На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2017     2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.10.2013 Микроплазменная технология получения капсулированного пироуглеродом кварцевого песка пиролизом метана

 

Микроплазменная технология получения капсулированного пироуглеродом кварцевого песка пиролизом метана

 

В Институте газа НАН Украины создана установка для нанесения пироуглерода на частицы кварцевого песка. Процесс осуществляется в аппарате с электротермическим псевдоожиженным слоем методом пиролиза метана. Применение псевдоожиженного слоя в процессах осаждения пироуглерода вместе со всеми преимуществами осаждения из газовой фазы позволяет обеспечить более высокую скорость наращивания покрытия и однородность слоя. Толщина полученного слоя чистого пироуглерода может изменяться за счет регулирования температуры, гидродинамики и продолжительности процесса. Капсулированный пироуглеродом кварцевый песок в дальнейшем предполагается использовать для карботермического восстановления для получения высокочистого кремния. Дополнительное преимущество предложенного процесса – побочное получение технического водорода, выход которого увеличивается с повышением температуры.

 

Основным элементом фотоэлектрических преобразователей в солнечной энергетике является высокочистый кремний. Он также широко применяется в качестве полупроводника в электронике. Основным методом получения высокочистого кремния является «Сименс-процесс», который имеет ряд недостатков: сложность процесса, дороговизна конечного продукта и применение токсичных хлорсиланов. Ведущие лаборатории мира проводят разработки новых экономически выгодных и экологически чистых методов получения данного продукта. Один из таких методов – карботермическое восстановление. Суммарная химическая реакция проходит согласно уравнению (1):

 

SiO2 + 2С = Si + 2CO. (1)

 

Проблема данного процесса заключается в трудности получения чистого углеродного восстановителя.

В Институте газа НАН Украины было предложено в качестве углеродного восстановителя использовать пироуглерод, который осаждается на частицы кварцевого песка в процессе пиролиза метана. Поскольку в процессе, описанном в статье, осаждение пироуглерода происходит из газовой фазы, это способствует уменьшению вероятности содержания примесей в капсулированном песке. Для получения капсулированного пироуглеродом кварцевого песка создана экспериментальная полупромышленная установка, основным элементом которой является реактор с электротермическим псевдоожиженным слоем [1].

Сложность процесса пиролиза метана заключается в том, что продукты реакции – вещества трех агрегатных состояний: жидкие, твердые и газообразные. Поэтому химическое уравнение (2) касается лишь основных результатов процесса, опуская ряд важных промежуточных стадий:

 

СН4 = С + 2Н2. (2)

 

Наиболее распространенные механизмы пиролиза СН4 – молекулярный механизм, ацетиленовая гипотеза, радиально-цепной механизм, полимеризационная гипотеза и гипотеза пироагрегатов. Ацетиленовая гипотеза, радиально-цепной механизм и полимеризационная гипотеза дополняют друг друга, показывая сложность процессов, которые проходят при образовании углерода. Молекулярный механизм можно применять только для объяснения ограниченных условий проведения процесса. Гипотеза пироагрегатов раскрывает физику процесса, объясняет механизм образования жидкой фазы и существование капельной модели осаждения пироуглерода. Более детально данные механизмы пиролиза метана описаны в статье [2].

Перед проведением опытов были сделаны термодинамические расчеты процесса пиролиза метана. Расчеты выполнены с помощью программы TERRA в диапазоне температур 298–2 098 К с шагом 200 К при давлении 1 атм. Равновесный состав продуктов процесса приведен на рис. 1.

Температура, при которой начинается пиролиз метана, составляет 800 К (рис. 1). Полное разложение метана происходит при температуре 1 298 К и выше.

В реакторе данной установки центральный электрод (анод) изготовлен из чистого графита, другим электродом (катодом) является цилиндрический корпус – также из чистого графита. Для разогрева реактора до температуры пиролиза (870–1 100 К) использовался электродный графит. После выхода на режим графит поэтапно замещали кварцевым песком. Схема реактора приведена на рис. 2.

 

 

Реактор работает следующим образом. Через систему для загрузки материала в реакционную камеру загружают слой электропроводящих частиц для образования псевдоожиженного слоя. Через газопроводящие трубки и газораспределительные колпачки в реакционную камеру подает метан. Через верхний электрод, слой электропроводящих частиц в реакционной камере, графитовый кожух и нижние электроды подают ток для разогрева слоя. В реакционной камере протекает процесс пиролиза метана, в котором углерод осаждают на слое электропроводящих частиц. Продукты пиролиза выводят через патрубок для выхода газа в очиститель и в патрубок для выхода газа во внешнюю среду, после чего его сжигают. Готовый материал выгружают через трубу и холодильник. Погружение центрального электрода в слой регулируют механизмом регулирования высоты электрода. Температуру измеряют с помощью термопар. Пробу на анализ реакционного газа берут через кран для отбора проб. Водой охлаждают верхнюю и нижнюю крышки, нижние электроды, очиститель и холодильник. Для уменьшения потерь теплоты реакционной камеры от нижней водоохлаждающей крышки в качестве теплоизоляции используют воздушную камеру.

Во время прохождения электрического тока через частички кварцевого песка возникают микроплазменные разряды, которые повышают температуру внутри реакционной камеры. Вследствие этого в реакторе происходит пиролиз метана с образованием водорода и осаждением пироуглерода на частицах псевдоожиженного слоя с различным содержанием углерода (рис. 3, 4). Для сравнения на рис. 3 изображены фотографии под микроскопом чистого кварцевого песка, а на рис. 4 – кварцевый песок, капсулированный пироуглеродом.

К недостаткам технологии следует отнести: осаждение углерода на стенках реактора и газораспределительных колпачках, сажеобразование и унос частиц в очиститель.

 

 

ВЫВОДЫ

 

Создана экспериментальная полупромышленная установка, показана ее работоспособность и определены основные параметры процесса пирокапсулирования. Размер частиц кварцевого песка ≤0,315 мм, расход газа при работе установки – примерно 11 м3/ч, производительность – 6–8 кг/ч науглероженного кварцевого песка. Капсулированный пироуглеродом кварцевый песок в дальнейшем предполагается использовать для карботермического восстановления с целью получения высокочистого кремния. Дополнительным преимуществом предложенного процесса является побочное получение технического водорода, выход которого увеличивается с повышением температуры.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Богомолов В. О., Бондаренко Б. I., Кожан О. П., Сімейко К. В. Реактор для піролізу газоподібних вуглеводнів. Патент України на корисну модель № 83147 від 27.08.2013 r.

2. Богомолов В. А., Кожан А. П., Бондаренко О. Б., Ховавко О. И., Семейко К. В. Механизм пиролиза метана // Энерго- и ресурсосбережение. – 2013. – № 3.

 

Константин СЕМЕЙКО, аспирант Института газа Национальной академии наук Украины

 

(Статья поступила в редакцию 10.09.2013 г.)

 

Apparatus for pyrocarbon deposition on quartz sand particles was created in the Gas Institute of NAS of Ukraine. The process occur by methane pyrolysis in apparatus with electrothermal fluidized bed. Using a fluidized bed in pyrocarbon deposition process allows together with all the advantages of the gas phase deposition to provide a high speed and uniformity of coating layer. Thickness of the pyrocarbon layer can be controlled by temperature, fluid dynamics and the process duration. Encapsulated quartz sand by pyrocarbon is expected to be used for carbothermic reduction in order to obtain high-purity silicon. An additional advantage of the proposed process is the possibility to obtain by-product – technical hydrogen, the output of which increases with temperature rising.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком