Способ получения углеродного адсорбента

 

В вертикальном аппарате шахтного типа слой угля фракции 5 - 20 мм с одной стороны разжигают, а с противоположной стороны подают воздух при удельном расходе воздуха 100-400 м³/м² ч.

Изобретение относится к способам получения углеродных адсорбентов и может быть использовано в химической технологии.

Известен способ получения углеродного адсорбента в вертикальном аппарате шахтного типа с внутренним обогревом, в котором активация производится в среде, содержащей пар, газ и воздух.

Недостатками данного способа являются потребность во внешнем теплоносителе (горячий газ), неравномерность температурного профиля по высоте слоя, низкая адсорбционная активность (не более 25% по йоду) и удельная поверхность активированного угля и наличие в выходящих газах жидких и парообразных продуктов пиролиза.

В изобретении решается задача по устранению вышеуказанных недостатков известного способа производства адсорбента (активированного угля) из угля. Получаемый эффект заключается в снижении удельных энергозатрат и увеличении адсорбционной активности получаемого адсорбента.

Указанный технический эффект достигается тем, что в вертикальный аппарат шахтного типа подают воздух, и слой угля разжигают с противоположной подаче воздуха стороны. При удельной подаче воздуха 100-400 м³/м² ˙ ч фронт горения смещается навстречу потоку воздуха и за фронтом горения остается твердый остаток, содержащий несгоревший углерод. При движении фронта горения слой угля последовательно проходит стадию нагрева, сушки и карбонизации. Продукты карбонизации, содержащие в числе прочих горючие компоненты, такие как оксид углерода, водород, жидкие и газообразные углеводороды, вместе с твердым углеродом реагируют с кислородом воздуха, образуя фронт горения, температура в котором достигает 750-900^о и в котором реагирует весь кислород воздуха. За фронтом горения находится восстановительная зона, где происходит реагирование недогоревшего углерода с водяным паром, диоксидом углерода и водородом во внутридиффузионном режиме с увеличением объема и поверхности внутри пористого пространства, т. е. активация твердого продукта карбонизации. В отличие от существующего способа здесь имеет место активация, главным образом, водяным паром и водородом, образующимся при сушке и карбонизации и последующих окислительно-восстановительных реакциях, при температуре 600-900^оС, а не диоксидом углерода, проницаемость и активность молекул которого в данных условиях ниже.

Поскольку газ, образующийся в зоне карбонизации, проходит через слой горячего полуокса при температуре 600-900^оС и далее не контактирует со свежим углем, он не содержит жидких углеводородов (смол) и может быть использован после очистки от механических примесей без охлаждения. На качество получаемого сорбента влияет фракционный состав угля. При использовании неотсеянного угля, содержащего большое количество мелочи (менее 1-5 мм), из-за большого сопротивления слоя имеют место искривления фронта горения, прогары, каналообразования. Частицы крупнее 20 мм недостаточно проницаемы для активирующего агента, а в ряде случаев имеют ядро, не подвергнутое карбонизации (особенно частицы 40-50 мм). Так адсорбционная активность по йоду адсорбента, полученного из угля исходной крупностью 20-50 мм, была в 2-4 раза ниже, чем полученного из угля фракцией 5-20 мм.

Определяющим для качества адсорбента и его удельного выхода является удельная подача воздуха. При подаче воздуха менее 100 м³/м² ч температура во фронте горения (700-750^оС) недостаточна для получения качественного сорбента (его адсорбционная активность по йоду (ГОСТ 6217-74) не превышает 30-35), скорость движения фронта горения, определяющая удельную производительность реактора, при этом составляет 0,1-0,12 м/ч. При увеличении подачи воздуха снижается удельный выход адсорбента, но увеличивается скорость движения фронта горения до 0,2-0,25 м/ч (при подаче дутья 400 м³/м² ˙ ч), удельная поверхность и адсорбционная активность адсорбента, причем две последние величины имеют пик в интервале подачи дутья 100-400 м³/м² ˙ ч. При подаче воздуха более 400 м³/м² ˙ ч имеет место существенное реагирование твердого углеродсодержащего остатка с кислородом воздуха, и при дальнейшей форсировке подачи дутья процесс переходит в простое горение.

Существенных различий в адсорбционной активности продукта, отобранного на различных уровнях по высоте аппарата, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о том, что высота слоя и время нахождения частиц в аппарате не являются определяющими факторами.

Целесообразно в качестве дутья использовать смесь воздуха с выходящим из аппарата газом. Калорийность получаемого газа во фронте горения при всех прочих равных условиях приводит к увеличению до 4-5 кг/м² ˙ ч выхода адсорбента, что составляет увеличение удельного выхода по массе на 10-12%. Добавка газа к воздуху не должна превышать нижнего предела воспламеняемости (пределы воспламеняемости газа - 25-70% от объема воздуха), иначе возможно воспламенение смеси вблизи точки ввода в аппарат и нарушение процесса.

На конечной стадии, когда фронт горения достигает уровня подвода дутья, перед выгрузкой адсорбента целесообразно продуть слой водяным паром, при этом адсорбционная активность по йоду за счет дополнительной активации паром увеличивается на 2-5%, а для углей, минеральная часть которых содержит растворимый в воде СаО, происходит гидратация оксида кальция.

П р и м е р. В вертикальный шахтный реактор диаметром 0,35 м, высотой 1,5 м загружается 135 кг угля фракцией 5-20 мм марки Б2 (бородинский уголь), имеющего следующий технический и элементный состав: Wtr 30%, Аd 90% , CdAf 71% , Hdaf 5%, Odaf 22,5%, Ndaf 1%, Sdaf 0,5%, калорийность 3700 ккал/м. Снизу подается воздушное дутье с расходом 35 м³/ч, а розжиг угля производится сверху. Через 8 ч фронт горения достигает уровня подвода воздуха и аппарат разгружается. Выход адсорбента составил 37 кг, или 27,4% от исходного угля. Его параметры следующие: влажность 0,5%, зольность 21-28% , насыпная плотность 0,45 г/см³, прочность на истирание (по ГОСТ 16188-70) 85-86% , суммарный объем пор 0,6 см³/г, удельная поверхность пор 850 м²/г, адсорбционная активность по йоду (ГОСТ 6217-74) - 68,6% и метиленовому голубому (ГОСТ 6217-74) 28-60 мг/г. Выход газа составил 50 м³/ч, его состав следующий, %: СО 9, Н₂ 14, СО₂ 10,2, СН₄ 1,4, N₂ 34,6, Н₂О 30,6, Н₂S 0,1, его калорийность 770 ккал/м³, смолы нет, унос менее 1 г/м³. Такие же результаты получают, если воздушное дутье подается сверху, а карбонизация осуществляется внизу аппарата.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать адсорбент с адсорбционной активностью по йоду (ГОСТ -6217-74) 60-70% и выше, удельной поверхностью 700-900 м²/г в аппарате шахтного типа за одну стадию без внешнего теплоподвода и на воздушном дутье. Получаемый в аппарате газ калорийностью до 800-850 ккал/м³ не содержит смолы и может быть использован как экологически чистое топливо.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО АДСОРБЕНТА, включающий термообработку слоя угля в вертикальном аппарате шахтного типа при подаче через него воздуха, отличающийся тем, что используют уголь фракции 5 - 20 мм, а подачу воздуха осуществляют через слой угля, разожженный со стороны, противоположной подаче воздуха, при удельном расходе воздуха 100 - 400 м³/м²˙ ч .