Плазменное получение технического углерода

(сажи)

Как было указано выше (разд. 4.2), в результате плазменного пиролиза углеродсодержащего сырья, ориентированного на получение ацетилена, одним из побочных неизбежных продуктов является образование технического углерода (сажи). Если в схеме плазменного производства ацетилена исключить стадию закалки и тем самым увеличить время пребывания продуктов пиролиза в плазменном реакторе, то основными целевыми продуктами будут технический углерод и водород. Установка в таком виде будет работать на производство сажи. Основным дополнением в схеме по оборудованию будет установка более мощных фильтров и аппаратов по упаковке сажи.

Сажа находит широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в производстве резины, пластических масс, красок, электродов, композиционных материалов и искусственного волокна.

Требования, предъявляемые к сажам, весьма разнообразны и зависят от ее назначения и способов получения. Важнейшее – высокая степень дисперсности и высокие структурные качества частиц сажи.

Из всех известных новых способов получения высококачественной сажи, по-видимому, наибольший интерес представляет способ, основанный на использовании низкотемпературной плазмы, который несёт в себе все преимущества плазмохимических процессов.

Сажа, получаемая плазмохимическим способом, обладает высокими структурными качествами и высокой дисперсностью, которые связаны со спецификой реакционного пространства, высокой температурой и интенсивностью превращения исходных веществ. В зависимости от вида сырья сажа, получаемая плазмохимическим способом, близка к термической, печной, канальной или ацетиленовой саже. В данном процессе основными побочными продуктами газовой фазы являются водород, метан, ацетилен, этан, пропан, находящиеся в тех или иных соотношениях, зависящих от вида сырья и конструкции реакторов.

При увеличении удельного расхода энергии до определенного предела можно достигнуть практически полного превращения углеводородного сырья в сажу и водород. Следует особо подчеркнуть, что степень структурности плазмохимических саж превышает все известные виды саж. Масляное число плазмохимических саж доходит до 4 см³/г (для сравнения, масляное число ацетиленовой сажи – 2,4 см³/г). Удельная поверхность плазмохимической сажи ~ 100 м²/г, размеры частиц в интервале 10-500 Å, распределение частиц по размерам в пределах одного агрегата очень узкое.

Также необходимо иметь в виду, что получаемая сажа не является чистым углеродным веществом. В ее состав входит водород. "Типичная" брутто-формула сажи – С₈Н. Атомы водорода могут находиться не только на поверхности сажевых частиц, но и внедряться внутрь частиц или каким-либо образом оставаться там в процессе их роста.

Все основные показатели качества плазмохимических саж и показатели процесса зависят в первую очередь от конструкции реактора. В реакторе, не обеспечивающем быстрого и полного перемешивания плазменного потока с сырьём, сажа высокого качества не получится, степень конверсии сырья будет низкой. При использовании сырья с высоким содержанием парафинов и нафтенов и высоким отношением атомов водорода к атомам углерода (Н:С) выход сажи мал, а удельный расход энергии высок, что ставит под сомнение использование такого сырья для получения сажи. Полный удельный расход энергии на 1 кг сажи составляет от 7 до 60 кВт.ч/кг без утилизации тепла и от 4 до 40 кВт.ч/кг с учётом утилизации тепла. В установках крупного масштаба утилизация тепла возможна до 40-50%. Кроме того следует учитывать, что часть затрат энергии (10-20%) должна быть отнесена на получение газа с относительно высоким содержанием ацетилена и особенно водорода. Выход сажи в зависимости от сырья и условий пиролиза составляет от 20 до 65 мас.% от используемого сырья. Наиболее целесообразно использовать сырьё с большим содержанием ароматических углеводородов, которые легко разлагаются на элементы уже при относительно невысоких температурах, если при этом обеспечено достаточное время пребывания их в реакционной зоне.

В промышленном масштабе плазмохимическое получение сажи было реализовано в России. В качестве генератора плазмы и реактора использовался плазмохимический модуль, разработанный для производства ацетилена мощностью 1500 кВт, производительностью по саже ~ 400 кг/ч и по сырью ~ 1000 кг/ч (исключая метановое сырьё). В качестве плазмообразующего (рабочего) газа для производства плазмохимической сажи использовали либо водород, либо смесь водорода с метаном. По сырью процесс был ориентирован на широкий спектр углеродсодержащих веществ, а именно:

· природные углеводороды и нефтяные фракции (природный газ, бензин и т.д.);

· коксохимическая (каменноугольная) смола;

· смолы пиролиза производства этилена;

· кубовые остатки производства каучуков (бутадион-стирольный и изопреновый);

· хлорсодержащие органические отходы (кубовые остатки производства хлоруглеводородов всех классов – 12 видов).

Выход сажи к сырью составляет ~ 40 мас.%. В этом случае (как и в подавляющем большинстве плазмохимических превращений углеродсодержащих веществ) сажа по своему качеству и характеристикам близка к ацетиленовой саже, но отличается более узким фракционным составом, более высокой дисперсностью и структурированностью. Плазмохимическая сажа, полученная из хлорсодержащих органических отходов, в силу содержания в ней атомов хлора обладает повышенной огнестойкостью, ускоряет вулканизацию резин, усиливает адгезию по сравнению с традиционными видами саж. Пиролизный газ содержит водород, метан, ацетилен, а в случае переработки хлорсодержащих органических отходов – хлористый водород.

В состав производства сажи входят:

· подготовка плазмообразующего газа и сырья;

· пиролиз природного газа;

· охлаждение пирогаза;

· выделение сажи;

· компремирование и осушка пирогаза.

В составе производства предусмотрена одна технологическая линия с рабочим резервом плазмоагрегата.