СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
METHOD OF OBTAINING ACTIVATED COAL

Изобретение относится к технологическим процессам получения активного угля на основе древесины для использования его в качестве адсорбента в жидкофазных процессах очистки питьевой воды, ликероводочных изделий, лекарственных препаратов и т.п.
Известен способ получения активного угля из растительного сырья посредством термической его обработки при температуре 600°С, активации в присутствии водяного пара, диоксида углерода или кислорода при температуре 110°С, охлаждения и повторной термической обработки при температуре до 150°С без подвода активирующих агентов извне (Патент ПНР №140117, С01В 31/10, опуб. 05.01.88).
Недостатком данного технического решения является значительная сложность технологического процесса и аппаратуры для его осуществления.
Известен способ переработки углеродсодержащего сырья, аппарат для осуществления которого содержит поярусно расположенные реакционные камеры предварительного нагрева, низкотемпературной и высокотемпературной карбонизации и активации, которые соединены между собой переточными трубопроводами. Процесс получения активных углей в режиме предварительного нагрева сырья при температуре 100-150°С, в низкотемпературной карбонизации при температуре 400-500°С, в высокотемпературной карбонизации при 750-850°С и в активации твердого продукта карбонизации парогазовой смесью, (а.с. SU №467761, С01В 31/08, 1970).
Для активации используют парогазовую смесь, образующуюся в камере сгорания при сгорании топлива (сюда же попадают водяной пар), которую пропускают последовательно снизу вверх через камеры активации, высокотемпературной карбонизации, низкотемпературной карбонизации и предварительного нагрева сырья противотоком к твердому продукту карбонизации. Готовый активный уголь выводят из процесса со стадии активации.
Недостатком данного технического решения по получению активированного угля является сложная технология проведения процесса по карбонизации исходного сырья и активации углеродсодержащей продукции, сопровождающихся использованием для этих целей высоких температур. Получаемый по данным технологическим процессам активированный уголь имеет низкую сорбционную активность по отношению к нефти и нефтепродуктам и к другим органическим продуктам переработки, находящихся в составе очищаемых жидкостных сред.
Известен способ получения активированного угля, при котором частицы твердого топлива сушат, карбонизируют с образованием полукокса и газообразных продуктов карбонизации, активируют водяным паром с образованием активированного угля и газообразных продуктов активации. Сушку ведут в слое, взвешенном острой струей газообразных продуктов карбонизации, подаваемой сверху, а активацию - острой струей водяного пара (см. патент RU 2051094, 27.12.1995).
Недостатком известного способа является невысокое качество полученного активированного угля из-за низкой прочности, обусловленной тем, что сушка исходного сырьевого продукта и процесс карбонизации осуществляются при высокоскоростном режиме нагреве частиц, соответственно, в режиме сушки при температуре 150-200°С в слое взвешенного острой струей парогазовых продуктов карбонизации и в режиме карбонизации острой струей парогазовых продуктов с температурой 750-800°С. В результате реализуемого технологического процесса происходит интенсивное выделение большого объема влаги и летучих продуктов из обрабатываемой частицы, что сопровождается их растрескиванием и разрушением структуры пор получаемого активированного угля.
Известен способ получения активированного угля, заключающийся в сушке, карбонизации при температуре пиролиза и в активации сырьевого материала в реакторе, в последующей выгрузке полученного продукта из реактора (Патент РФ №2023661, С01В 31/08, 1994).
При осуществлении данного технологического процесса режим карбонизации сырьевого материала осуществляют в две стадии, на первой из которых процесс ведут в атмосфере углекислого или топочных газов со скоростью подъема температуры 15-40°С/ мин до 400-650°С, затем карбонизированный продукт охлаждают и осуществляют второй этап карбонизации без доступа газообразных реагентов до температуры пиролиза 800-850°С со скоростью подъема температуры 50-100°С/час и после завершения данного этапа осуществляют активацию продукта путем подачи в реактор водяного пара.
Для осуществления технологического процесса на первом этапе используют реактор в виде вращающейся печи.
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Недостаток известного способа состоит в сложной технологии проведения процесса карбонизации, недостаточно высокой экономической эффективности, связанной с дополнительными затратами на промежуточное охлаждение карбонизованного продукта и повторный нагрев на второй стадии карбонизации.
Использование на первом этапе карбонизации сырьевого продукта углекислого газа приводит к снижению реакционной способности угля к активации, т.к. при данном процессе газификации происходит уплотнение кристаллической структуры продукта карбонизации.
Задача настоящего изобретения состояла в создании способа получения активированного угля из древесных материалов, обеспечивающего технический результат по упрощению технологического процесса получения активированного угля с сохранением заданных технологических свойств получаемого продукта по адсорбционной способности.
Для решения поставленной технической задачи предложен способ получения активированного угля, заключающийся в сушке, карбонизации при температуре пиролиза и активации сырьевого материала в реакторе, в последующей выгрузке полученного продукта из реактора, согласно изобретению в качестве сырьевого материала используют древесную щепу с размером фракций от 1 мм до 10 мм и с исходной влажностью от 30% до 70%, которую сушат, карбонизуют и одновременно активируют парогазовой смесью, образующейся в режиме пиролиза при прямоточном движении материала и продуктов реакций через реактор при скорости подъема температуры в нем от 20-80°С/мин до температуры процесса 800-900°С, при этом в реактор подают воздух.
Согласно изобретению полученный продукт после выгрузки из реактора охлаждают и измельчают.
При реализации изобретения упрощается технологический процесс получения активированного угля благодаря прямоточному движению выбранного сырьевого материала через реактор, заданной скорости подъема температуры в нем и подачи воздушной среды в реактор. Процесс получения активированного угля осуществляется в одну стадию, при которой режим активации технологически совмещается с процессом карбонизации за счет водяного пара, образующего в реакторе при сушке и карбонизации выбранного сырьевого материала с исходной влажностью от 30 до 70%.
Полученный по изобретению продукт на основе древесного активированного угля соответствует технологическим требованиям по адсорбционной способности.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений с совокупностью признаков, соответствующих заявляемому техническому решению и обеспечивающих описанный выше результат.
Приведенный анализ известного уровня техники свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна», «изобретательский уровень».
Заявляемое техническое решение может быть промышленно реализовано при использовании известного технологического оборудования, используемого для получения активированных углей из различных сырьевых материалов, в том числе древесных.
Для реализации настоящего изобретения используют реактор, предпочтительно, муфельную вращающуюся печь, использование которой при осуществлении технологического процесса обеспечивает наиболее оптимальные условия по равномерности сушки, карбонизации и активации сырьевого материала при прямоточном его движении.
Для реализации настоящего изобретения используют:
сырьевой материал - древесную щепу. Выбранный для реализации настоящего изобретения сырьевой материал для получения активированных углей наиболее оптимален по условиям получения адсорбентов для процессов очистки питьевой воды, ликероводочных изделий, лекарственных препаратов и т.п;
фракционный состав древесной щепы от 1 мм до 10 мм, что наиболее оптимально. При использовании фракционного состава щепы свыше 10 мм приводит к неэффективности сушки и карбонизации сырьевого материала в реакционных зонах реактора при прямоточном движении щепы через него, что в результате ухудшает качественные показатели получаемого угля. При использовании щепы при фракционном составе менее 1 мм процесс карбонизации ее сопровождается значительными изменениями ее параметров с переходом в пылевидное состояние после пиролиза, происходит вынос продукта с дымовыми газами, снижается выход готового продукта и его технологические показатели по адсорбционной способности;
исходную влажность древесной щепы - от 30 до 70%, что оптимально по условиям осуществления прямоточного движения данного материала через реактор при одностадийности технологического процесса получения активированных углей. При заданной влажности исходного сырья при проведении процесса в режиме прямотока обеспечивается эффективное выделение паров воды при сушке и пиролизе сырья и его парогазовая активация. При влажности менее 30% недостаточно количества образующегося активатора (паров воды). Увеличение влажности свыше 70% приводит к увеличению зоны сушки и соответственно к сокращению зон пиролиза и активации, что снижает качество активного угля;
заданная по изобретению скорость подъема температуры в реакторе от 20°С до 80°С в мин - оптимальна. Скорость подъема температуры влияет на состав продуктов пиролиза. По мере повышения скорости подъема температуры происходит снижение молекулярной массы продуктов пиролиза. При скорости подъема менее 20°С /мин образуются крупномолекулярные смолистые вещества, которые в дальнейшем поглощаются углем, разлагаются в объеме получаемого угля и снижают качество конечного продукта. При скорости подъема температуры свыше 80°С/мин состав летучих изменяется несущественно, но при этом увеличиваются энергетические затраты. Высокая скорость подъема температуры приводит также к снижению выхода углеродного остатка или конечного продукта.
Технологический процесс получения активированного угля по изобретению осуществляют следующим образом:
2
2
В реактор - муфельную вращающуюся печь подается сырьевой материал - щепа (возможна подача других древесных отходов при заданном по изобретению параметрах фракционного состава). На начальном этапе печь разогревается от внешнего источника тепла (горелка). Процесс осуществляют при прямоточном движении материала через печь при заданной по изобретению скорости подъема температуры в печи, при этом происходит сушка сырьевого продукта, его карбонизация и активация парами воды, выделяющимися в процессе термической обработки сырья. Подъем температуры в печи осуществляют до 800-900°С, при которой пиролиз древесины сопровождается выделением сложной парогазовой смеси продуктов разложения (деструкции) древесины, имеющих значительное количество СO, Н, СО и углеводородами. Указанные параметры подъема температуры в реакторе оптимальны по условиям получения качественных характеристик конечного продукта. При температуре ниже 800°С не происходит достаточно полной деструкции смолистых соединений, они поглощаются готовым активным углем и его свойства ухудшаются, при этом снижается и скорость парогазовой активации, что ухудшает качественные показатели угля. Увеличение температуры свыше 900°С приводит к снижению выхода активного угля из-за увеличения степени внешнего обгара. Для стабилизации в реакторе эффективного температурного режима карбонизации сырья и парогазовой его активации при достижении в реакторе названной температуры (800-900°С) в реактор подается воздух, наличие которого способствует более эффективному сгоранию продуктов деструкции древесины и повышению скорости парогазовой ее активации. Окончание процесса связано прямоточным прохождением через реактор в зону выгрузки загружаемого в реактор сырьевого материала.
Полученный после выгрузки из реактора продукт охлаждается и измельчается до заданных технологических параметров адсорбентов для жидкофазных процессов очистки биологических или медицинских продуктов.
Изобретение было реализовано по нижеприведенным примерам, полученные по данным примерам продукты оценивались на адсорбционную способность по йоду, согласно ГОСТ 6217-74.
Пример 1
Щепу при фракционном составе 5 мм и исходной влажности 40% пропускают через печь в режиме прямотока. Скорость подъема температуры 50°С/мин конечная температура процесса 850°С. На выходе получен активный древесный уголь, имеющий адсорбционную способность по йоду 80%.
Пример 2
Процесс ведется аналогично примеру 1 при: влажности щепы 30%.
Адсорбционная способность по йоду 60%.
Пример 3
Процесс ведется аналогично примеру 1 при влажности щепы 70%.
Адсорбционная способность 65%.
Пример 4
Процесс ведется аналогично примеру 1 при фракционном составе щепы 1 мм. Адсорбционная способность по йоду составляет 70%.
Пример 5
Процесс ведется аналогично примеру 1 фракционный состав щепы 10 мм. Адсорбционная способность по йоду составляет 63%.
Пример 6 - контрольный
Процесс ведется аналогично примеру 1 при: влажности щепы 20%.
Адсорбционная активность по йоду - 40%.
Пример 7 - контрольный
Процесс ведется аналогично примеру 1 при скорости подъема температуры на стадии карбонизации 10°С мин.
Адсорбционная способность по йоду составила 50%.
Пример 8 - контрольный
Процесс ведется аналогично примеру 1 при конечной температуре процесса 700°С
Адсорбционная способность по йоду составила 35%.
Пример 9 контрольный
Процесс ведется аналогично примеру 1 при фракционном составе щепы 15 мм. Адсорбционная способность по йоду составляет 50%.
Таким образом, из приведенных примеров следует, что при реализации технологического процесса получения активированного угля качественные характеристики его по адсорбционной способности наиболее оптимальны при заданных по изобретению параметрах выбранного сырьевого материала и технологических режимов его термохимической обработки в реакторе. Осуществление процесса при прямоточном движении сырьевого материала в реакторе обеспечивает получение готового продукта с эффективными адсорбционными свойствами.