СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
METHOD FOR PRODUCING ACTIVATED CARBON POWDER

Изобретение относится к области технологии получения адсорбентов, в частности, к способам получения порошков активных углей на основе каменноугольного сырья, которые могут использоваться в качестве адсорбента при подготовке воды для коммунального и промышленного водоснабжения.
Известны различные технологии получения адсорбентов, например, изменением структуры и состояния поверхности адсорбента химическим модифицированием (Тарковская, И.А. Окисленный уголь. Киев.: Наукова думка, 1981 - 200 с.), с применением растворов минеральных кислот, органических реагентов и т.п., или (и в сочетании) с механической активацией в ролико-кольцевой вибромельнице VM-4, электромагнитном измельчителе (ЭМИ), миксере ЕТА-12 и гомогенизаторе MPW-324 (Mechanochemical modification of carbon ad sorbent for purification of phosphoricacid / I.G. Pukhov, N.N. Smirnov, A.P. Ilyin // Abstractof III international conference "Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies". - Novosibirsk, may 27-30, 2009 - P. 216, Активация углеродных материалов жидкими и газовыми средами при интенсивных механических воздействиях / И.Г. Пухов, С.Д. Дмитриев, Н.Н. Смирнов // Тез. докл. - Суздаль, 29 июня - 2 июля 2010  - С. 68). При этом в процессе модифицирования происходит изменение не только параметров пористой структуры, но и физико-химических свойств поверхности.
Недостатками рассмотренных способов являются высокая стоимость модифицирующего агента, длительность, многоэтапность и трудоемкость процесса модифицирования, а также высокая энергоемкость процессов получения.
Известен способ получения модифицированного активного угля (МАУ), включающий пропитку углей водой или раствором соляной кислоты с концентрацией 1÷4 мас. % при соотношении суммарного объема пор угля и воды или кислоты 1,0÷(0,7÷1,0), а затем обработку угля 9÷15% раствором термоактивной смолы в фурфуроле при весовом соотношении угля и раствора 1,0÷(0,35÷0,68), выдерживание до сыпучести и термообработку со скоростью подъема температуры 450÷900°С/час до 700÷900°С и последующей выдержкой при этой температуре в течение 0,2÷0,5 ч (патент RU №2175885).
Недостатком данного способа является высокая стоимость модифицирующего агента, длительность и трудоемкость процесса модифицирования, а также невозможность реализации данного способа непосредственно на станции водоочистки.
Известен способ получения активного антрацита прямым активированием измельченного антрацита без стадии карбонизации, водяным паром в реакторе движущегося слоя с газовыми горелками (Кинле X. Активные угли. - Л.: Химия, 1984, стр. 39).
К недостаткам данного способа следует отнести то, что при взаимодействии антрацита с водяным паром, несмотря на то, что объем микропор увеличивается, антрацит не обладает достаточным уровнем адсорбционных свойств.
Известен способ получения активного угля на основе полукокса длин-нопламенного каменного угля марки «Д», включающий дробление кусков, высев фракции 0,5÷2,8 мм, сушку зерен при 140÷180 С в течение 40÷60 мин. и их активацию при температуре 900÷1000 С смесью водяного пара и дымовых газов до соотношения объемов микро- и мезопор, равного 1:(1,0÷1,1). (патент RU №2164217).
Недостатками данного способа является невысокая прочность получаемого активированного угля 60÷65% и высокая энергозатратность производства.
Известен аппарат вихревого слоя непрерывного действия (патент RU №2613517), с помощью которого можно получить порошок активированного угля (ПАУ). Аппарат работает следующим образом. В трубе индуктора установлена реакционная камера, в рабочей зоне которой расположена вставка с ферромагнитными частицами, вращающимися в электромагнитном поле. При включении аппарата подается напряжение на обмотки, происходит процесс загрузки и обработки исходного материала ферромагнитными частицами. Готовый продукт направляют на дальнейшую переработку или потребителю.
Недостатком способа, реализованного в данном устройстве, являются ограниченные технологические возможности, а именно, невозможность регулирования фракционного состава, получаемого ПАУ и введения дополнительных реагентов, обеспечивающих необходимый уровень активации сорбента.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание непрерывного энергетически эффективного способа изготовления порошка активированного угля (сорбента) из каменноугольного сырья в требуемом качестве и количестве для очистки воды непосредственно на станции подготовки воды для коммунального и промышленного водоснабжения.
Для достижения данного технического результата предложен способ получения порошка активированного угля из каменноугольного сырья путем воздействия ферромагнитных элементов во вращающемся электромагнитном поле вихревого электромагнитного аппарата. Способ включает загрузку, измельчение, активацию водяным паром и выгрузку. При этом подача воды осуществляется непосредственно в активную зону аппарата, где происходит измельчение и активация при соударении ферромагнитных активирующих элементов с каменноугольным сырьем и водяным паром при температуре более 250°С, образующимся за счет превращения кинетической энергии движущихся элементов в тепловую. Выгрузка готового продукта осуществляется регулируемым потоком воздуха, уносящим фракции требуемого гранулометрического состава из активной зоны.
Новизна и суть способа заключается в том, что процесс осуществляется в активной зоне реактора вихревого электромагнитного аппарата, при температурах, получаемых в результате преобразования кинетической энергии соударений частиц обрабатываемого угля с ферромагнитными активирующими элементами в тепловую энергию. При этом фоновая температура в реакторе достигает 250÷300°С, а в точках соударений мгновенная температура может превышать 800°С. Вода, подаваемая в активную зону реактора, играет роль не только активирующего агента, но и служит для увлажнения массы ПАУ, увлекаемой через эжектор в технологический процесс очистки воды, что в последующем сокращает время приготовления пульпы.
Технический результат предлагаемого способа заключается в создании непрерывного энергетически эффективного способа изготовления порошка активированного угля (сорбента) из каменноугольного сырья требуемого качества в необходимых на данный момент количествах непосредственно на территории станции очистки воды и подаче его в технологический процесс очистки воды для коммунального и промышленного водоснабжения. Технические характеристики сорбента и показатели качества воды, полученные в результате эксперимента, подтверждают преимущество заявляемого способа. Значительное снижение энергозатрат достигается за счет использования тепловой энергии, получаемой в результате превращения кинетической энергии движущихся элементов в тепловую, а непрерывность процесса обеспечивается особенностями предлагаемой конструкции вихревого электромагнитного аппарата, позволяющего осуществлять подачу воды и воздуха в активную зону, и производить регулируемым потоком воздуха выгрузку готового продукта (ПАУ) технологически обусловленного гранулометрического состава.
Предложенный способ поясняется чертежом (Фиг. 1) и Таблицами 1, 2.
Фиг. 1 - Схема установки для получения порошка активированного угля, где 1 - силос; 2 - фильтр; 3 - датчик уровня; 4 - система виброаэрации; 5 - дисковый затвор; 6 - исходное сырье; 7 - шнековый питатель; 8 - канал загрузки; 9 - активная зона реактора; 10 - стакан из немагнитного материала в рабочем кожухе; 11 – ферромагнитные элементы; 12 - катушки индуктора; 13 - водопроводная сеть; 14 - регулятор расхода воды; 15 - клапан подачи воды; 16 - труба; 17 - источник сжатого воздуха; 18 - регулятор расхода воздуха; 19 - клапан подачи воздуха; 20 – отверстие воздухоподвода; 21 - поток воздуха; 22 - выводимая фракция ПАУ; 23 - эжектор; 24 - источник сжатого воздуха в эжекторе.
Таблица 1 - Гранулометрический состав полученного ПАУ.
Таблица 2 - Технические характеристики ПАУ.
Предлагаемый способ осуществлен с помощью специально разработанной установки - вихревого электромагнитного аппарата (ВЭГ). Технологический процесс происходит следующим образом. Из силоса сырье непрерывно с заданной интенсивностью с помощью шнекового питателя поступает через канал загрузки в активную зону реактора, который представляет собой стакан из немагнитного материала, располагающийся в рабочем кожухе электромагнитного многополюсного (как правило, 6-ти полюсного, 3-фазного) индуктора, создающего вращающееся (вихревое) поле. Вихревой электромагнитный аппарат (ВЭА) предназначен для измельчения, термообработки и механической активации угля агитаторами - ферромагнитными элементами (стержнями) в переменном электромагнитном поле, создаваемом в активной зоне реактора катушками индуктора. Ферромагнитные стержни, беспорядочно вращающиеся в электромагнитном поле, соударяются друг с другом и с измельчаемым материалом, выделяя при соударении большую тепловую энергию. Средняя температура в активной зоне реактора составляет 250÷300°С, а в точках соударения может достигать мгновенной температуры свыше 800°С. В процессе измельчения через канал загрузки подается вода, которая при попадании в активную зону реактора испаряется и интенсифицирует процесс активации частиц угля. Во время обработки сырья в активной зоне реактора из источника сжатого воздуха через отверстие воздухоподвода на дне стакана реактора поступает поток воздуха, который выносит фракцию ПАУ размером 20÷50 мкм в зону всасывания эжектора, располагающегося в верхней части рабочего кожуха. Поток фракции ПАУ, увлекаемый воздухом по кожуху в зонах близлежащих к каналу загрузки, находящихся выше активной зоны реактора, насыщается парами воды. Соотношение количества воды к количеству поступающего в реактор сырья составляет 0,2÷0,5 л на 1 кг исходного сырья. Затем из эжектора увлажненный ПАУ подается в бак приготовления пульпы, т.е. непосредственно в технологический процесс очистки воды.
Пример реализации способа. Способ осуществлен с помощью специально разработанной установки - вихревого электромагнитного аппарата (Фиг. 1). В силосе 1, оснащенном фильтром 2, через который производится сброс и очистка воздуха при загрузке исходным сырьем, датчиками уровня 3, системой виброаэрации 4 и дисковым затвором 5 располагается исходное сырье 6 (антрацитовая крошка с размером зерен 2÷5 мм). Из силоса сырье непрерывно с заданной интенсивностью (1 кг/мин) с помощью шнекового питателя 7 поступает через канал загрузки 8 в активную зону реактора 9, который представляет собой стакан из немагнитного материала, расположенного в рабочем кожухе 10 ВЭА. Вихревой электромагнитный аппарат предназначен для измельчения, термообработки и механической активации угля агитаторами - ферромагнитными элементами (стержнями) 11 в переменном электромагнитном поле напряженностью 0,12÷0,15 Тл, создаваемом в активной зоне реактора катушками индуктора 12. Ферромагнитные стержни из инструментальной стали диаметром от 2 мм до 4 мм и длинной от 20 мм до 40 мм (соотношение диаметра стержня к диаметру реактора должно быть в диапазоне 0,2÷0,25), массой 0,2÷0,35 кГ/литр рабочей зоны реактора, беспорядочно вращающиеся в электромагнитном поле с частотой 50 Гц, соударяются друг с другом и измельчаемым материалом, выделяя при этом большую тепловую энергию. Средняя температура в активной зоне реактора составляет 250÷300°С, а в точках соударения может достигать мгновенной температуры с выше 800°С. В процессе измельчения в активную зону реактора из водопроводной сети 13 через регулятор расхода воды 14, клапан подачи воды 15 по трубе 16 в канал загрузки 8 подается вода, которая при попадании в активную зону реактора испаряется с образованием паровоздушной смеси влажностью не менее 35% и интенсифицирует процесс активации угольного сырья.
Во время обработки сырья в активной зоне реактора из источника сжатого воздуха 17 через регулятор расхода воздуха 18, клапан подачи воздуха 19 и отверстие в дне стакана реактора 20 поступает поток воздуха 21 со скоростью 50 л/мин, который выносит выводимую фракцию ПАУ (размером 20÷50 мкм) 22 в зону всасывания эжектора 23, располагающегося в верхней части рабочего кожуха ВЭГ. В эжектор подается поток сжатого воздуха из источника 24. Поток фракции ПАУ, увлекаемый воздухом по кожуху в зонах близлежащих к каналу загрузки, находящихся выше активной зоны реактора, насыщается парами воды. Соотношение количества воды к количеству поступающего в реактор сырья составляет 0,2÷0,5 л на 1 кг исходного сырья. Увлажненный ПАУ из эжектора подается непосредственно в бак приготовления пульпы.
Целесообразность использования предлагаемого способа непосредственно на станции подготовки воды для коммунального и промышленного водоснабжения подтверждается результатами эксперимента приведенными ниже. Для получения ПАУ использовалась антрацитовая крошка размером зерен 2÷5 мм, стоимостью 17 руб/кг. Гранулометрический состав получаемого ПАУ при потоке воздуха 50 л/мин из источника сжатого воздуха при нормальном атмосферном давлении представлен в Табл. 1. Технические характеристики полученного порошка активированного угля (сорбента) и показатели качества воды представлены в Табл. 2, при этом фенольное число полученного ПАУ составило 22±1 мг/л. Способ реализован с помощью специально разработанной установки (ВЭГ) производительностью 1500 кг/сутки и потребляемой мощностью 9,5кВт/час, обеспечивающей непрерывность процесса за счет особенностей конструкции, позволяющей осуществлять подачу воды и воздуха в активную зону, и производить выгрузку ПАУ регулируемым потоком воздуха. Расход энергии на производство 1 кг ПАУ составил 9,5×24/1500=0,152кВт⋅ч/кг, что при цене на электроэнергию в ~5 руб×кВт⋅ч составил 0,76 руб/кг для ПАУ. Таким образом прямые затраты на производство ПАУ из угольной крошки с учетом затрат на сжатый воздух и обслуживание оборудования составляют 21 руб/кг при рыночной стоимости активированных минеральных углей от 50 тыс.руб. за тонну. При этом следует учесть, что их фракционный состав не соответствует оптимальному и существует проблема взрывобезопасности в связи с пылением при перевалке на предприятиях водоочистки, что более чем в два раза повышает экономическую эффективность получения сорбента. Альтернативу мог бы составить сорбент на основе древесных углей, однако его усредненная цена в 2020 году составила 150.000 руб/тонна.
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ