Термічно активоване вугілля, стійке до самозапалювання

Реферат: Термічну стабільність термічно активованого вугілля на целюлозній основі підвищують шляхом впливу на нього галогеном і/або галогенвмісною речовиною. Таке оброблене вугілля на целюлозній основі придатне для використання в способах зниження вмісту шкідливих речовин у димових газах, зокрема у димових газах, температура яких перебуває в діапазоні приблизно від 100 до 420 °C. UA 109399 C2 (12) UA 109399 C2 UA 109399 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ГАЛУЗЬ ТЕХНІКИ Даний винахід стосується стійкого до самозапалювання термічно активованого вугілля на целюлозній основі та процесу його виробництва. Крім того, даний винахід стосується застосування такого стійкого до самозапалювання вугілля для очищення димових газів від шкідливих речовин. РІВЕНЬ ТЕХНІКИ Очищати промислові димові гази від шкідливих речовин, що містяться в них, бажане й необхідно. Ці шкідливі речовини можуть згубно впливати на здоров'я людей і на навколишнє середовище. В результаті роботи, що була проведена керівництвом промислових підприємств і урядом, був досягнутий значний прогрес у питанні зниження викидів таких речовин. Особливу увагу було звернено на димовий газ, що виділяється в процесі роботи твердопаливних котлів, наприклад, таких, які застосовуються на електростанціях. Однак, багато чого ще має бути зроблено. Шкідливі речовини включають тверді частки (наприклад, пластівці попелу), кислі гази (наприклад, SOx, NOx), діоксіни, фурани, важкі метали й таке інше. Способи, що застосовуються для зниження викидів шкідливих речовин, залежать від природи конкретної шкідливої речовини, від бажаного мінімального значення його вмісту, від об'єму виділюваного газу, який слід обробити за одиницю часу, а також від вартості конкретного способу зниження викидів. Деякі шкідливі речовини вдається вилучити з потоку відхідних газів за допомогою механічних способів, наприклад, шляхом уловлювання та видалення електростатичними осаджувачами (ЕО), тканинними фільтрами (ТФ) або мокрими скруберами. Інші речовини не вдається вилучити механічними способами. Наявність шкідливих газоподібних речовин у потоках відхідного газу спричиняє серйозні проблеми, зважаючи на те, що механічне видалення будь-якого конкретного газоподібного компонента з газового потоку є проблематичним. Однак, у промисловості добре відома практика видалення шкідливих газоподібних компонентів з відхідного газового потоку шляхом рівномірного розпилення здрібненого адсорбенту в потік відхідного газу для того, щоб адсорбент вступав у контакт із частками конкретного газового компоненту та уловлював їх. Після цього виконують етап механічного видалення адсорбенту та адсорбованої ним речовини з відхідного потоку газу за допомогою ЕО, ТФ або мокрих скруберів. Високоефективним адсорбентом є вугілля, наприклад, вугілля на целюлозній основі, порошкове активоване вугілля (ПАВ) і т.п. Наприклад, ПАВ можна застосовувати як у модифікованому виді, так і без модифікації. Модифіковані ПАВ можуть підвищити вловлювання конкретної шкідливої речовини шляхом підвищення к.п.д. адсорбції. Приклади модифікованих ПАВ представлені в патентах US 4427630, US 5179058, US 6514907, US 6953494, US 2001/0002387, US 2006/0051270, і US 2007/0234902. Вугілля на целюлозній основі включає (не обмежуючи) вугілля, отримане з деревних матеріалів, шкарлупи кокосових горіхів або інших матеріалів рослинного походження. Проблемою використання вугілля на целюлозній основі в промислових застосуваннях є їхня ненадійна термічна стабільність, тобто, відсутність упевненості в їхній стійкості до самозапалювання. Проблема самозапалювання стає особливо важливої в тому випадку, коли вугілля на целюлозній основі застосовують для обробки теплих або гарячих відхідних газових потоків або якщо таке вугілля впаковується або накопичується великою масою. Наприклад, нагромадження великих мас ПАВ відбувається (i) коли ПАВ впакований, наприклад, у супермішки, (ii) при утворенні фільтраційного кеку в ТФ або при нагромадженні в бункерах або хоперах, пов'язаних з ЕО, блоком очищення TOXECON, або в мішкових пилоуловлювачах. Самозапалювання відбувається в результаті безперешкодного окиснення вугілля й може призвести до його тління або горіння. Самозапалювання підвищується, якщо вугілля тепле або гаряче, наприклад, у випадку, коли воно використовується для обробки відхідних потоків із твердопаливних котлів. Якщо кисень (повітря) надходить до місця окиснення безперешкодно, або якщо дане місце не прохолоджується, то тепло від початкового окиснення буде поширюватися, поки вугілля не почне тліти або горіти. Таке загоряння може призвести до катастрофи. Для комунальних підприємств питання самозапалювання є особливо чутливим, оскільки тління або загоряння в лінії випуску відхідних газів може призвести до зупинки підприємства із великими наслідками для користувачів. Додаткову інформацію з температурної стабільності ПАВ можна знайти в патенті US 6843831, “Процес очищення димового газу”. Деякі види вугілля мають більшу стійкість до самозаймання, ніж інші. У США застосування отриманих з кам'яного вугілля ПАВ для обробки відхідних димових газів є стандартним промисловим процесом, частково через гарну температурну стабільність, яку мають ПАВ, отримане з кам'яного вугілля. Було б дуже корисно одержати можливість модифікувати вугілля на целюлозній основі (включаючи ПАВ на целюлозній основі) для того, щоб зробити його більш термічно стабільними, 1 UA 109399 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 у результаті чого споживач одержав би можливість використовувати чудові адсорбційні властивості вугілля на целюлозній основі. СУТЬ ВИНАХОДУ Даний винахід стосується термічно активованого вугілля на целюлозній основі, на яке впливали галогеном та/або галогенвмісною речовиною, і який має, щонайменше, одну з наступних властивостей: (i) температуру початкового виділення енергії, що перевищує температуру початкового виділення енергії цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, (ii) температуру запалення, яка самопідтримується, яка перевищує температуру запалення, яка самопідтримується, цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, і (iii) величину виділення енергії на початковому етапі, яка менше величини виділення енергії на початковому етапі для цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини. Вважається, що кожна (одне або декілька) із зазначених властивостей (i), (ii) і (iii) свідчить про підвищення температурної стабільності термічно активованого вугілля на целюлозній основі, що піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, у порівнянні з термічною стабільністю цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини. З комерційної точки зору одержання ПАВ зі значеннями виділення енергії, рівними або близькими значенням виділення енергії вугілля, отриманого з кам'яного вугілля, у високому ступені прогнозує гарну, прийнятну термічну стабільність. Представлені нижче в Таблиці (I) дані показують, що властивості вугілля на целюлозній основі, що піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, у позитивну сторону відрізняються від властивостей вугілля, отриманого не із целюлози/ПАВ. Зазначеним галогеном може бути, наприклад, Br 2. Даний винахід також стосується процесу підвищення термічної стабільності термічно активованого вугілля на целюлозній основі. Цей процес включає вплив галогену та/або галогенвмісної речовини на термічно активоване вугілля на целюлозній основі при такій температурі та протягом такого періоду часу, які були б достатні для того, щоб оброблене у такий спосіб термічно активоване вугілля на целюлозній основі одержало одну з наступних властивостей: (i) температуру початкового виділення енергії, яка перевищує температуру початкового виділення енергії цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, (ii) температуру запалення, яка самопідтримується та перевищує температуру запалення, яка само підтримується, цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, і (iii) величину виділення енергії на початковому етапі, яка менше величини виділення енергії на початковому етапі для цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини. Даний винахід також стосується обробленого галогеном та/або галогенвмісною речовиною термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке містить приблизно від 2 до 20 мас. % галогену й має, щонайменше, одну з наступних властивостей: (i) температуру початкового виділення енергії, яка перевищує температуру початкового виділення енергії цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, (ii) температуру запалення, яка самопідтримується та перевищує температуру запалення, яка самопідтримується, цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, і (iii) величину виділення енергії на початковому етапі, яка менше величини виділення енергії на початковому етапі для цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини. Даний винахід також стосується способу зменшення вмісту шкідливих речовин в димових газах, які випускаються в атмосферу, що містять такі шкідливі речовини: при цьому, зазначений спосіб включає введення димового газу в контакт із термічно активованим вугіллям на целюлозній основі, яке піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини та, при цьому, зазначене вугілля має, щонайменше, одну з наступних властивостей: (i) температуру початкового виділення енергії, яка перевищує температуру початкового виділення енергії цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яку не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, (ii) температуру запалення, яка самопідтримується та перевищує температуру запалення, яка самопідтримується, цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі, яке не піддалося впливу галогену та/або галогенвмісної речовини, і (iii) величину виділення енергії на початковому етапі, яка менше величини виділення енергії на початковому етапі для цього ж термічно активованого вугілля на целюлозній основі до впливу на нього галогену та/або галогенвмісної речовини. 2 UA 109399 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ Фігура 1 - порівняння графіків залежності теплового потоку від температури для неопрацьованого термічно активного вугілля деревного походження та для обробленого парами брому термічно активованого вугілля деревного походження. Фігура 2 - порівняння графіків залежності теплового потоку від температури для неопрацьованого ПАВ зі шкарлупи кокосового горіха та для обробленого парами брому термічно активованого ПАВ зі шкарлупи кокосового горіха. Фігура 3 - порівняння графіків залежності теплового потоку від температури для неопрацьованого ПАВ, отриманого з бітумного вугілля, і для обробленого парами брому термічно активованого ПАВ, отриманого з бітумного вугілля. Фігура 4 - порівняння графіків залежності теплового потоку від температури для неопрацьованого ПАВ, отриманого з антрациту, і для обробленого парами брому термічно активованого ПАВ, отриманого з антрациту. Фігура 5 - порівняння графіків залежності теплового потоку від температури для неопрацьованого ПАВ, отриманого з бурого вугілля, і для обробленого 2,5 %-ним NaBr термічно активованого ПАВ, отриманого з бурого вугілля. ДОКЛАДНИЙ ОПИС ВИНАХОДУ Термічно активовані вугілля на целюлозній основі за даним винаходом можна одержати, як уже вказувалося вище, із целюлозних матеріалів. Спосіб виробництва термічно активованого вугілля на целюлозній основі, наприклад, ПАВ деревного походження, є широко відомим і звичайно містить у собі (i) видалення летучих складових із целюлозного матеріалу або його вуглефікацію для одержання деревного вугілля, (ii) активування вугілля й (iii) охолодження/гасіння активованого вугілля. Більш докладну інформацію див. в «Енциклопедії хімічної технології» Кірка-Отмера, 1-е видання, том 4, стор. st 741-761, 2001 р. (Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1 Edition, Volume 4, pages 741-761 2001). Термічно активоване вугілля на деревній основі можна одержати з будь-якого деревного матеріалу, наприклад, з ошурок, стружки або інших здрібнених деревних продуктів. Термічно активовані вугілля на целюлозній основі є в продажу. Наприклад, термічно активовані вугілля деревного походження поставляє компанія Meadwestvaco Corporation, Specialty Chemical Division. Термічно активовані вугілля на целюлозній основі можна 10 50 90 охарактеризувати за розподілом розмірів їх часток (D , D і D ), за середнім розміром часток, за повною площею поверхні всіх внутрішніх порожнин (BET), за йодним числом, за повним об'ємом пор, за об'ємним розподілом пор (макро/мезо й мікропори), за елементним аналізом, за вмісту вологи, за складом й вмістом попелу. Характеристика Загальний діапазон Звужений діапазон 10 D 1-10 мкм 2-5 мкм 50 D 5-35 мкм 10-20 мкм 90 D 20-100 мкм 30-60 мкм Середній розмір часток: 10-50 мкм 15-25 мкм 2 2 BET: >300 м /г >500 м /г Йодне число: 300-1200 мг/г >600 мг/г 3 3 Повний об'єм пор: 0.10-1.20 см /г 0.15-0.8 см /г 3 3 Об'єм макро/мезо пор: 0.05-0.70 см /г 0.05-0.40 см /г 3 3 Об'єм мікропор: 0.05-0.50 см /г 0.10-0.40 см /г Вміст попелу: 0-15 мас..%