влияние вихря на дугу обусловлено тем, что из-за инерционных (центробежных) сил холодный и, следовательно, более плотный газ располагается у стенки, вытесняя нагретый более легкий газ (дугу) к оси. Вихревое движение газа выполняет еще одну стабилизирующую функцию, а именно обеспечивает вращение конца дуги на катоде, благодаря чему опорные пятна дуги перемещаются по поверхности катода, что создает благоприятные условия для его охлаждения и увеличения срока эксплуатации. (А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Свирчук. "Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет". М.: Машиностроение, 1993). Магнитная стабилизация дуги осуществляется с помощью соленоида. Комбинированная магнитно-вихревая стабилизация дуги уменьшает диаметр электрического разряда и позволяет повысить температуру в плазменной струе.The stabilizing effect of the vortex on the arc is due to the fact that due to inertial (centrifugal) forces, a cold and, therefore, denser gas is located near the wall, forcing the heated lighter gas (arc) to the axis. The vortex motion of the gas performs another stabilizing function, namely, it ensures the rotation of the end of the arc at the cathode, due to which the supporting spots of the arc move along the surface of the cathode, which creates favorable conditions for its cooling and increase the service life. (A.S. Koroteev, V.M. Mironov, Yu.S. Svirchuk. "Plasmatrons. Designs, characteristics, calculation". M.: Mechanical Engineering, 1993). Magnetic stabilization of the arc is carried out using a solenoid. Combined magnetic vortex stabilization of the arc reduces the diameter of the electric discharge and allows you to increase the temperature in the plasma jet.

При эксплуатации электродугового плазмотрона с медным катодом и медным анодом, анод в месте опорного пятна дуги имеет вставку из лантанированного вольфрама или другого жаропрочного материала для увеличения его износостойкости и срока эксплуатации. Электродуговой плазмотрон имеет водяное охлаждение для исключения его перегрева и выхода из строя. Система водяного охлаждения 5 плазмотрона включает водяной насос, радиатор охлаждения, емкость для воды. В качестве плазмообразующего газа 4 могут использоваться азот, аргон, водород, гелий, природный газ или любой другой подходящий газ, любые смеси перечисленных газов, а также газообразные продукты реакции в качестве его составной части путем их рециркуляции в систему подачи в плазмотрон. В зависимости от природы применяемого плазмообразующего газа меняется состав компонентов термической реакции и конечных продуктов реакции. Например, для получения ацетилена преимущественно используются плазмы водорода и природного газа или их смесь, при использовании в качестве плазмообразующего газа азота в продуктах пиролиза может содержаться цианистый водород, при использовании водяного пара, парокислородной или воздушной плазмы получают синтез-газ (СО+Н₂). Использование сырьевого газа в качестве плазмообразующего исключает прочие элементы из реакции и повышает чистоту продуктов реакции.When operating an electric arc plasma torch with a copper cathode and a copper anode, the anode at the site of the arc reference spot has an insert of lanthanum tungsten or other heat-resistant material to increase its wear resistance and service life. The electric arc plasma torch has water cooling to prevent its overheating and failure. The water cooling system 5 of the plasma torch includes a water pump, a cooling radiator, and a water tank. As the plasma-forming gas 4, nitrogen, argon, hydrogen, helium, natural gas or any other suitable gas, any mixtures of these gases, as well as gaseous reaction products as an integral part of them can be used by recirculating them into the plasma torch feed system. Depending on the nature of the plasma-forming gas used, the composition of the components of the thermal reaction and the final reaction products change. For example, to obtain acetylene, hydrogen and natural gas plasmas are used predominantly, or a mixture thereof, when using nitrogen as a plasma forming gas, pyrolysis products may contain hydrogen cyanide, when using water vapor, vapor-oxygen or air plasma, synthesis gas (CO + H ₂ ) is obtained . The use of feed gas as a plasma-forming material eliminates other elements from the reaction and increases the purity of the reaction products.

Плазменная струя формируется при прохождении плазмообразующего газа 4 через электрическую дугу между электродами внутри корпуса плазмотрона 2 и подается через его сопло непосредственно в зону реакции ЗР, то есть зоной формирования плазменной струи ЗП является собственно сам плазмотрон, что обеспечивает возможность гибкого управления параметрами плазменной струи (скорость, температура) путем регулирования расхода плазмообразующего газа 4, параметров подаваемого на плазмотрон тока, размера сопла, в зависимости от которых достигается общий технический результат.The plasma jet is formed when the plasma-forming gas 4 passes through an electric arc between the electrodes inside the plasma torch body 2 and is fed through its nozzle directly into the reaction zone of the radiator, i.e., the plasma torch itself is the plasma jet formation zone, which allows flexible control of the plasma jet parameters (speed (temperature) by controlling the flow rate of the plasma-forming gas 4, the parameters of the current supplied to the plasmatron, the size of the nozzle, depending on which conductive technical result.

Сырьевой газ 6 поступает в блок рекуперации 7, включающий теплообменник 8, где он предварительно подогревается до заданной температуры в диапазоне 100-700 градC путем рекуперации тепла из зоны реакции ЗР. Блок рекуперации 7 используется для регулировки исходной температуры сырьевого газа, необходимой для достижения технического результата, и позволяет снизить энергозатраты на эту операцию.The feed gas 6 enters the recovery unit 7, including a heat exchanger 8, where it is preheated to a predetermined temperature in the range of 100-700 degrees C by recovering heat from the reaction zone ZR. The recovery unit 7 is used to adjust the initial temperature of the feed gas, necessary to achieve a technical result, and allows to reduce energy consumption for this operation.

Подогретый сырьевой газ 6 вводится в зону реакции ЗР через инжекторный блок 9, включающий по крайней мере шесть одинаково распределенных по окружности вокруг зоны реакции ЗР форсунок, предпочтительно радиально внутрь к центру плазменной струи для достижения однородности параметров реакции (максимального перемешивания сырьевого газа с плазменной струей и равномерного его прогрева для образования гомогенной смеси) для получения продуктов реакции высокого качества. Термическая деструкция компонентов сырьевого газа 6 осуществляется в плазменной струе предпочтительно при отсутствии кислорода и кислородсодержащих веществ. Такое ведение процесса снижает выход побочных продуктов. Сырьевой газ 6 в зависимости от поставленных задач может вводиться также тангенциально, по осевой составляющей во внешнюю зону плазменной струи или комбинированным способом, в этом случае в силу наличия градиентов температуры и скорости на периферии плазменной струи изменяется степень нагрева сырьевого газа в зависимости от зоны его взаимодействия с плазменной струей и, как следствие, состав и свойства продуктов реакции. В качестве сырьевого газа 6 могут использоваться любые углеродсодержащие газы и их смеси с содержанием углерода не менее 50% массы: природный газ, метан, пропан, бутан, этан, этилен, пропилен, ацетилен, попутные газы при нефтепереработке, пиролизные газы из пиролизных установок различного типа, синтез-газ и прочие. В зависимости от состава сырьевого газа 6 меняется состав компонентов термической реакции и выход конечных продуктов реакции. Например, ацетиленовый технический углерод получается в результате переработки ацетилена, газовый - природного газа. Вместе с сырьевым газом 6 в реактор 1 могут подаваться дополнительные вещества - различные газы либоHeated feed gas 6 is introduced into the reaction zone of the SR through an injection unit 9, comprising at least six nozzles equally distributed around the reaction zone of the SR of nozzles, preferably radially inward to the center of the plasma jet to achieve uniform reaction parameters (maximum mixing of the raw gas with the plasma jet and its uniform heating to form a homogeneous mixture) to obtain high-quality reaction products. Thermal destruction of the components of the feed gas 6 is carried out in a plasma jet, preferably in the absence of oxygen and oxygen-containing substances. This process control reduces the yield of by-products. Depending on the objectives, the feed gas 6 can also be introduced tangentially, along the axial component, into the outer zone of the plasma jet or in a combined way, in this case, due to the presence of temperature and velocity gradients at the periphery of the plasma jet, the degree of heating of the feed gas changes depending on the zone of its interaction with a plasma jet and, as a consequence, the composition and properties of the reaction products. As the raw gas 6, any carbon-containing gases and their mixtures with a carbon content of at least 50 wt% can be used: natural gas, methane, propane, butane, ethane, ethylene, propylene, acetylene, associated gases during oil refining, pyrolysis gases from pyrolysis plants of various type, synthesis gas and others. Depending on the composition of the feed gas 6, the composition of the components of the thermal reaction and the yield of the final reaction products change. For example, acetylene carbon black is obtained as a result of processing acetylene, gas - natural gas. Together with the feed gas 6, additional substances, various gases or

мелкодисперсные твердые частицы - в качестве катализаторов или для взаимодействия их с компонентами сырьевого газа при высоких температурах для обеспечения требуемых свойств конечных продуктов реакции.fine solid particles - as catalysts or for their interaction with the components of the feed gas at high temperatures to provide the required properties of the final reaction products.

В ходе реакции реагенты перемещаются по зоне реакции ЗР по ходу движения плазменной струи со скоростью, регулируемой потоком плазменной струи и давлением в системе подачи сырьевого газа. Время протекания реакции возможно регулировать в пределах 0,01-0,5 с, а температуру - в пределах 800-7000 градC за счет изменения количества подаваемого сырьевого газа и управления параметрами плазменной струи, формируемой плазмотроном 2. Проведение реакции в диапазоне температур 3500-7000 градC возможно в случае принудительного охлаждения стенок реактора.During the reaction, the reagents move along the reaction zone of the ZR in the direction of the plasma jet at a speed controlled by the plasma stream and pressure in the feed gas supply system. The reaction time can be controlled within 0.01-0.5 s, and the temperature within 800-7000 degrees C due to changes in the amount of feed gas and control of the parameters of the plasma jet formed by the plasmatron 2. Conducting the reaction in the temperature range 3500-7000 degC is possible in case of forced cooling of the walls of the reactor.

Попадая в плазменную струю, сырьевой газ 6 нагревается до температуры, соответствующей требуемым параметрам реакции (например, синтез электропроводного технического углерода проводится при температуре 1500-1600 градC, достигаемой приблизительно за 0,05 с), и происходит процесс пиролиза. Длительность его составляет приблизительно 10^-4-10^-6 с.Once in the plasma jet, the feed gas 6 is heated to a temperature corresponding to the required reaction parameters (for example, the synthesis of electrically conductive carbon black is carried out at a temperature of 1500-1600 degrees C, achieved in about 0.05 s), and the pyrolysis process occurs. Its duration is approximately 10 ^-4 -10 ^-6 s.

Далее в зоне реакции ЗР установлен сменный инжекторный модуль 10 с варьируемыми в зависимости от требований к проведению реакции количеством (от 1 до 200) и физическими параметрами (диаметр, угол распыления, пропускная способность) форсунками для введения водяного пара под давлением (1-25 бар) и дополнительных веществ - различных жидкостей, газов, мелкодисперсных твердых частиц - для взаимодействия их с углеродом и прочими продуктами реакции при высоких температурах (800-7000 градC), что позволяет проводить требуемую степень активации, изменять электропроводные, антистатические, усиливающие и прочие свойства технического углерода для достижения общего технического результата. Пар генерируется парогенератором 11 и путем управления давлением в камере парогенератора разогревается до необходимой для реакции температуры (100-300 градC) и подается через форсунки в зону реакции ЗР для взаимодействия с продуктами пиролиза, которое длится приблизительно 0,1-0,5 с. Этот процесс может регулироваться по времени в зависимости от поставленной задачи.Further, in the reaction zone of the ZR, a replaceable injection module 10 is installed with the quantity (from 1 to 200) and physical parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for injecting water vapor under pressure (1-25 bar) depending on the requirements for the reaction ) and additional substances - various liquids, gases, finely divided solid particles - for their interaction with carbon and other reaction products at high temperatures (800-7000 degrees C), which allows you to carry out the required degree of activation, change the ele conductive, antistatic, reinforcing and other properties of carbon black to achieve a common technical result. The steam is generated by the steam generator 11 and, by controlling the pressure in the chamber of the steam generator, is heated to the temperature necessary for the reaction (100-300 degrees C) and fed through nozzles to the reaction zone of the air-conditioning unit for interaction with the pyrolysis products, which lasts approximately 0.1-0.5 s. This process can be adjusted in time depending on the task.

В зависимости от поставленных задач для придания продуктам реакции новых свойств реализована возможность воздействия на них создаваемыми генераторами 14 электромагнитным и/или электростатическим полями с варьируемыми характеристиками.Depending on the tasks set, in order to give the reaction products new properties, it is possible to expose them to electromagnetic and / or electrostatic fields created by generators 14 with variable characteristics.

В конце зоны реакции ЗР установлен сменный инжекторный модуль 12 с варьируемыми в зависимости от требований к проведению реакции количеством (от 1 до 200) и физическими параметрами (диаметр, угол распыления, пропускная способность) форсунками для подачи воды под давлением (1-25 бар) и дополнительных веществ - различных жидкостей, газов, мелкодисперсных твердых частиц - для взаимодействия их с продуктами реакции при низких температурах (100-1000 градC) с целью охлаждения, закалки, придания им требуемых свойств для достижения общего технического результата.At the end of the reaction zone of the ZR, a replaceable injection module 12 is installed with the quantity (from 1 to 200) and physical parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for supplying water under pressure (1-25 bar) depending on the requirements for carrying out the reaction and additional substances - various liquids, gases, finely divided solid particles - for their interaction with reaction products at low temperatures (100-1000 degrees C) in order to cool, quench, give them the required properties to achieve a common technical cut tata.

Система подачи воды 13 в парогенератор 11 ив зону реакции ЗР через инжекторный модуль 12 включает водяной насос, расширительный бак для поддержания необходимого постоянного давления, емкость для воды с клапаном подпитки для поддержания необходимого объема жидкости. Водяной пар после зоны реакции охлаждается, конденсируется, и вода направляется обратно в емкость для последующего использования.The system for supplying water 13 to the steam generator 11 and the reaction zone ЗР through the injection module 12 includes a water pump, an expansion tank to maintain the necessary constant pressure, a water tank with a recharge valve to maintain the required volume of liquid. Water vapor after the reaction zone is cooled, condensed, and water is directed back to the tank for later use.

После охлаждения до температуры ниже 300 градC продукты реакции попадают в систему разделения 15, включающую ряд циклонов и фильтров (рукавный, центробежный и пр.) различных конструкций в зависимости от размеров улавливаемых частиц (в частности применяется коагуляционный циклон для отделения частиц размером от 20 нм с КПД 95%), на выходе из которой устанавливается фасовочное оборудование 17 для упаковки конечного продукта - технического углерода.After cooling to a temperature below 300 degrees C, the reaction products enter a separation system 15, which includes a number of cyclones and filters (bag, centrifugal, etc.) of various designs depending on the size of the captured particles (in particular, a coagulation cyclone is used to separate particles from 20 nm in size Efficiency 95%), at the outlet of which the filling equipment 17 is installed for packaging the final product - carbon black.

Промышленно применимые газообразные продукты реакции поступают в газоразделительные установки 16 с целью получения чистых продуктов (например, водорода). Газообразные продукты реакции, применимые для формирования плазменной струи, направляются в систему подачи плазмообразующего газа 4 в плазмотрон 2. Прочие газы могут использоваться в качестве теплоносителя, в парогазовых или газотурбинных установках или выбрасываться в атмосферу в соответствии с нормами экологической безопасности.The industrially applicable gaseous reaction products enter the gas separation units 16 in order to obtain pure products (e.g. hydrogen). Gaseous reaction products applicable for the formation of a plasma jet are sent to the plasma-forming gas supply system 4 to the plasma torch 2. Other gases can be used as a coolant, in combined-cycle or gas turbine plants, or emitted into the atmosphere in accordance with environmental safety standards.

Задание параметров проведения реакции осуществляется либо в ручном режиме, основываясь на показаниях контрольно-измерительных приборов, либо с использованием автоматизированной системы управления 18 через пульт оператора, на дисплее которого в любой момент времени отображаются все характеристики проходящего процесса. Автоматизированная система управления 18 осуществляет постоянный контроль предельных значений параметров реакции для предотвращения нештатных и аварийных ситуаций в соответствии с требованиями техники безопасности.The parameters of the reaction are set either manually, based on the readings of the instrumentation, or using the automated control system 18 through the operator console, the display of which at any time displays all the characteristics of the process. Automated control system 18 constantly monitors the limit values of the reaction parameters to prevent emergency and emergency situations in accordance with safety requirements.

Технический углерод, получаемый методом плазмохимического пиролиза, имеет морфологию и структуру, непосредственно зависящую от условий проведения реакции, поэтому эти параметры управляемы. Предлагаемая установка для получения технического углерода позволяет управлять процессом плазмохимического пиролиза на любом из его этапов, задавать условия проведения реакции и, соответственно, получать технический углерод различных марок и его соединения с требуемыми физическими и химическими характеристиками, со свойствами, которые получить традиционными методами весьма сложно из-за трудоемкости процессов, ограничений в возможностях существующего оборудования, соблюдения требований экологической безопасности. Кроме того, управление процессом плазмохимического пиролиза позволяет получать новые углеродные материалы, в т.ч. наноматериалы. Неоспоримыми преимуществами данного оборудования являются компактность, удобство монтажа и эксплуатации, экономическая эффективность, экологическая безопасность.Carbon black obtained by plasma chemical pyrolysis has a morphology and structure that directly depends on the reaction conditions, therefore these parameters are controllable. The proposed installation for producing carbon black allows you to control the process of plasma chemical pyrolysis at any of its stages, set the conditions for the reaction and, accordingly, obtain carbon black of various grades and its compounds with the required physical and chemical characteristics, with properties that are difficult to obtain using traditional methods from -for the complexity of the processes, limitations in the capabilities of existing equipment, compliance with environmental safety requirements. In addition, the control of the plasma chemical pyrolysis process allows to obtain new carbon materials, including nanomaterials. The indisputable advantages of this equipment are compactness, ease of installation and operation, economic efficiency, environmental safety.

Claims

1. Installation for producing carbon black by plasma-chemical pyrolysis, characterized in that it contains a vertical cylindrical plasma-chemical reactor, in the upper part of which there is a zone of formation of a plasma jet, in the middle part - a zone of a thermal reaction, including systems for supplying steam, water to the reaction zone and additional substances, in the lower part there is a system for the removal and separation of reaction products (cyclones and filters), and the plasma jet is formed by an electric arc plasmatron with an internal electric arc, with magnetic vortex stabilization of the arc, with copper or graphite electrodes, water-cooled, powered by a direct current source.

2. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the reactor is oriented at different angles to the horizon, made of graphite materials, heat-resistant stainless steel with thermal insulation of the outer walls, can have a coaxial type (“cylinder in cylinder”) with thermally insulated.

3. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the reactor includes a system of two or more synchronized arc plasma torches.

4. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the electric arc plasmatron contains a copper cathode and a copper anode with an insert made of lanthanum tungsten.

5. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the power range of the electric arc plasma torch is 20-3000 kW.

6. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the power range of the DC source is 20-3000 kW.

7. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the reactor contains an injection unit for introducing feed gas into the reaction zone, including at least six nozzles equally distributed around the circumference around the reaction zone.

8. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that it allows thermochemical reactions in the temperature range 800-7000 ° C for 0.01-0.5 s

9. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that it allows to obtain acetylene carbon black.

10. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the electric arc plasmatron operates on various plasma-forming gases (nitrogen, argon, helium, natural gas, hydrogen and their mixtures), thereby changing the components of the working medium in the reaction zone and the composition end products of the reaction.

11. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that the supply system in the reaction zone of steam, water and additional substances allows for single-stage and two-stage cooling and quenching of reaction products.

12. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that in the reaction zone there are provided replaceable injection modules with different numbers (from 1 to 200) and parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for introducing water vapor under pressure (1-25 bar) and additional substances - liquids, gases, fine solid particles - at high temperatures (800-7000 ° C).

13. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that at the end of the reaction zone there are provided replaceable injection modules with different numbers (from 1 to 200) and parameters (diameter, spray angle, throughput) of nozzles for supplying water under pressure (1-25 bar) and additional substances - liquids, gases, fine solid particles - at low temperatures (100-1000 ° C).

14. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that in the reaction zone contains a generator of electromagnetic and electrostatic fields.

15. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the plasma jet is formed from gaseous reaction products recycled to the feed system into the plasma torch.

16. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that the plasma jet is formed from raw gas.

17. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that it includes a recovery unit for preheating the feed gas to a temperature in the range of 100-700 ° C.

18. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that it runs on the following types of raw gas: natural gas, associated gases during oil refining, pyrolysis gases from pyrolysis plants of various types, any carbon-containing gases and their mixtures with carbon content of not less than 50% of the mass.

19. Installation for producing carbon black according to claim 1, characterized in that it includes a vortex coagulation cyclone for separating highly dispersed carbon black.

20. Installation for producing carbon black under item 1, characterized in that it has an automated control system.