RU2776054C2 - Method for calcium sulfide decomposition - Google Patents
Method for calcium sulfide decomposition Download PDFInfo
- Publication number
- RU2776054C2 RU2776054C2 RU2020120430A RU2020120430A RU2776054C2 RU 2776054 C2 RU2776054 C2 RU 2776054C2 RU 2020120430 A RU2020120430 A RU 2020120430A RU 2020120430 A RU2020120430 A RU 2020120430A RU 2776054 C2 RU2776054 C2 RU 2776054C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cas
- carbon
- cao
- reactor
- oxygen
- Prior art date
Links
- AGVJBLHVMNHENQ-UHFFFAOYSA-N Calcium sulfide Chemical compound [S-2].[Ca+2] AGVJBLHVMNHENQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract 9
- 229940055700 calcium sulfide Drugs 0.000 title abstract 9
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 title abstract 3
- RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N sulphur dioxide Chemical compound O=S=O RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 12
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium monoxide Chemical compound [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 6
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract 3
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 abstract 2
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs
Настоящее изобретение относится к способу разложения сульфида кальция до оксида кальция и диоксида серы путем окисления углерода в условиях регулирования стехиометрии по кислороду для контроля общего содержания диоксида углерода и затрат энергии в процессе разложения.The present invention relates to a process for the decomposition of calcium sulfide to calcium oxide and sulfur dioxide by oxidizing carbon under controlled oxygen stoichiometry to control the total carbon dioxide content and energy costs of the decomposition process.
Предшествующий уровень техникиPrior Art
Сульфид кальция (CaS) представляет собой один из основных побочных продуктов разложения фосфогипса (ФГ) в процессе его восстановления [1, 2] и, соответственно, предпринимались значительные усилия, чтобы избежать его присутствия в твердых продуктах, образующихся при разложении фосфогипса [3, 4].Calcium sulfide (CaS) is one of the main by-products of phosphogypsum (PG) decomposition during its reduction [1, 2] and, accordingly, significant efforts have been made to avoid its presence in solid products formed during the decomposition of phosphogypsum [3, 4 ].
Выброс CaS в окружающую среду может привести к выделению H2S в результате взаимодействия CaS с водой [5].The release of CaS into the environment can lead to the release of H 2 S as a result of the interaction of CaS with water [5].
Одним из решений данной проблемы является превращение CaS в CaSO4 или CaO в условиях окисления, однако существует ряд ограничений. Во-первых, в процессе окисления CaS образуются два различных твердых продукта:One solution to this problem is to convert CaS to CaSO 4 or CaO under oxidizing conditions, but there are a number of limitations. First, during the oxidation of CaS, two different solid products are formed:
Какая именно реакция будет происходить, (1) или (2), определяется условиями реакции [6]. Например, при высокой концентрации О2 и высокой температуре образуется CaSO4. В случае, если поверхность частиц CaS покрыта слоем CaSO4, CaS не превратится в CaSO4 до тех пор, пока не произойдет разложение CaSO4 не на CaO, SO2 и O2 при высокой температуре (свыше 1200°C) [7]:Which reaction will take place, (1) or (2), is determined by the reaction conditions [6]. For example, at a high concentration of O 2 and a high temperature, CaSO 4 is formed. If the surface of CaS particles is covered with a CaSO 4 layer, CaS will not turn into CaSO 4 until CaSO 4 decomposes into CaO, SO 2 and O 2 at high temperature (above 1200°C) [7]:
Было показано, что использование диоксида углерода в качестве реагирующего газа для разложения ФГ при отношении СО2/СО≈5-6 значительно снижает количество CaS [8-10].It was shown that the use of carbon dioxide as a reacting gas for the decomposition of FG at a ratio of CO 2 /CO≈5-6 significantly reduces the amount of CaS [8-10].
В других способах стадию окисления для превращения CaS в CaSO4 рассматривали совместно со стадией восстановления для повторного превращения CaSO4 в CaO и SO2 [3, 4]. Однако данный способ имеет ряд недостатков. Например, только внешний слой частиц CaS окисляется до CaSO4, а впоследствии восстанавливается до CaO, что приводит к низкой конверсии CaS. Поэтому необходима высокая скорость рециркуляции между реакторами окисления и восстановления. Тем не менее в предложенных способах требуется очень высокая скорость нагревания для поддержания температуры реактора в интервале от 950-1200°C.In other methods, an oxidation step to convert CaS to CaSO 4 has been considered in conjunction with a reduction step to reconvert CaSO 4 to CaO and SO 2 [3, 4]. However, this method has a number of disadvantages. For example, only the outer layer of CaS particles is oxidized to CaSO 4 and subsequently reduced to CaO, resulting in low CaS conversion. Therefore, a high recirculation rate between the oxidation and reduction reactors is necessary. However, the proposed methods require a very high heating rate to maintain the reactor temperature in the range of 950-1200°C.
Во-вторых, еще одним ограничением, делающим разложение CaS данным способом нерентабельным, являются значительные энергозатраты. Все реакции разложения протекают при температуре свыше 1100°C, поэтому крайне важно обеспечить теплоту, необходимую для поддержания реактора при такой температуре.Secondly, another limitation that makes CaS decomposition by this method unprofitable is significant energy consumption. All decomposition reactions take place at temperatures above 1100°C, so it is essential to provide the heat needed to keep the reactor at that temperature.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Цель настоящего изобретения заключается в создании способа разложения, в котором не только обеспечивается необходимая энергия, но и происходит эффективная конверсия CaS в CaO и SO2.The aim of the present invention is to provide a decomposition method that not only provides the necessary energy, but also efficiently converts CaS to CaO and SO 2 .
Соответственно, в изобретении предложен способ разложения сульфида кальция (CaS) до оксида кальция (CaO) и диоксида серы (SO2). Данный способ характеризуется главным образом тем, что он включает в себя:Accordingly, the invention provides a process for decomposing calcium sulfide (CaS) to calcium oxide (CaO) and sulfur dioxide (SO 2 ). This method is characterized mainly by the fact that it includes:
- обеспечения наличия реактора, содержащего сульфид кальция и источник углерода,- ensuring the presence of a reactor containing calcium sulfide and a source of carbon,
- окисление источника углерода для генерирования диоксида углерода (СО2),- oxidation of the carbon source to generate carbon dioxide (CO 2 ),
- введение во взаимодействие сульфида кальция с указанным диоксидом углерода для получения оксида кальция (CaO), диоксида серы (SO2) и монооксида углерода (СО) в соответствии со следующим уравнением реакции:- introduction into the interaction of calcium sulfide with the specified carbon dioxide to obtain calcium oxide (CaO), sulfur dioxide (SO 2 ) and carbon monoxide (CO) in accordance with the following reaction equation:
CaS+3CO2→CaO+SO2+3COCaS+3CO 2 → CaO+SO 2 +3CO
в котором количество кислорода и углерода на стадии окисления выбирают таким образом, чтобы:in which the amount of oxygen and carbon in the oxidation step is chosen so that:
(i) массовое отношение С/CaS составляло от 0,15 до 0,35 и(i) the C/CaS weight ratio was from 0.15 to 0.35 and
(ii) массовое отношение О2/С составляло от 5 до 25.(ii) the mass ratio of O 2 /C was from 5 to 25.
Оксид кальция можно рециркулировать в процесс удаления H2S в слое, тогда как SO2 можно использовать для производства серной кислоты.The calcium oxide can be recycled to the H 2 S removal process in the bed, while the SO 2 can be used to produce sulfuric acid.
Согласно другим необязательным характеристиками настоящего изобретения:According to other optional characteristics of the present invention:
- отношение C/CaS предпочтительно равно 0,25;the C/CaS ratio is preferably 0.25;
- отношение O2/С предпочтительно равно 8;- the ratio of O 2 /C is preferably equal to 8;
- на стадии окисления реактор нагревают до температуры, находящейся в интервале от 900°C до 1200°C, предпочтительно около 1100°C;- in the oxidation stage, the reactor is heated to a temperature in the range from 900°C to 1200°C, preferably about 1100°C;
- реактор предпочтительно нагревают путем индукционного нагрева. Однако его можно также нагревать при помощи другого внешнего источника, такого как источник электроэнергии;the reactor is preferably heated by induction heating. However, it can also be heated by another external source such as an electrical power source;
- источник углерода включает в себя по меньшей мере один из: каменный уголь, кокс, древесный уголь и сланцевую нефть;- the carbon source includes at least one of: coal, coke, charcoal and shale oil;
- реактор предпочтительно представляет собой реактор непрерывного действия, такой как как реактор с псевдоожиженным слоем или вращающуюся обжиговую печь, и имеет входное и выходное отверстие для пропускания тока О2 через сульфид кальция и источник углерода.the reactor is preferably a continuous reactor, such as a fluidized bed reactor or a rotary kiln, and has an inlet and outlet for passing current O 2 through calcium sulfide and a carbon source.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Следующие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, основанного на прилагаемых чертежах, в которых:The following features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings, in which:
фиг. 1 относится к разложению сульфида кальция с использованием СО2: (а) безразмерные выходные количества на единицу CaS, и (b) энергозатраты на единицу массы CaS. Пунктирной линией (b) показано требуемое отношение СО2/CaS при полной конверсии CaS. Представленные данные получены путем расчета равновесия с использованием моделирования методом FactSage™;fig. 1 refers to the decomposition of calcium sulfide using CO 2 : (a) dimensionless output quantities per unit of CaS, and (b) energy costs per unit mass of CaS. The dotted line (b) shows the desired ratio of CO 2 /CaS at full conversion of CaS. The presented data are derived from equilibrium calculations using FactSage™ simulations;
на фиг. 2 показана схема реактора с псевдоожиженным слоем и индукционным нагревом для экспериментов по разложению гипса с использованием окисления углерода;in fig. 2 shows a diagram of a fluidized bed reactor with induction heating for gypsum decomposition experiments using carbon oxidation;
фиг. 3 относится к разложению сульфида кальция путем сжигания углерода при отношении С/CaS≈0,2: (а) безразмерные выходные количества на единицу CaS, и (b) энергозатраты на единицу массы CaS. Пунктирной линией (b) показано оптимальное отношение О2/С при максимальных значениях выходов CaO и SO2. Приведенные данные получены путем расчета равновесия с использованием моделирования методом FactSage™;fig. 3 relates to the decomposition of calcium sulfide by burning carbon at a ratio of C/CaS≈0.2: (a) dimensionless output quantities per unit of CaS, and (b) energy costs per unit mass of CaS. The dotted line (b) shows the optimal O 2 /C ratio at the maximum yields of CaO and SO 2 . Data shown is derived from equilibrium calculations using FactSage™ simulations;
на фиг. 4 показано получение SO2 в результате разложения CaS путем окисления углерода в реакторе с псевдоожиженным слоем и индукционным нагревом при температуре 1100°С при общей массе образца 6 г для различных отношений C/CaS и O2/CaS.in fig. 4 shows SO 2 production from CaS decomposition by carbon oxidation in a fluidized bed reactor with induction heating at 1100° C. for a total sample weight of 6 g for various C/CaS and O 2 /CaS ratios.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Настоящее изобретение относится к разложению CaS при помощи окисления (при стехиометрическом избытке О2) углерода (например, каменного угля, кокса, древесного угля или любого другого источника углерода) для удаления нежелательного CaS, образующегося в процессе разложения ФГ или любых других процессов, и превращения его в СаО и SO2. The present invention relates to the decomposition of CaS by oxidizing (with a stoichiometric excess of O 2 ) carbon (for example, coal, coke, charcoal or any other carbon source) to remove unwanted CaS formed during the decomposition of FG or any other processes, and converting it into CaO and SO 2.
Разложение сульфида кальция можно осуществить в условиях окисления при температуре 1100°C, как указано в уравнениях реакций (1) и (2):The decomposition of calcium sulfide can be carried out under oxidizing conditions at a temperature of 1100°C, as indicated in the reaction equations (1) and (2):
Однако в результате этого процесса может образоваться CaSO4, приводя к необходимости дополнительной обработки твердого вещества.However, as a result of this process, CaSO 4 can be formed, leading to the need for additional processing of the solid.
В другом способе, осуществляемом при 1100°C, который можно применять для разложения CaS, используют СО2 согласно уравнению реакции:Another method, carried out at 1100°C, which can be used to decompose CaS, uses CO 2 according to the reaction equation:
Следует отметить, что для полной конверсии CaS необходимо отношение CO2/СО≈30 (см. фиг. 1(а)). Полное удаление CaS при помощи сильного тока СО2, направляемого во входное отверстие реактора, может привести к захвату частиц. При использовании реактора с псевдоожиженным слоем сильный ток СО2 способен вызвать выброс частиц, что не только окажет влияние на кинетику реакции, но также потребует масштабной фильтрации. Из реактора отводят примерно 95% введенного СО2, что может нанести серьезный ущерб окружающей среде. Кроме того, для способа с использованием СО2 необходимо значительное количество энергии (≈42 кДж/г CaS, фиг. 1(b)). В результате данный способ не рекомендуется для проведения полной конверсии CaS.It should be noted that the ratio of CO 2 /CO≈30 is necessary for complete conversion of CaS (see Fig. 1(a)). Complete removal of CaS with a strong current of CO 2 directed into the inlet of the reactor can lead to particle entrapment. When using a fluidized bed reactor, a strong current of CO 2 can cause the emission of particles, which will not only affect the reaction kinetics, but also require large-scale filtration. Approximately 95% of the introduced CO 2 is withdrawn from the reactor, which can cause serious damage to the environment. In addition, the CO 2 method requires a significant amount of energy (≈42 kJ/g CaS, Fig. 1(b)). As a result, this method is not recommended for complete CaS conversion.
В условиях окисления углерод, как источник энергии, вступает в две следующие реакции:Under oxidation conditions, carbon, as an energy source, enters into the following two reactions:
где данные реакции являются экзотермическими. Сульфид кальция непосредственно не реагирует с углеродом. Однако CaS можно превратить в СаО и SO2 согласно реакцииwhere these reactions are exothermic. Calcium sulfide does not directly react with carbon. However, CaS can be converted to CaO and SO 2 according to the reaction
Из продуктов реакции (7) СаО и СО не взаимодействуют с CaS, тогда как SO2 способен реагировать с CaS с образованием CaSO4:Of the products of reaction (7), CaO and CO do not interact with CaS, while SO 2 is able to react with CaS to form CaSO 4 :
После этого между CaS и CaSO4 могут происходить различные реакции, приводящие в результате к желательным твердым и газообразными продуктам:Thereafter, various reactions can take place between CaS and CaSO 4 , resulting in the desired solid and gaseous products:
При достаточном количестве углерода и регулируемых объемах кислорода, углерод способен привести к выработке необходимого количества энергии и, в то же время, необходимого объема СО2 для инициирования процесса разложения CaS. Поэтому в непрерывных потоках CaS и углерода при введении кислорода все реакции протекают за счет теплоты, образующейся при сгорании углерода.With enough carbon and controlled volumes of oxygen, carbon is able to produce the required amount of energy and, at the same time, the required amount of CO 2 to initiate the CaS decomposition process. Therefore, in continuous flows of CaS and carbon, when oxygen is introduced, all reactions proceed due to the heat generated during the combustion of carbon.
Далее настоящее изобретение объяснено более подробно при помощи неограничивающих примеров и вариантов осуществления.Hereinafter, the present invention is explained in more detail using non-limiting examples and embodiments.
Чистый CaS (99,99%, диаметр частиц 20<dρ<60 мкм, ρ→2,6 г/см3) предоставлен компанией Sigma-Aldrich, США, а в качестве источника углерода компанией Recommunity Inc., Канада предоставлен каменный уголь (диаметр частиц 20<dρ<60 мкм), имеющий теплоту сгорания 28289 кДж/кг и характеризуемый данными CHNS-элементного анализа (определение массовых долей углерода (С), водорода (Н), азота (N) и серы (S)) и NAA (нейтронно-активационного анализа), которые представлены далее в таблицах 5 и 6 соответственно.Pure CaS (99.99%,
Эксперименты по разложению CaS при помощи окисления углерода проводили в новом реакторе с псевдоожиженным слоем и индукционным нагревом, который способен выдерживать нагревание до 1100°С при скорости 200°C/с.Experiments on the decomposition of CaS by carbon oxidation were carried out in a new fluidized bed reactor with induction heating, which is able to withstand heating up to 1100°C at a rate of 200°C/s.
Схема устройства 100 для проведения реакции, включающая данный реактор 10, показана на фиг. 2.A schematic of a
Реактор 10 включает в себя ввод 20 газа, через который кислород О2 (реагирующий газ) подают в реактор. Источник кислорода 21, который связан с цифровым регулятором 22 расхода, питаемым источником 23 питания, позволяет регулировать поток кислорода О2, вводимый в реактор 10.The
Аналогичным образом, реактор 10 включает в себя ввод 30 газа, через который азот N2 (газ-носитель) подают в реактор. Источник азота 31, который связан с цифровым регулятором 32 расхода, питаемым источником 33 питания, позволяет регулировать поток азота, вводимый в реактор 10.Similarly,
Указанные газы покидают реактор через выходное отверстие 40, снабженное термо- и/или электроизоляцией 41.These gases leave the reactor through the
Анализатор 50, такой как ИК-Фурье спектрометр (инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием) можно использовать для проведения анализа газов, выходящих из реактора, для сбора данных, на основании которых получают, например, инфракрасные спектры, спектры испускания или спектры поглощения. Для этой цели предусмотрен источник азота 51, который связан с цифровым регулятором 52 расхода, питаемым источником 53 питания.An
Реактор 10 состоит из трубы, предпочтительной изготовленной из алюминия, в которую перед проведением реакции помещают песок 11, фосфогипс 12 и уголь 13. Внутри реактора 10 вертикальные стержни 14 из нержавеющей стали прикреплены к пластине. Металлическая спираль 15, предпочтительно, медная спираль, обмотана вокруг трубы реактора 10 и к ней подают энергию при помощи источника 60 питания для индукционного нагрева. Температуру реактора регулируют при помощи регулятора 70 температуры. Устройство для проведения реакции 100 предпочтительно снабжено системой 80 сбора данных (DAS или DAQ) для отбора сигналов различных экспериментальных параметров и их преобразования в значения, подходящие для компьютерной обработки.The
Потоки азота N2 и кислорода O2 с заранее определенными скоростями приводят в псевдоожиженное состояние материал, находящийся внутри трубы, таким образом, чтобы он обеспечивал минимальные условия псевдоожижения, что достигается за счет синхронизации скоростей потока и температуры внутри реактора 10, измеряемой при помощи термопар. Однако отношение азота N2 и кислорода O2 поддерживают постоянным при помощи цифрового регулятора 22 потока.Flows of nitrogen N 2 and oxygen O 2 at predetermined rates fluidize the material inside the tube so that it provides minimum fluidization conditions, which is achieved by synchronizing the flow rates and the temperature inside the
Протекание электрического тока (изменяющего свое направление с очень высокой частотой) в металлической спирали 15 приводит к возникновению магнитного поля, так что направление указанного магнитного поля также изменяется с очень высокой частотой. Стержни 14 из нержавеющей стали являются проводниками, в которых электрический ток индуцируется магнитным полем. Вследствие этого за счет эффекта Джоуля внутри трубы реактора 10, окруженной металлической спиралью 15, выделяется теплота.The flow of an electric current (changing its direction at a very high frequency) in the
Пример. Оптимальное отношение углерода и O2 для разложения CaS до SO2 и CaOExample. Optimal carbon to O 2 ratio for CaS decomposition to SO 2 and CaO
CO2, необходимый для взаимодействия с CaS и образования SO2 и CaO, получают при сгорании углерода. Поэтому, чтобы гарантировать выработку достаточного количества CO2, количество кислорода должно превышать стехиометрическое. Низкое содержание кислорода приводит к образованию CO, который не взаимодействует с CaS. В результате этого объем вводимого в реактор кислорода должен по меньшей мере соответствовать затратам энергии для всех реакций разложения. Затем полученный CO2 способен инициировать первоначальную конверсию CaS с образованием SO2 и CaO согласно следующему уравнению реакции:CO2required for interaction with CaS and formation of SO2 and CaO, obtained by burning carbon. Therefore, to ensure the production of sufficient CO2, the amount of oxygen must be greater than stoichiometric. The low oxygen content results in the formation of CO, which does not interact with CaS. As a result, the volume of oxygen introduced into the reactor must at least correspond to the energy costs for all decomposition reactions. Then the resulting CO2 capable of initiating the initial conversion of CaS to form SO2 and CaO according to the following reaction equation:
С другой стороны, слишком большой объем вводимого кислорода, несмотря на большее количество выделившейся энергии, приведет к образованию больших объемов CO2, что может привести к получению CaSO4 вместо CaO и SO2 в соответствии с уравнением реакции:On the other hand, too much oxygen introduced, in spite of the greater amount of energy released, will lead to the formation of large volumes of CO 2 , which can lead to the production of CaSO 4 instead of CaO and SO 2 in accordance with the reaction equation:
Поэтому количество кислорода для данного способа должно быть оптимизировано. Из результатов моделирования методом FactSage™, представленных на фиг. 3 (a) и (b), видно, что теплота, выделяющаяся при сгорании углерода при отношениях C/CaS≈2 и O2/C≈6, обеспечивает более чем достаточное количество теплоты (≈10,5 кДж/г CaS), которое также можно использовать для предварительного нагревания твердого сырья и газа-окислителя до их введения в реактор разложения.Therefore, the amount of oxygen for this method must be optimized. From the FactSage™ simulation results shown in FIG. 3 (a) and (b), it can be seen that the heat released during the combustion of carbon at C/CaS≈2 and O 2 /C≈6 ratios provides more than enough heat (≈10.5 kJ/g CaS), which can also be used to preheat the solid feedstock and oxidant gas prior to their introduction into the decomposition reactor.
В целом, при инициации процесса протекают следующие четыре серии реакций. Первая стадия включает сгорание углерода и окисление CaS в присутствии кислорода:In general, when the process is initiated, the following four series of reactions occur. The first stage includes the combustion of carbon and the oxidation of CaS in the presence of oxygen:
где реакция (6) по сравнению с реакцией (5) является наиболее вероятной благодаря высокой концентрации кислорода в реакторе. Несмотря на регулирование содержания кислорода, протекает побочная реакция (13), неблагоприятная по сравнению с реакцией (14). На второй стадии, после образования CaSO4, пусть и в ничтожно малом количестве, протекает следующая серия реакций с участием не только CaSO4 и CaS, но и углерода, что в конечном итоге способствует эффективному образованию CaO и SO2:where reaction (6) is more probable than reaction (5) due to the high oxygen concentration in the reactor. Despite the regulation of the oxygen content, a side reaction (13) proceeds, which is unfavorable compared to the reaction (14). At the second stage, after the formation of CaSO 4 , albeit in a negligibly small amount, the following series of reactions proceeds with the participation of not only CaSO 4 and CaS, but also carbon, which ultimately contributes to the efficient formation of CaO and SO 2 :
а такжеas well as
Таким образом, для удаления нежелательного CaSO4 отсутствует необходимость добавлять стадию окисления по аналогии с предшествующими способами [4], поскольку CaSO4 превращается либо в CaS, либо в желательные продукты под действием СО, образовавшегося либо в результате окисления углерода (реакция 5), либо твердофазной реакции (18) между CaSO4 и C. Следовательно, CaS можно разложить до CaO и SO2 при помощи окисления углерода при отношениях О2/С≈6 C/CaS≈0,2. Энергия, необходимая для всех реакцией разложения, обеспечивается за счет окисления углерода при температуре 1100°C, благодаря чему не нужен внешний источник энергии.Thus, to remove unwanted CaSO 4 there is no need to add an oxidation step in analogy with previous methods [4], since CaSO 4 is converted either to CaS or to the desired products by the action of CO formed either as a result of the oxidation of carbon (reaction 5) or solid phase reaction (18) between CaSO 4 and C. Therefore, CaS can be decomposed to CaO and SO 2 by carbon oxidation at O 2 /C≈6 C/CaS≈0.2. The energy required for all decomposition reactions is provided by the oxidation of carbon at 1100°C, so no external energy source is needed.
Для экспериментов, осуществляемых в реакторе с псевдоожиженным слоем, начальные условия исходных веществ представлены далее в таблице 1. Кроме того, результаты всех экспериментов сведены в таблицу 2, описанную в двух следующих разделах.For experiments carried out in a fluidized bed reactor, the initial conditions of the starting materials are presented below in table 1. In addition, the results of all experiments are summarized in table 2, described in the next two sections.
Следует отметить, что во всех экспериментах в качестве источника углерода использовали каменный уголь.It should be noted that coal was used as the carbon source in all experiments.
В таблице 3 показано влияние изменения отношение C/CaS при постоянном отношении O2/CaS (≈3, считающимся оптимальным).Table 3 shows the effect of changing the C/CaS ratio at a constant O 2 /CaS ratio (≈3, considered optimal).
При C/CaS≈0,15, отношение O2/CaS≈3 приводит к производству большего количества CO2, чем CO в соответствии со следующими уравнениями реакций:At C/CaS≈0.15, the ratio O 2 /CaS ≈3 results in the production of more CO 2 than CO according to the following reaction equations:
Кроме того, вследствие избытка О2 протекают также две следующие реакции:In addition, due to an excess of O 2 , the following two reactions also occur:
что впоследствии приводит к протеканию реакций c (15) по (22) с образованием CaSO4. В результате при отношении C/CaS≈0,15 конверсия CaS недостаточно высока, поскольку CaS образуется на некоторых стадиях повторно или не полностью реагирует с CO2 вследствие недостатка углерода.which subsequently leads to reactions from (15) to (22) with the formation of CaSO 4 . As a result, at C/CaS≈0.15, the conversion of CaS is not high enough, because CaS is re-formed in some steps or does not completely react with CO 2 due to lack of carbon.
Отличительной особенностью данного ряда реакций является то, что СО образуется в результате двух реакций при любых обстоятельствах:A distinctive feature of this series of reactions is that CO is formed as a result of two reactions under any circumstances:
или даже в реакцииor even in reaction
приводя к получению CaSO4. Образование СО играет существенную роль для достижения высокой конверсии CaS, поскольку при взаимодействии CaS с кислородом CaSO4 неизбежно образуется в виде слоя на частицах CaS. В этом случае CO, получаемый в результате описанных выше реакций, взаимодействует с CaSO4 и превращает его в CaO и SO2. Таким образом, частицы CaS вновь могли бы контактировать с молекулами CO2 и O2 и участвовать в реакциях разложения.leading to the production of CaSO 4 . The formation of CO plays a significant role in achieving a high conversion of CaS, since the interaction of CaS with oxygen inevitably forms CaSO 4 as a layer on CaS particles. In this case, the CO resulting from the reactions described above reacts with CaSO 4 and converts it into CaO and SO 2 . Thus, CaS particles could again come into contact with CO 2 and O 2 molecules and participate in decomposition reactions.
При повышении доли углерода в сырье от отношения C/CaS≈0,15 до 0,25, и поскольку объем кислорода оптимален для получения количества СО2, достаточного для взаимодействия с CaS, конверсия CaS повышается, в то время как образование CaSO4 практически прекращается за счет быстрого взаимодействия углерода и кислорода. Образование CO2 на этой стадии максимально благоприятствовало бы следующей реакции:With an increase in the proportion of carbon in the feedstock from the ratio C/CaS≈0.15 to 0.25, and since the volume of oxygen is optimal for obtaining the amount of CO 2 sufficient to interact with CaS, the conversion of CaS increases, while the formation of CaSO 4 practically stops due to the rapid interaction of carbon and oxygen. The formation of CO 2 at this stage would most favor the following reaction:
Однако при увеличении доли углерода в исходном материале до отношения C/CaS≈0,35, отношение вводимого О2/С было бы меньше оптимального значения, в результате чего образовывалось бы больше СО, чем CO2. В таких условиях кислород частично взаимодействует с CaS и наряду с CaSO4 приводит к образованию CaO и SO2. В соответствии с более высоким выходом CO по сравнению с таковым при C/CaS≈0,25, в этом случае выход CaSO4 минимален, поскольку большой объем образовавшегося СО способствует превращению CaSO4 в другие продукты.However, if the proportion of carbon in the feedstock was increased to C/CaS≈0.35, the ratio of O 2 /C introduced would be less than the optimum value, resulting in more CO than CO 2 being produced. Under such conditions, oxygen partially interacts with CaS and, along with CaSO 4 , leads to the formation of CaO and SO 2 . In accordance with the higher yield of CO compared to that at C/CaS≈0.25, in this case the yield of CaSO 4 is minimal, since the large volume of formed CO contributes to the conversion of CaSO 4 into other products.
(мол. %)CaS
(mol.%)
(мол. %)CaO
(mol.%)
(мол. %) CaSO4
(mol.%)
В таблице 4 показано влияние изменения отношения O2/CaS при постоянном отношении C/CaS (≈0,25, которое считают оптимальным).Table 4 shows the effect of changing the O 2 /CaS ratio at a constant C/CaS ratio (≈0.25, which is considered optimal).
Для отношения C/CaS≈0,25 оптимальное отношение О2/CaS составляет≈3.For the C/CaS≈0.25 ratio, the optimal O 2 /CaS ratio is ≈3.
Более низкое количество кислорода в исходном материале благоприятствует образованию CO, а не СО2.The lower amount of oxygen in the feed favors the formation of CO rather than CO 2 .
Следует отметить, что CaS непосредственно взаимодействует с СО2, а не с СО.It should be noted that CaS interacts directly with CO 2 and not with CO.
В результате, частичное взаимодействие CaS с СО2 способствует образованию СаО и SO2, однако CaSO4 также превращается в желательные продукты за счет реакции с СО.As a result, partial reaction of CaS with CO 2 promotes the formation of CaO and SO 2 , but CaSO 4 is also converted to the desired products by reaction with CO.
С другой стороны, другие количества кислорода, превышающие его количество при отношении О2/CaS≈3, могут привести к частичному образованию CaSO4 согласно уравнению CaS+2О2→CaSO4.On the other hand, other amounts of oxygen, exceeding its amount at a ratio of O 2 /CaS≈3, can lead to partial formation of CaSO 4 according to the equation CaS+2O 2 →CaSO 4 .
Однако присутствие большого количества кислорода приводит также к разложению CaS до требуемых продуктов.However, the presence of a large amount of oxygen also leads to the decomposition of CaS to the desired products.
Таким образом, полная конверсия CaS на этой стадии увеличивается, в то время как выход CaSO4 также заметно возрастает.Thus, the total conversion of CaS at this stage increases, while the yield of CaSO 4 also increases markedly.
Иными словами, при высокой концентрации кислорода, превышающей необходимое оптимальное значение в исходном материале, общая конверсия CaS увеличивается, хотя этот рост не приводит к образованию желательных продуктов.In other words, at a high oxygen concentration, above the required optimal value in the starting material, the overall conversion of CaS increases, although this increase does not lead to the formation of the desired products.
Закономерности образования SO2 во всех проведенных опытах в реакторе с псевдоожиженным слоем представлены на фиг. 4.The patterns of SO 2 formation in all experiments carried out in a fluidized bed reactor are shown in FIG. four.
Как и ожидалось на основании описанных выше экспериментов, максимальное количество SO2 образуется при отношениях О2/CaS≈3 и C/CaS≈0,25 (кривая C2).As expected from the experiments described above, the maximum amount of SO 2 is formed at the ratios O 2 /CaS≈3 and C/CaS≈0.25 (curve C2).
Более высокие количества либо углерода, либо кислорода препятствуют образованию SO2, в то время как меньшие количества приводят к частичной конверсии CaS и, таким образом, к меньшему количеству желательных газообразных продуктов.Higher amounts of either carbon or oxygen inhibit the formation of SO 2 while lower amounts result in partial CaS conversion and thus less desirable gaseous products.
Следует отметить, что для расчетов учитывали только содержание углерода в угле.It should be noted that only the carbon content in coal was taken into account for the calculations.
ЛитератураLiterature
[1] Патент США 6024932.[1] U.S. Patent 6,024,932.
[2] Патент США 4503018.[2] U.S. Patent 4,503,018.
[3] D. Lynch and J. Elliott, “Analysis of the oxidation reactions of CaS,” Metallurgical Transactions B, vol. 11, no. 3, pp. 415-425, 1980.[3] D. Lynch and J. Elliott, “Analysis of the oxidation reactions of CaS,” Metallurgical Transactions B, vol. 11, no. 3, pp. 415-425, 1980.
[4] Патент США 543,939.[4] US Patent 543,939.
[5] R. Shabou, M. Zairi, and H. Ben Dhia, “Characterisation and environnemental impacts of olive oil wastewater disposal,” Environmental Technol., vol. 26, no. 1, pp. 35-45, 2005.[5] R. Shabou, M. Zairi, and H. Ben Dhia, “Characterisation and environnemental impacts of olive oil wastewater disposal,” Environmental Technol., vol. 26, no. 1, pp. 35-45, 2005.
[6] R. Torres-Ordonez, J. Longwell, and A. Sarofim, “Physical transformations during solid calcium sulfide oxidation,” Energy and Fuels, vol. 3, no. 5, pp. 595-603, 1989.[6] R. Torres-Ordonez, J. Longwell, and A. Sarofim, “Physical transformations during solid calcium sulfide oxidation,” Energy and Fuels, vol. 3, no. 5, pp. 595-603, 1989.
[7] D. Lynch and J. Elliott, “Analysis of the oxidation reactions of CaS,” Metallurgical Transactions B, vol. 11, no. 3, pp. 415-425, 1980.[7] D. Lynch and J. Elliott, “Analysis of the oxidation reactions of CaS,” Metallurgical Transactions B, vol. 11, no. 3, pp. 415-425, 1980.
[8] Патент США 3087790.[8] US Patent 3,087,790.
[9] C. Cardenas-Escudero, V. Morales-Flarez, R. Parez-Lapez, A. Santos, and L. Esquivias, “Procedure to use phosphogypsum industrial waste for mineral CO2 sequestration,” J. Hazard. Mater., vol. 196, pp. 431-435, 2011.[9] C. Cardenas-Escudero, V. Morales-Flarez, R. Parez-Lapez, A. Santos, and L. Esquivias, “Procedure to use phosphogypsum industrial waste for mineral CO 2 sequestration,” J. Hazard. Mater., vol. 196, pp. 431-435, 2011.
[10] S. Wu, M. Uddin, S. Nagamine, and E. Sasaoka, “Role of water vapor in oxidative decomposition of calcium sulfide,” Fuel, vol. 83, no. 6, pp. 671-677, 2004.[10] S. Wu, M. Uddin, S. Nagamine, and E. Sasaoka, “Role of water vapor in oxidative decomposition of calcium sulfide,” Fuel, vol. 83, no. 6, pp. 671-677, 2004.
Claims (14)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP17203183.3 | 2017-11-22 | ||
EP17203183 | 2017-11-22 | ||
PCT/MA2018/000018 WO2019103585A1 (en) | 2017-11-22 | 2018-11-22 | Calcium sulfide decomposition process |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020120430A RU2020120430A (en) | 2021-12-23 |
RU2020120430A3 RU2020120430A3 (en) | 2022-02-17 |
RU2776054C2 true RU2776054C2 (en) | 2022-07-12 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4102989A (en) * | 1974-05-15 | 1978-07-25 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Simultaneous reductive and oxidative decomposition of calcium sulfate in the same fluidized bed |
US4216197A (en) * | 1978-10-17 | 1980-08-05 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The United States Environmental Protection Agency | Converting calcium sulphide to calcium oxide |
SU1805626A1 (en) * | 1991-01-30 | 1996-07-20 | Таллинский технический университет | Method of phosphogypsum thermic processing |
US6083862A (en) * | 1994-03-14 | 2000-07-04 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Cyclic process for oxidation of calcium sulfide |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4102989A (en) * | 1974-05-15 | 1978-07-25 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Simultaneous reductive and oxidative decomposition of calcium sulfate in the same fluidized bed |
US4216197A (en) * | 1978-10-17 | 1980-08-05 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The United States Environmental Protection Agency | Converting calcium sulphide to calcium oxide |
SU1805626A1 (en) * | 1991-01-30 | 1996-07-20 | Таллинский технический университет | Method of phosphogypsum thermic processing |
US6083862A (en) * | 1994-03-14 | 2000-07-04 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Cyclic process for oxidation of calcium sulfide |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111566051B (en) | Phosphogypsum decomposition method | |
EP2729404A2 (en) | Method for the parallel production of hydrogen and carbon-containing products | |
US11383980B2 (en) | Calcium sulfide decomposition process | |
EP2935517B1 (en) | Process for utilizing blast furnace gases, associated gases and/or biogases | |
CA2944852C (en) | System and method for thermocatalytic treatment of material and pyrolysis oil produced therewith | |
JPS6071691A (en) | Method of obtaining acetylene and synthetic or reductive gas from coal by arc process | |
SU479302A3 (en) | Method for reducing oxide and sulphide ores | |
EP2729405A1 (en) | Process for production of synthesis gas | |
RU2464295C2 (en) | Method for thermochemical processing of biomass to produce synthesis gas | |
US3009781A (en) | Process for preparation of carbon disulphide and for the desulphurization of coke | |
RU2776054C2 (en) | Method for calcium sulfide decomposition | |
US3995016A (en) | Process for thermochemical cleavage of water into hydrogen and oxygen | |
US20220017366A1 (en) | Process for producing phosphorus | |
RU2775992C2 (en) | Method for phosphogypsum decomposition | |
US1934836A (en) | Process for the catalytic conversion of hydrocarbons | |
JP3915010B2 (en) | Method for producing hydrogen by thermochemical decomposition | |
Prosini et al. | A modified sulphur–iodine cycle for efficient solar hydrogen production | |
JPS646124B2 (en) | ||
US2014757A (en) | Process for the integral transformation of coke oven gas or town gas into ammonia and methyl alcohol | |
US2470106A (en) | Process for reducing iron ores | |
KR101231604B1 (en) | Decomposition Method of Carbon Dioxide by Thermochemical Cycle Using Germanium Oxide | |
JP3909403B2 (en) | Method for producing hydrogen and carbon monoxide from flammable waste | |
JP2001122811A (en) | Apparatus and method for producing methanol | |
JP2024517286A (en) | Method for Producing Hydrogen and Solid Carbon from a Gaseous Hydrocarbon Source Using Microwaves and/or Radio Waves - Patent application | |
WO2022008229A1 (en) | System network and method for operating a system network of this type for producing higher alcohols |