76

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Г.Н. Разина

ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ

В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ

Под редакцией Н.Г. Дигурова

Утверждено Редакционным

советом университета в

качестве учебного пособия

Москва 2005

УДК 662.7:533.9

ББК 35.115;24.5

Р17

Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией плазмохимии и физикохимии импульсных процессов Института

нефтехимического синтеза РАН

Ю.А. Лебедев

Доктор технических наук, профессор Российского химико-технологического университета им.Д.И.Менделеева

И.Д. Трошкина

Разина Г.Н.

Р17 Переработка углеродсодержащих веществ в низкотемпературной плазме: Учеб. пособие. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2005. 88 с.

ISBN 5-7237-0488-5

Рассмотрены плазмохимические процессы переработки углеродсодержащих веществ. Приведены способы генерации низкотемпературной плазмы, теоретические аспекты процессов превращения углеродсодержащих веществ в условиях высоких температур, обеспечиваемых плазменной аппаратурой, различные виды плазмохимической переработки углеродсодержащих веществ в опытно-промышленном и промышленном масштабах, а также дано краткое знакомство с плазменно-энергетическими технологиями использования твёрдых топлив.

Предназначается для бакалавров направления 5508.00 – «Химическая технология и биотехнология» и студентов специальности 250400 – «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». Может быть полезно научным и инженерно-техническим работникам, связанных с производством и переработкой углеродных соединений.

УДК 662.7:533.9

ББК 35.115;24.5

ISBN 5-7237-0488-5 © Российский химико-технологический

университет им. Д.И. Менделеева, 2005

© Разина Г.Н., 2005

Оглавление

Введение..............................................................................................4

1. Плазма в химической технологии.....................................................6

1.1. Основные предпосылки использования плазмы в химичес-

ких процессах............................................................................6

1.2. Плазмохимические процессы.................................................10

2. Генераторы низкотемпературной плазмы......................................14

2.1. Выбор типа разряда и конструкции плазмотрона…………14

2.2. Электродуговые плазмотроны................................................15

2.3. Высокочастотные плазмотроны.............................................21

3.Теоретические основы плазмохимических процессов...................24

3.1. Термодинамика плазмохимических процессов.....................24

3.2. Термодинамический анализ процессов превращения углеродсодержащих веществ в квазиравновесной низкотемпературной плазме……………………………………………… .26

3.3. Кинетика плазмохимических процессов...............................30

3.4.Некоторые кинетические особенности и механизм пре-вращения твёрдых углеродсодержащих веществ в плазме.31

4. Плазмохимическая переработка углеродсодержащего сырья......34

4.1. Научное обоснование плазмохимической переработки

углеродсодержащих соединений...............................................34

4.2. Плазмохимический пиролиз углеродсодержащих соединений..…………………………………………………………...39

4.2.1. Плазмохимическое получение ацетилена из газообразного и жидкого углеродсодержащего сырья.........39

4.2.2. Промышленная реализация плазмохимического получения ацетилена из газообразных и жидких углеродсодержащих соединений...............................................48

4.2.3. Плазмохимическое получение ацетилена из угля................…………………………………………... 52

4.3. Плазменная конверсия углеродсодержащего природного сырья.…………………………………………………………58

4.4. Плазменное получение технического углерода сажи)................………………………………………………….71

4.5. Совмещение процессов пиролиза и газификации в одном блоке. Эксергетический и термоэкономический анализ этой энерготехнологической системы..........................…..73

5. Плазмохимическая переработка промышленных и бытовых

отходов...............................................................................................80

6. Плазменно-энергетические технологии использования твёрдых

топлив для снижения выброса парниковых газов……………….85

Заключение…………………………………………………………87

Рекомендованная литература……………………………………..87

Введение

Плазмохимические процессы, основанные на применении плазмы в качестве реагента и (или) энергоносителя при различных химических взаимодействиях, на данный момент получили достаточно широкое распространение в химической, металлургической, электронной и других отраслях промышленности. Эти процессы, характеризующиеся высокой производительностью, возможностью осуществления целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами и позволяющие использовать дешёвое сырьё, становятся конкурентоспособными не только в малотоннажных, но и в крупнотоннажных производствах, приходя на смену традиционным технологиям. По-видимому, эта тенденция не только сохранится, но и усилится в будущем.

Временем зарождения плазмохимии можно считать конец XVIII в., когда были проведены первые исследования процессов получения оксида азота (Кавендыш и Пристли) и озона (Ван Моруш) в искровом разряде. Открытие В.В. Петровым электрической дуги в 1802 г. и интенсивное развитие электротехники и физики газового разряда позволили в конце ХIХ в. создать первый промышленный плазмохимический способ получения монооксида азота из воздуха в электродуговых печах. Однако дороговизна электроэнергии, наличие дешёвого углеводородного сырья и появившийся Габеровский способ окисления аммиака сделали в то время этот плазменный процесс нерентабельным.

В 30-х гг. ХХ в. фирмой Хюльс в Германии был разработан процесс получения ацетилена электрокрекингом метана. Этот плазмохимический процесс существует и в настоящее время, правда, в несколько измененном варианте.

Дальнейшее развитие плазмохимия получила в 50-е гг., когда были созданы различные конструкции плазмотронов, работающих на разных плазмообразующих газах. С тех пор проведены исследования большого числа разнообразных процессов с использованием плазмы; одни из них уже реализованы в промышленности, другие будут реализованы в будущем. Этому способствует совершенствование плазмохимической аппаратуры, интенсивное развитие смежных областей техники и изменение структуры топливно-энергетического баланса.

В зависимости от целей и задач конкретной технологии в плазмохимии используют изотермическую плазму (средние температуры всех компонентов плазмы – ионов, электронов, нейтральных частиц близки между собой) или неизотермическую плазму, характеризующуюся различными средними температурами компонентов.

Изотермическая плазма является источником большого числа активных частиц (ионов, атомов, радикалов) и может служить, кроме того, высокоэнтальпийным носителем. Поэтому для большинства крупнотоннажных плазмохимических процессов используют именно этот тип плазмы. Ее применяют для пиролиза и конверсии углеводородов и угля, для получения монооксида азота, высокодисперсных порошков металлов, карбидов, нитридов, боридов, оксидов и др.

В изотермической (термической) плазме все её свойства (состав, электропроводность, теплопроводность и др.) являются однозначной функцией температуры, единой для всех плазменных частиц, и могут быть рассчитаны с высокой точностью способами классической термодинамики. Температура, при которой в равновесном состоянии достигаются заметные концентрации заряженных частиц составляет 6000-8000 К. Изотермическая плазма реализуется при атмосферном и более высоком давлении, когда частота соударений её компонентов настолько велика, что обмен энергий происходит очень быстро.

Неизотермическая плазма, характеризующаяся различными средними температурами компонентов, находится при пониженном давлении в электрическом поле. В этих условиях под действием разности потенциалов электроны, обладающие весьма малой массой, с большой скоростью устремляются к положительному электроду и, имея большую длину свободного пробега в вакууме, приобретают энергию (температуру), существенно превышающую энергию тяжёлых частиц. Температура ионов также отличается от температуры нейтральных частиц.

Неизотермическую плазму применяют при проведении различных синтезов, протекающих весьма эффективно в условиях низкой температуры тяжёлых частиц и очень высокой температуры электронов. Например, в тлеющем разряде при давлении 0,013 МПа может быть получена концентрация монооксида азота 11,3 об.%, что более чем втрое превышает максимально возможную равновесную концентрацию NО при указанном давлении. В неизотермической плазме (которую иногда называют неравновесной) проводят процессы получения различных плёнок, модификации поверхности материалов (азотирование, цементирование, химическое травление).