СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
METHOD FOR PRODUCING ACTIVATED CARBON

Изобретение относится к области получения активных углей из сырья растительного происхождения, а именно из лузги подсолнечника.
В Российской Федерации возделываются такие культуры, как подсолнечник, гречиха и другие, при этом глубокая переработка урожая недостаточно распространена. Лузга (оболочка семян) является ценным возобновляемым органическим сырьем для производства широкого спектра продукции.
«Плодовая оболочка (перикарпий, лузга) состоит из эпидермиса, гиподермы (пробковая ткань), фитомеланового слоя, склеренхимы и паренхимы. Панцирный слой состоит из углеродистого вещества фитомелана. … Клеточная стенка оболочки подсолнечника в основном состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. … Лузга подсолнечника характеризуется относительно высоким содержанием углерода и низкой зольностью.» [Ковехова А.В. Особенности химического состава плодовых оболочек подсолнечника и продуктов их переработки: дис. … канд. хим. наук / Ковехова Анна Васильевна. - Владивосток: Дальневост. фед. ун-т, 2015]. Указанное свидетельствуют о возможности ее глубокой переработки с получением углеродного продукта, являющегося сырьем для производства широкого ассортимента материалов, в том числе и различных сорбентов. К числу преимуществ лузги подсолнечника как сырья относится однородность зерен в общей массе по геометрическим размерам, массе, внутренней структуре. Это в некоторой степени может упростить технологический процесс с точки зрения набора операций и режимов их реализации.
Известен способ получения активированного угля, включающий одновременную карбонизацию и активирование предварительно увлажненных до 70-76% отходов кожи в герметичном объеме при температуре 432-520°С [SU 1838235. Способ получения активированного угля / Бондаренко В.К., Каденаций Л.А.; заявитель НПО «Легпроммеханизация». Опубл. 30.08.1993. - Режим доступа: http://www1.fips.ru]. В данном случае активирование угля происходит за счет действия испаренной из сырья в процессе карбонизации влаги. Это обеспечивает экологическую чистоту получаемого продукта, поскольку не требует применения каких-либо химических реагентов и, соответственно, существенно снижает издержки производства и стоимость готового продукта.
Известен способ получения активированного угля из отходов сельского хозяйства [Пат. №2315712. Российская Федерация. Способ получения активированного угля из отходов сельского хозяйства / Хоанг Ким Бонг и др.; патентообладатель: ООО «Научно-производственная группа «Ренари». Опубл. 27.01.2008. - Режим доступа: http://www1.fips.ru], преимущественно из отходов ячменя. Отходы подвергают предварительной сушке при температуре 90-120°С в течение 2 часов с последующим подъемом температуры со скоростью 5-10°С в мин и карбонизации при 290-320°С в течение 7-15 минут. Способ позволяет получить сорбент с высокой емкостью и пористостью. К числу недостатков способа относятся наличие довольно продолжительного этапа предварительной сушки сырья и реализация этапа карбонизации в электрической печи. Это существенно повышает энергоемкость и себестоимость готового продукта. Кроме того, сырье в процессе карбонизации находится в статическом состоянии, не движется, а значит существует вероятность неравномерного протекания процесса в его массе. Указанный способ по своей сути наиболее близок к заявленному, поэтому выбран в качестве прототипа.
Технической задачей заявленного изобретения является разработка ресурсосберегающего способа получения активированного угля из растительного сырья, обеспечивающего расширение ассортимента угольных продуктов, обладающих достаточными сорбционными характеристиками.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет реализации последовательности этапов в потоке движущегося материала, что существенно снижает трудоемкость процесса, и применения только термической активации без использования дополнительных химических веществ, что позволяет значительно упростить процесс в целом. Кроме того, для производства активированного угля используется возобновляемое растительное сырье - лузга подсолнечника, являющаяся отходом производства растительного масла и изначально отличающаяся гомогенностью свойств (геометрические размеры, масса, влажность и т.д.). Это исключает необходимость операций сортировки и измельчения сырья.
Суть заявленного изобретения заключается в следующем.
Лузга подсолнечника в естественном состоянии (при фактической влажности) поступает в зону питания, например, бункер-питатель, и затем перемещается в зону пиролиза. Особенностью перехода «зона питания» - «зона пиролиза» является постоянное образование саморазрушающейся пробки из лузги, обеспечивающей герметичность и непопадание воздуха из зоны питания в зону пиролиза и пиролизных газов из зоны пиролиза в зону питания. Пробка образуется за счет разности скоростей движения материала в этих зонах. В зоне пиролиза осуществляется постоянное принудительное движение материала вперед и его перемешивание, например, винтовым спиральным транспортером. Могут использоваться винтовой ленточный или винтовой лопастной транспортер. Это обеспечивает равномерное попадание частиц материала в зону осуществления термохимического процесса и стабильное его протекание, в том числе за счет газопроницаемой формы транспортера. Пиролиз (карбонизация) лузги осуществляется непрерывно без доступа кислорода при температуре 350-550°С. Это обеспечивает эффективное разложение органических веществ и получение углеродного материала высокой степени очистки и пиролизных газов. Обрабатываемый материал в зоне пиролиза интенсивно перемешивается, обеспечивая свободный выход пиролизных газов и попадание их в верхнюю часть зоны, откуда они по газоходу выводятся в зону горения и, сгорая, обеспечивают поддержание непрерывного процесса и требуемую температуру в зоне пиролиза. Посредством винтового спирального транспортера материал перемещается от входа в зону пиролиза к выходу из нее, постепенно и полно разлагаясь и преобразовываясь в углеродный продукт, а на выходе из зоны пиролиза - в активированный уголь. По ходу движения плотность материала и занимаемый им объем постепенно уменьшается, освобождая пространство для циркулирования пиролизных газов и водяных паров (испаренной связанной влаги, внутренней влаги материала). Поскольку плотность пиролизных газов и водяных паров по величине существенно отличается, происходит их расслоение в свободном пространстве зоны пиролиза. Зона пиролиза ориентирована в пространстве таким образом (под углом к горизонту), что водяные пары движутся в сторону раскаленного углеродного материала, где при постоянном перемешивании винтовым спиральным транспортером активируют углеродный материал и вступают с ним в реакцию восстановления с образованием горючих газов, которые, как и пиролизные газы, по газоходу выводятся в зону горения. Скорость выхода углеродного материала из зоны пиролиза и скорость попадания его в зону стабилизации соотносятся таким образом, что на их границе также постоянно образовывается саморазрушающаяся угольная пробка, препятствующая попаданию воздуха в зону пиролиза и неконтролируемому выбросу пиролизных газов из нее. Далее углеродный продукт попадает в зону стабилизации, где продукт охлаждается и стабилизируется в процессе его перемещения, например, винтовым спиральным транспортером, в замкнутом пространстве, омываемом потоками атмосферного воздуха, без доступа кислорода. В процессе стабилизации горячие частицы углеродного продукта постоянно взаимодействуют между собой (ударяются) и с витками транспортера, в результате чего происходит разрушение их структуры и гомогенизация потока по геометрическим размерам составляющих его частиц.
Отличительной особенностью заявленного способа является постоянное перемещение и перемешивание потока частиц по ходу технологического процесса, например, посредством винтовых спиральных транспортеров. Это обеспечивает равномерную обработку всех частиц потока материала на всех этапах процесса и повышение однородности свойств углеродного продукта, его качества. Обработка лузги при температуре 350-550°С обеспечивает оптимальное протекание процесса термодеструкции сырья и формирование необходимой пористости готового продукта, определяющей его адсорбционную способность. Организация движения продуктов пиролиза в зоне реакции с учетом их плотности и ориентирование зоны пиролиза под углом к горизонту обеспечивает без применения дополнительных ресурсов использование испаренной из сырья влаги для активации углеродного продукта непосредственно в месте образования, а пиролизных газов для поддержания непрерывности процесса карбонизации и активирования. Ресурсосбережение обеспечивается также за счет организации поточности процесса с принудительным механическим движением материала на всех стадиях получения активированного угля.