Способ активации углеродных материалов

 

Использование: в производстве активных углей, применяемых для очистки воды. Сущность изобретения: способ активации углеродных материалов включает подачу и сжигание в камере горения топлива с воздухом, охлаждение продуктов горения до 750-1000^oC водой, которую подают радиальными струями в суженный до линейной скорости 100-300 м/с поток продуктов горения топлива, подачу парогазовой смеси под слой углеродного материала и его термоокислительное активирование, вывод активированного углеродного материала и отходящих газов, причем 5-20% отходящих газов подают в камеру горения в качестве низкокалорийного топлива, а концентрацию кислорода в парогазовой смеси поддерживают в пределах 0,1-4,0 об.%. Данный способ позволяет повысить эффективность процесса, существенно уменьшить степень обгара материала при высоком качестве получаемого продукта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в производстве активных углеродных материалов, применяемых в качестве сорбентов для очистки и обезвреживания жидкостей и газов.

Известен способ активации углеродных материалов, включающий пропускание нисходящего слоя углеродного материала в шахтной печи и подачу в слой восходящего потока смеси продуктов горения топлива с водяным паром [1] Недостатком данного способа являются большие потери углеродного материала при активации из-за его окисления свободным кислородом, содержащимся в парогазовой смеси.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является способ получения активных углей путем обработки углеродсодержащих материалов при 750-1000^oC парогазовой смесью, получаемой сжиганием топлива с воздухом и впрыском воды в продукты горения [2] Недостатками данного способа являются высокие энергетические затраты на процесс и сложность регулирования процесса активации. Кроме того, при уменьшении концентрации кислорода в парогазовой смеси менее 4 (путем приближения соотношения топлива и воздуха к стехиометрическому) температура в генераторе парогазовой смеси превышает 1600^oC, что приводит к разрушению его футеровки.

Предлагаемый способ активации углеродных материалов включает подачу и сжигание в камере горения топлива с воздухом, охлаждение продуктов горения до 750-1000^oC путем подачи воды, подачу парогазовой смеси под слой углеродного материала и его термоокислительное активирование и вывод активированного углеродного материала и отходящих газов и отличается тем, что часть отходящих газов в количестве 5-20 подают в камеру горения и концентрацию кислорода в парогазовой смеси поддерживают в пределах 0,1-4,0 об.

Другое отличие заключается в том, что воду подают радиальными струями в суженный до линейной скорости 100-300 м/с поток продуктов горения.

Совокупность этих признаков позволяет повысить эффективность процесса, существенно уменьшить степень обгара материала при высоком качестве получаемого продукта.

Отходящий газ процесса активации содержит до 40 об. водорода, который образуется при взаимодействии углеродного материала с водяным паром, и представляет собой низкокалорийное топливо. При подаче части отходящего газа в камеру горения генератора используется его физическое и химическое тепло, в результате чего уменьшается потребление в процессе высококалорийного углеводородного топлива и повышается в целом эффективность процесса. В результате замены части углеводородного топлива низкокалорийным отходящим газом концентрацию кислорода в парогазовой смеси поддерживают в пределах 0,1-4,0 об. при температуре в генераторе не более 1600^oC, что обеспечивает стойкость огнеупорной футеровки генератора.

При подаче отходящего газа в генератор в количестве меньше 5 процесс является недостаточно эффективным. При подаче в генератор более 20 отходящего газа понижается температура парогазовой смеси и замедляется процесс активации.

При концентрации кислорода в парогазовой смеси менее 0,1 об. также замедляется процесс активации. При концентрации кислорода более 4 об. увеличивается обгар углеродного материала и ухудшается его качество (высокое содержание макропор).

Подача воды радиальными струями в суженный до линейной скорости 100-300 м/с поток продуктов горения интенсифицирует испарение воды и обеспечивает однородность потока парогазовой смеси по температуре и концентрации кислорода и водяного пара. При скорости потока более 300 м/с увеличивается гидравлическое сопротивление генератора и возрастают энергетические затраты на процесс. При скорости потока менее 100 м/с замедляются процессы испарения воды и смешения водяного пара с продуктами горения и увеличивается степень обгара углеродного материала.

На чертеже показана установка для активации углеродного материала. Установка включает вертикальный реактор 1 для активации углеродных материалов, соединенный в нижней части с генератором 2 парогазовой смеси, бункер 3 для загрузки углеродного материала и вентилятор 4 для подачи части отходящего газа после реактора 1 в генератор 2. Реактор 1 снабжен решеткой 5, установленной в нижней его части, патрубком 6 для загрузки и патрубком 7 для выгрузки углеродного материала, и патрубком 8 для вывода отходящих газов. Генератор 2 парогазовой смеси включает соосно и последовательно установленные горелочное устройство 9, камеру горения 10, сужающую втулку 11 с радиально установленной водяной форсункой 12 и смесительную камеру 13. Горелочное устройство 9 включает горелку 14 для подачи углеводородного топлива, коаксиально с зазором относительно горелки 14 установленную трубу 15 с патрубком 16 для подачи отходящего газа и патрубок 17 для подачи воздуха на горение. Бункер 3 и выгрузочные патрубки 7 реактора 1 снабжены шлюзовыми питателями 18.

Установка работает следующим образом.

Углеродный материал из бункера 3 шлюзовым питателем 18 через патрубок 6 подают на решетку 5 реактора 1. В камеру горения 10 через горелку 14 подают углеводородное топливо и через патрубок 17 воздух на горение. Поток продуктов горения сужают в сужающей втулке 11 до линейной скорости 100-300 м/с, подают в него воду под давлением через форсунку 12 и далее смесь поступает в смесительную камеру 13, в которой происходит испарение воды и смешение водяных паров с продуктами горения. Полученная парогазовая смесь с температурой 750-1000^oC поступает в реактор 1, проходит через распределительную решетку 5 и создает псевдоожиженный слой углеродного материала. В результате взаимодействия с кислородом и водяным паром при высокой температуре происходит термоокислительное активирование углеродного материала, а образующиеся отходящие газы, содержащие до 40 водорода выводятся из реактора через патрубок 8. Часть отходящих газов от 5 до 20 об. вентилятором 4 подают в горелочное устройство 9 генератора 2 парогазовой смеси в качестве низкокалорийного топлива. Одновременно уменьшают подачу в горелку 14 углеводородного топлива. При этом концентрация кислорода в парогазовой смеси варьируется от 0,1 до 4,0 Активированный углеродный материал выводится из реактора 1 через патрубки 7 со шлюзовыми питателями 18.

Пример 1. В камеру горения подают воздух на горение и топливо (пропан-бутановую смесь) и сжигают при 1600^oC. Поток продуктов горения сужают в сужающей втулке до линейной скорости 220 м/с и подают в него воду под давлением в количестве 65 кг/ч. Поток парогазовой смеси с температурой 1000^oC подают в реактор под слой углеродного материала (гранулированный технический углерод) и проводят его термоокислительное активирование. Часть отходящих из реактора газов подают в камеру горения. В опытах варьировали расход отходящих газов, подаваемых в камеру горения от 15 до 60 м³/ч, что составляло от 5 до 20 от общего количества отходящих газов. В опытах поддерживали постоянными температуру в камере горения и парогазовой смеси, а также расход парогазовой смеси и, соответственно, отходящих газов путем изменения расходов воздуха и углеводородного топлива в камеру горения. При этом концентрация кислорода в парогазовой смеси варьировалась в пределах от 0,1 до 4,0 об. Результаты опытов приведены в табл.1 и 2. При подаче части отходящих газов в камеру горения уменьшается по сравнению с известным способом расход углеводородного топлива в камеру горения и снижается концентрация свободного кислорода в парогазовой смеси. В результате значительно уменьшается степень обгара углеродного материала при сохранении на постоянном уровне его адсорбционных характеристик.

Подача в камеру горения менее 5 отходящего газа нецелесообразна, так как становится высокой степень обгара и эффективность процесса снижается. При увеличении подачи отходящего газа более 20 при постоянном расходе парогазовой смеси начинает снижаться ее температура, что приводит к увеличению времени активации углеродного материала и росту затрат на процесс.

Пример 2. Опыты проведены при условиях, аналогичных условиям опыта в примере 1. В опытах варьировали скорость потока продуктов горения в сужающей втулке от 100 до 300 м/с путем изменения ее диаметра от 70 до 40 мм. С повышением скорости наблюдается снижение степени обгара углеродного материала, однако, при скорости более 300 м/с резко возрастает гидравлическое сопротивление генераторов и, соответственно, растут энергетические затраты на процесс.

Как видно из табл. 1, в предлагаемом способе активации углеродного материала значительно ниже, чем в известном, степень обгара углеродного материала, а также затраты углеводородного топлива и воздуха на горение.

Формула изобретения

1. Способ активации углеродных материалов, включающий подачу и сжигание в камере горения топлива с воздухом, охлаждение продуктов горения до 750 - 1000^oС путем подачи воды, подачу парогазовой смеси под слой углеродного материала и его термоокислительное активирование и вывод активированного углеродного материала и отходящих газов, отличающийся тем, что часть отходящих газов в количестве 5 20% подают в камеру горения и концентрацию кислорода в парогазовой смеси поддерживают в пределах 0,1 4,0 об.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду подают радиальными струями в суженный до линейной скорости 100 300 м/с поток продуктов горения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2