СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ ИЗ ОТХОДОВ ЗЕРНОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ЛЕСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
METHOD AND INSTALLATION FOR PRODUCTION OF ACTIVATED CARBON FROM WASTE OF GRAIN-PROCESSING AND FORESTRY INDUSTRY

Изобретение относится к термическому способу переработки сыпучих органических отходов, таких как отходы зерноперерабатывающей промышленности (лузга гречихи, подсолнечника, риса, соломы и пр.) и лесной промышленности (древесных опилок) и получения активированного угля с увеличенной адсорбционной поверхностью. Все перечисленные материалы имеют схожий химический состав: лигнин 20-35%, целлюлоза 30-50%, поэтому способ и оборудование для переработки этих материалов в высокопрочные пеллеты будут идентичны.
Так, из уровня техники известны способы и установки переработки органических веществ и отходов.
Из описания к патенту RU 2749665 C1 (опубликован 16.06.2021) известен способ термической деструкции органических веществ и отходов, включающий этапы, на которых сырье размером фракции 1-5 мм и влажностью 4-12 % подают шнековым транспортером, снабженным частотным приводом, в вертикальный реактор, включающий корпус, прошитый металлическими пластинами, находящимися одновременно в контакте с дымовыми газами и с продуктами пиролиза, а также ротор с лопатками, размещенными с одинаковым шагом от нижних лопаток к верхним, посредством вращательного движения которых сырье перемещают снизу вверх, проходя через камеру, разогретую до 750-850°С, где сырье распадается на кокс и газовую составляющую. Далее кокс, смешанный с газом, перемещается в верхнюю часть реактора, разогретую до 980-1000°С и представляющую собой зону крекинга, время нахождения смеси в зоне крекинга от 0.5 до 1.5 секунд, после чего смесь газов по  патрубку поступает на охлаждение и очистку перед дальнейшим использованием, кокс перемещается самотеком через выгрузное окно вниз по накопителю в шнековый спиральный транспортер, оборудованный водяной рубашкой и установленный под углом 45° к горизонту, откуда выгружается в накопительный бункер.
Основными недостатками данного способа являются:
- полученный кокс совершенно не пригоден для получения активированного угля из-за полного отсутствия в нем летучих веществ и спекания углерода, высокие температуры не позволяют при активации раскрыть поры;
- для увеличения теплопередачи используются тепловые элементы, прошивающие корпус реактора и находящиеся одновременно в контакте с топочными газами и с обрабатываемым продуктом внутри реактора, позволяющие увеличить обе поверхности на 40%, при такой конструкции дальнейшее увеличение поверхности невозможно;
- большие теплопотери и перерасход топлива из-за того, что дымовые газы двигаются сверху вниз, дельта температур газов на входе и выходе из печи не превышает 150°С.
Также из описания к патенту RU 2721696 С1 (опубликован 21.05.2020) известен способ и установка получения активированного угля из угольного остатка, полученного после термохимического процесса пиролиза при переработке органического сырья в установке пиролиза. Способ переработки углеродного материала включает этапы, на которых посредством горизонтального шнека спирального типа подают углеродный материал на вход камеры активации с  лопатками, перемещающими углеродный материал по зоне паровой активации, в которой под действием пара, подающегося форсунками в нижней части камеры паровой активации под давлением от 5 до 20 бар и с температурой 900-1000°С, и вращающегося ротора с лопатками углеродный материал перемещается к верхней части камеры паровой активации, откуда разрыхленный углеродный материал по самотечной трубе спускается вниз на вход спирального шнекового транспортера, охлаждаемого водяной рубашкой, при этом шнековый транспортер установлен таким образом, что перемещение материала происходит снизу вверх под углом к горизонтали 28-32°, после охлаждения до 30-50°С активированный углеродный материал подается на выход спирального охлаждающего шнекового транспортера и поступает в бункер-накопитель.
Основными недостатками данного решения являются:
- увеличение теплопотерь, технические сложности транспортировки перегретого пара до 1000°С, а также эксплуатацией установки из-за того, что пароперегреватель находится в отдельном корпусе;
- неэффективность процесса, т.к. корпус реактора разогревается перегретым паром, который служит передаточным звеном, что также приводит к значительной потере воды и топлива.
- пониженная эффективность разогрева кокса в активаторе за счет неэффективного использования перегретого пара, воды и топлива из-за неразвитой поверхности нагрева корпуса реактора.
Из описания к патенту RU 2776051 (опубликован 12.07.2022) известен способ получения активированного угля из отходов зерноперерабатывающей промышленности, включающий карбонизацию и активирование, причем карбонизацию и активирование осуществляют одновременно в герметичном объеме без доступа кислорода, активирование углеродного продукта осуществляют за счет испаренной из сырья влаги, направленной в сторону образования раскаленного углерода за счет ориентирования в пространстве зоны пиролиза, на всех этапах обработки осуществляется постоянное принудительное перемещение материала и его перемешивание.
Основным недостатком известного способа является отсутствие возможности получить активированный уголь при указанных режимах ввиду недостаточности пара. Например, для активации в горизонтальном реакторе на 1кг активированного угля требуется от 4 до 6 кг пара, в вертикальном реакторе требуется от 2 до 4 кг пара, а в известном способе используется внутренняя влага отходов зерноперерабатывающей промышленности - это максимум 0.3 кг пара на 1 кг угля, при таком соотношении активацию провести не представляется возможным.
При этом в случае использования совмещенного реактора, расход перегретого пара увеличивается в три раза, так как в первую очередь происходит крекинг летучих, объем которых в зерноотходах составляет более 70%, и только потом - активация твердого углерода. Расход пара в совмещенном вертикальном реакторе составляет 6-12 кг пара на 1 кг угля.
Данные выводы основаны на проведенных экспериментах и законах химии.
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в разработке способа и установки, обеспечивающего получение формованного активированного угля с заданными свойствами из отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности, в том числе, из лузги гречихи, по новой более экономичной технологии.
Техническим результатом, достигаемым заявленным решением, является возможность получения формованного активированного угля с заданными свойствами - высокой прочностью, заданными формой и размерами, увеличенной адсорбционной поверхностью угля, по сравнению с известными способами, повышение эффективности способа при снижении энергопотребления.
Технический результат достигается за счет осуществления способа получения активированного угля из отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности, который включает следующие стадии:
- осуществляют экструдирование отходов до порошка дисперсностью 1-3 мм и влажностью 11-16%,
- далее измельченные отходы подают в гранулятор, на выходе из которого получают высокопрочные монолитные пеллеты диаметром 4-8 мм и плотностью 500-750 г/л,
- после чего пеллеты направляют на сушку при температуре 120-180°С до влажности 3-7%;
- после которой посредством горизонтального шнека отходы перемещают в нижнюю часть печи карбонизации, в которой осуществляют перемещение сырья вверх за счет подпора, создаваемого горизонтальным шнеком и потоком пиролизного газа, выделяющегося из сырья, при этом нагрев сырья проводят без доступа кислорода до температуры 300-850°С за счет непосредственного контакта внутренних стенок печи карбонизации и вертикальных пластин, расположенных внутри ее корпуса, и  проходящим сверху вниз по многозаходной спирали в пространстве пластинчатого оребрения печи карбонизации потоком газа с температурой 650-850°С, в результате чего происходит удаление 60-80% летучих веществ,
- из печи карбонизации смесь газа и кокса подают в циклон, где разделяют на кокс и пиролизный газ,
- кокс с помощью горизонтального шнека направляют в нижнюю часть печи термопарогазовой активации, в которой осуществляют нагревание кокса до 700-900°С за счет непосредственного контакта внутренних стенок печи активации и вертикальных пластин, расположенных внутри ее корпуса, и перегретого до 1000°С пара, а также перемещение кокса вверх от центра вала к наружной стенке печи и снова к центру в освободившееся место за счет подпора, создаваемого горизонтальным шнеком и потоком перегретого пара, подаваемого в нижнюю часть внутреннего пространства печи активации из пароперегревателя, при этом происходит удаление остатка летучих веществ и раскрытие пор с получением активированного угля,
- активированный уголь охлаждают до 30-40°С и направляют на фасовку.
В качестве отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности используют лузгу зерновых и/или опилки, а также топливные пеллеты, изготовленные из лузги зерновых и/или опилок.
Прочность формованного активированного угля задается на этапе предварительной подготовки (экструдирования) и в результате, на этой стадии можно получить формованные пеллеты двух видов плотности - высокоплотные (620 -750 г/л) и средней плотности (500-600 г/л).
Для повышения эффективности способа и снижения энергопотребления:
- пиролизный газ после циклона направляют на горелку для сжигания, а  дымовые газы, полученные от сжигания пиролизного газа, последовательно используются для обеспечения всего термического процесса - перегрева пара, карбонизации, активации, сушки сырья;
- отработанный пар из циклона, установленного после печи активации, направляют в топку парового котла для выжигания из него всех газов, других продуктов активации и полной утилизации тепловой энергии. Это позволит снизить расход топлива до 50%.
В частности, для снижения энергопотребления, для сушки сырья используются отработанные дымовые газы из печи карбонизации, для нагрева сырья в печи карбонизации - отработанные газы из печи активации с температурой 650-850°С, а на стадиях сушки, карбонизации, активации, перегрева пара используют дымовые газы, полученные от сжигания в горелке пиролизного газа, выделившегося в печи карбонизации.
Также, для снижения теплопотерь от перемещения топочных газов и перегретого пара, над печью активации установлен пароперегреватель, в котором осуществляют нагрев пара до 950-1000°С.
Если же в качестве отходов используют скорлупу орехов и фруктовую косточку, то из них получают гранулированный активированный уголь и на первом этапе, до сушки, их измельчают до 3-5 мм, далее процесс аналогичен вышеописанному способу.
Также технический результат достигается при использовании установки получения активированного угля из отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности, которая содержит последовательно соединенные бункер, экструдер, выполненный с возможностью изменения давления, гранулятор, выполненный с возможностью изменения размера и плотности пеллет, сушилку, соединенную посредством горизонтального шнека с нижней частью печи карбонизации,  соединенную с циклоном отделения кокса от пиролизного газа, горизонтальный шнек для подачи кокса в печь активации, установленный за печью активации циклон для отделения паров от активированного угля, устройство охлаждения активированного угля, соединенное с бункером для фасовки активированного угля.
Для повышения эффективности установки и снижения потребления энергии:
- печи карбонизации и активации содержат вал с лопатками, обеспечивающими равномерное перемешивание и перемещение сырья вверх, расположенный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения, при этом наружные поверхности печи карбонизации и печи активации выполнены с пластинчатым оребрением в виде многозаходной спирали, направленной сверху вниз, а внутренние поверхности печи карбонизации и печи активации покрыты вертикально расположенными пластинами, имеющими разрывы по радиусу корпуса печи карбонизации и печи активации для прохода лопаток вертикального вала;
- циклон отделения кокса от пиролизного газа соединен с горелкой сжигания пиролизного газа;
- установка дополнительно содержит пароперегреватель, установленный непосредственно над печью активации в одном корпусе.
С целью снижения давления пиролизного газа в печи карбонизации и давления пара в печи активации почти до атмосферного (0,1 бар) паропроводы и газоходы выполнены большого сечения и подбираются в зависимости от производительности установки. Это позволит отказаться от использования газозапорного оборудования и шлюзовых затворов.
В случае использования в качестве отходов скорлупы орехов и фруктовой косточки, перед сушилкой, вместо экструдера и гранулятора, устанавливают измельчитель.
Таким образом, в результате реализации способа переработки отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности с получением активированного угля существенно снижается расход энергии и топлива, что достигается за счет эффективного использования тепла выделяющихся в процессе пиролизного газа и пара, за счет увеличения внутренней и наружной поверхности печи карбонизации и печи активации, поскольку увеличенная наружная поверхность передает внутренней поверхности и пластинам печи большее количество тепловой энергии, которая обеспечивает энтальпию перегретого пара внутри печи, при этом многозаходная спираль печи карбонизации и печи активации в три раза увеличивает наружную поверхность теплосъема и обеспечивает движение дымовых газов сверху вниз по спирали, что увеличивает время контакта дымовых газов с печью и максимальную передачу тепла от дымовых газов печи, а вертикальные пластины увеличивают внутреннюю (абляционную) поверхность печи в два раза и обеспечивают максимальную теплопередачу от спиральнорасположенных пластин, находящихся на наружной поверхности печи, перерабатываему материалу, находящемуся внутри печи, в пространство между обмуровкой и корпусом печи. Кроме этого, увеличение КПД процесса происходит за счет сокращения времени карбонизации и активации за счет противоточного движения обрабатываемого сырья в печи карбонизации и печи активации и потоков газов, которыми осуществляют нагрев. При этом выделившийся в печи карбонизации пиролизный газ, а в печи активации - перегретый пар, двигаются в одном направлении с сырьем, ускоряют его  продвижение в печах и обеспечивают высокую эффективность использования пиролизного газа и пара для дополнительного нагрева, что также обеспечивает высокую эффективность установки, ускоряет начало прохождения реакции активации угля и, соответственно, сокращает время получения конечного продукта без потери его качества.
Далее решение поясняется на примере переработки лузги гречневой в формованный активированный уголь, при этом данный пример не ограничивает патентуемое решение, поскольку указанные параметры для лузги гречневой подойдут для переработки всех остальных заявленных культур.
На первом этапе переработки лузги гречневой ее подают в экструдер, в котором она деформируется до заданной дисперсности (размер частиц 1-3 мм) и влажности 11-16% в зависимости от требований к номенклатуре активированного угля, после экструдера обработанная масса подается в пресс-гранулятор где происходит прессование пеллет высокой прочности с натурой 500-600 г/л для активированных углей с параметрами древесных углей и с натурой 750 г/л для активированных углей с показателями каменных углей.
На втором этапе прочные пеллеты подаются в печь карбонизации, в которой происходит процесс абляционного высокотемпературного пиролиза.
На третьем этапе полученный кокс подают в печь активации.
На четвертом этапе полученный активированный уголь охлаждают и подают в бункер для фасовки.
Далее изобретение поясняется подробно со ссылкой на фигуру, на которой приведена технологическая схема установки переработки лузги гречихи, посредством которой осуществляется способ.
Как показано на фигуре, лузга гречихи загружается в бункер 1, из него поступает в экструдер 2, в котором под действием высокого давления 3-4 МПа повышается температура 120-180°С и происходит экструзионное измельчение лузги до размеров 1-3 мм и влажности 11-16%, дисперсность порошка регулируется оборотами вала экструдера, от степени измельчения лузги в экструдере зависит плотность и монолитность пеллет, далее экструдированный порошок поступает в пресс-гранулятор 3, пелетирование происходит под давлением 3-4 МПа, на выходе из которого получаются пеллеты диаметром 4-8 мм в зависимости от размера установленной матрицы и заданного размера для получения активированного угля, далее пеллеты поступают в конвейерную сушилку 4, обогреваемую отработанными и разбавленными до 130°С топочными газами из печи карбонизации 6, пеллеты в сушилке 4 просушиваются до влажности 3-7% и шнеком 5 их подают в нижнюю часть печи карбонизации 6, далее пеллеты под действием лопаток вертикального вала печи карбонизации 6 перемещаются от центра вала к наружной стенке печи и снова к центру в освободившееся место, при наличии подпора, создаваемого шнеком 5, весь перемешиваемый слой двигается вверх, это движение усиливается потоком пиролизного газа, выделившимся из пеллет, отработанные топочные газы из печи активации 9 с температурой 650°-850°С поступают в верхний газоход печи карбонизации 6, проходя сверху вниз по многозаходной спирали в пространстве пластинчатого оребрения печи, ограниченного массивной обмуровкой. Данная конструкция обеспечивает дельту температур топочных газов между входом и выходом из печи до 350°С, отработанные топочные газы с температурой 300-400°С выводятся из печи карбонизации 6 через расположенный внизу газоход. Тепловая энергия, переданная топочными газами, на корпус печи с пластинчатым оребрением, абляционным способом (за счет контакта с внутренними стенками печи и вертикальными пластинами, расположенными внутри корпуса печи) передается пеллетам, за счет этого обеспечивается равномерный нагрев пеллет в корпусе печи до температуры 550-700°С. При этом равномерный нагрев и одновременное перемешивание пеллет вызывает активное выделение летучих веществ (происходит процесс пиролиза), наличие же свободного кислорода в составе летучих веществ обеспечивает прохождение экзотермической реакции, что значительно снижает энергопотребление в печи карбонизации 6. Пройдя весь корпус печи снизу вверх, пеллеты на 60-70% освобождаются от летучих веществ и превращаются в формованный кокс (далее по тексту кокс), который с температурой 550-700°С поступает в циклон 7, в котором происходит разделение на пиролизный газ и кокс. Пиролизный газ из циклона 7 по утепленному газоходу поступает в горелку 13. Топочные газы из горелки 13 с температурой 1050-1150°С поступают в верхний газоход печи активации 9, проходят через пароперегреватель 16, поднимая температуру пара от 200°С до 950-1000°С и далее, проходя сверху вниз по многозаходной спирали пластинчатого оребрения печи активации 9 с массивной обмуровкой, обеспечивает дельту температур топочных газов между входом и выходом из печи до 350°С. Отработанные топочные газы с температурой 800-650°С выводятся из печи активации через газоход, расположенный внизу печи активации 9.
2
2
Кокс из циклона 7 посредством горизонтального шнека 8 подают в нижнюю часть печи активации 9, в которой кокс под действием лопаток вертикального вала, перемещается от центра вала к наружной стенке печи и снова к центру в освободившееся место. При наличии подпора, создаваемого шнеком 8, весь перемешиваемый слой двигается вверх, это движение усиливается потоком перегретого пара, поступающего из пароперегревателя 16, расположенного прямо над печью 9, в коллектор 17, из которого через рассеиватели 18 перегретый пар попадает во внутреннее пространство печи активации 9. Расход пара регулируется на основании показателей расходомера 15 в зависимости от назначенных параметров активированного угля - при увеличенном расходе пара до 4 кг на 1 кг угля увеличивается адсорбционная поверхность до 1100 м/г , но снижается прочность угля до 45% , при снижении расхода пара до 2 кг на 1 кг угля прочность достигает 90%, а поверхность снижается до 500м/г. Тепловая энергия, переданная топочными газами на корпус печи с пластинчатым оребрением, абляционным способом передается коксу и пару за счет непосредственного контакта внутренних стенок печи активации 9 и вертикальных пластин, расположенных внутри ее корпуса, за счет этого кокс в корпусе печи равномерно прогреваются до температуры 700-900°С, передаваемой от стенок печи и перегретого до 1000°С водяного пара, и происходит удаление остатка летучих веществ и раскрытие пор, и углеродный материал приобретает высокую адсорбционную способность.
Таким образом, эффективность процесса активации увеличивается за счет прогрева кокса от пластин внутреннего корпуса, самого корпуса печи и перегретого пара, а время процесса активации снижается вдвое. При этом за счет контакта пара с пластинами и корпусом температура (энтальпия) пара поддерживается по всему объему активатора на одном уровне.
2
Далее смесь пара и активированного угля разделяют в циклоне 10. Отработанный пар направляют в топку парового котла 14 для прокаливания и выжигания из него всех газов и других продуктов активации, что снижает на 50 % расход топлива в паровом котле 14, повышает КПД котла и снижает выбросы в атмосферу СО за счет снижения расхода топлива.
Формованный активированный уголь из циклона 10 направляют в шнек 11, охлаждаемый водянкой рубашкой, где охлаждают до 30-40°С и далее направляют в бункер 12 для фасовки.
2
2
Так, для получения угля с характеристиками БАУ с высокой пористостью до 1200 м/г и низкой прочностью - не более 55%, пеллеты производятся насыпной плотностью 500-600 г/л за счет снижения давления в экструдере, что достигается снижением оборотов вала экструдера, а для получения углей марки AP, СК-АГ давление в экструдере увеличивается до максимального при увеличении оборотов вала экструдера до номинальных, насыпная плотность пеллет при этом получается 620-750 г/л, и полученный активированный уголь из таких пеллет имеет пористость до 700 м/г и прочность более 90%.
Таким образом, использование патентуемого способа и установки для его осуществления позволяет производить высокопрочные пеллеты, изготовленные из отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности, также обеспечивает возможность переработки топливных пеллет из органических отходов в активированный уголь.
Кроме этого, поскольку перевозка пеллет легко вписывается в транспортную логистику, а перевозка лузги с натурой 140 г/л невозможна - 20-тонный автомобиль может перевозить не более 5 тонн лузги, то предложенная позволит разместить ее в любом месте без привязки к сырьевому ресурсу.