УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО СОРБЕНТА Российский патент 2007 года по МПК C01B31/08 

Изобретение относится к области производства гранулированных сорбентов из органических отходов, в частности к установкам переработки твердого остатка утилизации резиносодержащих (на основе природного, бутадиенового, бутадиенстирольного, изопренового и других каучуков) и полимерных (таких как полиэтилен, полистирол, нейлон, капрон, лавсан и т.п.) отходов, и может быть использовано для получения гранулированных рекуперационных углеродных сорбентов, предназначенных для улавливания паров углеводородов, в первую очередь, бензина.

Производство углеродных сорбентов имеет исключительную значимость для устранения последствий техногенной и антропогенной деятельности людей. Углеродные сорбенты широко применяются в различных областях народного хозяйства, в частности для разделения газовых смесей и рекуперации паров летучих растворителей.

Основным традиционным сырьем для получения углеродных сорбентов являются природные углеродсодержащие материалы: ископаемые угли, торф, древесина, а также отходы их переработки - лигнин, сельскохозяйственные отходы и пр.

Свойства активных углей находятся в прямой зависимости от используемого сырья и развиваются в процессе его переработки в активные угли, основными стадиями которой являются карбонизация - термическая деструкция исходного материала с целью создания первичной пористой структуры и прочностных свойств продукта, и активация - высокотемпературное окисление парогазовым агентом (парогазовая или физическая активация) или обработка химическими реагентами (химическая активация) с целью развития заданной структуры пор во всем объеме активируемой частицы. Установки, на которых реализованы способы получения сорбентов путем карбонизации сырья с последующей его активацией, требуют больших энергозатрат.

В настоящее время разработка широкого ассортимента углеродных сорбентов, производимых на установках по современным технологиям с низкими энергозатратами, в том числе из новых нетрадиционных видов сырья, включая природные и синтетические углеродсодержащие материалы, является весьма актуальной.

Известна установка получения гранулированного активного угля из торфа (Патент РФ N 2171779, С 01 В 31/08, 2001 г.), включающая узел подготовки исходного сырья для его измельчения и доведения до мелкодисперсного состояния, узел смешения предварительно подготовленного сырья с активатором и связующим, гранулятор смеси, сушилку гранул, печь карбонизации и парогазовый активатор.

Недостатками этой установки является наличие энерго- и ресурсоемкого парогазового активатора, а также то, что в качестве сырья используют природный источник топлива - торф.

Известна установка получения гранулированного угля (Патент РФ N 2145938, С 01 В 31/08, 2000 г.), включающая узел подготовки исходного сырья для его измельчения, узел смешения его со связующим, гранулятор смеси, печь карбонизации, активатор, узел охлаждения и пропитки гранул после охлаждения раствором термореактивного синтетического углеродного материала и узел термообработки гранул в атмосфере инертного газа. Получаемый сорбент обладает достаточно высокой адсорбционной способностью по парам органических веществ с температурой кипения 60-100°С.

Недостатками этой установки также является наличие энерго- и ресурсоемкого активатора и узкая избирательность свойств получаемого сорбента.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенной является установка получения гранулированного активного угля из отходов утилизации шин (ОУШ) (Патент РФ N 2142357, В 29 В 17/00, 1999 г.), включающая узел подготовки сырья, содержащий дробилку для измельчения сырья, металлоотделитель и сепаратор-сито, узел смешения измельченного сырья со связующим, барабан-гранулятор смеси, барабан-карбонизатор, барабан-активатор, барабан-холодильник и соединительные трубопроводы.

Недостатками этой установки также являются наличие энерго- и ресурсоемкого активатора.

Задачей предложенного технического решения является получение энергосберегающей, надежной и экологически чистой установки переработки твердого углеродсодержащего остатка процесса утилизации резиносодержащих отходов (отходов утилизации шин - ОУШ) в гранулированный рекуперационный углеродный сорбент.

Технический результат от использования предложенной установки заключается в получении гранулированных рекуперационных углеродных сорбентов с высокой прочностью для улавливания паров растворителей с температурами кипения выше 100°С и ниже 60°С при одновременном снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что установка получения гранулированного углеродного сорбента из отходов утилизации шин или смеси отходов утилизации шин с полимерными отходами, включающая узел подготовки исходного сырья, содержащий измельчитель сырья, металлоотделитель и сепаратор, узел смешения измельченного сырья со связующим, узел грануляции смеси, карбонизатор с топкой и узел готовой продукции, снабжена узлом сушки гранулированного сырья, содержащим сушилку с калорифером и бункером-накопителем сухих гранул со шлюзовым питателем, в качестве карбонизатора с топкой используют вращающуюся муфельную печь типа «труба в трубе» с загрузочным устройством и камерой выгрузки, соединенной с калорифером сушилки, шлюзовый питатель бункера-накопителя сушилки соединен с загрузочным устройством карбонизатора, а узел подготовки исходного сырья снабжен водяным охладителем, установленным на выходе камеры выгрузки карбонизатора.

Схема предложенной установки изображена на чертеже.

Установка содержит узел подготовки исходного сырья, узел смешения его со связующим, узел грануляции смеси, узел сушки гранулированного сырья, узел приема готовой продукции и соединительные трубопроводы. Узел подготовки исходного сырья содержит аккумулирующий бункер исходного сырья 1 с качающимся питателем 2, металлоотделитель 3, ленточный конвейер 4, бункер-накопитель 5, шлюзовый питатель 6 и загрузочное устройство 7 карбонизатора 8 с камерой выгрузки 9 и топкой 10. Камера выгрузки 9 карбонизатора 8 соединена с барабанным водяным охладителем 11, установленным на ее выходе, бункером 12 с питателем 13, измельчителем (например, вибромельницей) 14 и сепаратором 15. Узел смешения подготовленного исходного сырья со связующим содержит двухвальный щеточный смеситель 16 и емкость со связующим 17. Узел грануляции содержит шнековый пресс-гранулятор 19 экструдерного типа с винтовым питателем 18. Узел сушки гранулированного сырья содержит ленточную сушилку 21 с ленточным питателем 20 и калорифером (на чертеже не показан), соединенным с карбонизатором 8, и бункер-накопитель сухих гранул 22 со шлюзовым питателем 23, соединенным с загрузочным устройством 7 карбонизатора 8. Ленточная сушилка 21 соединена с дымососом 28.

Узел приема готовой продукции содержит передвижной бункер-накопитель готового продукта 24 со шлюзовым питателем готового продукта 25, весовой дозатор 26 и мешкозашивочную машину 27.

Установка работает следующим образом.

Исходное сырье из аккумулирующего бункера 1 склада сырья качающимся питателем 2 подают на металлоотделитель 3 и далее ленточным конвейером 4 подают в бункер-накопитель 5, откуда шлюзовым питателем 6 направляют на термообработку в загрузочное устройство 7 карбонизатора 8. В качестве карбонизатора используют вращающуюся муфельную печь типа «труба в трубе». Исходное сырье после отделения металлических включений проходит термообработку в печи карбонизации 8, при этом парогазовые продукты из камеры выгрузки 9 печи карбонизации 8 поступают в топку 10, где утилизируются с получением топочных газов. Термообработанное сырье из камеры выгрузки 9 подают на охлаждение в барабанный водяной охладитель 11 и после охлаждения собирают в бункере 12, откуда питателем 13 направляют в измельчитель 14 (например, вибромельницу) и на сепаратор 15. На сепараторе отделяют фракцию <0,25 мм и направляют ее в двухвальный щеточный смеситель 16, туда же из емкости со связующим 17 подают водный раствор лигносульфоната. Компоненты тщательно перемешиваются с образованием однородной пасты, которую винтовым питателем 18 подают на гранулирование в шнековый пресс-гранулятор 19 экструдерного типа. Полученные гранулы ленточным питателем 20 подаются на сушку в ленточную сушилку 21, обогреваемую воздухом, нагретым в калорифере топочными газами, отведенными из карбонизатора 8, после сушки гранулы собираются в бункере-накопителе сухих гранул 22 и шлюзовым питателем 23 направляются в загрузочное устройство 7 карбонизатора 8 и далее обрабатываются по схеме термообработки исходного сырья. Карбонизованные гранулы из камеры выгрузки 9 карбонизатора 8 поступают на охлаждение в барабанный водяной охладитель 11 и после охлаждения собираются в передвижном бункере-накопителе готового продукта 24, который перемещают в отделение приема готовой продукции, где готовый продукт - гранулированный углеродный сорбент - через систему шлюзового питателя готового продукта 25 и весового дозатора 26 затаривают в мешки по 15-20 кг, которые зашивают на мешкозашивочной машине 27 и отправляют на склад готовой продукции.

Отделенную в сепараторе 15 фракцию состава >0,25 мм возвращают на домалывание в измельчитель 14.

Топочные газы из топки 10 направляют в межтрубное пространство печи карбонизации 8 и далее в калориферы ленточной сушилки 21 для нагрева воздуха, после чего дымососом 28 через дымовую трубу выбрасывают в атмосферу.

В качестве исходного сырья для производства гранулированного углеродного сорбента используют твердый остаток процесса утилизации резиносодержащих отходов (изношенных автомобильных шин и покрышек) - отходы утилизации шин (ОУШ) или смесь ОУШ с полимерными отходами (полиэтилен, полистирол, нейлон, капрон, лавсан и т.п.).

По содержанию серы и азота исходное сырье - ОУШ - отвечает основным требованиям, предъявляемым к сырью для производства сорбентов. Насыпная плотность ОУШ (исходный материал без фракционирования) составляет 0,38 г/см³, суммарный объем пор - 0,36 см³/г. Однако содержание минеральных компонентов выше нормы, что предопределяет ограничение области применения получаемых из ОУШ сорбентов.

Исходное сырье сортируют и после удаления металлических включений подвергают термообработке со скоростью подъема температуры ≤10 град/мин до конечной температуры 750-850°С.

Термообработку сырья ведут во вращающейся муфельной печи типа «труба в трубе», снабженной топкой, расположенной с торца печи в непосредственной к ней близости. В процессе термообработки исходное сырье практически полностью «отгазовывают». Выделяющиеся в процессе термообработки парогазовые продукты направляют на сжигание в топку, где их утилизируют с получением топочных газов, которые направляют в межтрубное пространство муфельной печи противотоком обрабатываемому сырью для его нагрева, с последующим отводом топочных газов на стадию сушки гранул, после чего охлажденные топочные газы дымососом через дымовую трубу выбрасывают в атмосферу.

В случае если тепла от сжигания выделяющихся в процессе термообработки парогазовых продуктов недостаточно для поддержания режима термообработки и сушки, в топку на сжигание подают определенное количество жидкого или газообразного топлива, которое используют также для пускового периода и вывода печи на режим.

Термообработка сырья перед измельчением способствует снижению гидрофобных свойств ОУШ, т.е. увеличивает смачиваемость исходного сырья, что позволяет использовать в качестве связующего перед гранулированием водорастворимые связующие класса лигносульфонатов.

Термообработанное сырье охлаждают и измельчают, предпочтительно до фракционного состава <0,25 мм, смешивают со связующим, в качестве которого используют водорастворимые связующие класса лигносульфонатов в количестве 15-20% по сухому веществу от массы подаваемого на смешивание со связующим сырья.

Исследования показали, что измельчение термообработанного сырья в вибромельнице в течение одной минуты позволяет получить содержание фракции пыли со степенью измельчения <0,25 мм около 68%. Эту фракцию направляют на смешивание со связующим, а оставшиеся фракции возвращают на измельчение. Увеличение времени измельчения не увеличивало дисперсность получаемой пыли, при этом наблюдалось увеличение содержания более крупных фракций за счет того, что происходит агрегация переизмельченных частиц в более крупные конгломераты.

Полученные гранулированные сорбенты охлаждают и направляют потребителю.

Пример.

Переработке подвергают твердый углеродсодержащий отход утилизации шин (ОУШ) с характеристиками:

насыпная плотность - ≥40 г/см³;

механическая прочность - ≤15%;

суммарная пористость - 0,36 см³/г;

зольность - ≤13%;

содержание летучих - ≤25%;

содержание углерода - 94±2%;

содержание серы - 2±0,5%;

содержание азота 0,5±0,3%

ОУШ сортируют с целью извлечения посторонних включений, в первую очередь металлических, приводящих к поломке измельчающего оборудования. Затем для исключения отрицательной роли гидрофобности перерабатываемого сырья его подвергают термообработке во вращающейся муфельной печи типа «труба в трубе» при скорости подъема температуры 8 град/мин до конечной температуры 800°С (время обработки около 100 минут). При этом нагрев сырья в муфельной печи производят за счет сжигания парогазовых продуктов, образующихся в процессе температурной обработки. Теплотворная способность парогазовых продуктов, подаваемых на дожигание в топку, которой снабжена муфельная печь, составляет более 12800 ккал/кг. Образующиеся в результате сжигания топочные газы подают в межтрубное пространство муфельной печи с температурой 900°С, а отводят из него в сушилку с температурой 500°С. Как показали эксперименты, интенсивное газообразование начинается после 500°С и протекает практически с постоянной скоростью вплоть до 800°С.

Полученный материал охладили до температуры 20°С, измельчили до фракционного состава <0,25 мм и подвергли гранулированию с 50%-ным водным раствором лигносульфоната при расходе связующего - 15% сухого лигносульфоната на массу гранулируемых ОУШ. Полученные гранулы высушили в течение 3,5 часов при температуре 90°С и подвергли карбонизации до конечной температуры 700°С со скоростью подъема температуры 7 град/мин.

Тепловой баланс процесса получения сорбента на предложенной установке показал, что тепло от утилизации образующихся в процессе температурной обработки и карбонизации ОУШ парогазовых продуктов в несколько раз перекрывает тепловые затраты на проведение процесса переработки сырья в гранулированные углеродсодержащие сорбенты.

Характеристики полученного гранулированного сорбента следующие:

- насыпная плотность, г/см³ - 0,55;

- прочность, % - 80,2;

- суммарный объем пор, см³/г - 0,58;

- объем макропор, см³/г - 0,22;

- предельный объем сорбционного пространства по парам бензина, см³/г - 0,36;

- зольность ≤16%;

- содержание летучих - ≤1%;

- содержание углерода - ≥95%;

- содержание серы - ≤3%;

- содержание азота - ≤1%

Полученные сорбенты относятся к категории рекуперационных сорбентов (активных углей) и имеют довольно узкую, но актуальную область применения - рекуперация паров органических растворителей. Полученные сорбенты наиболее близки по показателям качества к промышленным рекуперационным активным углям АР (ГОСТ 8703-74), которые получают из каменноугольной пыли и смолы методом парогазовой активации. В зависимости от назначения АР выпускают трех марок:

АР-А - для улавливания паров растворителей с температурой кипения выше 100°С (толуол, ксилол, амилацетат и др.);

АР-Б - для улавливания паров растворителей с температурой кипения 60-100°С (бензол, дихлорэтан, бензин, этанол и др.);

АР-В - для улавливания паров растворителей с температурой кипения ниже 60°С (метанол, метиленхлорид, ацетон и др.).

Для сравнения с полученным сорбентом качественные показатели его промышленного аналога - рекуперационного угля АР-Б - следующие:

- насыпная плотность, г/см³ - 0,55;

- прочность, % - 65;

- суммарный объем пор, см³/г- 0,52-0,58;

- объем макропор, см³/г - 0,24-0,27;

- предельный объем сорбционного пространства по парам бензина, см³/г - 0,28-0,31.

Сравнение полученных гранулированных сорбентов с промышленными рекуперационными углями показывает, что сорбенты, полученные на предложенной установке, имеют более высокую прочность и обладают широким спектром действия в улавливании паров растворителей с температурами кипения выше 100°С и ниже 60°С (проверено по метанолу, бензолу, гептану), а следовательно, они могут заменить все три марки промышленного гранулированного рекуперационного активного угля АР.

Постоянно растущее количество отходов резиносодержащих и полимерных изделий, в частности изношенных автомобильных шин и покрышек, создает проблему их утилизации и переработки. Сжигание или захоронение этих отходов требует значительных энергетических затрат, приводит к загрязнению окружающей среды, а также к потере органического и металлического вторсырья. В результате глубокой комплексной переработки этих отходов путем термического разложения, в частности, получают твердый остаток - углеродсодержащий продукт, который может быть использован в качестве сырья для производства гранулированного углеродного сорбента.

Предложенное техническое решение позволяет получить углеродный сорбент при невысоких энергозатратах.

Кроме того, выделяющиеся в процессе термообработки парогазовые продукты содержат несколько компонентов, из которых только один - диоксид углерода - является негорючим, остальные - водород и различные углеводороды прекрасно утилизируются путем сжигания с выделением большого количества тепла. Теплотворная способность парогазовых продуктов составляет более 12800 ккал/кг, благодаря чему процесс переработки, например ОУШ, может быть энергетически самостоятельным и полностью окупаемым - тепла от сжигания парогазовых продуктов, образующихся в печи карбонизации, достаточно для обеспечения тепловых затрат на получение сорбентов.

Таким образом, за счет дожигания образующихся в процессе парогазовых продуктов с образованием топочных газов, которые рециркулируют в процесс для нагрева, происходит сокращение тепло- и энергозатрат установки.

Использование предложенной установки позволяет получить углеродные сорбенты нового поколения с невысокой стоимостью.

Изобретение относится к области сорбционной техники, в частности к установкам получения гранулированных рекуперационных углеродных сорбентов. Установка получения гранулированного углеродного сорбента включает узел подготовки исходного сырья, содержащий металлоотделитель, карбонизатор с топкой, водяной охладитель, установленный на выходе камеры выгрузки карбонизатора, измельчитель сырья и сепаратор, узел смешения измельченного сырья со связующим, узел грануляции смеси, узел сушки гранулированного сырья, соединенный с карбонизатором, в качестве которого используют вращающуюся муфельную печь типа «труба в трубе» и узел готовой продукции. Установка позволяет получить гранулированные рекуперационные углеродные сорбенты с высокой прочностью и широким спектром действия в улавливании паров растворителей с температурами кипения выше 100°С и ниже 60°С при одновременном сокращении тепло- и энергозатрат. 1 ил.

Установка получения гранулированного углеродного сорбента из отходов утилизации шин или смеси отходов утилизации шин с полимерными отходами, включающая узел подготовки исходного сырья, содержащий измельчитель сырья, металлоотделитель и сепаратор, узел смешения измельченного сырья со связующим, узел грануляции смеси, карбонизатор с топкой и узел готовой продукции, отличающаяся тем, что она снабжена узлом сушки гранулированного сырья, содержащим сушилку с калорифером и бункером-накопителем сухих гранул со шлюзовым питателем, в качестве карбонизатора используют вращающуюся муфельную печь типа «труба в трубе» с загрузочным устройством и камерой выгрузки, соединенной с калорифером сушилки, шлюзовый питатель бункера-накопителя сушилки соединен с загрузочным устройством карбонизатора, а узел подготовки исходного сырья снабжен водяным охладителем, установленным на выходе камеры выгрузки карбонизатора.