СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
METHOD OF PRODUCING ACTIVATED CARBON

Изобретение относится к области производства активированных углей, которые могут быть использованы в различных адсорбционных процессах: поглощении веществ из газов, паров и жидкостей.
Известен способ получения активного угля, включающий смешение измельченного углеродсодержащего материала со связующим, гранулирование, карбонизацию и активацию гранул. Причем активацию гранул ведут при температуре 850-950°С до обгара 20-40 мас. %, а затем при той же температуре до обгара 42-70 мас. %, при этом после каждой активации уголь охлаждают до температуры 20-50°С со скоростью снижения температуры 10-40°С/мин без доступа воздуха. Способ по изобретению предусматривает дробление активного угля до частиц размером 0,2-1,5 мм. (RU №2086504 МПК С01В 31/10, опубл. 10.08.1997 г.). Недостатком известного способа является недостаточно высокая механическая прочность и адсорбционная способность из-за высокой скорости снижения температуры при активации.
3
Известен также способ получения активного угля, включающий смешение измельченного углеродсодержащего материала (каменный уголь, полукокс, древесный уголь-сырец и т.п.) со связующим до образования однородной пасты, которую гранулируют через фильеры с диаметром отверстий 1,0-3,5 мм на прессах любого типа (шнековых, гидравлических). Сырые гранулы карбонизируют при температуре 550-650°С со скоростью нагрева 20-25°С/мин во вращающейся или шахтной печи, после чего проводят термообработку при температуре 900-950°С со скоростью подъема 1-3°С/мин, затем уголь активируют во вращающейся или шахтной печи при 850-950°С в среде водяного пара, подаваемого из расчета 5-15 кг на 1 кг термообработанных гранул до суммарного объема пор 0,8-1,2 см/г. Способ предназначен для очистки питьевой воды от активного хлора. (RU №2023663 МПК С01В 31/08, опубл. 30.11.1994 г.) Недостатком известного способа является недостаточно высокая адсорбционная способность получаемого активированного угля по активному хлору при сорбции его из воды.
Известен также способ приготовления активированного угля с использованием высокопрочного износостойкого нефтяного кокса. В качестве связующего используется каменноугольный пек в количестве 10-30% от состава композиции. Процесс включает измельчение, замес, формование, карбонизацию, активацию, просеивание и упаковку. Карбонизацию осуществляют в два этапа. На первом этапе карбонизацию проводят при температуре 250-380°С, на втором этапе при температуре 550-650°С, а активацию осуществляют при температуре 880-950°С (CN 109775703 МПК С01В 32/318, опубл. 21.05.2019).
Недостатком данного способа является сложность проведения процессов карбонизации и активации. Технология получения активированного угля из нефтяного сырья имеет особенности, обусловленные повышенным выходом летучих веществ:
- пыль от гранул углеродного материала загорается,
- при активации гранул углеродсодержащего материала температура в верхней части печи может повыситься до 1000°С и более, что приводит к преждевременному разрушению кладки печи.
2
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения активного угля, включающий совместное измельчение в пыль углеродсодержащего сырья (каменный уголь, полукокс, древесный уголь-сырец) и твердого связующего - пека, имеющего температуру плавления 70-110°С и взятого в количестве 8-20 мас. %, формование полученной композиции в таблетки, брикеты, гранулы при удельном давлении, равном 900-1500 кг/см, карбонизацию в интервале температур от комнатной до 550-650°С со скоростью 20-25°С/мин, дробление до размера частиц 0,3-2,0 мм, активацию водяным паром. (RU №2184080 МПК С01В 31/08, опубл. 27.06.2002 г.). Недостатком прототипа является то, что полученный активированный уголь данным способом имеет менее развитый объем сорбирующих микропор, что ограничивает его функциональные возможности при использовании в различных адсорбционных процессах: поглощении веществ из газов, паров и жидкостей. Предложенная технология позволяет использовать только неспекающиеся и слабоспекающиеся угли.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в расширении возможности использования различных марок каменного угля для получения активированного угля, а также в получении активированного угля с высокими прочностными характеристиками и с развитым объемом сорбирующих микропор, который может быть использован как в газофазных, так и жидкофазных адсорбционных технологиях.
Существующая техническая проблема решается тем, что в известном способе получения активированного угля, включающем измельчение сырья, содержащего каменный уголь и каменноугольный пек, формование, карбонизацию, дробление и активацию, согласно изобретению, тонкоизмельченные раздельно каменный уголь и каменноугольный пек смешивают до однородной массы, затем угольно-пековую смесь формуют, а потом производят дробление и рассев на предварительно заданную фракцию, из трех возможных получаемых фракций: 0,71-1,25 мм, 1,25-3,15 мм, 3,15- 6,3 мм, полученные гранулы подвергают термической обработке в присутствии кислорода воздуха при температуре 300-350°С и выдерживают при конечной температуре 3-3,5 часа, затем проводят карбонизацию при температуре 600-650°С со скоростью подъема температуры 3-6°С/мин., после чего осуществляют процесс парогазовой активации при температуре 920-950°С до обеспечения обгара гранул 30-35%. Измельчение углеродсодержащего материала и каменноугольного пека осуществляют до размера частиц менее 100 мкм.
3
Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого способа, заключается в получении активированного угля с высокими прочностными характеристиками (не менее 80%) и с развитым объемом сорбирующих микропор (не менее 0,25 г/дм), что достигается согласно следующему:
- раздельное измельчение составляющих сырья- каменного угля и твердого связующего-каменноугольного пека до тонкоизмельченного состояния с размером частиц менее 100 мкм, а затем их смешение, позволяет получить более однородный состав для получения конечного продукта;
- дробление формованной угольно-пековой смеси на гранулы и рассев на предварительно заданную фракцию, из трех возможных получаемых фракций: 0,71-1,25 мм, 1,25-3,15 мм, 3,15- 6,3 мм, до осуществления операции «термической обработки гранул», позволяет вернуть в процесс мелкую и крупную фракции, кроме заданной, для повторного получения гранул;
- наличие стадии термической обработки в присутствии кислорода воздуха при температуре 300-350°С и выдержки при конечной температуре 3-3,5 часа, предотвращает вспучивание и слипание частиц при карбонизации, что позволяет использовать для получения активированного угля спекающиеся угли;
- проведение процесса карбонизации при температуре 600-650°С с использованием скорости подъема температуры 3-6°С позволяет предотвратить возгорание продукта при карбонизации и получить карбонизованный продукт с летучими менее 11%;
3
- проведение процесса парогазовой активации при температуре 920-950°С до обеспечения обгара гранул 30-35%, позволяет получить заданную насыпную плотность конечного продукта 500-530 г/дм.
Способ получения активированных углей осуществляется следующим образом: тонкоизмельченный каменный уголь с размером частиц d75<100 мкм смешивают с тонкоизмельченным каменноугольным пеком с размером частиц d97<100 мкм до образования однородной массы. Полученную смесь формуют в брикеты на компакторе с последующим дроблением в валково-стержневой мельнице и разделением на грохоте на фракции 0,71-1,25 мм, 1,25-3,15 мм, 3,15- 6,3 мм, каждая из которых соответствует определенному направлению использования. Затем производят рассев и выделяют заданную фракцию, которая необходима для получения конечного продукта. Оставшуюся часть мелкой фракции направляют, при необходимости, для измельчения в валковую мельницу и затем возвращают для использования в технологической стадии формования угольно-пековой смеси. Оставшуюся более крупную часть дробленой фракции подают обратно в валковую мельницу для повторного измельчения, а затем снова возвращают на формование.
Полученные после рассева сырые гранулы в печи предварительного окисления подвергают термической обработке в присутствии кислорода воздуха при температуре 300-350°С с выдержкой 3-3,5 часа. Далее осуществляют процесс карбонизации в печи в интервале температур 600-650°С со скоростью подъема температуры 3-6°С/мин. Температурный режим контролируют терморегулятором с термопарой. После карбонизации осуществляют процесс активации в среде водяного пара в печи при температуре 920-950°С до обгара гранул 30-35%. Контроль температурного режима осуществляют терморегулятором с термопарой. Полученный активированный уголь подают на грохот, где происходит рассев продукта до заданной фракции. Готовый продукт подвергают анализу по принятым в адсорбционной технике ГОСТам и методическим инструкциям.
Процесс термообработки гранул в печи предварительного окисления осуществляют при температуре 300-350°С с выдержкой 3-3,5 часа, это предотвращает вспучивание и слипание частиц при карбонизации, что позволяет использовать для получения активированного угля спекающиеся угли.
Процесс карбонизации осуществляют в интервале температур 600-650°С, что позволит достичь снижения летучих до 11% и предотвратить шлаковку печи на стадии активации. Медленный нагрев гранул при карбонизации со скоростью подъема температуры 3-6°С/мин позволит предотвратить возгорание продукта при карбонизации.
Процесс активации осуществляют при температуре 920-950°С, так как при данном интервале температур происходит развитие суммарной пористости гранул, что обеспечивает развитие объема сорбирующих микропор.
3
3
3
В процессе активации время пребывания карбонизованных гранул в печи активации должно обеспечить обгар 30-35%). Контроль времени пребывания карбонизованных гранул в печи активации осуществляют по насыпной плотности получаемого продукта, в связи с чем периодически проводят отбор проб для ее определения. При обгаре 30-35% полученный активированный уголь должен иметь насыпной вес 500-530 г/дм с развитием суммарной пористостью 0,60-0,80 см/г, что обеспечит развитие объема сорбирующих микропор до 0,25-0,30 см/г и приведет к существенному росту адсорбционной активности по тестовым веществам: йоду и метиленовому голубому.
Способ получения активированных углей на угле-пековой основе был проведен на лабораторном оборудовании для спекающихся углей. Перед испытаниями была поставлена задача получить активированный уголь с адсорбционной активностью по йоду не менее 65%, механической прочностью не менее 80% и фракционным составом 1,25-3,15 мм.
Пример 1. Исходный спекающийся каменный уголь и пек, взятые в виде кусков размером до 20 мм, раздельно дробили до получения частиц с размером менее 1 мм. Далее осуществляли размол каменного угля до размера частиц d175<100 мкм, а каменноугольного пека до размера частиц d97<100 мкм. Тонкоизмельченные каменный уголь и пек смешивали до получения однородной массы весом 500 г. Содержание пека в смеси составляло не более 8%. Полученную смесь формовали в брикеты на компакторе с последующим дроблением на валково-стержневой мельнице и разделением на грохоте до фракции 1,25-3,15 мм. Затем производили рассев и выделяли фракцию 1,25-3,15 мм, оставшуюся часть мелкой фракции направляли для измельчения в мельницу и затем возвращали для использования в технологической стадии формования угольно-пековой смеси, а оставшуюся более крупную часть дробленой фракции подавали обратно в мельницу для повторного измельчения и затем снова возвращали на формование. Полученные после рассева сырые гранулы подвергали термической обработке в присутствии кислорода воздуха при температуре 300°С в печи предварительного окисления с выдержкой 3 часа. Далее осуществляли процесс карбонизации в печи при температуре 600°С со скоростью подъема температуры 3°С/мин.
3
После карбонизации осуществляли процесс активации в среде водяного пара в печи при температуре 920°С до обгара гранул 30-35%. В связи с этим периодически проводили отбор проб для определения насыпной плотности получаемого активированного угля. Контроль температурного режима осуществляли терморегулятором с термопарой. Полученный активированный уголь подавали на грохот, где происходил рассев продукта до заданной фракции. Готовый продукт подвергали анализу по принятым в адсорбционной технике ГОСТам и методическим инструкциям. Адсорбционная способность по йоду полученного активированного угля составила 66%, прочность 80,8%), объем микропор составил 0,38 см/г.
Пример 2. Аналогично примеру 1 производили операции раздельного измельчения спекающегося каменного угля и пека, смешения, формование в брикеты с последующим дроблением и выделением заданной фракции. Полученные после рассева сырые гранулы подвергали термической обработке в присутствии кислорода воздуха при температуре 350°С в печи предварительного окисления с выдержкой 3,5 часа. Далее осуществляли процесс карбонизации в печи при температуре 650°С со скоростью подъема температуры 6°С/мин. После карбонизации осуществляли процесс активации в среде водяного пара в печи при температуре 950°С до обгара гранул 30-35%. Контроль температурного режима осуществляли терморегулятором с термопарой. Полученный активированный уголь подавали на грохот, где происходил рассев продукта до заданной фракции. Готовый продукт подвергали анализу по принятым в адсорбционной технике ГОСТам и методическим инструкциям.
3
Адсорбционная способность по йоду полученного активированного угля составила 65%. прочность 83%), объем микропор 0,36 см/г. Сравнительные характеристики качества полученного активированного угля на угле-пековой основе (УПК) и аналогов российских активированных углей АГ-3, АГ-2 приведены в таблице.
3
Как видно из таблицы, предлагаемый способ позволяет получить активированные угли УПК с высокими прочностными характеристиками (не менее 80%) и с развитым объемом сорбирующих микропор (не менее 0,25 см/г), которые могут быть использованы как в газофазных, так и в жидкофазных адсорбционных технологиях.