Применение сахара-песка в качестве связующего при производстве активированного угля Российский патент 2023 года по МПК C01B32/312 C01B32/318 C01B32/336 C01B32/384 C10B53/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области производства формованных активированных углей из углеродсодержащего сырья. Отличительной особенностью данного изобретения является то, что при производстве активированного угля применяют в качестве связующего сахар-песок, который является безвредным и безопасным в процессе переработки.

Кроме того, изобретение относится к способу получения гранулированного активированного угля, включающего дробление лузги гречневой с добавлением в качестве связующего сахара-песка в количестве 6-10% от массы лузги, экструдирование, пеллетирование, сушку пеллет, пиролиз и парогазовую активацию, отличающийся тем, что лузгу измельчают вместе с сахаром-песком, увлажняют, экструдируют, пеллетируют, полученные пеллеты сушат, подвергают пиролизу при 550-750°С, а активацию проводят при 800-900°С в течение 30-100 мин.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В промышленности широко применяются в качестве связующих в основном смеси нефтяных, каменноугольных и лесотехнических смол, расплавленные или растворенные полиэтиленовые и полипропиленовые отходы, являющиеся токсичными продуктами. Менее токсичные связующие: каменноугольный пек, гудрон, битум, сульфатно-спиртовая барда, сульфолигнин также оказывают негативное влияние на экологию и рост содержания серы и золы в активированном угле. Известны способы использования в качестве связующих безопасных, но менее эффективных связующих: декстрин, меласса, мука пшеничная, отруби.

Пористые углеродные сорбенты (активные угли) широко применяются в различных областях народного хозяйства для очистки и разделения газовых смесей, рекуперации паров летучих растворителей, для очистки питьевой, технологической, коммунальных и производственных сточных вод, как основа для катализаторов различных процессов.

Углеродные сорбенты могут быть получены из разнообразного углеродсодержащего сырья - древесины, каменного и бурого угля, антрацита, торфа, а также отходов их переработки, сельскохозяйственных и лесотехнических отходов и т.д.

Патент RU2033387, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛИРОВАННОГО АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ, 20.04.1995, раскрывает способ получения активированного гранулированного угля, включающий смешение печной сажи со связующим, грануляцию смеси, сушку гранул и их парогазовую активацию, отличающийся тем, что в качестве связующего используют лигносульфонат, смешение ведут при массовом соотношении печной сажи и лигносульфоната в пересчете на сухое вещество 1:0,6-1,8, а активацию осуществляют при 680-780°С в течение 60-180 мин.

Основным недостатком заявленного способа является чрезмерно высокое содержание связующего 60-180%, это приводит к снижению йодного числа до 48% и увеличению зольности до 15-30%, такой уголь не мог быть востребован даже в 1995 году на момент регистрации изобретения. Кроме этого сажа это дорогой продукт и Россия его импортирует по высокой цене до настоящего времени.

Из патента RU 2331580 С1 известен способ получения активированных углей (АУ). Дробленые отходы вначале нагревают и подвергают карбонизации при 700-800°С, затем их измельчают и гранулируют с использованием в качестве связующего нефтяного пека и сульфитно-спиртовой барды, полученные гранулы сушат, подвергают пиролизу при 600-800°С в инертной среде и проводят активацию при 650-800°С в течение 30-120 минут.

Основным недостатком заявленного способа является удлинение и усложнение процесса за счет дополнительного процесса карбонизации, сначала карбонизируют исходное сырьё, далее повторно сушат и карбонизируют уже гранулы из кокса и связующего. В заявленном процессе дважды сушится сырьё и гранулы, дважды охлаждаются: кокс и активированный уголь.

Оборудования и энергопотребление в данной установке на 40% больше, чем в любом другом способе. При сушке и активации гранул в атмосферу производятся вредные выбросы, от заявленных связующих.

Известна научная работа: Iwona Skoczko and Remigiusz Guminski «Research on the Development of Technologies for the Production of Granulated Activated Carbons Using Various Binders», Department of Technology in Environmental Engineering, Faculty of Civil and Environmental Science, Bialystok University of Technology, Published: 17 November 2020, Materials | Free Full-Text | Research on the Development of Technologies for the Production of Granulated Activated Carbons Using Various Binders (mdpi.com) / Ивона Скочко и Ремигиуш Гуминси, «Исследования по разработке технологий производства гранулированных активированнх углей с использованием различных связующих», Кафедра технологии инженерной защиты окружающей среды, Факультет гражданских и экологических наук, Белостокский технологический университет, Белосток, Польша; опубликовано 17 ноября 2020.

В заявленной научной работе были проведены эксперименты с получением формованных активированных углей, из порошка каменного угля, с использованием пяти видов связующих, наилучшие параметры были у активированного угля полученного с использованием в качестве связующего мелассы.

Основными недостатками заявленного способа и связующих это высокая зольность активированного угля 17%, что требует промывки кислотой с последующей сушкой , кроме этого пиролиз, активация и кислотная обработка в заявленных экспериментах проходила от 65 до 117 часов, активация пеллет с использованием в качестве связующего мелассы проводилась тремя этапами, с частичным охлаждением между этапами. Воспроизведение заявленных условий при производстве активированного угля в промышленных условиях совершенно технически, технологически, экономически нецелесообразно.

В таблице 8 указанной статьи, в графе СБМ - показатели качества активированного угля, полученного заявленным способом с использованием в качестве связующего мелассы.

Наиболее близким к предложенному является способ получения активированного угля, раскрытый в патенте RU 2785170. Согласно описанию данного патента активированный уголь получают из отходов зерноперерабатывающей и лесной промышленности, который включает следующие стадии: экструдирование отходов до порошка дисперсностью 1-3 мм, гранулирование отходов для получения пеллет, сушку при температуре 120-180°С, перемещение пеллет горизонтальным шнеком в нижнюю часть печи карбонизации для нагрева до температуры 300-850°С без доступа кислорода, далее смесь газа и кокса подают в циклон, где разделяют ее на кокс и пиролизный газ, кокс горизонтальным шнеком направляют в нижнюю часть печи термогазовой активации, где его нагревают до 700-900°С за счет непосредственного контакта внутренних стенок печи активации и вертикальных пластин внутри ее корпуса, с получением активированного угля, который охлаждают до 30-40°С и направляют на фасовку.

Недостатками данного способа являются предельно высокая нагрузка на экструзионное и пеллетировочное оборудование, что приводит к быстрому износу рабочих органов оборудования, в следствии чего прочность прессования пеллет снижается, а это приводит к резкому снижению качества активированного угля, снижению выхода и высокой зольности активированного угля. Работа комплекса и качество активированного угля нестабильна, частые простои из-за ремонта и обслуживания экструзионного и пеллетировочного оборудования, большое количество бракованной и несортовой продукции.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения высококачественных активированных углей в виде гранул, стабильно высокого качества из отходов зернопереработки, деревопереработки, торфа и обеспечение высоких выходов активированного угля с низким показателем зольности, с высокой прочностью и насыпной плотностью.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение активированного угля из всех видов сырья с заданными характеристиками с высоким выходом, высокой прочностью и низкой зольностью на любом подходящем для этих целей промышленном оборудовании, а также упрощение процесса подготовки пеллет к их дальнейшей переработке.

Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что в составе пеллет предназначенных для производства активированного угля, применено и добавлено связующее сахар-песок, в результате удалось получить активированный уголь с высокими показателями, которые приведены в таблице 1.

Использование заявленного связующего позволило кратно снизить нагрузки на экструзионное и пеллетировочное оборудование, позволило исключить аварийные остановки и обеспечить стабильную работу с заданным качеством пеллет, снизить зольность и повысить выход полученного активированного угля.

Источником сахара-песка, применяемого в настоящем способе может быть любой известный из уровня техники источник, например, сахарная свекла или сахарный тростник.

Сахаром-песком можно смело заменить все традиционные ядовитые связующие для получения качественных активированных углей из каменного угля используя стандартную технологию.

Кроме того, важнейшим преимуществом сахара-песка в качестве связующего в отличие от других известных и применяемых связующих является то, что его можно использовать в любом способе, на любом оборудовании с любой основой: каменноугольной, опилками, лузгой, торфом, дробленым кедровым орехом или кокосом.

Далее приводятся примеры осуществления изобретения, которые не являются ограничивающими.

Примеры осуществления изобретения

В качестве примера рассмотрим получение гранулированного активного угля из лузги гречихи, тремя способами , с использованием в качестве связующего сахара песка - АУ+С , без связующего АУ и с использованием мелассы АУ+М , на трёх одинаковых режимах, первый используем в качестве связующего сахар-песок который включает: дробление лузги с добавлением сахара-песка в количестве 7% к массе лузги , увлажнение дроблёной смеси до 14-16%, экструдирование, пелетирование диаметр пеллет 5 мм , сушку пеллет при температуре 140°С до влажности 3-5%, пиролиз проводят 40 мин. при температуре 620°С , скорость подъёма температуры не более 50°С/мин, парогазовую активацию проводят при температуре 850°С в течении 50-70 и 90 минут, расход пара на 1 кг угля 2-4кг пара, в зависимости от времени активации ,полученные пеллеты имеют различную активность по йоду, прочность и зольность ,далее пеллеты охлаждаются , и используются для проведения исследований. Аналогично проведены эксперименты с использованием лузги без связующего и с использованием мелассы, мелассу добавили в количестве 13% (так как в ней содержание сахара всего 60%) для тщательного перемешивания с лузгой гречихи, меласса была разбавлена, в соотношении 1:1 водой и добавлена к измельченной лузге, далее эксперимент проводился согласно с описанием выше.

Для подтверждения заявленных выводов были проведены эксперименты на опытной установке, состоящей из реторты, закрытой герметично крышкой, в которую вварена трубка диаметром 5 мм для отвода пиролизных газов, дно в реторте двойное, в верхней части которого проделаны отверстия, для выхода пара, в пространство между двух днищ вварена трубка подвода перегретого пара, эта трубка от места сварки до самого верха реторты по спирали, опоясывает реторту и выходит вверх вместе с ручкой реторты, реторта погружается в круглую, утепленную трубу, снизу которой установлена газовая горелка, внутри реторты установлена термопара, обеспечивающая контроль температуры процесса .и частично подтверждены на опытно-промышленной установке и заполнены в таблице 1.

При осуществлении способа согласно изобретению в котором на первой стадии применялся сахар-песок в качестве связующего выход активированного угля увеличился на 8% прочность увеличилась на 26%, зольность при этом снизилась в среднем на 4,4% а йодное число увеличилось на 15% по сравнению со способом без связующего. Из этого следует, что использование сахара-песка в качестве связующего позволило получить формованный активированный уголь высокого качества и с увеличением выходов готовой продукции. Основные показатели качества активированного угля в котором в качестве связующего применялась меласса значительно уступают, активированному углю полученному без связующего: зола на 5% выше и достигает 16% а прочность снизилась на 5% и составляет 56% - учитывая эти два показателя такой активированный уголь становится совершенно не востребованным. (см. Таблицу 1).

Анализ таблицы : при сравнении активированных углей со связующим АУ+С и без связующего АУ, сравниваем показатели при одинаковом времени активации : зола у активированных углей без связующего выше от 5 до 3 %, прочность у углей без связующего практически на 20% ниже чем у угля со связующим, выход активированного угля без связующего на 7% ниже чем со связующим. Из этого можно сделать заключение, что использование в качестве связующего сахара-песка позволяет стабильно получать высококачественный активированный уголь из сельскохозяйственных отходов, кокса и каменного угля. Использование мелассы в качестве связующего нецелесообразно ввиду увеличения зольности и снижения прочности активированного угля.

В качестве подтверждения уникальных связующих свойств сахара песка проведены эксперименты с коксом из древесных и лузговых пеллет, а также с угольной пылью.

Параметры полученного активированного угля полученного из кокса с добавлением в качестве связующего сахара песка вполне приемлемы и практически соответствуют параметрам указанным в таблице для лузги гречихи с добавлением сахара песка АУ+С. На указанном способе исследования остановлены ввиду значительного удлинения технологической цепочки, увеличения единиц оборудования, по сравнению с добавлением сахара песка перед производством пеллет. Для подтверждения возможностей сахара песка были проведены эксперименты с образцом каменного угля. Добавление 20% сахара песка в качестве связующего с угольной пылью позволило получить товарный активированный уголь со стабильными характеристиками: прочность 77%, суммарный объём пор по воде 0.82 см3/гр.

Использование сахара-песка в качестве связующего позволяет сделать производство активированного угля экологически безопасным (отсутствуют вредные выбросы), кроме того, становится возможным получать активированный уголь из всех видов сырья с заданными характеристиками с высоким выходом и низкой зольностью на любом подходящем для этих целей промышленном оборудовании, кратно упрощает процесс подготовки пеллет к их дальнейшей переработке.

Таким образом, применение сахара-песка позволило получить активированные угли с большей прочностью по сравнению с углями, получаемыми с использованием известных ранее связующих на основе сахара, при сохранении основных параметров и без увеличения его зольности.

Краткое описание графических материалов

На фигуре 1 представлена принципиальная схема получения гранулированных сорбентов из отходов лузги по предлагаемому способу.

Группа изобретений относится к области производства формованных активированных углей из углеродсодержащего сырья, в частности к применению сахара-песка в качестве связующего при производстве формованного активированного угля, а также способу его получения. Способ включает дробление сырья, выбранного из группы: лузги гречневой, кокса, каменного угля, кедрового ореха, торфа с добавлением в качестве связующего сахара-песка в количестве 6-10% от массы сырья, экструдирование, пеллетирование, сушку пеллет, пиролиз и парогазовую активацию. Причем сырье измельчают вместе с сахаром-песком, увлажняют, экструдируют, паллетируют, полученные пеллеты сушат, подвергают пиролизу при 550-750°С, а активацию проводят при 800-900°С в течение 30-100 мин. Техническим результатом заявленной группы изобретений является получение активированного угля из всех видов сырья с заданными характеристиками с высоким выходом, высокой прочностью и низкой зольностью на любом подходящем для этих целей промышленном оборудовании, а также упрощение процесса подготовки пеллет к их дальнейшей переработке. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 9 пр.

1. Применение сахара-песка в количестве 6-10% от массы сырья в качестве связующего при производстве формованного активированного угля.

2. Способ получения формованного активированного угля, включающий дробление сырья, выбранного из группы: лузги гречневой, кокса, каменного угля, кедрового ореха, торфа с добавлением в качестве связующего сахара-песка в количестве 6-10% от массы сырья, экструдирование, пеллетирование, сушку пеллет, пиролиз и парогазовую активацию, отличающийся тем, что сырье измельчают вместе с сахаром-песком, увлажняют, экструдируют, паллетируют, полученные пеллеты сушат, подвергают пиролизу при 550-750°С, а активацию проводят при 800-900°С в течение 30-100 мин.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что измельчение лузги осуществляют совместно с сахаром-песком до размера частиц менее 300 мкм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что измельченная смесь увлажняется до влажности 14-16%, перемешивается, экструдируется и после этого пеллетируется.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что пиролиз осуществляют в течение 20-80 мин.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что высушенные пеллеты нагревают до температуры пиролиза со скоростью нагрева не более 50°С/мин.