СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ
METHOD OF PRODUCING POWDERED ACTIVATED CARBON

Изобретение относится к области производства активированных углей, которые могут быть использованы в различных адсорбционных процессах: поглощении веществ из газов и жидкостей, в частности для очистки питьевой воды.
Известен способ получения порошкового активного угля, в котором углеродсодержащий материал карбонизуют при 400-600°С, нагревают без доступа газообразных реагентов до 800-850°С со скоростью подъема температуры 50-100°С/ч, активируют водяным паром при массовом соотношении углеродсодержащего материала и водяного пара 1:5-10 и измельчают. (RU №2023661 МПК С01В 31/08, опубл. 30.11.1994 г.).
Недостатком известного способа является недостаточно высокая адсорбционная способность получаемого активированного угля по высокомолекулярным органическим соединениям.
Известен также способ получения порошкового активного угля, включающий измельчение углеродсодержащего материала, формование гранул с использованием связующего, их карбонизацию, активацию и последующее измельчение до порошковой формы, причем содержание летучих веществ в формованных гранулах должно составлять 26-38 мас. %, сырые гранулы перед карбонизацией подсушивают со скоростью 2-5°С/мин до 40-50°С, карбонизацию осуществляют при 650-800°С в среде продуктов горения топлива, а измельчение ведут при коэффициенте заполнения размольного аппарата, равном 0,05-0,10. (RU №2154605 МПК С01В 31/08, опубл. 20.08.2000 г.).
Недостатком известного способа является недостаточно высокая адсорбционная способность получаемого активированного угля по сумме органических соединений, находящихся в неочищенной воде.
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 порошкового активированного угля, а также в получении активированного угля с высокими сорбционными свойствами, который может быть использован при очистке питьевой воды, в фармацевтической и пищевой промышленности.
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%, затем гранулы охлаждают и производят их измельчение до размера частиц менее 100 мкм.
Измельчение углеродсодержащего материала и каменноугольного пека осуществляют до размера частиц менее 100 мкм.
Технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого способа, заключается в получении порошкового активированного угля с высокими сорбционными свойствами (адсорбционная способность по йоду не менее 80%), 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°C с использованием скорости подъема температуры 3-6°С позволяет предотвратить возгорание продукта при карбонизации и получить карбонизованный продукт с летучими менее 11%;
- проведение процесса парогазовой активации при температуре 920-950°С до обеспечения обгара гранул 30-35%, последующее охлаждение гранул и их измельчение до размера частиц менее 100 мкм. позволяет достичь адсорбционной способности по йоду не менее 80%.
Способ получения порошкового активированного угля 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°C 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%, затем гранулы охлаждают и измельчают до размера частиц менее 100 мкм. Контроль температурного режима осуществляют терморегулятором с термопарой. 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°C 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 способности 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 способностью по йоду не менее 80% и тониной помола менее 100 мкм.
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 d75<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.
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. Для измельчения зерен активированного угля, полученного на основе угле пековой композиции использовали мельницу. Размол проводили до тонины помола менее 100 мкм. Готовый продукт подвергали анализу по принятым в адсорбционной технике ГОСТам и методическим инструкциям.
Адсорбционная способность полученного порошкового активированного угля составила 80,5%.
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. Для измельчения зерен активированного угля, полученного на основе угле пековой композиции использовали мельницу. Размол проводили до тонины помола менее 100 мкм. Готовый продукт подвергали анализу по принятым в адсорбционной технике ГОСТам и методическим инструкциям.
Адсорбционная способность по йоду полученного порошкового активированного угля составила 81%.
Сравнительные характеристики качества, полученного порошкового активированного угля на угле-пековой основе (УПК) и российского аналога порошкового активированного угля марки УАФ (ТУ 6-16-2409-80) приведены в таблице.
Как видно из таблицы, по своим сорбционным свойства порошковый активированный уголь на основе угле-пековой композиции превосходит порошковый промышленный активированный уголь УАФ. Предлагаемый способ позволяет получить порошковый активированный уголь УПК с высокой адсорбционной способностью по йоду (не менее 80%), который может быть использован как в газофазных, так и в жидкофазных адсорбционных технологиях.