Способ получения хлористого водорода и топка для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к производству магния. Хлорсодержащий газ сжигают в факеле углеродно-водородного топлива в присутствии водородсодержащего материала, например паров воды, и быстрого охлаждения (закалки) продуктов горения за счет их смешения с вторичным воздухом. Смешение осуществляется струями холодного (10-50°С) вторичного воздуха, поступающего через сопла в футеровке. Для осуществления способа предлагается топка, включающая кожух, горелку, камеру горения, камеру охлаждения. Между камерой охлаждения и камерой горения расположены каналы в футеровке, имеющие входные отверстия на наружной поверхности футеровки и выходы в топку. При этом каналы направлены тангенциально и под углом 60-90° к продольной стенке топки. Данное изобретение позволяет обеспечить высокую степень конверсии хлористого водорода с получением газовоздушной смеси определенного состава. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к производству магния.

В процессе электролиза магния образуется хлорсодержащий газ (70-75% хлора) - "анодный хлор", который может использоваться в виде хлористого водорода для подавления гидролиза хлористого магния при обезвоживании карналлита в кипящем слое.

Топочные газы печи кипящего слоя должны содержать 0,5-6,0% хлористого водорода, иметь температуру 400-500^oC.

Известен способ сжигания хлора с получением синтетического хлористого водорода подачей хлорсодержащего газа с водяным паром в факел горения газообразного или жидкого топлива (М.И. Левинский и др. Хлористый водород и соляная кислота. Обзорная информация. М.: Химия, 1985).

При этом устанавливается равновесие: H₂O + Cl₂ --->2HCl + 0,5 O₂ + 20,8 ккал Термодинамические расчеты реакции показали, что равновесный состав продуктов реакции зависит от температуры, содержания кислорода и водяного пара в газовой фазе. Для сдвига равновесия в сторону образования хлористого водорода необходима высокая температура (не ниже 1500^oC), избыток паров воды и минимальное количество кислорода.

После сжигания хлорсодержащего газа продукты горения охлаждают различными способами с применением в качестве охлаждающего агента воды, воздуха или раствора соляной кислоты. Происходит закалка продуктов горения (J.G. Hornath and J.O.S. Macdonald, Process technology international, январь, 1973, s.61).

Известны процессы высокотемпературного сжигания, применяемые фирмами, выпускающими хлорорганические продукты, при переработке хлорорганических отходов (ХОО) с превращением их в газообразный хлористый водород (В.И.Абрамова и др. Переработка, использование и уничтожение отходов в производстве хлорорганических продуктов. Обзорная информация. Сер. "Хлорная промышленность". М., 1977).

При сжигании хлорорганических продуктов и хлора при температурах свыше 1400^oC не образуются диоксины. Образование диоксинов может происходить при температуре 750-600^oC. При неполном сгорании топлива, когда в продуктах горения имеется углерод, и при медленном охлаждении последних возможно образование диоксинов. Для предотвращения этого процесса и достижения наиболее полного превращения хлора в хлористый водород необходимо быстрое охлаждение топочных газов до температуры 400-500^oC.

Процесс фирмы "Рон-Пуленк" включает в себя сжигание ХОО в циклонной топке при температуре 1200^oC, охлаждение продуктов горения в графитовом теплообменнике водой, абсорбцию соляной кислотой и дистилляцию.

В Японии, США и Западной Европе используется процесс фирмы "Ниттеу": высокотемпературное сжигание ХОО с применением циклонной топки, закалка продуктов горения в аппарате погружного охлаждения раствором соляной кислоты, десорбция водой и последующая экстрактивная дистилляция. Топка, в которой сжигают ХОО, состоит из корпуса, горелки, камеры горения и выходного отверстия для газов.

Недостатком перечисленных процессов является применение в качестве охлаждающего агента воды и растворов соляной кислоты, что неминуемо приведет к значительному повышению содержания паров воды в газовой фазе, а это недопустимо для газа, используемого в печах КС. Кроме того, степень конверсии хлористого водорода составляла всего 95-96%.

Технической задачей изобретения является получение смеси хлористого водорода с воздухом заданного состава, не содержащей диоксинов, и обеспечение высокой степени конверсии хлористого водорода. Способ заключается в сжигании хлорсодержащегося газа в факеле горения топлива при температуре не ниже 1400^oC в присутствии водородсодержащих материалов и охлаждении продуктов горения до температуры 400-500^oC прямым контактом со вторичным воздухом, пропущенным через сопла в стенках футеровки топки. Водородсодержащими материалами являются пары воды.

При этом камера горения отделяется от камеры охлаждения за счет подачи вторичного воздуха в виде струй, создающих турбулентную газовую завесу.

Топка для сжигания хлорсодержащих газов в пламени углеродно-водородного топлива в присутствии водородсодержащего вещества состоит из кожуха, горелки, камеры горения и камеры охлаждения. Между камерой охлаждения и камерой горения расположены каналы в футеровке, имеющие входные отверстия на наружной поверхности футеровки и выходы в топку, при этом каналы направлены тангенциально под углом 60-90^o к продольной стенке топки.

Топка по длине имеет две камеры с различной температурой. В камере горения температура равняется 1400-1800^oC, в камере охлаждения и закалки продуктов горения - 400-500^oC. Температурный перепад между камерами обеспечивается за счет охлаждения топочных газов вторичным воздухом, количество которого в 2-5 раз превышает количество топочных газов. Вторичный воздух подается направленными струями из каналов в футеровке топки, которые создают турбулентную газовую завесу из вторичного воздуха и топочных газов, исключающую попадание холодного вторичного воздуха в камеру горения. В этой завесе происходит резкое охлаждение продуктов горения (закаливание) до температуры 400-500^oC. При этих температурах не образуются диоксины даже при наличии в газовой среде хлора и углерода; присутствие последних маловероятно при нормальной работе форсунки и температуре в области горения 1400-1800^oC.

Быстрая закалка продуктов горения также резко тормозит взаимодействие кислорода и хлористого водорода по обратной реакции: 2 HCl + 1/2O₂ ---> Cl₂ + H₂O.

Все это обеспечивает высокую степень конверсии хлористого водорода и исключает образование диоксинов в экологически опасных количествах.

Способ и топка поясняются чертежами, на которых показана топка в разрезе.

На фиг.1 изображено продольное сечение топки.

На фиг. 2 показано сечение топки по каналам подачи вторичного воздуха.

Топка состоит из кожуха 1, футеровки 2, горелки 3, камеры горения 4, камеры охлаждения 5, каналов для подачи вторичного воздуха 6, патрубков 7 для подачи вторичного воздуха, выходного отверстия 8 для газовоздушной смеси.

Каналы для вторичного воздуха расположены в одной плоскости, перпендикулярной к оси топки, и направлены в сторону выходного отверстия 8 под углом от 90^o до 60^o к продольной стенке топки. Для создания высокой турбулентности в воздушной завесе между камерами топки 4 и 5 каналы 6 входят в топку тангенциально. Для исключения поступления вторичного воздуха в камеру горения скорость его движения в каналах должна находиться в пределах 8-20 нм/сек.

Способ осуществляется следующим образом.

В топку через горелку 3 подают углеродно-водородное топливо, воздух, хлорсодержащий газ, водородсодержащий продукт, например водяной пар. В камере горения 4 происходит взаимодействие водорода и хлора с образованием газовой смеси, содержащей хлористый водород, с температурой 1400-1800^oC. Продукты горения поступают из камеры горения 4 в камеру охлаждения 5, проходя воздушную завесу из вторичного воздуха, имеющего температуру 10-60^oC. За счет завихрения струй воздуха и общего их движения в сторону выходного отверстия 8 создается разрежение в этой камере и исключается попадание воздуха в камеру горения. Продукты горения эжектируются, тщательно перемешиваются с воздухом, быстро охлаждаются до температуры 400-500^oC и через камеру охлаждения удаляются из топки.

Предложенный способ и топку опробовали в лабораторных условиях.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Сжигание хлорсодержащего газа осуществляется при температуре 1600^oC в типовой цилиндрической топке. В камеру горения подавали холодный вторичный воздух по одному патрубку через боковую стенку топки. Продукты горения с температурой 1600^oC смешивали с воздухом температуры 18^oC и получали газовоздушную смесь необходимого состава с температурой на выходе из топки 400-500^oC. Температура газов после патрубка ввода вторичного воздуха до выхода из топки изменялась от 1600 до 400-550^oC. Степень конверсии составила 90%.

Пример 2.

Сжигание хлорсодержащего газа осуществляли при температуре 1600^oC в типовой цилиндрической топке с системой каналов, выполненных в футеровке в соответствии с фигурами 1 и 2. В камере горения температура была 1600^oC, в камере охлаждения - 400-500^oC. Весь перепад температур газов между камерами был в районе сопел подачи вторичного воздуха, имеющего температуру 18^oC. Степень конверсии хлористого водорода составила 99,3%.

Таким образом, использование способа и топки позволяет решить поставленную задачу и получить газовоздушную смесь определенного состава и температуры, применяемую в качестве топочного газа в печах кипящего слоя, и обеспечить высокую степень конверсии хлористого водорода.

Формула изобретения

1. Способ получения хлористого водорода из хлорсодержащих газов, включающий сжигание их в пламени углеродно-водородного топлива в присутствии водородсодержащих материалов при температуре 1400-1800^oC и последующее охлаждение, отличающийся тем, что охлаждение продуктов горения до 400-500^oC осуществляют за счет подачи вторичного воздуха в виде струй со скоростью 8-20 нм/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве водородсодержащего материала используются пары воды.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторичный воздух подают направленными струями, которые создают турбулентную газовую завесу из вторичного воздуха и топочных газов, исключающую попадение холодного вторичного воздуха в камеру горения.

4. Топка для получения хлористого водорода сжиганием хлорсодержащих газов в пламени углеродно-водородного топлива в присутствии водородсодержащих материалов, включающая кожух, горелку, камеру горения, отличающаяся тем, что она дополнительно имеет камеру охлаждения, при этом между камерой охлаждения и камерой горения расположены каналы в футеровке, имеющие входные отверстия на наружной поверхности футеровки и выходы в топку, при этом каналы направлены тангенциально и под углом 60-90^o к продольной стенке топки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2