Способ активации карбонизированных материалов

 

Изобретение относится к производству активных углей из сырья различного химического состава. Способ включает термооботку при 700 950°С в присутствии газообразного активирующего агента в барабанной печи с зигзагообразными каналами для перемещения материала, с соотношением длины зига к диаметру канала 1,5 6,5, обогреваемыми кондуктивным методом при пульсирующем давлении в канале от 100 до 7000 Па с частотой 0,02 0,15 Гц. 4 ил. 1 табл.

Изобретение относится к производству активных углей из углеродсодержащего сырья разнообразного дисперсного и химического состава методом физической активации карбонизированных материалов. Активация проводится при t 750-1000^оС для удаления из пор материалов продуктов пиролиза, формирования микропористой структуры и повышения удельной поверхности угля. В качестве активирующих агентов используют Н₂О, СО₂, О₂, при этом наиболее эффективным является пар и смеси на его основе.

Известен способ парофазовой активации /1/ в интенсивном гидродинамическом режиме при t 900^оС смесью СО₂ 5% Н₂О 50% N₂ 45% он реализуется в печах кипящего слоя, где избыточное давление в слое примерно равно нулю. Способ позволяет получить высококачественный продукт. Недостатком его является высокая себестоимость активированного угля ввиду большого расхода пара. Для обеспечения значительной скорости процесса активации в слое карбонизированного материала необходимо создать достаточно высокую концентрацию активирующих паров. Вследствие малой доли материала в аппарате КС (менее 10% объема) удельный расход активирующей смеси слишком велик от 10 до 30 т пара на тонну продукта.

Известен способ физической парогазовой активации углесодержащего сырья водяным паром, иногда с добавлением СО₂, протекающий при t 800-950^оС по следующим основным реакциям: C+H₂O CO+H₂-Q (1) CO+H₂O CO₂+H₂O+Q (2) Он реализуется во вращающемся барабане, куда прямотоком подаются уголь, газ, пар. В барабане обычно поддерживается стабильное разряжение на уровне 50-0 Па. Преимущества этих аппаратов: непрерывность действия, большая производительность при равных габаритах по сравнению с шахтными печами и печами КС.

Недостатком способа также является высокая себестоимость угля, связанная со значительно большим по сравнению с теоретическим расходом пара. Коэффициент заполнения вращающихся печей обычно не превышает 15% как правило, составляет 8-12% так как при большем заполнении в центре слоя по радиальному сечению образуется "почка" застойная плохоперемешиваемая зона. Это недопустимо для процессов в системе газ-твердое, так как приводит к неравномерности качества продукта. Из-за низких коэффициентов заполнения аппарата и необходимости поддерживать высокую концентрацию пара, его расход составляет 10 т/т.

Известно устройство, позволяющее обеспечить высокую интенсивность тепломассообменных процессов в системах газ-твердое при коэффициентах заполнения до 4-50% это вращающиеся зигзагообразные элементы, разные по форме и расположению в аппарате. Наиболее близкое устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит вращающийся барабан с зигзагообразными каналами внутри, расположенными по длине барабана. При этом зиги расположены под углом к горизонтали, большим угла естественного откоса материала.

Использование этого устройства для данного способа позволит использовать кондуктивный метод подвода теплоносителя, т.е. избежать разбавления активирующего агента теплоносителем.

Целью изобретения является уменьшение себестоимости продукта за счет сокращения расхода пара.

Цель достигается тем, что процесс ведут при t 700-950^оС в присутствии газо- или парообразного активирующего реагента в барабанной печи, при этом для перемещения материала используют зигзагообразные каналы, обогреваемый кондуктивным методом, с отношением длины зига к его диаметру 1,5-6,5 при пульсирующем давлении в канале, меняющемся в интервале от 100 до 7000 Па с частотой h от 0,02 до 0,15 Гц.

При кратковременном повышении давления газа скорость активации возрастает (константа скорости реакции в этом интервале температур равна 0,64 х 10^-2 0,51 х x10^-1). Однако при достижении равновесия повышение давления не желательно, так как реакция идет с увеличением объема (принцип Ле-Шателье). Использование пульсирующего давления при коэффициенте заполнения канала до 50% позволяет резко снизить расход пара и иметь его не более чем с 30%-ным избытком над теоретическим.

Пульсирующее давление с определенной частотой образуется благодаря конструкции зигзагообразных каналов без использования дополнительных технологических приемов и устройств.

Особенностью зигзагообразных каналов является возможность при коэффициентах заполнения 30-50% образовывать гидрозатворы между зигами канала в определенном, а именно вертикальном, положении при его вращении (фиг.2). При изменении положения канала давление стравливается, минимальное давление в канале при его горизонтальном положении (фиг.3).

Для данного процесса наличие гидрозатвора в канале при коэффициентах заполнения 30-50% реализуется при отношении длины зига l к его диаметру d, равном 1,5-6,5.

Верхняя и нижняя границы отношения l/d обусловлены следующими соображениями. Возможность наличия гидрозатвора зависит кроме коэффициента заполнения от угла между зигами и от сыпучести материала. Соотношение l/d 1,5 соответствует минимальному углу между зигами α 60^о (меньше обычно не используется) и минимальному углу естественного откоса сырья β= +15^о (гранулы диаметром 5-7 мм). Соотношение l/d 6,5 соответствует углу между зигами α 90^о и максимальному из известных (для угля) углу естественного откоса β 33^о (порошок с размером частиц 1 мм). Все другие промежуточные варианты даже с одним из максимальных значений укладываются в указанный интервал. Так для α 60^о и β 33^осоотношение l/d, обеспечивающее кратковременный гидрозатвор, равно 3,5. Для α 90^о и β= 15^о l/d 2,6.

При вращении канала с кратковременным образованием гидрозатвора в нем самопроизвольно происходит пульсация давления в диапазоне от 100 до 7000 Па. Нижняя граница соответствует горизонтальному положению канала (фиг.3), когда давление в нем сбрасывается в линию отвода отходящих газов. Верхняя граница соответствует сопротивлению слоя материала, при котором нет проскока паро-газовой смеси между зигами канала.

Пределы частоты пульсаций определяются интенсивностью гидродинамического режима в слое при частоте менее 0,02 Гц (что соответствует частоте вращения барабан 0,6 об/мин), интенсивность перемешивания в слое материала недостаточная, появляется неравномерность в прогреве слоя материала и, как следствие неравномерность в качестве материала (контролируется величина обгара и объемом микропор). При частоте более 0,15 Гц (5 об/мин) меняется режим смешения: перекатный переходит в водопадный, циклический (терминология по В.И. Коротичу), что приводит к уменьшению поверхности контакта материала с теплопередающей стенкой, ухудшению теплообмена, кроме того, резко возрастает пылеунос.

Именно заявленные соотношения размеров канала обеспечивают наличие пульсирующего давления заданной величины и частоты, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым замыслом.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 разрез А-А на фиг.2; на фиг.3 то же, что на фиг.1, вариант; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3.

Основным рабочим органом устройства является зигзагообразный канал 1, вращающийся в барабане 2 и обогреваемый теплоносителем. В канал через форсуночное устройство 3 вводится парообразный активирующий агент. В устройстве может использоваться как один, так и блок зигзагообразных элементов.

Процесс осуществляют следующим образом.

Исходное сырье подается через течку барабана 2 внутрь зигзагообразного канала 1 и, интенсивно перемешиваясь, проходит вдоль барабана. При этом оно взаимодействует с активирующими газами, подаваемыми из устройства 3. На фиг. 3, 4 пары и газы стравливаются из канала. По мере изменения угла вращения свободное сечение в канале уменьшается, давление возрастает. Максимум давления наблюдается в положении на фиг.1, 2, когда сечение канала кратковременно перекрывается полностью. Затем с увеличением свободного сечения давление снова падает и т.д. Таким образом, за один оборот канала наблюдается 2 минимума и 2 максимума давления.

Прошедший активацию материал выгружается из барабана и анализируется. Условия и результаты экспериментов по активации угля приведены в таблице в сравнении с известными способами активации.

Качество полученных в соответствии с предлагаемым способом углей соответствует тактовому, полученному другими методами. Отклонение от заявляемых пределов приводит к ухудшению качества продукта (N 5,6) либо нарушениям технологического режима (N 6, 9, 10).

Использование предлагаемого способа и устройства позволяет резко снизить расход активирующего агента, он составляет не более чем 130% от теоретического, и таким образом уменьшить в значительной мере себестоимость активированного угля.

Формула изобретения

СПОСОБ АКТИВАЦИИ КАРБОНИЗИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий термообработку в присутствии газо- или парообразного активирующего реагента в барабанной печи, отличающийся тем, что процесс проводят при 700-950^oС в барабанной печи с зигзагообразными каналами для перемещения материала, с соотношением длины зига к диаметру канала в интервале от 1,5 до 6,5, обогреваемыми кондуктивным методом при пульсирующем давлении в канале, меняющемся в интервале от 100 до 7000 Па с частотой 0,02-0,15 Гц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6