Спосіб одержання активованого вугілля

Изобретение относится к способу получения активных углей из углеродсодержащих материалов и может быть использовано для получения сорбентов в химической, пищевой, медицинской и других отраслях промышленности. Известен способ получения активного угля путем химического активирования углеродсодержащих материалов, т.е. воздействия на них дегидратирующими агентами (хлоридом цинка, фосфорной кислотой и др.) при высоких температурах (Х. Кинле, Э. Бадер. Активные угли и и х промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. - С.43 - 45). Этим способом перерабатывают некарбонизированные материалы. Недостатком этого способа является необходимость тщательной очистки углей от активирующи х химических реагентов, а так же регенерации химических реагентов, что повышает стоимость всего процесса производства углей. Известен способ получения активных углей путем парогазового активирования карбонизированного углеродсодержащего материала, включающий генерирование перегретого пара в отдельном аппарате и обработку нагретого исходного материала во вращающейся печи смесью продуктов сжигания топлива и водяного пара (Х. Кинле, Э. Бадер. Активные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984. П.4.4, с.41 - 46). Недостатком известного способа являются неудовлетворительные теплотехнические показатели процесса активирования, которые по мнению авторов, в первую очередь обусловлены тем, что пар, необходимый для активации угля генерируется вне печи. Вследствие этого, при введении в печь пар имеет температуру намного ниже необходимой для реакции активации углей. Требуется отдельный аппарат и дополнительные затраты топлива для достижения требуемой температуры пара с тем, чтобы реакция активации угля шла максимально эффективно. Это обстоятельство снижает теплотехнические показатели процесса активации и качество активированного угля. К тому же известный способ исключает возможность активации некарбонизированного сырого материала и осуществление операций карбонизации и активации сырья одновременно, в одном аппарате. Кроме того, генерирование пара вне печи усложняет технологический процесс, повышает капитальные и эксплуатационные затраты. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа активирования углеродсодержащих материалов во вращающейся печи, в котором путем изменения условий получения (генерирования) перегретого пара обеспечивается интенсификация и оптимизация горения топлива, теплообменных процессов и аэродинамических характеристик, состава парогаэовой смеси в рабочих зонах печи и за счет этого повышаются теплотехнические показатели процесса активирования и качество активного угля, упрощается технологический процесс, снижаются капитальные и эксплуатационные затраты на ведение процесса. Поставленная задача решается тем, что в способе получения активных углей из углеродсодержащих материалов во вращающейся печи, включающем активацию карбонизированного материала смесью продуктов горения топлива и водяного пара, согласно изобретению, карбонизацию материала и его активацию осуществляют одновременно в одной печи, для чего водяной пар генерируют непосредственно в зоне активации угля п утем распыления воды в факелах горелочных устройств для сжигания топлива, при этом 25 - 50% воды распыляют в начале зоны активации, 50 - 75% воды - в конце зоны; 5 - 20% топлива сжигают перед зоной активации с коэффициентом расхода воздуха 1,0 - 3,0, а 80 - 95% топлива сжигают в зоне активации с коэффициентом расхода воздуха 0,8 - 1,0; отходящие газы из печи дожигают в загрузочной камере. Авторами установлено, что распыление воды в факелах горелок для сжигания топлива, т.е. генерированные пара непосредственно в зоне активации угля позволяет получать перегретый пар с максимальной температурой, необходимой для реакции активации угля непосредственно в зоне активации. Это повышает эффективность процесса активации и улучшает теплоте хнические характеристики печи. Генерирование пара в нескольких точках зоны активации, например, в начале и конце зоны, является эффективным средством регулирования теплотехнических и технологических характеристик: температуры и составы продуктов горения, содержания вредных веществ в отходящи х газах и т.д. Установлено, что распределение воды для генерирования пара заявляемым способом. т.е. 25 - 50% - в начале зоны активации, а 50 - 75% - в конце зоны, обеспечивает оптимальные тепловые, кинетические и технологические предпосылки для оптимизации технико-экономических показателей процесса активации. В табл.1 приведены значения технико-экономических показателей процесса активации угля - удельной производительности печи по исходному сырью и осветляющей способности активного угля при различном распределении распыляемой воды в зоне активации. В качестве исходного сырья служили сырые косточки абрикос. Как следует из данных, приведенных в табл.1, распределение воды для генерирования пара в количестве, равном 25 - 50% - в начале зоны и 75 - 50% - в конце зоны, является оптимальным, соответствующим максимальным показателям: удельной производительности печи (35,5 - 39,5кг/ч × м 3) и осветляющей способности угля (300 - 315). Подача воды в одну точку - в начале или конце зоны активации - ухудшает технико-экономические показатели процесса и качество полученного активного угля. Эффективность предлагаемого дозирования (распределения) расходов топлива в рабочих зонах печи при организации процессов нагрева и активации исходного сырья подтверждено экспериментом. Авторами установлено, что распределение топлива по зонам печи заявляемым способом, т.е. 5 - 20% перед зоной активации и 95 - 80% - в зоне активации, обеспечивает оптимальные технико-экономические показатели процесса активации. В табл.2 приведены значения технико-экономических показателей процесса - выход активированного угля при переработке некарбонизированной косточки и осветляющая способность активного угля при различном соотношении расхода топлива по зонам печи. Коэффициент расхода воздуха при этом составлял: перед зоной активации 1,5, в зоне активации - 0,8. Данные, приведенные в табл.2, свидетельствуют о том, что заявляемый принцип распределения топлива по зонам печи является оптимальным, позволяющим достигать лучши х результатов процесса по главным показателям технологии - осветляющей способности активного угля (270 - 320усл.ед.) и выхода готового продукта при переработке некарбонизированной фруктовой косточки (13 - 5%). Экспериментально установлено, что при сжигании топлива перед зоной активации с коэффициентом расхода воздуха (a), равным 1 - 3, а в зоне активации - 0,8 - 1,0, достигаются оптимальные результаты по удельному расходу топлива и качеству активированного угля. В табл.3 приведены показатели удельного расхода топлива и осветляющей способности активированного угля при различных значениях коэффициента расхода воздуха (a) в рабочих зонах печи. Как следует из данных табл.3, заявляемые пределы a, равные 1 - 3 перед зоной активации и a = 0,8 1,0 - в зоне активации обуславливают оптимальные показатели удельного расхода условного топлива и осветляющей способности активного угля. Заявляемый способ может быть реализован в промышленных условиях следующим образом. Исходное сырье - сырой или предварительно карбонизированный углеродсодержащий материал загружают во вращающуюся печь. По мере постепенного нагрева и продвижения исходного материала от загрузочного к разгрузочному концу печи при температуре 300 - 600°C происходит карбонизация сырого материала, а затем при температуре 700 - 1000°C и одновременном распылении воды в факелах газогорелочных устройств под окислительным воздействием образуемой парогазовой смеси происходит активации карбонизированного материала. Дозирование воды производят при следующем соотношении: 25 - 50% подают в начале зоны активации, 50 - 75% - в конце зоны; 5 - 20% топлива сжигают перед зоной активации с коэффициентом расхода воздуха равным 1,0 - 3,0, а 80 - 95% топлива сжигают в зоне активации с коэффициентом расхода воздуха - 0,8 - 1,0. Предварительный нагрев и карбонизацию материала осуществляют с использованием физического и химического тепла газообразных продуктов, поступающи х из зоны активации, а отходящие газы дожигают в загрузочной камере печи. Активный уголь выгружают из печи, в охладительное устройство, где поддерживают температуру 100 150°C. Характеристикой качества активного угля служат насыпная плотность и осветляющая способность по метиленовому голубому. В случае использования для получения активных углей предварительно карбонизированного материала технология упрощается за счет сокращения операции по карбонизации сырья. В этом случае, начиная от загрузочного конца печи и до зоны активации, печное пространство выполняет роль зоны нагрева, работающей в режиме форсированного подъема температуры (>600°C). Пример. Сырую фруктовую косточку абрикос загружали в предварительно нагретую печь при удельном расходе условного топлива на горелки 6 - 10кг/м 3×ч в расчете на рабочий объем печи. В зоне нагрева печи при температуре 300 - 600°C происходила карбонизация сырой косточки. По мере продвижения карбонизированной косточки в зону активации печи, где температура достигала 700 - 850°C, проводили распыление воды в факелах горелок. При взаимодействии компонентов горения (CO2, H2O, O 2) топлива и генерируемого водяного пара (H2O) с углеродсодержащим материалом происходила активация карбонизированной косточки. Причем, в начале зоны активации удельный расход воды на парообразование в расчете на готовую продукцию составлял 2 - 4кг/кг (25 - 50%), а в конце зоны - 4 - 6кг/кг (60 - 75%). Стабилизация режима работы печи достигалась тогда, когда осуществлялась непрерывная загрузка исходной косточки и выгрузка активного угля. Активный уголь выгружали из печи в охладительное устройство, где поддерживали температуру в пределах 100 - 150°. Технологические параметры поддерживали на уровне: удельная производительность в расчете на рабочий объем печи (7,6м 3) по исходной сырой косточке - 35 - 40кг/м 3 × ч, по активному углю - 3 - 4,8кг/м 3 × ч, выход активного угля от сырой косточки - 9,5 - 14%, общий массовый удельный расход условного топлива по отношению к готовому продукту - 3 - 3,6кг/кг; коэффициент расхода воздуха (a) при сжигании топлива перед зоной активации - 1 - 3, в зоне активации - 0,8 - 1,0 доли ед.; Насыпная плотность активированного угля - 0,3 - 0,35г/см 3, а осветляющая способность - 270 340усл.ед. Таким образом, заявляемый способ получения активных углей представляет собой комплексный процесс, в котором стадии карбонизации исходного углеродсодержащего сырья, получение пара и активация угля паров осуществляются одновременно в одном и том же аппарате, за счет чего упрощается технологическая схема и сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты на производство активного угля. Генерирование пара за счет распыления воды в факелах газогорелочных устройств в нужных точках зоны активации позволяет поддерживать на оптимальном уровне рабочую температуру и концентрацию перегретого пара. При этом достигается экономия топлива и высокое качество активированного угля (осветляющая способность активированного угля - на уровне 290 - 350ед.). Заявляемый способ расширяет диапазон видов углеродсодержащего сырья, используемого для получения активных углей: древесины, фруктовой косточки, отходов сельхозпродукции, например, кукурузных початков после отделения кукурузных зерен и т.п. При этом способ позволяет загружать в печь и активировать как предварительно карбонизированный, так и сырой (некарбонизированный) материал, обеспечивая высокое качество активных углей.