Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство наук и высшего образования Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт новых материалов и технологий

Кафедра «Теплофизика и информатика в металлургии»

ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И РЕГЕНЕРАЦИИ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ

Руководитель, Проф., д.т.н. Гольцев В А

Студент, гр. НМТМ-182204 Курбонов К

Екатеринбург 2019



Оглавление

Введение

1. Историческая справка

2. Получение активных углей

2.1 Общие сведения

2.2 Сырье для получения активных углей

2.2.1 Древесина и древесный уголь

2.2.2 Торф, торфяной кокс

2.2.3 Каменные угли

2.2.5 Бурые угли

2.2.6 Прочие материалы

3. Различные области применения активного угля

3.1 Обогащение металлов

3.1.1 Золото

3.1.2 Прочие металлы

3.2 Высоковакуумная техника

4. Аппараты для получения активированного угля

4.1 Аппарат для производства дробленого активированного угля

4.2 Установка для производства активированного угля

4.3 Получения активированного угля

Заключение

Список литературы



Введение

С развитием промышленного производства активного угля в начале нашего столетия применение этого продукта неуклонно возрастает. В настоящее время активный уголь используется во многих процессах химической технологии. Кроме того, очистка отходящих газов и сточных вод основана главным образом на адсорбции активным углем. Только активный уголь позволяет удовлетворить постоянно возрастающие требования к чистоте нашей питьевой воды. Успешному развитию современной адсорбционной техники в значительной степени способствует постоянное повышение качества этого продукта, обусловленное усовершенствованием способов его производства. В ряде процессов промышленное применение активного угля стало возможным только после разработки соответствующих методов реактивации.



1. Историческая справка

Адсорбционную способность древесных углей впервые заметили в конце 18 века. Так, в 1773 г. химик из Штральзунда, Карл Шееле сообщал об адсорбции газов на древесном угле. Через несколько лет, в 1785 г., Ловиц установил, что древесный уголь может обесцвечивать определенные жидкости. Это открытие привело к первому промышленному применению древесного угля на английском сахаро-рафинадном заводе в 1794 г. После установления блокады на континенте в 1808 г. один из французских заводов также использовал древесный уголь для осветления сахарных сиропов.

В 1811 г. во время опытов с приготовлением черного сапожного крема Фитье заметил обесцвечивающую способность костяного угля. Благодаря опубликованию этого открытия костяной уголь нашел впоследствии широкое применение в сахарной промышленности. Поскольку костяной уголь можно реактивировать прокаливанием, производство на основе древесного угля не получило дальнейшего развития. Тем не менее, в 1850 г. была предпринята попытка приготовить обесцвечивающие угли обработкой древесных опилок карбонатом магния и торфа водяным паром, однако эти продукты не выдерживали конкуренции с костяным углем. Кровяной уголь сильного осветляющего действия, открытый де Бюсси в 1828 г., также не изменил этого положения.

Только появление двух патентов Осгрейко в 1900--1901гг, открыло путь современной технологии производства активных углей. Предмет изобретения одного патента составляло нагревание растительного материала с хлоридами металлов, а во втором [3] описано активирование древесного угля диоксидом углерода и водяным паром при нагревании до слабо-красного каления.

В 1909 г. на химических заводах в Ратиборе (Силезия) по патенту Острейко была выпущена первая промышленная партия порошкового угля эпонит. В 1911 г. за ним последовали норит и пурит-- торфяные угли, активированные водяным паром. Химическое активирование древесных опилок хлоридом цинка впервые осуществили на Австрийском объединении химической и металлургической продукции в Ауссиге (в 1914 г.) и на фабриках красителей Байера (в 1915 г.) для производства карборафина. Эти порошковые угли использовались в основном в качестве осветляющих в химической и сахарной промышленности.

Во время первой мировой войны был впервые применен активный уголь из скорлупы кокосового ореха в качестве адсорбента в противогазных масках. Благодаря этому опыту и разработке в середине 30-х годов технологии производства гранулированных углей типа суперсорбон и бензосорбон активные угли нашли применение в адсорбции газов и паров. Возможность извлечения бензола из светильного газа и другие рекуперационные процессы сыграли решающую роль в расширении областей применения активных углей. В настоящее время мировое производство активного угля составляет примерно 300 тыс. т/год (1977 г.), из которых примерно треть выпускается в Северной Америке и Европе.



2. Получение активных углей

активный уголь аппарат активированный

2.1 Общие сведения

Активные угли получают из разнообразного углеродсодержащего сырья в некарбонизованном виде или в форме углей и коксов. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь поверхности пор на единицу массы. В технике используются химические и парогазовые способы активирования.

При химическом активировании в качестве исходного сырья используются в основном некарбонизованные продукты (например, древесные опилки, торф), смесь которых с неорганическими активирующими агентами подвергается высокотемператуной обработке. К активирующим агентам относятся в первую очередь обезвоживающие вещества: хлорид цинка и фосфорная кислота.

Исходным сырьем для парогазового активирования служат обычно карбонизованные природные материалы: древесный уголь, торфяной кокс, уголь из скорлупы кокосового ореха, материалы типа каменного угля или кокса из бурого угля. Важнейшим фактором, определяющим способность этих продуктов к активированию, является доля летучих компонентов. Если она очень мала, то активирование трудноосуществимо или вообще невозможно. Примером этого служит графит. С увеличением содержания летучих можно в первом приближении говорить о пропорциональном повышении реактивности. Однако, если реактивность слишком велика, например, во вспучивающихся и спекающихся каменных углях, то возможно снижение степени активирования. Реактивность исходного материала в значительной степени связана с присутствием макропор.

Для активирования газами обычно используется кислород (воздух), водяной пар и диоксид углерода. Активирование воздухом имеет избирательный характер, однако существует опасность внешнего обгара гранул. Поэтому предпочтение отдается водяному пару и диоксиду углерода. Для достаточно высокой с технической точки зрения скорости реакции при использовании этих газов необходимы температуры 800--1000 °С. Поэтому для ведения процесса необходимо специальное оборудование: шахтные, вращающиеся, многополочные печи, реакторы с движущимися слоями и различные другие аппараты. Выбор подходящего оборудования зависит от степени дробления исходного материала и от того, в какой форме должны быть получены угли порошкообразные, зерненые или формованное. Универсальными являются вращающиеся печи, поэтому они применяются особенно часто.

При активировании углеродсодержащего материала происходит значительное уменьшение массы твердого вещества. В оптимальных условиях это эквивалентно увеличению пористости. Отсюда в первом приближении можно простым весовым способом оценить увеличение активности угля. Удобным методом в этом случае является определение насыпной плотности.

Важными факторами, позволяющими сделать правильный выбор активных углей для определенных целей, являются гранулометрический состав, площадь внутренней поверхности (объема пор), распределение пор по размерам, природа и содержание примесей. По внешнему виду различают порошковые угли, которые используются преимущественно для обесцвечивания, и зерненые угли с неправильной формой зерен, а также формованные угли, которые в большинстве случаев состоят из цилиндрических гранул)

Важное значение для активности угля имеют микропоры; диаметры этих пор (до 2 нм) соизмеримы с размерами адсорбирующихся молекул. Микропоры обеспечивают развитие основной части внутренней поверхности активного угля. Кроме них в угле присутствуют переходные (мезо-) поры с диаметрами 2--50 нм и более крупные макропоры.

При получении активных углей свойства их можно регулировать выбором соответствующего сырья, метода активирования, изменением продолжительности и условий активирования; при этом на определенные свойства может влиять целый ряд условий. Так, число и распределение размеров пор зависят, в частности, от природы сырья, вида и условий процесса активирования. В процессе химического активирования некарбонизованного исходного материала получают уголь с высокой активностью и относительно широкими микропорами, однако он загрязнен неорганическими добавками, используемыми в процессе изготовления. Если тот же исходный материал, например древесину, вначале подвергнуть пиролизу, а затем активировать водяным паром, можно получить продукт, содержащий в основном тонкие поры и не имеющий посторонних примесей

2.2 Сырье для получения активных углей

Важнейшим сырьем, используемым в Европе для получения активного угля, являются: древесина (в виде опилок), древесный уголь, торф, торфяной кокс, некоторые каменные и бурые угли, а также полукокс бурых углей. При получении углей для противогазов и других углей специального назначения, которые должны обладать высокими прочностными свойствами и большим объемом тонких пор, используется скорлупа кокосового ореха. В США широко используются лигнитовые угли, а также нефтехимические продукты. Кроме того, в литературе приводятся сведения о возможном использовании большого числа других углеродсодержащих природных и синтетических материалов. Здесь следует назвать скорлупу различных видов орехов, фруктовые косточки, асфальт, карбиды металлов, сажу, углеродсодержащие отходы разного рода -- мусор, осадки сточных вод, летучую золу, изношенные резиновые покрышки, отходы производства поливинилхлорида и других синтетических полимеров (например, фенольных смол). В промышленном производстве активного угля эти материалы пока не нашли применения.

Наглядное представление о природных горючих материалах как важнейшем источнике сырья для получения активного угля дает изображение химического состава этих материалов в системе координат, где ордината соответствует отношению 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,3 0:С водород: углерод, а абсцисса -- отношению кислород: углерод. Начало координат соответствует чистому углероду (рис.1). По направлению к этой точке способность к активированию снижается; в противоположном направлении от начала координат появляется необходимость в коксовании исходного материала или ином способе уменьшения высокого содержания летучих перед активированием (например, у вспучивающихся и спекающихся углей).

Ниже будут рассматриваться важнейшие исходные материалы и отдельные специфические продукты.

2.2.1 Древесина и древесный уголь

Древесный уголь, используемый в настоящее время для производства активного угля, больше не получают костровым углежжением. В промышленности карбонизация древесины производится в стальных ретортах большого объема. Для этих целей разработаны процессы Дегусса, СИФИК и многополочные печи.

Мелкоизмельченные древесные отходы, например стружки, также можно карбонизовать во вращающихся печах или аппаратах с движущимися слоями. Кусковые и гранулированные угли, а также прессованные изделия из древесноугольной пыли и связующего активируются в шахтных и вращающихся печах водяным паром или диоксидом углерода при 800--1000°С. Приготовленные со связующим формованные угли необходимо термообрабатывать перед активированием при температуре около 500°С; связующее в этих случаях частично карбонизуется. Активные древесные угли отличаются высокой степенью' чистоты и тонкопористостью.

Карбонизация древесной коры и последующее активирование газом позволяет получать дешевый активный уголь, который

применяется для обесцвечивания стоков бумажного производства. В лабораторных печах уже после получасового активирования водяным паром при 870°С, получают хороший активный уголь. Выход угля-сырца составляет 30%, а выход активного угля --15%. Начато промышленное производство активного угля из коры.

2.2.2 Торф, торфяной кокс

Для получения активного угля лучше всего подходит богатый углеродом черный торф. Содержание углерода в нем составляет около 60 %, однако содержание связанного углерода Сфикс, отнесенное к сухому веществу, составляет только 35 %. Из-за высокого содержания летучих компонентов черный торф необходимо подвергнуть карбонизации перед активированием газами. При химическом активировании процесс можно вести сразу после осушки торфа.

Для газового активирования выгодно использовать торфяной кокс, получаемый промышленным способом в шахтных печах с внешним обогревом примерно при 850 °С. Торфяной кокс характеризуется содержанием связанного углерода СфИКС почти 90 %, золы около 2,5--4,5 %. Подобно древесному углю он хорошо активируется и дает продукты с удельной поверхностью по БЭТ до 1600 м2 /г.

2.2.3 Каменные угли

При активировании каменного угля следует учитывать сортность углей. Битуминозные угли с высоким содержанием смолы и летучих компонентов, спекаются при нагревании или вспучиваются, поэтому они требуют предварительной обработки. Антрацит, содержащий значительно меньше летучих, можно сразу активировать в соответствующих условиях. Для этого антрацит вначале измельчают, тонкодисперсный порошок брикетируют со связующим, вновь измельчают и после рассева по фракциям подвергают карбонизации и активированию. Вместо брикетирования и измельчения пастообразную массу из порошка и связующего можно сразу формовать, например, в цилиндрические гранулы диаметром 1--4 мм, затем карбонизовать и активировать. Прямое активирование зерненого антрацита трудно осуществимо и в обычных вращающихся печах требует длительного времени. Активирование измельченного антрацита водяным паром осуществляется в промышленном масштабе в реакторах движущегося слоя с газовыми горелками. Порошкообразный активированный продукт выгружается из верхней, а зерненый -- из нижней части реактора.

При использовании спекающихся или вспучивающихся углей обычно процесс ведется по следующей схеме:

1) влажное измельчение исходных углей,

2) брикетирование измельченного продукта,

3) дробление брикетов,

4) рассев по фракциям,

5) окисление для предотвращения вспучивания или спекания,

6) карбонизация,

7) активирование.

Важной стадией является окисление, которое протекает бурно, с выделением теплоты и представляет собой трудно регулируемый процесс, вследствие необходимости поддерживать узкий интервал температур. Для технического ведения этого процесса применяются вращающиеся печи или реакторы с кипящим слоем. Отвод теплоты и регулирование температуры обеспечивают с помощью реакционного газа или орошения водой. Температура поддерживается в пределах 150--370°С в зависимости от вида процесса и сорта угля. Содержание кислорода также может изменяться в широких пределах (1--50%). Карбонизация протекает при температуре около 600°С, активирование водяным паром при 900--1000 °С.

Другой процесс активирования для углей класса «битуминозный С» с высоким содержанием летучих и влаги осуществляется на зерненом сырье, которое вначале подвергается сушке и предварительному окислению при 150--215 °С.

При этом в слой угля подается кислород (1--3 %); контакт с кислородом в стационарных условиях поддерживается в течение примерно 19 ч, а в кипящем слое --30 мин. Затем уголь активируется окисляющими газами (водяным паром, диоксидом углерода, воздухом) или химическими активирующими агентами, например, хлоридом цинка и фосфорной кислотой. Для предварительного окисления, облегчающего последующее активирование зерен угля, можно использовать воздух, обогащенный кислородом.

Низкосортные каменные угли (жирные угли) с относительно высоким содержанием летучих, которые плохо коксуются и дают зерна с низкой прочностью, можно также использовать для получения активных углей, если их раздробить и промыть разбавленной минеральной кислотой (соляной, серной или фосфорной). Затем после сушки зерна измельчаются, порошки гранулируются со связующими, карбонизуются и активируются. Считается, что обработка кислотой производит в угле такие изменения, которые препятствуют выделению большого количества летучих при карбонизации и таким образом способствуют образованию прочных гранул активного угля.

Можно активировать газом продукты различных стадий производства формованного кокса. Активные угли с широким распределением пор можно получить, смешивая каменные угли с другими горючими материалами или продуктами их карбонизации.

Каменные угли с высоким содержанием золы можно очистить флотацией, влажным окислением и другими видами химической обработки; например, силикатную золу можно удалить обработкой водным раствором гидроксида или карбоната натрия.

Теоретическое исследование влияния кислорода на поведение спекающихся каменных углей показало, что степень изменения в определенных условиях зависит от размера частиц угля. Между снижением спекаемости и степенью окисления углей существует прямая связь. Наиболее благоприятная температура реакции составляет около 200°С. С повышением температуры влияние кислорода ослабляется. Это согласуется с теоретическим представлением о том, что снижение спекаемости вызвано образованием сшивающих кислородных связей, тогда как образование моноксида и диоксида углерода можно объяснить деполимеризующим эффектом с разрывом С--С связей.

2.2.5 Бурые угли

Черные бурые угли (черный лигнит) -- сорт углей, занимающий промежуточное положение между лигнитом и бурыми углями, с одной стороны, и каменными углями, с другой,-- можно также подготовить к активированию кислотной обработкой, применяемой для каменных углей среднего сорта. При использовании для этих целей концентрированных кислот стадию осушки можно исключить. Кроме того, в противоположность каменным углям, черные бурые угли не требуют карбонизации после гранулирования.

Активирование бурых углей газами во вращающихся печах используется в промышленном масштабе в США. Получаемый в ФРГ в промышленном процессе полукокс из бурого угля можно активировать газом без предварительной обработки.

К недостаткам почти всех сортов бурых углей следует отнести сравнительно высокое содержание серы. После активирования она присутствует в основном в форме сульфида, в результате чего даже в слабокислой среде может появиться неприятный запах. Во многих случаях использования угля этот запах необходимо удалить. Это можно осуществить кислотной обработкой с последующим промыванием. Другая возможность заключается в обработке активного угля в присутствии воздуха водой, нагретой до 60--90°С, таким образом сера с более низкой валентностью окисляется (вероятно, при каталитическом действии активата) и почти полностью переходит в раствор.

Высокое содержание золы часто можно снизить уже перед карбонизацией или активированием, например, посредством инвертирования фаз в смеси масло -- вода: уголь остается в масле, зола переходит в водную фазу. При этом содержание золы снижается в 5--10 раз против исходного.

2.2.6 Прочие материалы

Активные угли из шламовых суспензий, содержащих органические компоненты, могут быть особенно полезны для извлечения оксидов тяжелых металлов и прочих вредных веществ из тех же шламов.

Смеси галогенсодержащих углеводородов можно нагревать в присутствии катализаторов типа кислот Льюиса (например, хлорида алюминия) до 200--5000 С. Полученные продукты можно использовать в качестве адсорбентов в таком виде иди после активирования.

Хлорирование карбидов кремния, титана, циркония, алюминия, бора и удаление летучих хлоридов металлов и металлоидов также позволяет получать активные угли.



3. Различные области применения активного угля

3.1 Обогащение металлов

3.1.1 Золото

Уже в 1894 г. в одном из патентов в США описано концентрирование золота и серебра из растворов цианида на угле с целью извлечения этих металлов. В 1916 г. в шахте Кванми в Западной Австралии вместо классического способа осаждения золота цинковой пылью использовали тенки с тонкопористым активным углем, через которые прокачивался раствор цианида золота. Уже тогда отмечалось, что при контакте с углем имеет место не только восстановление соли золота, но и его адсорбция. Как видно из рис. 12.3, такая адсорбция в широком интервале концентраций описывается уравнением изотермы Фрейндлиха. Так как в то время еще не были разработаны соответствующие процессы экстракции золота из активного угля, классический способ осаждения золота цинковой пылью продолжали применять в большинстве золотодобывающих стран. Наконец, в 1938 г. Чермен применил порошковый уголь в процессе золотодобычи; отработанный уголь отделялся флотацией и озолялся.

После второй мировой войны в США был разработан процесс на зерненом угле, который используется и в настоящее время на приисках в Хоумстэйке (штат Южная Дакота). Производительность процесса составляет 2250 т цианизированной суспензии в сутки. При этом в стенках после отмучивания фракции зерен размером до 0,7 мм остается уголь с размерами зерен 1,4--3,4 мм. После контакта с суспензией золота в течение 20--60 мин (чаще 30 мин) зерненый уголь отделяется фильтрованием и частично освобожденная от золота суспензия прокачивается в следующий тенк с зерненым углем. Концентрирование золота на активном угле осуществляется в 4 ступени, при этом раз в сутки производится замена угля. Пока первый фильтр очищается экстракцией и реактивируется, остальные фильтры работают в последовательном режиме. Приведенные ниже результаты дают представление о производительности процесса по ступеням:

Содержание угля в суспензии, г/л

Содержание золота в растворе на выходе, г/т Количество адсорбированного золота, %

Поглощение золота на активном угле, мг/кг

I	II	in	IV
16	18	24	24
0,72	0,27	0,06	0,015
62,5	85,9	96,9	99,2
11250	4 500	2550	600

Остаточное содержание золота в активном угле, отфильтрованном на IV ступени, экстрагируется 1%-ным раствором едкого натра, содержащим около 0,2 % цианида натрия, при 80°С в течение 50 ч. В таком процессе, осуществляемом в противотоке, можно экстрагировать до 150 мг золота на 1 кг угля. Затем производится реактивирование угля во вращающейся с внешним обогревом при 650 °С. В настоящее время этот процесс используется для очистки остаточных растворов. Однако его можно применять для обработки исходных растворов, содержащих золото, если увеличить число ступеней очистки или изменить соотношение уголь: суспензия. Определенную проблему создает относительно большое время контакта в процессах адсорбции -- десорбции, обусловленное размерами зерен активного угля. Тем не менее, из-за трудностей, возникающих при фильтровании, а также возможного истирания и пыления, которые приводят к потере угля, содержащего золото, применение тонкодисперсного угля исключено. В таких процессах в основном используются тонкопористые зерненые активные угли, которые обладают достаточно высокой прочностью, хотя и не проявляют хороших кинетических свойств. Усовершенствованием процесса концентрирования золота на активном угле занимались также золотодобывающие предприятия в Южной Африке -- стране с наиболее развитой в мире добычей золота. Наряду с флотационными способами, использующими порошковый уголь, здесь испытывался процесс на зерненом угле, так называемый уголь в пульпе. Рассматриваемые выше процессы применялись также для обработки старых вскрышных отвалов на золотых приисках; в таких отвалах иногда содержится 0,5--1,0 г золота на 1 т породы.

3.1.2 Прочие металлы

По данным Зундара и других, на определенных активных углях при соответствующем времени контакта можно успешно концентрировать молибден из сильнокислых растворов, представляющих собой производственные стоки. Ниже указана концентрация молибдена в растворах (в мг/л) при различном времени контакта:

Время контакта, мин Активный уголь А, крупнопористый

Активный уголь В, крупнопористый

Активный уголь С, тонкопористый

0 434	15 254	30 222	60 172	90 168	24 ч 40.
434	258	226	180	168	48
434	304	272	258	244	84

Крупнопористый активный уголь отличался при этом большей (по сравнению с другими углями) эффективностью, которая, по-видимому, обусловлена образованием полимолибдата в порах угля. Равновесная емкость промышленных активных углей при концентрации молибдена 450 мг/л составляет около 15% (масс). В непрерывных процессах даже при линейной скорости 3,7 м/ч длина зоны массопередачи составляет 2,4 м, а скорость ее продвижения по слою 30--45 см/сут.

С помощью активного угля, соосажденного со смесью гид-роксидов алюминия и железа, можно извлекать уран из морской воды. При среднем содержании урана в воде около 3 частей на биллион можно получить до 112 мг урана на 1 г адсорбента при соотношении компонентов смеси 1:3:4. Десорбция образующегося карбонатного комплекса урана производится 0,5 Мраствором карбоната аммония.

3.2 Высоковакуумная техника

Изотермы адсорбции газов на активном угле (см. раздел 5.4) показывают сильную адсорбционную активность угля в области низких давлений. При получении высокого вакуума этот эффект можно использовать для поглощения следовых количеств газов, которые не удаляются парортутными высоковакуумными насосами. Активный уголь можно применять для выравнивания скоростей утечки в отпаянных вакуумных камерах, например термостатах с высоковакуумной изоляцией, используемых для транспортировки и хранения ожиженных газов. Несмотря на значительные достижения в технике обработки материалов часто в местах пайки или сварки появляются неплотности. Использование специально обработанного активного угля позволяет значительно увеличить срок службы подобных вакуумных камер. Угли, активированные водяным паром, показали лучшие результаты при адсорбции диффундирующих внутрь камеры газов -- аргона, азота или кислорода. Для этой цели можно рекомендовать использование слоя активного угля толщиной в одно зерно; размеры зерен не должны превышать 1 мм. Безусловно, во всех случаях необходимо тщательно предварительно обезгаживать уголь прокаливанием в вакууме в течение нескольких часов для удаления продуктов разложения поверхностных кислородных соединений углерода.



4. Аппараты для получения активированного угля

4.1 Аппарат для производства дробленого активированного угля

Сущность изобретения: установка содержит печь карбонизации сырья, последовательно соединенные между собой холодильник и пневмокамеру, связанную с пневмотранспортной магистралью, емкость с кислородом и печь активации карбонизата, причем емкость с кислородом соединена с пневмокамерой, холодильник - с печью карбонизации сырья, а пневмотранспортная магистраль - с печью активации карбонизата. 1 ил.

Изобретение относится к установке для производства дробленого активированного угля из природного сырья, в частности из скорлупы абрикосовой косточки, и может быть использовано в сорбционных процессах.

Целью изобретения является повышение механической прочности активированного угля.

На чертеже показана предлагаемая установка.

Установка для производства активированного угля содержит бункерную секцию 1 для сырьевого материала, например дробленой скорлупы абрикосовой косточки. После бункерной секции 1 размещена вращающаяся печь 2 карбонизации сырья в условиях внешнего обогрева. У этой печи 2 выход 3 для летучих продуктов карбонизации связан с дожигательной камерой 4, которая оснащена магистралью 5 для подачи части дымовых газов в дымовую трубу 6 и магистралью 7 для возврата необходимого количества дымовых газов во внешний обогревательный муфель реторты 8 печи 2. Выход 9 указанного муфеля через выбросную магистраль 10 связан с дымовой трубой 6. Установка оснащена холодильником 11 сыпучего карбонизата, размещенным после печи 2 карбонизации сырья. На выходе из холодильника 11 размещена смесительная пневмокамера 12 для насыщения карбонизата кислородом, встроенная в пневмотранспортную магистраль 13 для пневмотранспорта сыпучего полуфабриката к печи 14 активации карбонизата. Окончание магистрали 13 образовано циклоном 15, у которого выход 16 для транспортирующего агента связан через магистраль 17 с дожигательной камерой 4. Начало магистрали 13 образовано воздухозаборником 18, параллельно которому установлена емкость 19 с кислородом в виде кислородной газобаллонной рампы. Печь 14 активации карбонизата оборудована системой 20 пронизывания слоя карбонизата парогазовым активирующим агентом. Выход 21 печи 14 для летучих продуктов активации связан через магистраль 22 с дожигательной камерой 4. После печи 14 размещен ситовой сепаратор 23 для разделения продукта на гранулометрические фракции. Выход 24 сепаратора 23 выведен к затаривающему устройству 25 для развески активированного угля в транспортные контейнеры 26.

Установка работает следующим образом.

В бункерную секцию 1 засыпают сырье, представляющее собой дробленую скорлупу абрикосовых косточек, образованную на 83 мас.% фракцией частиц с размером 3 мм, влажностью 36 мас.%, зольностью 2,2 мас.%, прочностью на истирание по МИС-8 96%. Из бункерной секции 1 сырье со скоростью 5-7 кг/с подают в печь 2 карбонизации сырья, в которой осуществляют нагрев сырья в течение 30 мин до 760оС с положительным градиентом подъема температуры по длине трассы, равным 120оС/м. На выходе 3 из печи 2 карбонизации сырья собирают летучие продукты термического разложения сырья и направляют их в дожигательную камеру 4. Сгорающие в камере 4 летучие продукты образуют дымовые газы, нагретые до 1000-1100оС. Эти дымовые газы после охлаждения до 850-900оС частично возвращают к печи 2 карбонизации сырья, где их используют для косвенного нагрева сырьевого слоя. Отдавшие тепло отработанные дымовые газы направляют в дымовую трубу 6 при 200-300оС. При прохождении сырья через печь 2 происходит преобразование его в карбонизат, обладающий степенью обгара 42 мас.%, зольностью 4,7 мас.%, прочностью 91%. Выходящий карбонизат направляют при 57оС в холодильник 11, через который он проходит за 14 мин. Отрицательный градиент падения температуры по трассе прохождения через холодильник 11 выдерживают в пределах 110оС. Из холодильника 11 выходит карбонизат, охлажденный до 55оС, который подают со скоростью 5-7 кг/с в смесительную пневмокамеру 12. В этой пневмокамере 12 карбонизат омывается кислородом из емкости с кислородом 19 в виде газобалонной рампы, после чего поступает в пневмотранспортную магистраль 13, которая переносит его в циклон 15. Время контакта карбонизата с кислородом 3,7 с. В результате получают полуфабрикат, насыщенный 4 мас.% кислорода. Насыщенный кислородом полуфабрикат направляют в печь 14 активации карбонизата, работающую с пронизыванием слоя угля парогазовым активирующим агентом. В печи 14 активации полуфабрикат подвергают нагреву в течение 35 мин до 1070оС с положительным градиентом подъема температуры по трассе 110о С/м. Летучие продукты частичной газификации угля направляют через магистраль 22 в дожигающее устройство 4. На выходе из печи 11 активации карбонизата собирают уголь со степенью обгара 73 мас.% и направляют его в ситовой сепаратор 23, в котором отделяют гранулометрическую фракцию, на 70% образованную частицами с размером 2,7 мм. Из этой фракции формируют конечную продукцию, которую развешивают в транспортные контейнеры 26 емкостью 800-1000 кг. Составляющий продукцию активированный уголь обладает прочностью на истирание 90% и на раздавливание 20 кг/см2. Объем микропор в угле составляет 0,4 см3/см3. Активность по бензолу 85 мин.

При производстве активированного угля в установке по прототипу прочность активированного угля на истирание 86%, а прочность на раздавливание 16 кг/см2.



4.2 Установка для производства активированного угля

включающая печь карбонизации сырья и печь активации карбонизата, отличающаяся тем, что, с целью повышения механической прочности активированного угля, в нее включены емкость с кислородом и последовательно соединенные между собой холодильник и пневмокамера, связанная с пневмотранспортной магистралью, причем емкость с кислородом соединена с пневмокамерой, холодильник - с печью карбонизации сырья, а пневмотранспортная магистраль - с печью активации карбонизата.

Измельченный углеродсодержащий материал прессуют, карбонизуют при нагревании со скоростью 20 - 25°С до 550 - 650°С, нагревают со скоростью 1 - 3°С/мин до 900 - 950°С, активируют водяным паром и подвергают дроблению до размера частиц 0,5 - 1,5 мм

Изобретение относится к области производства активных углей (а.у.) и может быть использовано в электроугольной, графитовой и шинной промышленности.

Известен способ получения а.у., включающий измельчение бурого угля прессованием брикетов, их карбонизацию, дробление и активацию при 800-900оС (патент ГДР N 227946, 1985).

Недостатком известного способа является высокая зольность получаемого а.у. и сложность проведения процесса карбонизации.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения а.у. путем прессования измельченного углеродсодержащего материала, карбонизации полученных гранул до температуры 1050оС со скоростью нагрева 200-300оС/мин и активации в среде двуокиси углерода при температуре 850-900оС до суммарного объема пор 0,6-0,7 см3/г (авт.св. СССР N 869090, 1973). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.

Недостатком прототипа является невысокая адсорбционная способность получаемого а.у. при очистке питьевой воды от активного хлора.

Целью изобретения является повышение адсорбционной способности получаемого угля при очистке питьевой воды от активного хлора.

Поставленная цель достигается предложенным способом, включающим прессование измельченного углеродсодержащего материала, карбонизацию до температуры 550-650оС со скоростью нагрева 20-25оС/мин, термообработку до температуры 900-950оС со скоростью подъема 1-3оС/мин, активацию в среде водяного пара с последующим дроблением полученных гранул до 0,5-1,5 мм.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Стадии карбонизации и термообработки карбонизованных гранул без доступа воздуха позволяют сформировать пористую структуру а.у. с заданными параметрами. Для адсорбции активного (молекулярного) хлора необходимо развить общий объем микропор с размером 0,5-1,2 нм. Экспериментальным путем установлено, что дробление активных гранул позволяет разрушить поверхностные транспортные макропоры и улучшить кинетику поглощения молекул активного хлора.

Способ осуществляется следующим образом. Измельченный углеродсодержащий материал (каменный уголь, полукокс, древесный уголь-сырец и т.п.) смешивают со связующим до образования однородной пасты, которую гранулируют через филеры с диаметром отверстий 1,0-3,5 мм на прессах любого типа (шнековых, гидравлических). Сырые гранулы карбонизируют до 550-650оС со скоростью нагрева 20-25оС/мин во вращающейся или шахтной печи, после чего проводят термообработку до температуры 900-950оС со скоростью подъема 1-3оС/мин, затем уголь активируют во вращающейся или шахтной печи при 850-950оС в среде водяного пара, подаваемого из расчета 5-15 кг на 1 кг термообработанных гранул до суммарного объема пор 0,8-1,2 см3/г.

Если температура карбонизации ниже 550оС, в гранулах остается много летучих веществ, что приводит к шлаковке печей на стадии активации. При температуре карбонизации выше 650оС в угле формируется объем тонких несорбирующих ультрамикропор.

Относительно температуры термообработки было установлено, что если она составляет менее 900оС, то получают развитие транспортные (макро) поры, а при температуре выше 950оС уже начинается процесс графитизации и разрушение пористой структуры.

Активные гранулы подвергают дроблению до размеров частиц 0,5-1,5 мм на дробилке любого типа.

В результате многочисленных экспериментов были установлены режимы способа получения а.у., наилучшим образом очищающего питьевую воду от активного хлора: карбонизация гранул до температуры 550-650оС со скоростью нагрева 20-25оС/мин; термообработка гранул до температуры 900-950оС/мин со скоростью подъема 1-3оC/мин; активация гранул в среде водяного пара; дробление гранул до размеров частиц 0,5-1,5 мм.

П р и м е р 1. Берут 3,5 кг каменного угля марки СС (ГОСТ 10355-76) и 3,5 кг полукокса длиннопламенного угля марки Д (ГОСТ 5442-74), измельченных в шаровой мельнице до размеров частиц 5-90 мкм, и смешивают их с 3,0 кг лесохимической смолы (ТУ 13-4000-77-160-84) и 5,0 л воды.

Процесс смешения осуществляют при температуре 50оС в течение 12-15 мин. Затем пасту подают в загрузочную камеру шнекового пресса и осуществляют грануляцию через фильеры с диаметром отверстий 1,0 мм. Карбонизацию гранул осуществляют до температуры 550оС со скоростью нагрева 20оС/мин, после чего проводят термообработку до температуры 900оС со скоростью подъема 1оС/мин. Активацию проводят во вращающейся печи в среде водяного пара при 900оС до суммарного объема пор 1,00 см3/г. Расход пара поддерживают в пределах 5-10 кг на 1 кг а.у. Дробление осуществляют до размеров частиц 0,5 мм. Адсорбционная способность полученного а. у. по активному хлору составляет 54 мг/см3.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1, за исключением того, что карбонизацию осуществляют до 650оС со скоростью нагрева 25оС/мин, термообработку проводят до температуры 950оС со скоростью подъема 3оС/мин, активацию ведут при температуре 900оС до суммарного объема пор 0.80 см3/г. Дробление проводят до размеров частиц 1,5 мм. Адсорбционная способность полученного а.у. по активному хлору составляет 55 мг/см3.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1, за исключением того, что карбонизацию осуществляют до температуры 600оС со скоростью нагрева 22оС/мин, термообработку проводят до температуры 920оС со скоростью подъема 2оС/мин, а активацию ведут при температуре 900оС до суммарного объема пор 0,90 см3/г. Дробление проводят до размера частиц 1,0 мм. Адсорбционная способность полученного а.у. по активному хлору составляет 60 мг/см3.

В табл.1 представлены примеры 4-13, полученные аналогично примеру 1 по влиянию скорости нагрева при карбонизации и скорости подъема температуры при термообработке, при активации в среде водяного пара и расходе водяного пара 10 кг/кг а.у. на адсорбционную активность по активному хлору. Адсорбционная способность по активному хлору выражается в м2 поглощенного хлора на 1 см3 а.у.

Как следует из полученных данных при скорости нагрева при карбонизации 20-25оС/мин до температуры 550-650оС и термообработке до температуры 900-950оС со скоростью ее подъема 1-3оС/мин достигается повышение адсорбционной способности по активному хлору в 2,0-2,2 раза. При скорости нагрева при карбонизации ниже 20оС/мин и термообработке со скоростью подъема температуры ниже 1оС/мин образуются тонкие микропоры, что снижает их доступность для больших молекул хлора. С другой стороны, при скорости нагрева при карбонизации выше 25оС/мин и термообработке со скоростью подъема температуры выше 3оС/мин происходит выгорание стенок микропор и снижение их общего объема. В обоих случаях значительно снижается адсорбционная способность а.у. по активному хлору при адсорбции его из воды.

В табл.2 представлены результаты влияния размера частиц а.у. на достижение цели изобретения.



Как следует из данных табл.2, при размере частиц а.у. 0,5-1,5 мм обеспечивается наибольшая адсорбционная способность по активному хлору. При размере частиц менее 0,5 мм происходит уменьшение объема крупных микропор, а при размере частиц более 1,5 мм ухудшается кинетика поглощения. Оба фактора приводят к уменьшению адсорбционной способности а.у. по активному хлору.

4.3 Получения активированного угля

способ получения активного угля, включающий прессование измельченного углеродсодержащего материала, карбонизацию и активацию гранул, отличающийся тем, что после карбонизации осуществляют нагревание со скоростью 1 - 3oС/мин до 900 - 950oС, карбонизацию ведут при нагревании со скоростью 20 - 25oС/мин до 550 - 650oС, а активацию - водяным паром, и после активации осуществляют дробление до размера частиц 0,5 - 1,5 мм.

Использование: заявленный способ может быть использован в области получения активного угля из растительного сырья - косточек фруктов и оливков и позволяет повысить адсорбционную активность и механическую прочность угля, а также увеличить выход готового продукта и упростить способ. Сущность: косточку без предварительного дробления карбонизируют в среде пирогазов в отсутствии кислорода, темп нагрева в интервале температур 200-500oC составляет 10-20oC/мин, выдерживают при конечной температуре карбонизации 20-30 мин, а затем проводят парогазовую активизацию. Механическая прочность активного угля составляет 87-90%, суммарная пористость 0,68-0,76 см3/г. 1 табл.

Изобретение относится к области получения активных углей из сырья растительного происхождения, а именно из фруктовой и оливковой косточки.

Известен способ получения активного угля из фруктовых косточек. Скорлупу фруктовых косточек, грецкого ореха, предварительно освобожденную от мякоти и раздробленную до размеров 1-3 мм, карбонизуют при максимальной температуре 800oC в атмосфере инертного газа. Активацию карбонизата ведут водяным паром до степени обгара 65%. Полученные косточковые угли имеют достаточно развитые макропоры. Косточковые угли возможно использовать в качестве фильтров для извлечения из биологических жидкостей белковых комплексов.

В основе изобретения лежит задача повышения качества получаемых активных углей за счет увеличения адсорбционной способности и механической прочности. Кроме этого, заявляемое техническое решение направлено на увеличение выхода готового продукта и упрощение способа.

Предметом данной заявки является способ получения активного угля, который включает карбонизацию исходной фруктовой и/или оливковой косточки в среде пирогазов в отсутствии кислорода с темпом нагрева 10-20oC/мин в интервале температур 200-500oC, выдержку при конечной температуре карбонизации 20-30 мин и парогазовую активацию.

Отличие от прототипа заключается в том, что карбонизацию ведут в среде пирогазов в отсутствие кислорода с темпом нагрева 10-20oC/мин и выдержкой при конечной температуре 20-30 мин.

Использование совокупности отличительных признаков заявляемого способа, а именно: ведение карбонизации в среде пирогазов в отсутствии кислорода, регулирование темпа нагрева и выдержка при конечной температуре 20-30 мин - способствует получению оптимальной структуры угольного вещества за счет рационального регулирования процессами термодеструкции и поликонденсации, что в конечном итоге позволяет получить активные угли с высокой механической прочностью и адсорбционной способностью.

Пример. 2 кг смеси косточек персиков и абрикосов без предварительного дробления подвергали карбонизации при температуре 500oC в лабораторной вращающейся печи с электрообогревом без доступа воздуха. Изменением подаваемого напряжения и числа оборотов печи регулировали темп нагрева печи. В данном случае он составил 12oC/мин. При конечной температуре в 500oC материал выдерживали в течение 24 мин. Карбонизованный продукт в количестве 0,7 кг активировали перегретым (до 250oC) водяным паром при температуре 850oC со вращающейся печи с электрообогревом. Обгар активного угля составил 57%, а выход - 43%. Полученный активный уголь имел показатели: механическая прочность - 89%, адсорбционная активность по метиленовому голубому - 260 мг/г.

Аналогичной обработке подвергалось сырье из оливковых косточек.

Характеристики углей определялись: Насыпная плотность, г/см3 - ГОСТ 16190-70 Прочность на истирание, % - ГОСТ 16188-70 Адсорбционная активность по метиленовому голубому, мг/г - ГОСТ 4453-74 Суммарный объем пор по влагоемкости, см3/г - ГОСТ 17219-71 В таблице приведены характеристики карбонизата и активных углей, полученных по заявляемому способу.

Из приведенных примеров следует, что лучшими характеристиками по адсорбционной активности и механической прочности обладают активные угли, полученные при заявляемых условиях карбонизации, а именно: при темпе нагрева 10-20oC/мин и выдержке при конечной температуре 20-30 мин. Снижение темпа нагрева менее 10oC/мин приводит к понижению реакционной способности карбонизата и соответственно уменьшает сорбционную активность угля. Превышение темпа нагрева более 20oC/мин приводит к получению рыхлых структур с малой механической прочностью и пониженной сорбционной активностью.

Из таблицы следует, что образцы активного угля, полученные по заявляемому способу, имеют по сравнению с прототипом преимущество по адсорбционной активности и механической прочности.

Кроме этого, предлагаемый способ позволяет увеличить выход готового продукта за счет исключения потерь при дроблении исходного сырья и повышения выхода твердого остатка на стадии карбонизации, вследствие ведения процесса в среде пирогазов в отсутствии кислорода.

Способ получения активного угля, включающий карбонизацию фруктовой и/или оливковой косточки и парогазовую активацию, отличающийся тем, что исходную косточку подвергают карбонизации в среде пирогазов в отсутствии кислорода с темпом нагрева 10 20oС/мин в интервале температур 200 500oС и выдерживают при конечной температуре 20 30 мин.



Заключение

В данной работе описана цепочка аппаратов для получения, активированного угля, их применение в промышленности. Свойство угля, виды, состав и применение активированного угля.



Список литературы

1. Способ получение активированного угля: [Электронный ресурс]. Режим доступа http://www.ngpedia.ru/searchdata.

2. Регенерация активированного угля: [Электронный ресурс]. Режим доступа http://ru-ecology.info/term/39584/.

3. Активные угли и их промышленное применение: [Электронный ресурс]. Режим доступа https://www.bestreferat.ru/referat-200941.

4. Активные угли. Справочник: Учебное пособие для вузов / Колышкин Д.А Михайлова К.К Изд-во <<Химия>>, 1972.c.

Размещено на Allbest.ru