Способ непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья

Изобретение относится к способу непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья и может быть использовано для производства активированного угля. Способ непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья включает его предварительную термическую подготовку с использованием газообразного теплоносителя и последующую переработку при 200-900°С в реакторе в среде восстановительного газа с подачей насыщенного пара, дальнейшее охлаждение и выгрузку активированного угля, причем восстановительный газ получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0 и смешивают его с газами процесса термохимической обработки, при этом восстановительный газ смешивают с газами процесса термохимической обработки в соотношении 1:(0,1-10) и с целью регулирования температурных режимов подают не менее чем в три зоны реактора, причем смешивают перед подачей в каждую реакторную зону в пропорции, обеспечивающей заданные температурные режимы в различных зонах, а процесс ведут в соответствие с известными температурными режимами производства продукта с заданными параметрами. Технический результат состоит в расширении технологических возможностей за счет регулирования температурных режимов и получения активных углей заранее заданных параметров, снижения энергоемкости процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья и может быть использовано для производства активированного угля.

Известен способ получения активированного угля, при котором полукокс сушат в атмосфере с содержанием кислорода не менее 10% и температурой 140-180°С в течение 40-60 минут, после чего направляют в печь, где активируют при 900-1000°С смесью водяного пара и дымовых газов до соотношения микро- и мезопор равного 1:1,0-1,1. При этом решается техническая задача получения активного угля с заданными параметрами соотношения микро- и мезопор (см. патент РФ N 2164217). Недостатками указанного способа является высокая энергоемкость процесса, сложность его регуляции, низкий объем микро- и мезопор.

Известен способ непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья и установка для его осуществления, позволяющая повысить качество готового продукта и получать угли различной заранее заданной пористости. Установка для осуществления способа содержит три камеры: предварительного нагрева сырья, карбонизации и созревания, а так же узел активации в виде камеры прокаливания-активации. Из камеры прокаливания-активации продукт поступает в камеру созревания, в первую секцию из которой через форсунки подают воду, а в следующую секцию продукты термического разложения древесины или дымовые газы, полученные от сжигания парогазовой смеси и/или различных видов топлива. Технический результат достигается, в том числе, за счет предварительного нагрева сырья при переменной и регулируемой скорости нагрева, в зависимости от свойства применяемого сырья (см. патент РФ № 2209179). Указанное техническое решение имеет следующие недостатки:

- большое количество технологических элементов и переделов установки, что повышает материалоемкость установки и энергоемкость процесса

- не предусмотрено регулируемое изменение параметров процесса после предварительного нагрева сырья, что снижает технологические возможности процесса

- в способе не предусмотрено использование рециркуляции газов термохимической переработки, что повышает энергоемкость процесса и снижает его эффективность.

- в способе не предусмотрено использование рециркуляции газов термической подготовки сырья, что повышает энергоемкость процесса.

Известен способ термической переработки биомассы, включающий загрузку материала в конвертер, пиролиз материала при 650-950°С в среде восстановительного газа, подачу пара после окончания пиролиза и выделение твердого остатка, причем восстановительный газ получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,85-1,1 и смешением полученных продуктов горения с газами пиролиза биомассы в соотношении с продуктами горения 1-3:1. После окончания пиролиза в нижнюю часть конвертера подают насыщенный водяной пар при 105-140°С в массовом соотношении с перерабатываемым материалом 0,1-0,25:1. Технический результат процесса - получение активированного угля с высокой адсорбционной активностью по йоду, свыше 250 мл/100 г (см. патент РФ № 2177977 - прототип).

Известное техническое решение имеет следующие недостатки:

- способ предназначен только для утилизации биомассы (древесина, солома, лузга и пр.), что не позволяет его использовать для других видов углеродсодержащего сырья;

- в способе отсутствует возможность разделения процесса на отдельные этапы и управления параметрами процесса на каждом этапе;

- в способе не предусмотрено получения продукта заданных параметров;

- в способе не используется предварительная подготовка сырья в качестве этапа основного процесса;

- в способе не предусмотрено использования образующихся газов в качестве топлива для получения восстановительного газа.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей процесса за счет использования различных видов углеродсодержащего сырья, получения активных углей различных заданных заранее параметров, повышения управляемости процессом и снижение его энергоемкости.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе ведется управляемая переработка сырья в вертикальном реакторе при 200-900°С в среде восстановительного газа с подачей пара, дальнейшее охлаждение и выгрузка активированного угля, причем восстановительный газ получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0 и дозировано смешивают его с газами процесса термохимической обработки в соотношении 1:(0,1-10).

Задача решается так же тем, что восстановительный газ смешивают с газами процесса термохимической обработки и подают не менее чем в три зоны реактора, причем смешение происходит перед подачей в каждую реакторную зону в той пропорции, которая обеспечивает необходимый температурный режим и соответствует условиям производства продукта с заданными параметрами из различных видов сырья.

Задача решается так же тем, что часть газов термохимической переработки углеродсодержащего сырья подается в генератор восстановительного газа в качестве низкокалорийного топлива в соотношении с основным видом топлива как (0,05-0,2):1, а остальные газы термохимической переработки, не используемые в рециркуляции, подаются в печь для сжигания и получения тепловой энергии.

Задача решается так же тем, что процесс переработки сырья начинается на стадии термохимической подготовки сырья, при этом нагрев сырья производится газообразным теплоносителем (например, дымовыми газами) в переменном и управляемом температурном режиме с изменяемыми параметрами теплоносителя, в том числе путем добавления специальных агентов (например, воздуха) в зависимости от свойств сырья и заданных параметров продукта.

Задача решается так же тем, что газообразный теплоноситель после термохимической подготовки сырья частично возвращается и смешивается с поступающим теплоносителем.

Основными реагентами восстановительного газа являются Н₂, СО, СО₂, Н₂О, CH₄, C_nH_m. Дымовые газы, образующиеся в результате сгорания углеродсодержащего топлива при коэффициенте расхода воздуха менее 1,0, содержат эти компоненты и фактически являются восстановительными газами. Известно, что использование восстановительных газов в процессе производства активированных углей позволяет получать продукт с высокими адсорбционными качествами.

Известно, что газы термохимической переработки углеродсодержащего сырья при температуре 220-950°С содержат Н₂, СО, СО₂, Н₂О, СН₄, C_nH_m. Смешение дымовых газов, образующихся в результате сгорания углеродсодержащего топлива при коэффициенте расхода воздуха менее 1,0 с температурой 950-1000°С, и газов термохимической переработки с температурой 200-350°С в соотношениях 1:(0,1-10) позволяет получать смесь восстановительных газов нужной температуры для соответствующей зоны реактора в зависимости от заданных параметров продукта. При этом нижний предел смешения (1:0,1) позволяет получить наибольшую температуру в нужной зоне реактора, верхний предел смешения (1:10) позволяет обеспечить нижнюю границу температуры, необходимую для проведения процесса. Управление процессом по зонам за счет циркуляции восстановительных газов обеспечивает оптимальную структуру угольного вещества за счет рационального регулирования процессов термодеструкции, поликонденсации и активации. Управляемая и регулируемая рециркуляция восстановительных газов позволяет получать продукт с заданными параметрами, ускорить процесс термохимической переработки сырья за счет увеличения скорости газового потока, снизить расход восстановительных газов, повысить качество управления процессом и уменьшить его энергоемкость за счет возвращения тепла в реактор.

В связи с содержанием в газах термохимической переработки таких реагентов как Н₂, СО, CO₂, Н₂О, СН₄, C_nH_m эти газы являются низкокалорийным топливом и могут подаваться для сжигания в топку генератора восстановительных газов в соотношении с основным видом топлива как (0,05-0,2):1. Подача газов термохимической переработки ниже соотношения 0,05:1 технологически и экономически нецелесообразна, превышение соотношения более чем 0,2:1 приводит к снижению температуры горения. Остальные газы термохимической переработки, не используемые в рециркуляции и для генерации восстановительных газов, подаются в печь для сжигания и получения тепловой энергии. Использование газов термохимической переработки в качестве топлива для получения тепловой энергии позволяет снизить энергоемкость процесса.

Известно, что предварительное окисление полукокса перед активацией позволяет увеличить объем мезопор и увеличить соотношение объемов мезо- и микропор. В случае задачи получения продукта с увеличением микропор необходимая степень окисления сырья обеспечивается добавкой в дымовые газы воздуха. Известно, что различные виды сырья требуют различных условий термической подготовки. Например, нагрев лигнина должен идти не выше 30°С в минуту во избежание спекания. Указанные и иные задачи при использовании данного способа для термической или термохимической подготовки сырья различных видов сырья решаются путем нагрева сырья в переменном и управляемом температурном режиме с изменяемыми параметрами газообразного теплоносителя, в том числе путем добавления в специальных агентов (например, воздуха) в зависимости от свойств сырья, что позволяет повысить качество и обеспечить заданные параметры конечного продукта.

После термохимической подготовки сырья теплоноситель частично возвращается обратно и смешивается с поступающим потоком теплоносителя, что обеспечивает температуру сушки 40-220°С в зависимости от вида сырья и его параметров. Необходимая в каждом случае температура в аппарате сушки поддерживается и регулируется за счет смешения теплоносителя с его рециркулирующей частью в соотношении 1:(4-20) и со специальным агентом. При этом нижний предел смешения (1:4) позволяет получить наибольшую температуру термической подготовки сырья, верхний предел смешения (1:20) позволяет обеспечить нижнюю границу температуры. Рециркуляция теплоносителя позволяет управлять температурным режимом, снизить расход теплоносителя и энергоемкость процесса в целом.

На чертеже показана схема осуществления способа непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья, где 1 - аппарат сушки, 2 - шлюзовой дозатор, 3 - реактор, 4 - бункер для охлаждения, 5 - газодувка аппарата сушки, 6 - генератор восстановительного газа, 7 - задвижки, 8 - газодувка реактора, 9 - подача специального агента.

Способ осуществляется следующим образом. Углеродсодержащее сырье непрерывно дозировано поступает в герметичный сушильный аппарат (1), где производится нагрев сырья газообразным теплоносителем (например, дымовыми газами) в переменном и управляемом температурном режиме с изменяемыми параметрами теплоносителя путем добавления в различном количестве специальных агентов (например, воздуха) в зависимости от свойств сырья и заданных параметров продукта. После термохимической подготовки теплоноситель с помощью газодувки аппарата сушки (5) частично возвращается обратно и смешивается с поступающим теплоносителем (например, дымовыми газами) в регулируемом соотношении. Подвергнутое тепловой обработке сырье через шлюзовой дозатор подается в вертикальный реактор (3), в котором продукт в процессе переработки самотеком перемещается вниз. В не менее чем через три зоны, расположенные на разных уровнях реактора, через патрубки и систему отверстий (не показаны) навстречу перерабатываемому продукту подается восстановительный газ. Восстановительный газ получают смешением продуктов сгорания из генератора восстановительных газов (6) и части газов термохимической переработки с температурой 200-350°С, поступающих через газодувку (8) из патрубка (не показано) в верхней части реактора (3). Смешение газов производится дозировано непосредственно перед подачей в каждую зону реактора. При этом часть газов термохимической переработки поступает в генератор (6) в качестве топлива, оставшаяся часть газов подается в печь для сжигания и часть газов подается в печь для сжигания и получения тепловой энергии. В нижнюю часть реактора через патрубок и систему отверстий (не показаны) подается насыщенный водяной пар, который служит для повышения качества и охлаждения продукта. Полученный продукт из нижней части реактора поступает для дальнейшего созревания в бункер (4), охлаждаемый снаружи охлаждающим агентом (например, воздухом) и далее через шлюзовой дозатор на выгрузку.

Пример 1. В сушильный аппарат поступает древесный уголь-сырец (буковый), предварительно измельченный до фракции 0,8-3 мм. Заданным параметром конечного продукта является заданное значение микро- и мезопористости по аналогии с известным способом (см. патент РФ № 2164217). Термохимическая обработка в сушильном аппарате производится при температуре 140°С и поддержанием содержания 10% кислорода в теплоносителе (дымовые газы) за счет регулируемого поступления воздуха. Теплоноситель после термической обработки частично возвращается и смешивается с теплоносителем, поступающим в сушильный аппарат в соотношении в среднем 6:1 для обеспечения необходимой температуры. После термической обработки и окисления сырье попадает в реактор, где производится его термохимическая переработка восстановительными газами. В верхней зоне реактора поддерживается температура 300-450°С за счет регулируемой подачи смешанных дымовых газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:3. В средней зоне реактора поддерживается температура 450-650°С за счет регулируемой подачи смешанных дымовых газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:1,5. В нижнюю зону реактора подаются смешанные дымовые газы и газы термохимической переработки в соотношениях 1:0,1, что обеспечивает температуру до 900°С. В нижнюю часть реактора подается насыщенный пар, согласно аналогу. Часть газов термохимической переработки подается в генератор восстановительных газов, где используется в качестве топлива в соотношении 0,05:1 по отношению к основному топливу.

Параметры пористой структуры полученного активированного угля соответствуют заданному соотношению микропор и мезопор 1:1,1. Для сравнения приводятся параметры пористой структуры активированного угля, полученного по известному способу (см. патент РФ № 2164217) - соотношение микропор и мезопор 1:(1,0-1,1).

Пример 2. В сушильный аппарат поступает древесина березы, предварительно измельченная до фракции 15-35 мм. Заданным параметром конечного продукта является повышение прочности на истирание в сравнение с известным способом (см. патент РФ N 2177977, прототип). Известно, что повышение прочности активного угля из древесины требует с одной стороны высокой температуры (снижение летучих компонентов и закаливание), с другой - равномерного и медленного повышения температуры. Заданный параметр достигается следующим образом. Термическая обработка в сушильном аппарате производится при средней температуре 160°С. Теплоноситель после термической обработки частично возвращается и смешивается с поступающим теплоносителем в соотношении в среднем 4:1 для обеспечения необходимой температуры. После термической обработки сырье попадает в реактор, где производится его термохимическая переработка восстановительными газами.

В верхней зоне реактора поддерживается градиент температуры 200-300°С за счет регулируемой подачи смешанных дымовых газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:10. В средней зоне реактора поддерживается градиент температуры 300-500°С за счет регулируемой подачи смешанных дымовых газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:2,5. В нижнюю зону реактора подаются смешанные дымовые газы и газы термохимической переработки в соотношениях 1:0,15, что обеспечивает температуру до 800°С. В нижнюю часть реактора подается насыщенный пар согласно аналогу. Часть газов термохимической переработки подается в генератор восстановительных газов, где используется в качестве топлива в соотношении 0,2:1 по отношению к основному топливу. Выход активированного угля - 27,5%, прочность на истирание 69%, а по способу-прототипу выход активированного угля - 25,2%, прочность на истирание 62% при аналогичных показателях пористой структуры.

Таким образом, приведенные данные доказывают, что вся совокупность признаков изобретения позволяет решать поставленную задачу расширения технологических возможностей процесса за счет использования различных видов углеродсодержащего сырья, получения активных углей различных заданных заранее параметров, повышения управляемости процессом и снижения его энергоемкости.

1. Способ непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья, включающий его предварительную термическую подготовку с использованием газообразного теплоносителя и последующую переработку при 200-900°С в реакторе в среде восстановительного газа с подачей насыщенного пара, дальнейшее охлаждение и выгрузку активированного угля, причем восстановительный газ получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0 и смешивают его с газами процесса термохимической обработки, отличающийся тем, что восстановительный газ смешивают с газами процесса термохимической обработки в соотношении 1:(0,1-10) и, с целью регулирования температурных режимов, подают не менее чем в три зоны реактора, причем смешивают перед подачей в каждую реакторную зону в пропорции, обеспечивающей заданные температурные режимы в различных зонах, а процесс ведут в соответствии с известными температурными режимами производства продукта с заданными параметрами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный теплоноситель после термической или термохимической подготовки сырья частично возвращают и смешивают с поступающим теплоносителем в соотношении (4-20):1.