Способ получения адсорбента Российский патент 2024 года по МПК B01J20/20 C01B32/312 

Предполагаемое изобретение относится к химической технологии твердого топлива, в частности, к производству адсорбентов из твердых углеродсодержащих материалов органического происхождения, таких как, например, уголь или древесная щепа.

Известен способ получения адсорбента (аналог) (RU 2014882 С1, B01J 20/20 (1990.01), С01В31/08 (1990.01), опубликовано 30.06.19994 года) путем карбонизации и активации твердого сырья в вертикальном аппарате шахтного типа при вводе сырья и паровоздушной смеси в верхнюю часть аппарата и водяного пара в нижнюю часть аппарата, причем отвод горючего газа осуществляют между зоной карбонизации и точкой ввода пара в нижнюю часть аппарата.

Недостатком данного способа является нестабильная работа и возможные отказы при низких температурах воздуха в весенний, осенний и зимний период, так как при вводе паровоздушной смеси в верхнюю часть вертикального аппарата и водяного пара в нижнюю его часть, пар при движении в объеме аппарата охлаждается до температуры твердого сырья и дутьевого воздуха, при этом возможна его конденсация. Образовавшаяся вода поступая сверху - вниз, в нижнюю часть аппарата, переувлажняет твердое сырье. Неконтролируемая конденсация может привести к значительным непроизводительным потерям пара, критическому уменьшению необходимого объема пара в зоне карбонизации и активации, что может привести к снижению качества адсорбента. Предварительный прогрев сырья и воздуха для предотвращения конденсации пара, сложен технически, а экономически нецелесообразен, так как затраты на производства и цена адсорбента значительно увеличиваются.

Известен способ слоевой газификации угля (прототип) (RU 2287011 (2006.01) С1, C10J 3/68, опубликовано 10.11.2006 года в Бил. №31) в аппарате шахтного типа, путем подачи воздушного дутья снизу и розжигом слоя угля сверху, отличающийся тем, что процесс осуществляется в две стадии, на первой из которых подается воздушное дутье в количестве 150-600 м3/(м2⋅ч), а на второй - к дутью добавляется водяной пар в количестве до 100 кг/(м2⋅ч), для непрерывной работы предусматривается одновременное использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса.

Недостатком данного способа является то, что процесс осуществляется в две стадии, при этом стадии разделены во времени и пространстве, первая стадия выполняется подачей дутья снизу и розжигом слоя угля сверху, фронт реагирования движется с постоянной скоростью смещается навстречу потоку воздуха. Уголь при прохождении через фронт реагирования последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу (карбонизации), температура во фронте реагирования достигает 1000-1200°С. После достижения фронтом реагирования стороны слоя, противоположной стороне розжига, выполняется вторая стадия и к дутью добавляется водяной пар (процесс активации) в количестве до 100 кг/(м2⋅ч), производится полная парокислородная газификация углерода, содержащегося в коксовом остатке и фронт газификации продвигается в сторону первичного розжига слоя. Недостаток способа в том, что во второй стадии, при подаче водяного пара температура слоя во фронте реагирования начинает снижаться, известно, что реакция взаимодействия пара с углеродом эндотермическая и осуществляется с поглощением теплоты (1), при этом на первой стадии горючие летучие и активный углерод уже прореагировали с кислородом воздуха и далее, на второй стадии при подачи воздуха совместно с паром, не обеспечивают разогрев слоя во фронте реагирования. Воздух, который подается в слой, также имеет температуру окружающей среды, что также способствует охлаждению. При продвижении фронта газификации в сторону первичного слоя розжига, с учетом названных факторов, температура слоя все время будет снижаться и в конечном итоге реакции взаимодействия пара с углеродом сместятся в область преимущественной генерации углекислого газа (1), что значительно снизит его теплотворную способность.

Задачей изобретения является, расширение технологических возможностей получения адсорбентов со стабильными параметрами сорбционной емкости из твердых углеродсодержащих материалов органического происхождения, таких как, например, уголь или древесная щепа с различной исходной влажностью сырья, предотвращение спекания, упрощение технологии и снижение затрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения адсорбента в аппарате шахтного типа путем подачи воздушного дутья снизу и розжигом слоя угля сверху выполняют в две стадии, на первой подается воздушное дутье в количестве 150-600 м3/(м2⋅ч), а на второй к дутью добавляется водяной пар в количестве до 100 кг/(м2⋅ч), для стабильной работы предусматривается одновременное использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса, согласно изобретения вторая стадия процесса осуществляется циклически, по команде, подачей перегретого пара с температурой 450°С-500°С и его распылением над слоем, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/ кг готового продукта, в зависимости от исходной влажности сырья, а команда на подачу перегретого пара выполняется при получении и обработки сигнала с одного из уровней, который достигает слой горения угля при движении сверху - вниз, с температурой слоя не менее 1000°С, по завершения процесса адсорбент охлаждают продуктами сгорания генераторного газа в котле, с температурой 20°С-25°С, получаемого от не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса.

Технический результат, расширение технологических возможностей получения адсорбентов со стабильными параметрами сорбционной емкости из твердых углеродсодержащих материалов органического происхождения, может быть получен путем подачи и распыления оптимальных расходов перегретого пара с температурой 450°С-500°С, зависящих от исходной влажностью каждой конкретной партии сырья, над слоем имеющим температуру не менее 1000°С, по команде, при получении и обработки сигнала с одного из уровней, послойно, что позволяет обработать весь объем сырья находящегося в аппарате на разных уровнях, при движении сверху - вниз слоя с температурой не менее 1000°С. Каждый слой в аппарате обрабатывается перегретым паром с температурой 450°С-500°С, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/кг готового продукта, при достижении слоем необходимой температуры, исключаются временные и пространственные задержки обработки слоя, при этом процесс осуществляется за один период движения фронта реагирования сверху - вниз, что значительно экономит время проведения процесса, при этом позволяет получать качественный адсорбент и генераторный газ с высокой теплотворной способностью. Обработка перегретым паром с температурой 450°С-500°С слоя с необходимым расходом, позволяет исключить спекание угля. Упрощение технологии и снижение затрат обеспечивает процесс фиксации и обработки сигнала, с температурой 1000°С, плюс, минус 10°С, с одного из уровней, что упрощает аппаратурное оформление процесса и выдачу исполнительных команд, при этом временные параметры прихода сигнала, его обработка и подача команды на распыление минимальны, позволяют провести обработку при оптимальных температурных и временных параметрах, исключив потери пара на непроизводительные расходы неконтролируемой конденсации. Охлаждение адсорбента продуктами горения генераторного газа охлажденными до 20-25°С снижает энергетические затраты на охлаждение, в связи с тем, что температура продуктов горения генераторного газа на выходе из котла не превышает 100-150°С, тогда как повсеместно используемые для охлаждения продукты горения на выходе из аппаратов шахтного типа имеют температуру 700-750°С. Непрерывное получение генераторного газа и его сжигание в котле предполагает одновременное использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса.

Способ осуществляется следующим образом.

В вертикальный аппарат шахтного типа на всю высоту загружают, например, дробленый уголь класса 5-50 мм, подают воздушное дутье с удельным расходом от 150 до 600 м3/(м2⋅ч) и поджигают, слой угля со стороны, противоположной подаче дутья. Образующийся фронт реагирования с постоянной скоростью смещается навстречу потоку воздуха, а за фронтом остается слой горячего коксового остатка. Уголь при прохождении через фронт реагирования последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу - карбонизации, При этом температура слоя во фронте реагирования достигает 1000-1200°С. Сигнал о достижении слоем во фронте реагирования температуры не менее 1000°С фиксируется, обрабатывается и поступает команда на подачу перегретого пара с температурой 450°С-500°С, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/ кг готового продукта, который распыляется над слоем и активируют данный слой карбонизата. Таким образом сигнал обрабатывается с каждого уровня послойно, что позволяет, активизировать весь объем угля находящийся в аппарате на разных уровнях, при движении сверху - вниз фронта реагирования содержащий слой с температурой не менее 1000°С.

Подачу перегретого пара с температурой 450°С-500°С, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/ кг готового продукта, корректируют в зависимости от исходной влажности сырья исходя из расчетных величин.

После завершения процесса адсорбент охлаждают продуктами сгорания генераторного газа в котле, с температурой 20°С-25°С, получаемого от не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса

Выбор температуры не менее 1000°С и параметров перегретого пара с температурой 450°С-500°С, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/ кг готового продукта, обусловлен физическими и химическими процессами преобразования угольного вещества, которые состоят из двух этапов термической обработки твердых углеродсодержащих материалов органического происхождения: карбонизации (пиролиз) и активации (газификация), в процессе которых формируется структура адсорбирующих пор. Расход пара при этом оказывает наибольшее влияние, так как основной объем пор образуется за счет окисления поверхности угля водяным паром, что способствует развитию адсорбирующих пор доступных молекулам критического диаметра более 0,4 нм. (2) Также активность полученного адсорбента по йоду напрямую зависит от температуры активации и удельного расхода пара, причем влияние обоих факторов примерно одинаково. (3, 4.)

Расход пара изменяется в зависимости от исходной влажности сырья, например, по ГОСТ Р 57021-16 «Угли Канско-Ачинского бассейна для энергетических целей», ТУ, массовая доля влаги в рабочем состоянии топлива ()_, для различных месторождений и марок угля сильно различаются, например: месторождение Боготольское, уголь марки Б (1Б), =44%, месторождение Саяно-Партизанское, уголь марки Г и Д, =10-12%. Как следует из ГОСТа угли разных месторождений, как исходное сырье, имеют влажность отличающуюся более чем в 3 раза. С целью исключить непроизводительные потери пара и оптимизировать его расход, для угля с месторождения Боготольское, уголь марки Б (1Б), W^r_t=44, расход пара составит не менее 1,5 кг/ кг готового продукта, а для углей месторождение Саяно-Партизанское, уголь марки Г и Д, W^r_t=10-12%, расход пара 4,5 кг/ кг готового продукта. Расход пара для активации рассчитан в соответствии с методикой, предложенной в (6).

Предлагаемый способ позволяет получать адсорбенты, удовлетворяющие требованиям (ГОСТ, ТУ) и величине этого показателя промышленно-выпускаемых активных углей с активность по йоду не менее 40%-45%.

Распыления в слой с температурой не менее 1000°С, пара с расходом не менее 1,5-4,5 кг/кг готового продукта и температурой 450°С-500°С, позволяет регулировать скорость подъема температуры, тем самым исключить спекаемость углей и одновременно с этим провести их активацию (5).

Использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса позволяют получать газ, непрерывно сжигать его в котле, а продуктами сгорания генераторного газа имеющих температуру 20°С-25°С охлаждать полученный адсорбент в аппарате шахтного типа.

Список использованных источников информации:

1. УДК 662.7. Назаров Н.С., Назаров И.Н. Вестник БИТУ, №4 2007. Расчет полноты реакции и превращения веществ при водоугольной газафикации. Вестник БНТУ, №4, 2007. Стр. 15-19.

2. Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. - Л.: Химия, 1984.

3. УДК 661.183.2 Ю.Л. Юрьев, Т.В. Штеба. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АКТИВАЦИИ УГЛЕРОДНОЙ НАНОПОРИСТОЙ МАТРИЦЫ ВОДЯНЫМ ПАРОМ. Вестник технологического университета. 2015. Т. 18, №4 Стр. 194-197

4. УДК 662.642: 662.6 (001) (571.53/55) DOI: 10.25018/0236-1493-2019-11-0-152-159 Е.В. Ворсина, Т.В. Москаленко, В.А. Михеев. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ СОРБЕНТОВ ПАРОГАЗОВОЙ АКТИВАЦИЕЙ ХАРАНОРСКОГО БУРОГО УГЛЯ. ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения РАН, Якутск, Россия, e-mail: labkiy@mail.ru

5. Благов И.С., Крачко А.А., Костомарова М.А. и др..//Углеродные адсорбенты и их применение в промышленности. - М.: Наука, 1983. - С. 59-66.

6. УДК 630*867.5 Дроздов Н.А., Юрьев Ю.Л., Активация березового и осинового угля

Изобретение относится к способу получения адсорбента в аппарате шахтного типа путем подачи воздушного дутья снизу и розжигом слоя угля сверху выполняют в две стадии, на первой подается воздушное дутье в количестве 150-600 м3/(м2⋅ч), а на второй - к дутью добавляется водяной пар в количестве до 100 кг/(м2⋅ч). Также предусматривает одновременное использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса. Способ характеризуется тем, что вторая стадия процесса осуществляется циклически, по команде, путем подачи перегретого пара с температурой 450°С-500°С и его распылением над слоем, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/кг готового продукта, в зависимости от исходной влажности сырья, а команда на подачу пара выполняется при получении и обработки сигнала с одного из уровней, который достигает слой горения угля при движении сверху-вниз, с температурой слоя не менее 1000°С. Технический результат изобретения, расширение технологических возможностей получения адсорбентов со стабильными параметрами сорбционной емкости из твердых углеродсодержащих материалов органического происхождения с различной исходной влажностью сырья, предотвращение спекания, упрощение технологии и снижение затрат. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения адсорбента в аппарате шахтного типа путем подачи воздушного дутья снизу и розжигом слоя угля сверху выполняют в две стадии, на первой подается воздушное дутье в количестве 150-600 м3/(м2⋅ч), а на второй - к дутью добавляется водяной пар в количестве до 100 кг/(м2⋅ч), также предусматривает одновременное использование не менее четырех аппаратов с равными сдвигами по фазе осуществления процесса, отличающийся тем, что вторая стадия процесса осуществляется циклически, по команде, путем подачи перегретого пара с температурой 450°С-500°С и его распылением над слоем, с расходом не менее 1,5-4,5 кг/кг готового продукта, в зависимости от исходной влажности сырья, а команда на подачу пара выполняется при получении и обработки сигнала с одного из уровней, который достигает слой горения угля при движении сверху-вниз, с температурой слоя не менее 1000°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что готовый продукт охлаждают продуктами сгорания генераторного газа с температурой 20-25°С.