Термический модуль для производства активированных углей

 

Изобретение относится к области термохимических процессов и установок для их реализации, включающих нагревательные печи, в частности горизонтальные вращающиеся печи барабанного типа, и может быть использовано для производства медицинских активированных углей из карбонизата, в том числе угля, например, древесного. Термический модуль содержит горизонтальную печь активации с возможностью ее вращения, снабженную футеровкой со сквозными каналами, сообщающимися с ее внутренним пространством и коллектором вывода газов активации, размещенным на одном конце печи активации и соединенным с ним через устройство герметизации. С коллектором объединены устройства загрузки карбонизата, подачи перегретого пара, дожигания газов активации и подготовки перегретого пара, а устройство выгрузки готового продукта размещено на ее другом, герметичном конце. В печи активации может активироваться карбонизат с фракциями от 4 до 20 мм. Термический модуль обеспечивает получение высококачественных сорбентов, осветительного угля (рН>8), а также активированного угля для использования в медицине. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к области термохимических процессов и установок для их реализации, включающих нагревательные печи, в частности горизонтальные вращающиеся печи барабанного типа, и может быть использовано для производства активированных углей из карбонизата, в том числе угля, например, древесного.

2. Уровень техники

Известен термический модуль, реализующий способ получения активированных углей путем парогазовой активации древесного угля с использованием перегретого пара и воздуха.

Термический модуль включает горизонтальный барабан печи активации с размещенными внутри него паро-воздухоподающими трубками, соединенными с паро-воздухораспределителем, и выгрузочную камеру, размещенные с одного конца печи активации, топку с горелкой, камеру разбавления и загрузочную течку, размещенные с другого конца печи активации, котлы низкого давления для получения пара, размещенные на камере разбавления и выгрузочной камере, причем котел, расположенный на выгрузочной камере, снабжен искро-дуговым дожигателем газов активации. На выходе из обоих котлов установлен пароперегреватель, из которого перегретый пар поступает через паро-воздухораспределитель и паро-воздухоподающие трубки внутрь печи активации. Одновременно через паро-воздухораспределитель и паро-воздухоподающие трубки подается воздух для дожигания остаточных газов пиролиза и газов активации. На выходе термического модуля установлен циклон для пылеулавливания продуктов отработки печи активации (патент РФ №2200923, МПК 7 F 27 B 7/00, опубл. 20.03.03. Бюл. №8).

В известном термическом модуле химический процесс происходит не только при доступе атмосферного воздуха, связанного с конструкцией термического модуля (поступление воздуха через негерметичные соединения барабана печи активации и узлов, расположенных на обоих ее концах), но и при специальной подаче воздуха в печь активации для улучшения процесса горения, что не позволяет получить высококачественный активированный уголь из древесного угля, в том числе получения сорбента для использования в медицине (с.8, абз.1 разд. 1.1 кн. “Активные угли России” В.М.Мухин, А.В.Тарасов, В.Н.Клушин, Москва “Металлургия”, 2000).

Указанный модуль имеет следующие характеристики: температура в печи активации 650°С, температура подаваемого в печь активации перегретого пара 260°С при его низком давлении.

Указанный модуль также имеет сложную разветвленную конструкцию, включающую дублирующие сложные устройства (два паровых и один перегревательный котел для приготовления перегретого пара), паро-воздухоподающие трубки, размещенные в агрессивной среде печи, большие габариты, в том числе из-за нерационально использующихся узлов (топка, камера разбавления, горелка), участвующих только в процессе запуска термического модуля, большое энергопотребление и малый ресурс работы.

Еще одним существенным недостатком известного термического модуля является то, что он сложен в обслуживании и требует контроля за каждым устройством, входящим в его состав.

3. Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение процесса изготовления высококачественного активированного сорбента, в частности активированного древесного угля из карбонизата, в том числе из древесного угля, без доступа воздуха, с низкой себестоимостью, путем создания компактного термического модуля с оптимальными термическими характеристиками, обладающего возможностью изменения технологических режимов для получения широкого спектра активированных углей по сорбности, с обеспечением высокой производительности при малом энергопотреблении, а также с обеспечением экологической чистоты производства.

Поставленная техническая задача решается тем, что термический модуль содержит горизонтальную печь активации с возможностью ее вращения, паровой котел, пароперегреватель, узлы подачи перегретого пара и загрузки исходного сырья, узел дожигания газов активации и устройство выгрузки готового продукта, где печь активации снабжена футеровкой со сквозными каналами, сообщающимися с ее внутренним пространством и размещенном на одном ее конце и соединенным с ним через устройство герметизации коллектором газов активации, с которым объединены узлы подачи перегретого пара, загрузки исходного сырья, дожигания газов активации и пароперегреватель, а устройство выгрузки размещено на ее другом, герметичном конце.

Устройство выгрузки выполнено в виде спирального трубопровода, охватывающего печь активации и жестко соединенного с ней, один конец которого размещен внутри нее.

Устройство дожигания выполнено в виде электрической спирали, размещенной на выходе коллектора газов активации.

Пароперегреватель выполнен в виде спирального паропровода, размещенного на выходе коллектора газов активации между узлом дожигания газов активации и паровым котлом.

Устройство герметизации выполнено в виде диска, охватывающего печь активации и связанного с коллектором и оболочкой печи активации через уплотнения, с возможностью его перемещения и упругого соединения с оболочкой печи активации.

Футеровка снабжена фасонными выступами на поверхности, обращенной внутрь печи активации.

Устройство выгрузки снабжено диаметрально противоположно размещенными разделительными клапанами с возможностью их последовательного срабатывания при одновременном открытом состоянии одного из них и закрытом - другого.

4. Краткое описание чертежей

На представленных графических материалах изображен один из возможных вариантов конструкции термического модуля для получения активированного угля из карбонизата, древесного угля.

На фиг.1 изображен общий вид термического модуля в разрезе, на фиг.2 - вид термического модуля со стороны разгрузочного устройства в разрезе.

На фиг.1 изображен термический модуль в разрезе. Он содержит горизонтальную, с небольшим наклоном, вращающуюся печь 1 активации с внутренней футеровкой 2, снабженной сквозными каналами 3 и фасонными выступами 4, неподвижный коллектор 5 газов активации с выходным каналом 6, газопровод 7, паровой котел 8, водовод 9, паропроводы 10, пароперегреватель 11, трубу 12 подачи перегретого пара, течку 13 подачи исходного сырья, дожигатель 14 газов активации, устройство герметизации в виде диска 15, уплотнителей 16, прижимов 17, упругих элементов 18 и упоров 19, выводную трубу 20 утилизированных газов активации, устройство выгрузки готового продукта в виде спирального трубопровода 21, заборника 22 и выходного патрубка 23, заглушку 24, клапаны 25 и 26.

На фиг.2 изображен вид термического модуля со стороны устройства 21 выгрузки готового продукта с заборником 22 и выходным патрубком 23, а также показаны каналы 3 футеровки 2, клапаны 25 и 26, фасонные выступы 4 футеровки 2.

5. Осуществление изобретения

Предлагаемый вариант конструкции термического модуля представляет собой пример его наилучшей реализации, в котором процесс получения активированного угля проходит без доступа воздуха при температуре активации до 1150°С, температуре подачи перегретого водяного пара до 600°С и использовании карбонизата с фракциями от 4 до 20 мм, но не исчерпывает всех возможных разновидностей его практического осуществления.

Термический модуль представляет собой совокупность необходимых и достаточных устройств, узлов и элементов для получения высококачественного активированного сорбента, в частности активированного древесного угля из карбонизата, в том числе из древесного угля без доступа воздуха.

Предметом настоящего изобретения является весь комплекс устройств, обеспечивающий законченность производства активированного угля без части, касающейся утилизации дожженных выходных газов активации, поскольку эта часть комплекса хорошо известна специалистам в данной отрасли техники и не представляет сложной технической задачи для реализации таких устройств, как устройство создания тяги для выведения газов активации, выполненное, например, в виде вентилятора и циклона (конечного устройства вывода утилизированных газов активации в атмосферу).

Особенности конструктивной реализации термического модуля состоят в том, что печь 1 активации представляет собой конструкцию, в которой один конец печи 1 активации герметичен и снабжен устройством 21 выгрузки готового продукта. На другом конце печи размещены течка 13 загрузки исходного сырья в печь 1 активации и труба 12 подачи перегретого пара, объединенные с коллектором 5 вывода газов активации, который в свою очередь размещен на верхнем конце печи 1 активации и герметично соединен с ней с помощью устройства герметизации, которое представляет собой диск 15, охватывающий печь 1 активации и плотно прижатый к коллектору 5 через прижимы 17 с помощью упругих элементов 18, закрепленных на обечайке печи 1 активации с помощью упоров 19 и расположенных на ее поверхности по периметру, и к наружной поверхности печи 1 активации через уплотнители 16, которые могут быть выполнены из известных материалов, обеспечивающих герметизацию подвижных соединений.

Внутри печь 1 активации имеет футеровку 2 с внутренними каналами, которые расположены по периметру вдоль обечайки печи 1 активации и с одной стороны сообщаются с нижней частью печи активации, а с другой стороны - с коллектором 5 газов активации.

Обращенная внутрь печи активации сторона футеровки имеет фасонные выступы 4, которые образуют параллельные спирали от верхней до нижней части печи активации.

На выходе коллектора 5 размещен канал 6, соединенный через газопровод 7 с паровым котлом 8. В канале 6 размещено устройство 14 дожигания газов активации, которое может быть выполнено, например, в виде электрической спирали. За ним по ходу газов активации размещен пароперегреватель, который представляет собой часть паропровода, выполненную в виде спирали 11, входная часть которой соединена с выходом парового котла 8 через один отрезок паропровода 10, а выходная часть - через другой отрезок паропровода 10 и введена через коллектор 5 непосредственно в верхнюю часть печи 1 активации через трубу 12, которая находится ниже загрузочной течки 13.

Внутренние поверхности печи 1 активации, коллектора 5, канала 6, газопровода 7, паропроводов 10 могут быть футерованы композитным керамическим материалом (например, высокоогнеупорным прессованным керамическим муллитовым материалом ПКМ-1 или ПКМ-2) для сохранения как температуры пара, так и температуры агрессивной среды газов активации, что обеспечивает снижение энергоемкости термического модуля. Футеровка паропроводов 10 на чертеже не показана.

Паропровод 10 и трубопровод разгрузки 21 могут быть выполнены из кислотоупорной нержавеющей стали.

Диск 15 может быть изготовлен из ковкого чугуна, а уплотнители 16 - из термостойкого композитного материала, традиционно использующегося в аналогичных условиях.

Термический модуль работает следующим образом.

Вначале печь 1 активации выводится на режим автономной работы.

Герметичный торец нижней части печи 1 активации снабжен люком, в который вставляется горелка (на чертеже не показана), работающая на сжиженном газе или другом топливе.

Печь 1 активации разогревается горелкой, одновременно в нее начинают подавать по течке 13 исходное сырье - гранулят карбонизата, например, древесного угля с содержанием нелетучего углерода не более 85% с диаметром от 4 до 10 мм и/или от 10 до 20 мм, которое частично сгорает и, после достижения в печи 1 активации температуры около 950°С, горелку убирают, а люк закрывают заглушкой 24, обеспечивая герметичность нижнего торца печи 1 активации.

Затем печь 1 активации приводится во вращение с помощью хорошо известных специалистам в этой области механизмов (на чертежах не показаны), и исходное сырье равномерно распределяется по внутренней поверхности 4 футеровки 2 печи 1 активации по всей ее длине, при этом гранулят карбонизата захватывается фасонными выступами 4 футеровки, поднимается до верхней точки и падает вниз и, взаимодействуя с перегретым водяным паром, активируется, при этом каждый раз перемещаясь ближе к нижнему концу печи 1 активации.

Процесс активирования в печи 1 активации происходит при равномерно распределенной по всему ее объему температуре до 1150°С без доступа воздуха.

Одновременно газы активации из пространства печи 1 активации поступают через каналы 2 футеровки 3, коллектор 5, выходной канал 6, в котором дожигаются электрической спиралью 14 накаливания, создающей высокую температуру до 1100°С и газопровод 7, разогревая паровой котел 8, пар из которого с температурой до 160°С поступает через спиральный трубопровод 11, перегреваясь в нем до 600°С, и трубу 12 в пространство печи 1 активации.

Таким образом, печь 1 активации начинает работать в автономном режиме при постоянном добавлении исходного сырья и перегретого водяного пара.

В печи 1 активации при равномерной температуре прогрева происходит реакция парогазовой активации древесного угля без присутствия воздуха по следующим химическим реакциям:

основная реакция при избытке водяного пара

С+2Н₂О=СO₂+2Н₂-Q

одновременные побочные реакции

СO₂+С=2СО-Q

2H₂+С=СН₄+Q

2H₂+2С=С₂H₄+Q

где Q - тепловая энергия ккал/кг·моль.

При этом происходит окисление карбонизата (древесного угля), выгорание графитовых слоев, объединение графитовых слоев в процессе прогрессирующей активации, сгорание малолетучих и летучих сложных молекулярных соединений углерода и прочие химические процессы с выделением большого количества тепла, которые в настоящее время мало изучены по причине невозможности их контроля.

Для повышения эффективности химических процессов, происходящих в печи активации, гранулированное сырье подается по течке 13, размещенной сверху трубы 12 подачи перегретого водяного пара, при этом улучшаются условия протекания активационных процессов.

Готовый продукт (активированный уголь) накапливается в нижней части у нижнего конца печи 1 активации и периодически выгружается с помощью устройства 21 выгрузки, которое внутренним патрубком 22 захватывает порцию готового продукта, который, перемещаясь по спиральному трубопроводу, охватывающему обечайку печи 1 активации, одновременно остывает и затем выводится через выходной патрубок 23.

Для исключения попадания воздуха через спиральный трубопровод 21 устройства выгрузки внутрь печи 1 активации он снабжен двумя клапанами 25 и 26, размещенными диаметрально противоположно, причем они последовательно открываются и закрываются, при этом один из клапанов открыт, тогда как другой закрыт.

Конструкция клапанов на чертеже не показана, так как они представляют собой общеизвестные узлы, и их устройство, установка в трубопровод и работа хорошо известны специалистам.

Запорная парогазовая арматура на чертежах также не показана, так как ее конструкция и места установки хорошо известны специалистам в данной области техники.

Благодаря приведенным конструктивным особенностям термического модуля в нем происходят экзотермические процессы активирования углей с использованием перегретого водяного пара с температурой до 600°С без доступа воздуха в пространство печи при температуре в печи активации до 1150°С с высокой интенсивностью остаточного пиролиза и активации карбонизата (древесного угля с фракциями от 4 до 20 мм).

Заявляемый термический модуль имеет возможность перенастройки в процессе работы, например регулирования скорости вращения печи 1 активации, подачи исходного сырья и перегретого пара, в зависимости от требований по качественным характеристикам выходного продукта (сорбента) от макро- до микропористого и получения активированного угля для использования в медицине.

Таким образом, заявляемый термический модуль представляет собой целостную компактную систему, обеспечивающую в автономном режиме, без дополнительных источников энергопотребления и без доступа воздуха, получение высококачественных сорбентов из карбонизата (древесного угля) с заданными характеристиками, в том числе медицинского назначения.

Также термический модуль имеет высокую производительность при минимальном обслуживании (в том числе минимальном количестве обслуживающего персонала) и экологически чистом производстве (выброс в окружающую атмосферу СО₂ не превышает Предельно Допустимых Концентраций при отсутствии пылевидных составляющих).

Перечень обозначений чертежей

1 Печь активации

2 Футеровка

3 Каналы

4 Фасонные выступы

5 Коллектор

6 Выходной канал коллектора

7 Газопровод

8 Паровой котел

9 Водовод

10 Паропроводы

11 Пароперегреватель

12 Труба подачи перегретого пара

13 Течка подачи исходного сырья

14 Дожигатель газов активации

15 Диск

16 Уплотнители

17 Прижим

18 Упругий элемент

19 Упор

20 Выводная труба утилизированных газов активации

21 Устройство выгрузки

22 Заборник

23 Выходной патрубок

24 Заглушка

25, 26 Клапаны

Формула изобретения

1. Термический модуль для производства активированных углей, содержащий горизонтальную печь активации с возможностью ее вращения, паровой котел, пароперегреватель, узлы подачи перегретого пара и загрузки исходного сырья, узел дожигания газов активации и устройство выгрузки готового продукта, отличающийся тем, что печь активации снабжена футеровкой со сквозными каналами, сообщающимися с ее внутренним пространством, и размещенным на одном конце печи активации, соединенным с ним через устройство герметизации коллектором газов активации, с которым объединены узлы подачи перегретого пара, загрузки исходного сырья, дожигания газов активации и пароперегреватель, а устройство выгрузки размещено на ее другом, герметичном, конце.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что устройство выгрузки выполнено в виде спирального трубопровода, охватывающего печь активации и жестко соединенного с ней, один конец которого размещен внутри нее.

3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что устройство дожигания выполнено в виде электрической спирали, размещенной на выходе коллектора газов активации.

4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что пароперегреватель выполнен в виде спирального паропровода, размещенного на выходе коллектора газов активации между устройством дожигания газов активации и паровым котлом.

5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что устройство герметизации выполнено в виде диска, охватывающего печь активации и связанного с коллектором и оболочкой печи активации через уплотнения, с возможностью его перемещения и упругого соединения с оболочкой печи активации.

6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что футеровка снабжена фасонными выступами на поверхности, обращенной внутрь печи активации.

7. Модуль по п.1, отличающийся тем, что устройство выгрузки снабжено диаметрально противоположно расположенными разделительными клапанами с возможностью их последовательного срабатывания при одновременном открытом состоянии одного из них и закрытом другого.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2