УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА КАЛЬЦИЯ Российский патент 2014 года по МПК C01B31/32 C01F11/00 

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

Известно устройство для переработки углекарбонатного минерального сырья, включающее реактор, выполненный с возможностью обжига известняка, снабженный средствами подачи в него высокотемпературного энергоносителя (см. а.с. СССР №1449553, кл. С 04В 2/02, 1989).

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

Известна также установка для получения карбида кальция, включающая средства термической обработки дробленых известняка и угля, реактор для производства углекислоты, выполненный с возможностью отвода в него газообразных продуктов, формируемых при синтезе карбида кальция углекислоты (RU 2256611, С01В 31/32, С04В 2/02, C01F 11/06, С07С 11/24, 2005).

Однако в этом техническом решении обеспечение производства высокотемпературным энергоносителем осуществляется за счет использования части получаемого карбида кальция для производства ацетилена, который и сжигают для подвода тепла в средства термической обработки дробленых известняка и угля, что снижает выход целевого продукта. Кроме того, для обжига извести и синтеза карбида кальция используют два последовательно размещенных реактора, что приводит к непроизводительным потерям тепла в процессе передачи материалов из одного реактора в другой.

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

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

Поставленная задача решается тем, что установка для получения карбида кальция, включающая средства термической обработки дробленых известняка и угля, реактор синтеза углекислоты, выполненный с возможностью отвода в него газообразных продуктов, формируемых при синтезе карбида кальция углекислоты, отличается тем, что в качестве средства термической обработки дробленых известняка и угля, использован реактор, корпус которого выполнен в виде герметичной цилиндрической вертикальной емкости, верхний торец которой снабжен соосным с ней загрузочным каналом, при этом донная часть корпуса выполнена конической и снабжена выпускным патрубком, причем загрузочный канал и установленные в его полости наклонные пересыпные полки, выполнены из теплостойкой стали, кроме того, его верхний торец снабжен герметичной, крышкой, при этом полость загрузочного канала сообщена с источником диоксида углерода и источником сырьевой смеси, связанным с источниками угля и известняка, причем, источник угля, посредством дополнительного канала подачи угля выполнен с возможностью связи с загрузочным каналом, кроме того, на крышке загрузочного канала установлен по меньшей мере один плазмотрон, с возможностью формирования плазменного шнура ориентированного вниз, в зазор между кромками пересыпных полок, при этом плазмотрон сообщен с источником диоксида углерода, кроме того ниже нижней кромки загрузочного канала соосно с корпусом реактора установлены верхняя и нижняя электромагнитные катушки, выполненные с возможностью индукционного нагрева сырьевого материала до температуры его плавления, размещенные на разной высоте вдоль корпуса реактора, при этом, нижняя электромагнитная катушка установлена вблизи донной части корпуса реактора, а верхняя электромагнитная катушка закреплена на поверхности поворотной платформы, которая выполнена наклонной, и снабжена приводом ее поворота относительно основания, жестко закрепленного относительно корпуса реактора, кроме того, пространство верхней части корпуса реактора сообщено газоотводящими каналами с газоразделительным блоком, выходы которого газопроводами подачи CO₂ и CO, сообщены, соответственно с источником диоксида углерода и реактором синтеза углекислоты, при этом источник диоксида углерода также сообщен с реактором синтеза углекислоты, который связан с источником воды, причем выход реактора синтеза углекислоты связан с хранилищем углекислоты. Кроме того, корпус плазменного реактора и выступающая из него часть загрузочного канала выполнены с возможностью прокачки через них теплоотводящего агента, например, воды. Кроме того, источник сырьевой смеси размещен выше корпуса реактора.

Сопоставление признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию ″новизна″.

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:

Признаки ″в качестве средства термической обработки дробленых известняка и угля, использован реактор корпус которого выполнен в виде герметичной цилиндрической вертикальной емкости, верхний торец которой снабжен соосным с ней загрузочным каналом″ обеспечивают возможность перемещения сырьевой массы сверху вниз под действием силы тяжести, без применения специальных средств. При этом то, что термическую обработку (тонкодисперсной смеси сырьевых материалов) ведут в одном реакторе исключает потерю тепла прогретой сырьевой массой (на этапе обжига известняка, с получением извести при переходе к синтезу карбида кальция.

Признак ″донная часть корпуса выполнена конической и снабжена выпускным патрубком″ упрощает сбор и выпуск расплава карбида кальция.

Признаки «загрузочный канал и установленные в его полости наклонные пересыпные полки, выполнены из теплостойкой стали» обеспечивают возможность обжига известняка в загрузочном канале с получением извести.

Признаки указывающие, что «верхний торец (загрузочного канала) снабжен герметичной, предпочтительно, съемной крышкой» обеспечивают герметичность загрузочного канала и реактора в целом и обеспечивают базирование плазмотронов.

Признаки указывающие, что «полость загрузочного канала сообщена с источником диоксида углерода и источником сырьевой смеси» обеспечивают возможность синтеза карбида кальция, возможность плазменной обработки шихты и безопасность последнего процесса, с учетом наличия в ней угля.

Признаки указывающие, что источник сырьевой смеси «сообщен с источниками угля и известняка» обеспечивают, пополнение запасов шихты, используемой для синтеза карбида кальция.

Признаки указывающие, что «источник угля, посредством дополнительного канала подачи угля выполнен с возможностью сообщения с загрузочным каналом» обеспечивают работу устройства на его пусковом (разгонном) этапе.

Признаки указывающие, что «на крышке загрузочного канала установлен по меньшей мере один плазмотрон, с возможностью формирования плазменного шнура ориентированного вниз, в зазор между кромками пересыпных полок» обеспечивают прогрев сырьевой массы до температуры диссоциации карбонатов, что снижает затраты энергии на индукционный прогрев реакционной массы и, в тоже время, исключают разрушение плазменным шнуром конструктивных элементов загрузочного канала.

Признак «плазмотрон сообщен с источником диоксида углерода» обеспечивают подвод плазмообразующего газа и, тем самым, работу плазмотрона.

Признаки указывающие, что «ниже нижней кромки загрузочного канала соосно с корпусом реактора установлены верхняя и нижняя электромагнитные катушки, выполненные с возможностью индукционного нагрева сырьевого материала до температуры его плавления, размещенные на разной высоте вдоль корпуса реактора» обеспечивают возможность получения карбида кальция при индукционном прогреве до 1700-1800°C реакционной массы.

Признаки указывающие, что «нижняя электромагнитная катушка установлена вблизи донной части корпуса реактора» обеспечивают прогрев нижней зоны реактора, снижающий вязкость расплава карбида кальция при его выпуске.

Признаки указывающие, что «верхняя электромагнитная катушка закреплена на поверхности поворотной платформы, которая выполнена наклонной, и снабжена приводом ее поворота относительно основания, жестко закрепленного относительно корпуса реактора» обеспечивают не только прогрев основного объема расплава карбида кальция, но и его перемешивание.

Признаки «пространство верхней части корпуса реактора сообщено газоотводящими каналами с газоразделительным блоком, выходы которого газопроводами подачи CO₂ и CO, сообщены, соответственно с источником диоксида углерода и реактором синтеза углекислоты, при этом источник диоксида углерода также сообщен с реактором синтеза углекислоты, который связан с источником воды, причем выход реактора синтеза углекислоты связан с хранилищем углекислоты» обеспечивают возможность синтеза углекислоты в режиме утилизации избытков диоксида углерода (остатков неиспользуемых в технологическом процессе синтеза карбида кальция) и утилизации оксида углерода.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность повышения работоспособности реактора, за счет снижения термических нагрузок на него и возможность генерирования пара для технологических нужд или синтеза углекислоты.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают возможность самотечной подачи шихты в реактор.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема установки.

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

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

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

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

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

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

Второй реактор 26 выполнен с возможностью синтеза углекислоты, в виде емкости связанной с газоразделительным блоком 25 газопроводами подачи СО₂ и СО, кроме того, он сообщен с источником воды 17 выполненным в виде емкости с водой. Второй реактор 26 снабжен насосным, дозирующим и контрольно-измерительным оборудованием известной конструкции (на чертежах не показаны), обеспечивающим реализацию процесса синтеза Н₂СО₃. Выход второго реактора 26 связан с хранилищем углекислоты (на чертеже не показано), конструкция которого определяется формой поставки углекислоты потребителю, т.е. сжиженная или ″сухой лед″, и не отличается от известных конструкций, сходного назначения.

Заявленное устройство работает следующим образом.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Остывший карбид кальция известным образом измельчают для получения кондиционного материала.

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

Таким образом, предлагаемое устройство за счет предварительной тепловой обработки шихты позволяет повысить производительность, а за счет активного перемешивания расплава - качество готовых продуктов. Вместе с тем конструктивное выполнение реактора позволяет получать попутные продукты в виде их расплава и возгонов.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Установка для получения карбида кальция включает реактор с корпусом в виде герметичной цилиндрической вертикальной емкости, верхний торец которой снабжен соосным с ней загрузочным каналом (3). Донная часть (2) корпуса выполнена конической и снабжена выпускным патрубком (12). Верхний торец загрузочного канала (3) снабжен герметичной крышкой, на которой установлен плазмотрон (18), формирующий плазменный шнур (21), ориентированный вниз в зазор между кромками (22) пересыпных полок (7). Полость загрузочного канала (3) сообщена с источником диоксида углерода (6) и источником сырьевой смеси (4), который сообщен с источником угля (15) и известняка (16). Источник угля (15) посредством дополнительного канала подачи угля (29) сообщен с загрузочным каналом (3). Ниже нижней кромки загрузочного канала (3) соосно с корпусом реактора и вдоль него на разной высоте установлены верхняя (10) и нижняя (11) электромагнитные катушки. Верхняя (10) электромагнитная катушка закреплена на поверхности поворотной платформы (13) и снабжена приводом (14) ее поворота относительно основания (27), а нижняя (11) электромагнитная катушка установлена вблизи донной части (2) корпуса реактора. Пространство верхней части (1) корпуса реактора сообщено газоотводящими каналами (23, 24) с газоразделительным блоком (25), выходы которого газопроводами подачи диоксида углерода и оксида углерода сообщены соответственно с источником диоксида углерода (6) и реактором синтеза углекислоты (26). Изобретение обеспечивает повышение выхода целевого продукта и снижение энергоемкости производства карбида кальция. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для получения карбида кальция, включающая средства термической обработки дробленых известняка и угля, реактор синтеза углекислоты, выполненный с возможностью отвода в него газообразных продуктов, формируемых при синтезе карбида кальция, отличающаяся тем, что в качестве средства термической обработки дробленых известняка и угля использован реактор, корпус которого выполнен в виде герметичной цилиндрической вертикальной емкости, верхний торец которой снабжен соосным с ней загрузочным каналом, при этом донная часть корпуса выполнена конической и снабжена выпускным патрубком, причем загрузочный канал и установленные в его полости наклонные пересыпные полки выполнены из теплостойкой стали, кроме того, его верхний торец снабжен герметичной крышкой, при этом полость загрузочного канала сообщена с источником диоксида углерода и источником сырьевой смеси, который сообщен с источниками угля и известняка, причем источник угля посредством дополнительного канала подачи угля выполнен с возможностью сообщения с загрузочным каналом, кроме того, на крышке загрузочного канала установлен по меньшей мере один плазмотрон с возможностью формирования плазменного шнура, ориентированного вниз, в зазор между кромками пересыпных полок, при этом плазмотрон сообщен с источником диоксида углерода, кроме того, ниже нижней кромки загрузочного канала соосно с корпусом реактора установлены верхняя и нижняя электромагнитные катушки, выполненные с возможностью индукционного нагрева сырьевого материала до температуры его плавления, размещенные на разной высоте вдоль корпуса реактора, при этом нижняя электромагнитная катушка установлена вблизи донной части корпуса реактора, а верхняя электромагнитная катушка закреплена на поверхности поворотной платформы, которая выполнена наклонной и снабжена приводом ее поворота относительно основания, жестко закрепленного относительно корпуса реактора, кроме того, пространство верхней части корпуса реактора сообщено газоотводящими каналами с газоразделительным блоком, выходы которого газопроводами подачи СO2 и СО, сообщены соответственно с источником диоксида углерода и реактором синтеза углекислоты, при этом источник диоксида углерода также сообщен с реактором синтеза углекислоты, который связан с источником воды, причем выход реактора синтеза углекислоты связан с хранилищем углекислоты.

2. Установка по п.1, корпус плазменного реактора и выступающая из него часть загрузочного канала выполнены с возможностью прокачки через них теплоотводящего агента, например, воды.

3. Установка по п.1, отличающийся тем, что источник сырьевой смеси размещен выше корпуса реактора.