СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВНОГО УГЛЯ
METHOD OF PRODUCING ACTIVE COAL

Изобретение относится к области производства активных углей (АУ) и может быть использовано для рекультивации (санации) почв и детоксикации кормов и комбикормов в животноводстве и птицеводстве.
3
Известен способ получения АУ, включающий прессование измельченной шихты каменного угля и полукокса со связующим типа лесохимической смолы, карбонизацию гранул при 650-750°С со скоростью 60-80°С/мин и активацию водяным паром до суммарного объема пор 0,8-2,0 см/г, после чего осуществляют дробление продукта до размеров частиц 0,05-0,5 мм (см. патент РФ №2057067, кл. С01В 31/08, опубл. 27.03.1996 г.).
Недостатком известного способа является высокая скорость карбонизации гранул, что приводит к быстрому выделению летучих веществ и, следовательно, низкой прочности гранул активного угля.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения активного угля, включающий измельчение шихты, состоящей из 50% каменного угля и 50% полукокса длиннопламенного угля марки Д до тонины помола 100 мкм, смешение измельченной шихты со связующим - лесохимической смолой, формование гранул через фильеры с диаметром отверстий 1,0-3,5 мм, карбонизацию гранул при 550-650°С со скоростью нагрева 20-25°С/мин, термообработку гранул при 900-950°С со скоростью подъема температуры 1-3°С/мин и активацию водяным паром при 850-950°С, причем после активации осуществляют дробление гранул до размера частиц 0,5-1,5 мм (см. патент РФ №2023663, кл. С01В 31/08, опубл. 21.10.1993 г.).
Недостатком прототипа является низкая адсорбционная способность получаемого активного угля по высокомолекулярным органическим веществам при их извлечении из водных растворов.
Техническим результатом (целью изобретения) является получение активного угля с высокой адсорбционной способностью по высокомолекулярным органическим веществам при их извлечении из водных растворов.
Поставленная цель достигается предлагаемым способом, включающим измельчение исходного сырья, смешение его со связующим, формование гранул, карбонизацию и активацию водяным паром, причем используют шихту, состоящую из 75-85% каменного угля и 25-15% полукокса, в качестве связующего применяют каменноугольную смолу, после формования проводят сушку сырых гранул при 110-140°С, а карбонизацию ведут в две стадии, сначала при 420-460°С, а затем при 720-760°С.
Отличие предлагаемого способа от известного состоит в том, что используют шихту, состоящую из 75-85% каменного угля и 25-15% полукокса, в качестве связующего применяют каменноугольную смолу, после формования проводят сушку сырых гранул при 110-140°С, а карбонизацию ведут в две стадии, сначала при 420-460°С, а затем при 720-760°С.
Из научно-технической литературы авторам не известен способ получения активного угля, в котором используют шихту, состоящую из 75-85% каменного угля и 25-15% полукокса, в качестве связующего применяют каменноугольную смолу, после формования проводят сушку сырых гранул при 110-140°С, а карбонизацию ведут в две стадии, сначала при 420-460°С, а затем при 720-760°С.
3
Сущность предлагаемого зобретения заключается в следующем. Для достижения высокой адсорбционной способности по высокомолекулярным органическим веществам типа красителя метиленового голубого (МГ) необходимо развить в активном угле большой объем супермикропор с размерами 1,2-1,6 нм. Это достигается как подбором исходного сырья, так и режимами его термообработки (сушки, карбонизации). Так, на этих стадиях закладывается микропористая структура активного угля, а ее вскрытие происходит на стадии активации водяным паром при высоких степенях обгара 40-60%, что соответствует развитию суммарного объема пор более 1,0 см/г.
Получаемый АУ оценивают по стандартной методике по ГОСТ 4453-74 «Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный», определяя адсорбционную способность по метиленовому голубому в миллиграммах на 1 грамм активного угля (мг/г).
3
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Готовят шихту из каменного угля марки СС (ГОСТ Р 51588-2000) и каменноугольного полукокса длиннопламенного угля марки Д (ГОСТ 5442-74) в соотношении 75-85% каменного угля и 25-15% полукокса. Полученную шихту дозируют в шаровую мельницу (вибромельницу, дисковую мельницу и т.п.) и производят ее измельчение до размеров частиц менее 100 мкм (остаток на сите №005 не должен превышать 2 мас.%). Полученную уже пылевидную шихту дозируют в смеситель, где смешивают с каменноугольной смолой (ГОСТ 14-7-100-89) в соотношении (3,0-3,5):1 до получения однородной пасты; время смешения 12-15 мин при температуре 40-60°С. Пасту прессуют на любом типе гранулятора (шнековом, гидравлическом, таблетном и т.п.) через фильеры с диаметром отверстий 1,0-2,0 мм. Полученные сырые гранулы сушат в потоке горячего воздуха при температуре 110-140°С в течение 1,5-2,0 часа. Затем сухие гранулы карбонизуют в две стадии: сначала при 420-460°С со скоростью нагрева до этой температуры 10-12°С/мин, после чего гранулы охлаждают до комнатной температуры, а затем карбонизуют при 720-760°С со скоростью нагрева до этой температуры 20-25°С, после чего также охлаждают. Активацию гранул ведут во вращающейся электропечи при температуре 850-870°С перегретым водяным паром, подаваемым из расчета 5-7 кг на 1 кг активного угля до развития в активном угле суммарного объема пор 1,0-1,2 см/г. Полученный готовый АУ охлаждают без доступа воздуха до комнатной температуры и проводят определение адсорбционной способности по метиленовому голубому.
Полученный по данному способу АУ имел адсорбционную способность по метиленовому голубому при поглощении его из водного раствора по ГОСТ 4453-74 142-155 мг/г.
Активный уголь, полученный по прототипу (см. патент РФ №2023663) имел адсорбционную способность по МГ лишь 90-110 мг/г.
Пример 1.
3
Берут 7,5 кг каменного угля марки СС и 2,5 кг каменноугольного полукокса длиннопламенного угля марки Д и измельчают полученную шихту в шаровой мельнице до размеров частиц <100 мкм. Затем полученную пылевидную шихту загружают в лопастный смеситель, куда добавляют 3,0 кг предварительно нагретой до 50°С каменноугольной смолы, что соответствует соотношению каменный уголь: смола, равному 3,3:1; время перемешивания 14 мин. Полученную однородную пасту гранулируют на шнековом прессе через фильеру с диаметром отверстий 1,2 мм и полученные гранулы помещают ее на перфорированные противни, где сушат в потоке горячего воздуха при 110°С в течение 2,0 часа. Затем сухие гранулы карбонизуют при 420°С со скоростью подъема температуры 10°С/мин, а затем после охлаждения подвергают второй карбонизации (обезлетучивание) при 720°С со скоростью подъема температуры 20°С/мин. Активацию карбонизованных гранул ведут во вращающейся электропечи при температуре 850-870°С перегретым водяным паром, подаваемым из расчета 6 кг на 1 кг активного угля до развития суммарного объема пор 1,1 см/г. Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по метиленовому голубому по ГОСТ 4453-74, равную 142 мг/г.
Пример 2.
Осуществление способа как в примере 1 за исключением того, что измельчению подвергают шихту, состоящую из 8,5 кг каменного угля марки СС и 1,5 кг полукокса длиннопламенного угля марки Д, сушку сырых гранул проводят при 140°С, а карбонизацию ведут сначала до 450°С, а затем после охлаждения гранул угля - при 760°С с теми же скоростями подъема температуры. Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по метиленовому голубому по ГОСТ 4453-74, равную 148 мг/г.
Пример 3.
Осуществление способа как в примере 1 за исключением того, что измельчению подвергают шихту, состоящую из 8,0 кг каменного угля марки СС и 2,0 кг полукокса длиннопламенного угля марки Д, сушку сырых гранул проводят при 125°С, а карбонизацию ведут сначала до 450°С, а затем после охлаждения гранул угля - при 750°С с теми же скоростями подъема температуры. Полученный активный уголь имел адсорбционную способность по метиленовому голубому по ГОСТ 4453-74, равную 155 мг/г.
В процессе разработки технологии получения АУ по данному способу было установлено, что супермикропористая структура, ответственная за поглощение больших молекул МГ, формируется за счет каменного угля марки СС, а полукоксовый углерод обеспечивает развитие необходимой транспортной пористости, что важно для кинетики поглощения больших молекул органических веществ. При доле полукоксовой пыли 15-25 мас.% в шихте ухудшается кинетика процесса, а при доле каменного угля менее 75-85 мас.% снижается доля супермикропор, и следовательно, падает адсорбционная способность по метиленовому голубому.
Применение каменноугольной смолы позволяет обеспечить однородность развития структуры крупных микропор (с размером 1,2-1,6 нм) за счет высокого содержания в ней коксового остатка, достигающего 16-18 мас.%.
Сушка сырых гранул позволяет значительно уплотнить гранулы перед их карбонизацией. При температуре сушки ниже 110°С сырые гранулы растрескиваются на стадии карбонизации, а при температуре сушки выше 110°С имеет место возгорание гранул; в обоих случаях снижается доля необходимых супермикропор в готовом АУ.
Карбонизация гранул - это важнейшая стадия, на которой закладываются кристаллиты углерода, являющиеся основой развития микро- и супермикропористой структуры. Если на первой стадии температура карбонизации ниже 420°С, в гранулах остается много аморфного углерода, в котором не развиваются микропоры, а если температура на первой стадии карбонизации выше 460°С, то межплоскостные расстояния в них снижаются, что ведет к преобладанию в АУ тонких микропор с размером 0,5-0,7 нм, которые не эффективны в поглощении МГ.
На стадии второй карбонизации (обезлетучивание) поднятие температуры выше 760°С приводит к термическому разрушению кристаллитов, а уменьшение температуры ниже 720°С оставляет в гранулах достаточно большое содержание летучих веществ (4-8 мас.%), что будет нарушать развитие объема микро- и супермикропор при активации водяным паром.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что каждый из признаков в заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а именно: получение активного угля с повышенной адсорбционной способностью по высокомолекулярным органическим веществам при их поглощении из водной фазы, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.