Способ получения активного угля

Способ получения активного угля

Владельцы патента RU 2534801:

Изобретение относится к области получения порошковых активных углей. Предложен способ производства, включающий измельчение сырья, сушку, введение химического активирующего агента, активацию, отмывку и сушку готового продукта. В качестве сырья используют древесину или технический лигнин или торф. В качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия. Сушку проводят при температуре 280-600°C. Активацию осуществляют в атмосфере парогазов при подъёме температуры до 550-800°C. Отмывку проводят в три стадии при температуре 70-90°C. На первой стадии отмывают водой, затем соляной кислотой и на последней стадии водой. Предложенное изобретение позволяет повысить адсорбционную способность активного угля по йоду до 150-240%, по метиленовому голубому до 350-600 мг/г. 3 пр.

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения порошковых активных углей на основе древесного сырья или продуктов его переработки, применяемых в водоподготовке и водоочистке, очистке масел и жиров, пищевой промышленности, а также в других областях экономики.

Известен способ получения порошкового активного угля на основе древесного угля-сырца, включающий дробление угля-сырца до размера зерен 20-50 мм, их активацию водяным паром при температуре 850-900°C при расходе пара 15-20 кг/час на печь, охлаждение проактивированных зерен в промежуточном бункере, их размол до размера частиц менее 100 мкм и расфасовку /см. В.М. Мухин, А.В. Тарасов, В.Н. Клушин. Активные угли России. Изд-во «Металлургия», М., 2000, стр. 31-33/.

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость и большая металлоемкость.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков /прототипом/ является способ получения активного угля, включающий измельчение исходного сырья, введение в измельченное сырье химического активирующего агента в виде сульфида калия в соотношении 1:/0,2-0,3/, перемешивание ингредиентов до образования однородной пасты, ее гранулирование, сушку при температуре 130-150°C, карбонизацию и активацию при температуре 750-850°C в атмосфере продуктов сгорания природного газа в течение 4-5 часов со скоростью подъема температуры 10-25°C/мин; после охлаждения гранулы отмывают растворами сернистого калия, соляной кислоты и водой при температуре 20-50°C, после чего сушат и дополнительно активируют водяным паром при температуре 600-870°C в течение 1 часа. Для получения порошковых форм гранулы размером 1-5 мм подвергают размолу до размера частиц менее 100 мкм /см. Пат. РФ №2235063, кл. С01В 31/08, опубл. 27.08.2004/.

Недостатком известного способа является низкая адсорбционная активность получаемого активного угля при извлечении из воды йода и метиленового голубого.

Задачей изобретения является повышение адсорбционной активности получаемого порошкового активного угля по извлечению из воды йода и метиленового голубого.

Это достигается тем, что в способе, включающем измельчение и сушку исходного сырья, введение химического активирующего агента, активацию, отмывку агента и сушку готового продукта, в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф, сушку исходного сырья проводят при температуре 280-600°C, в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/2,5÷6,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку осуществляют в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,0% мас. и снова водой.

Отличие предлагаемого способа от прототипа состоит в том, что в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф. Сушку сырья проводят при температуре 280-600°C, а в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/2,5÷6,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку проводят в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,0% мас. и снова водой.

Из патентной и научно-технической литературы авторам неизвестен способ получения активного угля, в котором в качестве исходного сырья используют древесину, технический лигнин и торф, сушку проводят при температуре 280-600°C, в качестве химического активирующего агента используют гидроксид калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:/0,8÷2,0/, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью подъема температуры 26-35°C/мин, а отмывку осуществляют в три стадии при температуре 70-90°C: сначала водой, затем соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,С % мас. и снова водой.

При получении высококачественных активных углей на основе необуглероженного сырья (торф, опилки, измельченная древесина технические лигнины и т.п.) важно подобрать такой химический активирующий агент (ХАА), который при формировании кристаллитов углерода в процессе карбонизации и активации не только бы катализировал реакции окисления, но и эффективно внедрялся в межплоскостные расстояния кристаллитов. Причем правильно выполненная операция предварительной сушки исходного растительного сырья обеспечивает качественное импрегнирование древесного сырья ХАА, а подбор режимов карбонизации и активации в совмещенном процессе формирует нужную величину размеров пор. Стадия отмывки ХАА осуществляет вскрытие сформированной микропористой структуры при минимальном расходе отмывочных жидкостей. Однако определить заранее, какие технические приемы и их режимные параметры оптимальны, невозможно и только в процессе экспериментальных исследований их можно выявить.

Учитывая, что порошковые формы активных углей используются для очистки жидких сред, оценку качества получаемых углей проводили по эффективности извлечения из воды йода и красителя метиленового голубого, веществ, принятых в качестве тестовых в международной практике.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут исходное древесное сырье (опилки, горбыль, технические лигнины и т.п.) и проводят его измельчение до размера частиц 1-8 мм. Измельченное сырье помещают в стальную реторту и осуществляют его сушку при температуре 280-600°C в атмосфере парогазов (выделяемые при нагреве пары воды и легкие летучие вещества) с выдержкой при конечной температуре 1-3 часа. После завершения процесса сушки продукт помещают в смеситель, оборудованный мешалкой и порционно добавляют насыщенный раствор химического активирующего агента (ХАА) с плотностью 1,3-1,5 г/см 3 и соотношением высушенного сырья и агента, равным 1:/2,5÷6,0/, причем в качестве ХАА используют NaOH или КОН. Пропитку осуществляют при температуре 30-50°C в течение 20-40 мин при постоянном перемешивании сухого измельченного сырья и раствора ХАА. Затем пропитанный продукт направляют на совмещенный процесс карбонизации-активации, который ведут в печи камерного или барабанного типа, выполненной из специальной стали, в атмосфере парогазов при температуре 550-800°C со скоростью ее подъема 26-35°C/мин с выдержкой при конечной температуре 1-2 часа.

По завершении процесса активации науглероженный материал выгружают из печи, охлаждают и производят отмывку ХАА сначала водой, затем 1,5-5,0% HCl и повторно снова водой до рН=4-6, причем температуру процесса на всех трех стадиях отмывки поддерживают в интервале 70-90°C. Полученный порошковый активный уголь отделяют от влаги на фильтр-прессе и сушат при температуре 100-120°C до остаточной влажности 3-8% масс. Готовый продукт подвергают анализу на адсорбционную активность по йоду /по ГОСТ 6217-74/ и метиленовому голубому /по ГОСТ 4453-74/, причем при проведении этих анализов, полученный активный уголь измельчают до размеров частиц менее 100 мкм.

Полученный по данному способу порошковый активный уголь имеет адсорбционную способность по йоду 150-240%, а по метиленовому голубому 350-600 мг/г.

Примеры осуществления способа

Берут 1 кг опилок древесины сосны, имеющих размер 1,0-3,0 мм, и осуществляют их нагрев при температуре 280°C в атмосфере парогазов с выдержкой при конечной температуре 1-3 часа. После завершения процесса сушки продукт помещают в смеситель, оборудованный мешалкой, и порционно по 1/3 нормы добавляют насыщенный раствор NaOH с плотностью 1,3-1,5 г/см 3 , придерживаясь соотношения опилки — активатор 1:8, пропитку осуществляют при температуре 30-50°C в течение 20-40 мин при постоянном перемешивании сухого измельченного сырья и раствора ХАА. Затем пропитанный продукт вылеживают 2-4 часа и направляют на совмещенный процесс карбонизации-активации, который ведут в печи камерного или барабанного типа, выполненной из специальной стали в атмосфере парогазов при температуре 550°C со скоростью ее подъема 20°/мин с выдержкой при конечной температуре 1-2 часа.

По завершении процесса активации науглероженный материал выгружают из печи, охлаждают и производят отмывку ХАА сначала водой, затем 1,5-3,0% HCl и повторно снова водой до рН=4-6, причем температуру процесса на всех трех стадиях отмывки поддерживают 70°C. Полученный порошковый активный уголь (ПАУ) отделяют от влаги на фильтр-прессе и сушат при температуре 100-120°C до остаточной влажности 3-8% мас.

Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную активность по йоду 150%, а по метиленовому голубому 350 мг/г.

Берут горбыль (обрезки древесины) березы и измельчают его на зубчатой дробилке до размера частиц 1-8 мм. Дальнейшее проведение процесса, как в примере 1, за исключением того, что сушку ведут при температуре 600°C, в качестве химического активирующего агента используют КОН с плотностью раствора 1,3-1,5 г/см 3 , а пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:6,0, активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 800°C со скоростью ее подъема 35°C/мин.

Отмывку ПАУ осуществляют также в три стадии, поддерживая температуру 90°C.

Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную способность по йоду 200%, а по метиленовому голубому 400 мг/г.

Берут технический лигнин и высушивают его при температуре 450°C. Дальнейшее осуществление процесса, как в примере 1, за исключением того, что пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и агента, равном 1:1,4, а активацию осуществляют в атмосфере парогазов при температуре 720°C со скоростью подъема температуры 30°C/мин, отмывку ПАУ осуществляют также в три стадии, поддерживая температуру 80°C. Полученный по данному способу ПАУ имел адсорбционную способность по йоду 240%, а по метиленовому голубому 600 мг/г.

Активный уголь, полученный по способу изложенному в прототипе /Пат. РФ № 2235063/, имел адсорбционную активность по йоду 80%, а по метиленовому голубому 102 мг/г.

Проведенные исследования по обоснованию защищаемых параметров показали, что при снижении температуры сушки ниже 280°C в исходном сырье остается много легких летучих веществ, которые на стадии активации разрыхляют частицу, создавая балластные поры, а при температуре сушки выше 600°C уже начинается графитизация, что ухудшает пропитку.

При соотношении высушенного сырья и ХАА менее 1:2,4 образуется недостаточно микропор, отвечающих за адсорбционную активность, а при соотношении высушенного сырья и ХАА более 1:6,0 образуемые микропоры блокируются избытком атомов калия или натрия.

Сушка и карбонизация-активация в атмосфере парогазов обеспечивает создание на внешней поверхности ПАУ дополнительных адсорбционно-активных поверхностных кислородсодержащих окислов, в то время как проведение этих процессов в атмосфере продуктов сгорания природного газа таких центров не образует. При этом если температура активации ниже 550°C процесс значительно растягивается во времени, а при температуре активации выше 800°C начинает усиливаться поверхностный обгар, разрушающий сформированную микропористую структуру, причем скорость подъема температуры на этой стадии должна быть 26-35°C/мин, т.к. снижение этой скорости сильно уплотняет макромолекулы в составе кристаллита и трудно проводить отмывку ХАА, а при повышении скорости нагрева более 35°C/мин возрастает в пористой структуре ПАУ доля балластных микропор, что в итоге снижает адсорбционную способность ПАУ.

Анализ экспериментальных данных по процессу отмывки ХАА показал, что такая последовательность вода — разбавленная HCl — вода дает наилучший результат для вскрытия сформированной микроструктуры угля за счет удаления ХАА, причем оптимальная концентрация HCl на второй стадии 1,5-3,0% мас., что же касается температуры проведения процесса, то если она ниже 70°C, не происходит полного удаления ХАА (он удаляется лишь на 60-70%), а при температуре выше 90°C возрастают энергозатраты.

Предложенное техническое решение позволяет повысить адсорбционную способность получаемого порошкового активного угля по тестовым веществам йоду и метиленовому голубому по сравнению с ПАУ, полученному по известному способу, в 1,5-3,3 раза.

Таким образом, из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на решение поставленной задачи, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Способ получения активного угля, включающий измельчение исходного углеродсодержащего сырья, сушку, введение химического активирующего агента, карбонизацию и активацию, отмывку гранул и сушку готового продукта, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего сырья используют древесину, технический лигнин и торф, сушку сырья проводят при температуре 280-600°С в среде парогазов, в качестве химического активирующего агента используют насыщенный раствор гидроксида калия или натрия, причем пропитку ведут при соотношении высушенного сырья и гидроксида в расчете на твердые вещества, равном 1:(2,5-6,0), активацию осуществляют в одну стадию в атмосфере выделяющейся парогазовой смеси при нагреве до температуры 550-800°С со скоростью подъема температуры 26-35°С/мин, отмывку осуществляют в три стадии при температуре 70-90°С, на первой стадии водой, на второй стадии соляной кислотой с концентрацией 1,5-3,0% мас. и на третьей стадии водой.

Источник

Способ получения активированного угля

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения активированных углей и углеродных сорбентов, используемых в газоочистке, водоподготовке и водоочистке, очистке почв, а также в противогазовой технике. Способ получения активированного угля заключается в том, что углеродсодержащее сырье крупностью + 8 — 80 мм карбонизируют при температуре 600 — 950 o C и подвергают обработке активирующим агентом-парогазовой смесью в два этапа: 1 этап -подготовительная, низкотемпературная активация и 2 этап -высокотемпературная активация, причем на высокотемпературную активацию при температуре 750 — 900 o C поступает карбонизат, пропитанный водой до насыщения. В качестве углеродсодержащего сырья используют, например, бурые угли. Получаемый карбонизат и активат характеризуются высокой механической прочностью и пониженной способностью загрязнять воду растворимыми солями. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано для получения активированных углей и углеродных сорбентов, используемых в газоочистке, водоподготовке и водоочистке, очистке почв, а также в противогазовой технике.

Известен способ получения активированного угля (по а.с. СССР N 1567515, кл. C 01 B 31/08, 28.09.87), включающий измельчение каменного угля до размеров частиц менее 0,5 мм и нагревание до 1000- 1200 o C с последующей активацией при этой температуре в вихревой печи активирующим агентом, содержащим водяной пар. Недостатком данного способа являются низкая адсорбционная способность получаемого активированного угля (а.у.) по высокомолекулярным органическим соединениям в жидкой фазе, а также малый общий выход готового продукта (20-23%).

Известен способ получения гранулированного активированного угля (по а. с. СССР N 1528729, кл. C 01 B 31/10, 27.11.87) с повышенной адсорбционной емкостью угля, по которому бурый уголь измельчают, гранулируют в присутствии воды, на гранулы накатывают слой бурого угля в присутствии 12,5 — 25% водного раствора сульфитно-спиртовой бражки, сушат, карбонизируют и активируют при 700- 750 o C в течение 20-30 мин.

Недостаток данного способа — технологическая сложность в реализации способа в промышленном масштабе, высокая себестоимость готовой продукции.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения активного угля (по а. с. N 1020371, кл. C 01 B 31/08, 29.09.80), выбранный за прототип и включающий карбонизацию измельченных углеродсодержащих отходов, подачу воды в карбонизованные отходы при расходе воды 0,4-0,8 м 3 /т отходов, активацию до 700-750 o C. В результате получают активированный уголь с удельной поверхностью 190-210 м 3 /г, плотностью 1,5-1,9 г/см 3 , прочностью 35%.

К недостаткам данного способа можно отнести следующее: — значительное измельчение исходного сырья; — периодичность процесса; — нетехнологичность способа, включающего раздельные стадии карбонизации, обработки водой и активации, проводимые последовательно в одном и том же аппарате; — низкие эксплуатационные показатели получаемого сорбента.

Задача предлагаемого изобретения — вовлечение в производство активированных углей дешевого природного углеродсодержащего сырья, например бурого угля, и повышение адсорбционных свойств и прочности получаемого продукта при использовании в технологическом процессе типовых нагревательных аппаратов, например шахтных печей полукоксования.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения активированного угля из углеродсодержащего сырья, включающем дробление, классификацию, карбонизацию, обработку водой и активацию, углеродсодержащее сырье, например бурые угли, фракции +8-80 мм направляют на карбонизацию при температуре 600-950 o C, охлаждают до 250-350 o C и обрабатывают водой, причем обработку водой ведут до полного насыщения карбонизата, подготовленный таким образом карбонизат направляют на активацию парогазовой смесью при температуре 750-900 o C с получением активата, при этом перед карбонизацией углеродсодержащее сырье нагревают до температуры на 5-10 o C ниже температуры начала отгона летучих углеводородных веществ и карбонизацию осуществляют со скоростью нагрева 2-10 o C/мин в токе инертного газового теплоносителя при его расходе 0,3-0,5 м 3 /кг сырья, а активацию карбонизата парогазовой смесью с расходом пара 3-10 г/г ведут в течение 1-4 ч до обгара 30-60%.

Общими признаками предлагаемого способа и способа по прототипу является наличие в них практически одних и тех же технологических приемов: дробление, классификация, карбонизация, обработка водой и активация углеродсодержащего сырья, однако использование в предлагаемом способе углеродсодержащего сырья, например бурого угля, крупного дробления (фракции +8-80мм) позволяет осуществлять данные приемы в такой последовательности и при таких технологических параметрах (см. формулу изобретения), что в результате получают адсорбенты (карбонизат, активат) по эксплуатационным качествам выше прототипа и соответствующие требованиям ТУ 6-16-1917-74 на «Уголь активный КАД-йодный» (см.табл. 1).

Кроме исходного сырья, другим отличительным признаком от прототипа является предложенный авторами способ обработки карбонизата активирующим агентом (парогазовой смесью) в два этапа: 1 этап — подготовительная, низкотемпературная активация и 2 этап — высокотемпературная активация. При этом на 1 этап поступает карбонизат после охлаждения до 250-350 o C, на 2 этап — охлажденный приблизительно до т-ры окружающей среды.

Таким образом, предлагаемое техническое решение отличается от прототипа и, следовательно, отвечает критерию изобретения «новизна».

Для определения «уровня техники» проведен поиск по патентной и научно-исследовательской литературе. Проведенный анализ показал, что ряд признаков, заявленных в формуле изобретения, известен: — использование бурых углей в производстве сорбентов известно, например, по а. с. СССР N 1528729 (C 01 B 31/10) «Способ получения гранулированного активированного угля», но получение сорбентов проведением карбонизации в крупнокусковом буром угле не найдено; — карбонизация каменноугольного угля при температуре 600-950 o C известна из патента СССР N 1836289 (C 01 B 31/08) «Способ получения активного угля», согласно которому при карбонизации осуществляют нагрев до 450-600 o C со скоростью нагревания 15-20 o C/мин, а затем со скоростью нагревания 0,5-2 o C/мин до 850-950 o C; — высокотемпературная активация углеродсодержащего материала известна из патента РФ N 2023663 (C 01 B 31/08) «Способ получения активного угля», согласно которому после карбонизации осуществляют нагревание со скоростью 1-З o C/мин до 900-950 o C и после активации водяным паром осуществляют дробление до размера частиц 0,5-1,5 мм, что значительно сужает ассортимент сорбентов для потребителей, а в предлагаемом решении используется весь диапазон крупности сорбента фракции — 5 мм; — предварительная сушка перед карбонизацией известна по а.с. СССР N 178797 (C 01 B 31/08) «Способ получения активного угля», согласно которому сушку осуществляют при температуре 80-120 o C, но авторы в предлагаемом изобретении предлагают дифференцировать сушку в зависимости от физико-химических свойств сырья, что позволит стабилизировать процесс карбонизации за счет того, что на карбонизацию будет поступать сырье с одинаковой с физико-химической точки зрения степенью предварительной термоподготовки; — ведение карбонизации со скоростью нагрева, изменяющейся в широком диапазоне, например 2- 10 o C/мин, как заявлено авторами, известно из патента СССР N 1836288 (C 01 B 31/08) «Способ получения гранулированного активного угля», но если в известном изобретении осуществление карбонизации вначале со скоростью нагревания 10-25 o C/мин», затем со скоростью 2-5 o C/мин является обязательным требованием ведения технологии вначале с большей скоростью нагрева, затем с меньшей, то в предлагаемом изобретении заявленный широкий интервал скорости нагрева характеризует многообразие вариантов ведения процесса с получением соответственно сорбентов с разнообразными потребительскими свойствами.

Анализ уровня техники показывает неизвестность заявляемой технологии получения сорбента, ключевым моментом которой является использование на стадии карбонизации крупнокускового углеродсодержащего сырья, например бурого угля, а также предварительная низкотемпературная активация парами воды в процессе охлаждения карбонизата и подача на высокотемпературную активацию увлажненного до полного насыщения карбонизата, что указывает соответствие предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Согласно прототипу карбонизируют измельченный материал, охлаждают его и затем увлажняют при температуре 50-70 o C, в результате чего в порах карбонизованного материала образуются азеотропные смеси низкомолекулярных продуктов пиролиза и воды. Далее подготовленный таким образом карбонизат направляют на активацию, причем подъем температуры осуществляют до 750 o C со скоростью 8-9 o /мин. Удаление воды и азеотропных смесей при активации начинается при температуре 90 o C и последняя влага удаляется при 300-400 o C, а далее активация идет при отсутствии активирующего агента.

Постепенный подъем температуры при активации приводит к тому, что с влагой удаляются лишь низкотемпературные соединения и, в основном, из макро- и мезопор, а микропоры и зародыши микропор, образовавшиеся при карбонизации, при начальных низких температурах активации не освобождаются от продуктов пиролиза и при дальнейшем повышении температуры в них протекает вторичный пиролиз с образованием пироуглерода, уплотняющего материал за счет сокращения количества микропор.

В предлагаемом изобретении учтены все недостатки технологии по прототипу и предлагается новый механизм использования активирующего агента, реализуемый при соблюдении предлагаемой последовательности ведения технологического процесса и соблюдении его параметров, а также при использовании крупнокускового сырья, например бурого угля с его природными структурными и физико-химическими особенностями.

В предлагаемой технологии из сырья фракции +8-80 мм перед карбонизацией полностью отгоняют влагу для обеспечения наиболее благоприятных условий глубокого пиролиза, карбонизируют и затем ведут охлаждение карбонизованного продукта с одновременной пропиткой его водой, причем обработку водой начинают с 250-350 o C.

Рассмотрим механизм действия активирующего агента (пара, воды) по предлагаемой технологии на двух этапах активации.

В карбонизованном материале на 1 этапе активации при 250-350 o C микропоры и зародыши микропор более доступны для паров воды, чем в холодном материале, поэтому смесь паров воды и газов пиролиза активно взаимодействует с углеродистой поверхностью карбонизата, увеличивая количество активных центров, доступных пор и их размеры. С понижением температуры карбонизата ниже 100 o C пары воды конденсируются в порах, причем заполняются водой практически все доступные поры. На выходе мы имеем пропитанный влагой карбонизат с удельным весом 1,25 г/см 3 , что ниже по сравнению с прототипом (1,44 г/см 3 на сухой карбонизат).

То есть карбонизация, охлаждение и обработка водой, осуществляемые в непрерывном последовательном режиме (желательно в одном аппарате, например шахтной печи полукоксования), позволяют получить пропитанный активирующим агентом (до полного насыщения) карбонизат с хорошо развитой первичной пористостью, необходимой для последующей эффективной активации.

При последующей высокотемпературной активации карбонизат с температурой, приблизительно равной температуре окружающей среды, сразу попадает в зону высокой температуры (750-900 o C), в результате чего вода в порах резко увеличивается в объеме и в случае макро- и мезопор происходит полное очищение транспортных каналов для дальнейшей доставки активирующего агента, а в случае микропор и зародышей микропор вода выполняет роль не только транспорта для вывода продуктов пиролиза, но и вскрывает (разрушает) поры,делая их более доступными.

Таким образом, активация паром осуществляется в максимально подготовленном материале по раскрытию и очистке пор с наличием первичных активных центров.

Признаки, заявленные в формуле изобретения и выраженные в абсолютных величинах, обосновываются следующим.

1.» . углеродсодержащее сырье фракции +8-80 мм . »
Минимальный размер кусков 8 мм обосновывается:
— необходимостью обеспечения достаточной газопроницаемости всего объема сырьевой массы при карбонизации;
— задачей получения на выходе карбонизата с лучшими физико-химическими и физико-механическими свойствами за счет удаления зольных примесей, концентрирующихся в мелких фракциях;
— возможностью сокращения от пылеуноса при переработке тонкоизмельченного углеродсодержащего сырья.

Максимальный размер 80 мм определен с точки зрения оптимальных тепломассопередачи и газопроницаемости объема сырьевой массы при карбонизации, а также тем, что более крупный уголь (выше 80 мм) в среде газового теплоносителя не успевает прогреваться во всем объеме.

2.». карбонизацию при температуре 600-950 o C. »
Нижний предел (600 o C) — это минимально допустимая температура, обеспечивающая достаточно эффективную тепломассопередачу в крупнокусковом материале, а также при более низких температурах карбонизации снижаются прочностные характеристики карбонизата.

При увеличении температуры карбонизации выше верхнего предела (950 o C) наблюдается уменьшение реакционной способности карбонизата, от которой зависит формирование пористой структуры на последующей стадии активации.

3.». охлаждают до 250-350 o C. »
Охлаждение осуществляют холодными газами пиролиза (40 o C), подаваемыми перпендикулярно движению карбонизируемой массы, причем разгрузку осуществляют в емкость с водой таким образом, что образующийся при этом пар под действием тяги, создаваемой в печи карбонизации, попадает в зону охлаждаемого карбонизата. Точка ввода холодного газа располагается на таком уровне, чтобы карбонизат при выходе из зоны охлаждения газом имел температуру 250-350 o C.

При температуре карбонизата на выходе из зоны охлаждения менее 250 o C первый (низкотемпературный) этап активации неэффективен в силу меньшей доступности пор и меньшей энергетической активности пара.

При температуре карбонизата на выходе из зоны охлаждения более 350 o C наблюдается образование объема пара больше необходимого, что создает технологические трудности в ведении карбонизации и трудности в процессе окончательного охлаждения карбонизата.

4.». на активацию при температуре 750-900 o C. »
При температуре ниже 750 o C не обеспечивается достаточно полный процесс активации в микропорах материала.

При температуре активации более 900 o C наблюдается значительный обгар материала, а также интенсифицируется процесс вторичного пиролиза, что снижает адсорбционную способность активата.

5. «. нагревают до температуры на 5-10 o C ниже температуры начала отгона летучих углеводородных веществ » (третий пункт формулы).

Данный предел обусловлен необходимостью проведения этапа сушки и нагрева бурых углей без отгона углеводородов в зоне сушки печи для сохранения сыпучести сырьевой массы для осуществимости в дальнейшем технологического процесса. Выделяющиеся при последующей карбонизации углеводороды непрерывно и организованно удаляются на переработку, что интенсифицирует процесс карбонизации.

6.». со скоростью нагрева 2-10 o /мин» (четвертый пункт формулы).

При скорости менее 2 o /мин не обеспечивается достаточно интенсивное выделение летучих веществ для образования в угле транспортных пор, обеспечивающих подвод активирующего агента на стадии активации, а также удлиняет время карбонизации, что удорожает процесс в целом.

При скорости нагрева более 10 o /мин карбонизация идет с интенсивным выходом летучих веществ, что приводит к разрушению природной углеродной структуры материала, перестройке углеродного каркаса и уменьшению прочности адсорбента в целом.

7.». при расходе теплоносителя 0,3-0,5 м 3 /кг бурого угля» (пятый пункт формулы).

Данный предел расхода теплоносителя с температурой 600-950 o C обеспечивает подвод необходимого количества тепловой энергии.

8. «. .. с расходом пара 3-10 г/г карбонизата. » (шестой пункт формулы).

При расходе ниже 3 г пара на 1 г карбонизата наблюдается недостаток активирующее агента, в результате чего выходит активат с низкой микропористостью и недостаточным количеством активных зон.

При расходе выше 10 г/г снижается механическая прочность активата, увеличивается обгар материала.

9. «. активацию ведут в течение 1-4 ч» (седьмой пункт формулы).

Время активации из данного предела выбирается в зависимости от требований к сорбенту. Так, например, для получения сорбента на тяжелые металлы достаточно одного часа активации, а для получения сорбента для очистки растворов от органики необходима более длительная активация.

10.». активацию ведут до обгара 30-60%» (восьмой пункт формулы).

Заявленный авторами предел, во-первых, указывает на гибкость предлагаемого способа, который можно вести при различных комбинациях заявленных технологических параметров и получать в результате сорбенты с эксплуатационными свойствами широкого диапазона, так как степень обгара определяет структурные особенности получаемого сорбента:
— сорбент, полученный в результате процесса с 30% обгаром, имеет, как правило, низкую микропористость и может быть рекомендован для грубой и механической очистки;
— сорбент, полученный в результате процесса с 60% обгаром, имеет хорошо развитую структуру с высокой удельной поверхностью и может использоваться в тонкой очистке.

Необходимо также отметить, что в процессе реализации предлагаемого способа происходит обогащение исходного сырья, например бурого угля, а именно: дробление и классификация перед карбонизацией с целью выделения материала необходимой крупности (+8-80 мм) обеспечивает удаление с отсевом (мелкой фракцией) значительной части зольных примесей. Таким образом, на карбонизацию поступает материал с уменьшенным содержанием золы, а поэтому получаемый по данной технологии карбонизат и активат характеризуются высокой механической прочностью и пониженной способностью загрязнять воду растворимыми солями, содержащимися в золе.

Для реализации предлагаемого способа не требуется специальных печей и устройств, что в целом упрощает и снижает затраты на процесс.

Пример 1 (получение экологического сорбента).

Опытно-промышленные испытания проводили на Ангарском нефтехимическом комбинате (АО АНХК, Иркутская обл.).

Процесс карбонизации и активации осуществляли в шахтных печах полукоксования с производительностью по исходному углю 200 т/сут.

Для усреднения результатов испытаний процесс вели на трех печах параллельно. Общая длительность эксперимента составляет 4 суток (сутки-выход на заданный технологический режим, далее 72 ч работы на стабильном режиме).

В качестве сырья использовали бурые угли Азейского угольного разреза Иркутского угольного бассейна, которые перед карбонизацией дробили и классифицировали с выделением фракции +8-80 мм.

Уголь после загрузки проходит через зону сушки печи, куда подается теплоноситель с температурой 220-250 o C. В качестве теплоносителя использовали газы пиролиза угля, прошедшие переработку. Расход газа составлял 1000-2000 м 3 /ч.

Высушенный уголь подвергали карбонизации. Параметры процесса карбонизации определяли, исходя из заданных потребительских свойств карбонизата (см. табл. 1):
— теплоноситель — очищенные газы пиролиза угля;
— расход теплоносителя — 3000-4000 м 3 /ч;
— температура теплоносителя — 90050 o C;
— скорость нагрева — 3-4 o C/мин.

В нижнюю конусную зону печи, через которую проходит готовый карбонизат, подавали очищенные газы пиролиза угля с температурой 20-40 o C, а расход газов составлял 1000 м 3 /ч.

Разгрузка карбонизата осуществлялась в емкость с водой (водяной затвор). Расход воды — 400 м 3 /ч.

Карбонизат, пропитанный водой до насыщения, направляли на активацию парогазовой смесью с весовым соотношением пар:газ:воздух = 10:1:10, а в качестве газа использовали очищенные газы пиролиза угля.

Параметры процесса активации определялись исходя из заданных свойств активата экологического (см. табл. 1):
— температура парогазовой смеси — 750-900 o C;
— расход воды на активацию — 4 — 5 г H₂O/г карбонизата;
— время активации — 2 ч;
— обгар — 30%.

Характеристика полученного экологического активата приведена в табл. 1 и данный активат рекомендуется как экологический сорбент для очистки бытовых и промышленных стоков и газовых выбросов.

Пример 2 (получение технологического сорбента).

В данном примере стадии предварительной подготовки и карбонизации отличаются тем, что карбонизацию осуществляли со скоростью нагрева 4-5 o C/мин.

Параметры активации:
— температура парогазовой смеси — 80050 o C;
— время активации — 3 ч;
— обгар — 40-50%.

Активат рекомендуется как технологический сорбент, преимущественно на тяжелые металлы и их окислы.

Процесс переработки бурых углей в карбонизат с заданными свойствами и дальнейшее получение активата с заданными свойствами характеризуются следующим материальным балансом (на 1 т исходного угля) (см. табл. 2).

Таким образом, для получения 1 т активата необходимо переработать около 14 т бурого угля.

1. Способ получения активированного угля из углеродсодержащего сырья, включающий дробление, классификацию, карбонизацию, обработку водой и активацию, отличающийся тем, что углеродсодержащее сырье фракции +8 — 80 мм направляют на карбонизацию при 600 — 950 o С, охлаждают до 250 — 350 o С и обрабатывают водой с получением карбонизата, причем обработку водой ведут до полного насыщения, подготовленный таким образом карбонизат направляют на активацию при 750 — 900 o С парогазовой смесью с получением активата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего сырья используют бурые угли.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед карбонизацией углеродсодержащее сырье нагревают до температуры на 5 — 10 o С ниже температуры начала отгона летучих углеводородных веществ.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что карбонизацию осуществляют со скоростью нагрева 2 — 10 град./мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбонизацию осуществляют в токе инертного газового теплоносителя при его расходе 0,3 — 0,5 м 3 /кг углеродсодержащего сырья.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что активацию осуществляют парогазовой смесью с расходом пара 3 — 10 г/г карбонизата.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что активацию ведут в течение 1 — 4 ч.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что активацию ведут до обгара 30 — 60%.

Источник