Патент на изобретение №2314996

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к экологии и может быть использовано для получения активированного угля из угля на тепловых электрических станциях с применением плазменных технологии. Твердое сырье подают в плазменный раствор, в поперечном сечении которого получают полный профиль температур 2000-2300°С. Далее поток газа и твердых частиц подают в камеру муфеля, где он подвергается воздействию активирующего газа, после чего поток газа и твердых частиц поступает в камеру разделения. Крупные частицы попадают в камеру активации, где проводится совмещенный процесс пиролиза и активирования угля при температуре 400-800°С в течение 20 минут, а мелкие частицы вместе с газом поступают на очистку. Изобретение обеспечивает получение активированного угля из различных углей на малогабаритной плазменной установке. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к экологии, теплоэнергетике и может быть использовано для получения активированного угля на тепловых электрических станциях с применением плазменной технологии.

Известны способ получения активированного угля во вращающихся печах и промышленная установка, в которых производят углеродные сорбенты в широком ассортименте и температурой верхнего предела активации до 1000°С. Промышленная установка состоит из барабана длиной до 18 метров и диаметром до 6 м (см. Хармут Кинле, Эрих Бадбер. Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984 г., с.50-51) [1].

Однако недостатком этого способа и промышленной установки является длительное время получения активированного угля до 28 часов, использование для нагрева жидкого или газообразного топлива.

Известны способ и установка для получения высококачественного активированного угля из кускового угля в шахтных печах. Установка состоит из камер, а их стены выложены из огнеупорного кирпича. Сверху подают активируемое сырье, снизу подают водяной пар. Использование направляющих устройств позволяет увеличить реакционную поверхность и улучшить перемешивание (см. Хармут Кинле, Эрих Бадбер. Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984 г., с. 51-52) [2].

Недостатком известных способа и установки является то, что работа связана с большими затратами топлива для нагрева, а также низким выходом конечного продукта.

Известны способ и установка для получения активированного угля в реакторах с кипящим слоем. Конструкция реактора с кипящим слоем представляет собой герметичную цилиндрическую или прямоугольную реакционную камеру, снабженную внизу перфорированной распределительной решеткой, через которую поступают реакционные газы (см. Хармут Кинле, Эрих Бадбер. Активные угли и их промышленное применение. Л.: Химия, 1984 г., с.52-53) [3].

Недостаток данного способа и установки заключается в том, что нагревание реактора кипящего слоя представляет значительные трудности. Также существует опасность пылевыделения в результате сильного истирания угля при перемешивании. Если газы для обогрева поступают через решетку, высокая температура газов, необходимая для процесса активирования, может привести к спеканию частиц золы, которые осаждаются над распределительной решеткой и забивают ее, нарушая равномерное поступление газового потока. Вследствие этого возможно возникновение неоднородности «кипения» слоя и усиление истирания угля и выноса пыли.

Известны способ и установка для получения активированного угля, у которых установка состоит из цилиндрической водоохлаждаемой камеры смешения с равномерно распределенными по окружности тремя стержневыми плазматронами постоянного тока. Камера смешения установлена на бункер со съемным бачком. Верхняя ее часть соединена с реакционным каналом, образованным пятью водоохлаждаемыми секциями. На выходе из реактора установлена расширительная камера с патрубком для выхода горячего газового потока. Обрабатываемый материал вводился в плазменный поток через водоохлаждаемый зонд. В камере смешения формируется плазменный поток азота путем перемешивания струй, истекающих из плазмотронов. Плазменный поток поступает в нижнюю часть канала и двигается вверх. Навстречу ему поступает исходное сырье. Гранулы угля нагреваются, при этом происходит испарение смолистых наполнителей. Двигаясь вниз, гранулы проходят через камеру смешения, попадают в бункер и собираются в съемном бачке (см. Е.А.Фарберова, В.В.Солнцев, В.Ф Олонцев и др. /Исследование процесса пиролиза экструдированных углесодержащих материалов как стадии получения активных углей. Сб. статей. Исследование плазменных процессов и аппаратов. Минск, 1991, с. 162-168) [4].

Недостатком данного способа и установки является наличие трех плазмотронов, которые приводят к увеличению энергозатрат и длительности времени воздействия плазмы на уголь.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемым способу и устройству являются способ для получения полукокса-сорбента и установка для его осуществления, которая состоит из плазменного реактора, представляющего собой коаксиальный плазматрон, внутри которого расположены графитовый стержень-катод и цилиндрический графитовый анод, а в средней части снаружи установлена электромагнитная катушка для формирования вращающейся электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора, за плазменным реактором установлены камера разделения, камера вывода газов и шлакосборник, кроме того, установка снабжена системой подачи угольной дробленки в реактор, системой охлаждения и утилизации газов.

Угольная дробленка вместе с несущим газом-воздухом поступает в зазор между электродами, где дуга постоянного тока вращается с помощью внешней электромагнитной катушки, и где нагревается угольная дробленка. Крупнозернистая фракция дробленки, проходя через плазменный участок реактора, в дальнейшем подвергается пиролизу в шлакосборнике, по окончании технологии получения проходит ситовый и химический анализ. (См. сборник трудов научной конференции ВСГТУ, МОиПОРФ, МТиЭРФ, ОЦПЭТ РАО «ЕЭС России», г.Улан-Удэ, 1997, с.160-164: Е.И.Карпенко, С.Л.Буянтуев, Д.Б.Цыдыпов «Плазменная технология получения полукокса-сорбента») [5].

Недостатком данного способа и установки являются получение полуфабриката, то есть полукокса-сорбента, из которого в дальнейшем при помещении его в необходимое оборудование можно получить активированный уголь. Происходит технологический разрыв.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании малогабаритной установки для получения активированного угля.

Технический результат предполагаемого изобретения – сокращение времени получения активированного угля, упрощение технологии, снижение энергозатрат.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в группе изобретений, а именно в способе получения активированного угля из угля тепловых электрических станции и котельных путем нагрева его в камере совмещенного плазменного реактора в потоке высококонцентрированной низкотемпературной плазмы с формированием вращающейся электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора, согласно изобретению для нагрева частиц угля за период времени 0,5-1 сек в поперечном сечении камеры реактора получают полный профиль температур от 2000 до 2300°С с помощью вращающей электрической дуги, с последующим проведением совмещенного процесса пиролиза и активирования угля в камере активации при температуре 400-800°С в течение 20 мин.

Для реализации предложенного способа в известной установке, содержащей совмещенный плазменный реактор с выполненными из графита цилиндрическим анодом и стержневым катодом, в средней части плазменного реактора снаружи установлена электромагнитная катушка для формирования вращающейся электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора, камеру разделения, узел подачи угля, согласно изобретению за плазменным реактором установлены последовательно камера муфеля, камера разделения, камера активации, которая совмещена с камерой пиролиза, при этом по центру камеры активации установлено перемешивающее устройство, снаружи нагревательный элемент, а нижняя часть камеры снабжена газовыми вводами, кроме того, камера муфеля выполнена по модульному секционному принципу для увеличения или уменьшения муфельной зоны и снабжена газовыми вводами, расположенными по центру камеры друг против друга, через один из которых вводится газ для активирования угля после прохождения плазменного реактора, а на другом установлены измерительные приборы.

Именно заявляемая совокупность конструктивных признаков обеспечивает согласно способу получения активированного угля из угля тепловых электрических станций и котельных использовать любые по химическому составу угли для переработки их в совмещенном плазменном реакторе, в котором достаточно получить более равномерный профиль температур 2000-2300°С в поперечном сечении камеры реактора и температуры 400-800°С в камере активации, совмещенной с камерой пиролиза.

Равномерный профиль температур от 2000 до 2300°С в поперечном сечение камеры реактора обеспечивает высокую степень термической переработки вводимых в камеру любых по химическому составу углей тепловых электрических станции и котельных за период времени 0,5-1 сек.

Оптимальные значения температуры 2000-2300°С экспериментально проверены и рассчитаны с использованием универсальной модифицированной программы расчета многокомпонентных гетерогенных систем «АСТРА-4» (см. Б.Трусов, Астра. 4/рс, МГТУ им. Н.Э.Баумана, март 1997 г.).

При увеличении температуры более 2300°С значительно возрастают удельные энергозатраты, а при уменьшении температуры менее 2000°С снижается процент открытия микропор у угля, чем при температуре 2000-2300°С, эта разница составляет 15-20%.

Именно при температуре 2000-2300°С за период времени 0,5-1 сек происходит максимальное открытие микропор у угля и оптимальные энергозатраты.

При температуре больше 800°С в камере активации для проведения совмещенного процесса пиролиза и активирования угля происходит закрытие микропор и уголь под длительным воздействием такой температуры обгорает и не может быть использован как активированный уголь, а при температуре ниже 400°С образуется не активированный уголь, а полуфабрикат из которого его получают, его называют полукокс-сорбент.

Отличительными конструктивными признаками установки для получения активированного угля являются:

– получение равномерного профиля температуры 2000-2300°С в поперечном сечении камеры совмещенного плазменного реактора с помощью формирования электрической дуги позволит сократить время пиролиза угля с часов до минут, и придать конечному продукту особые свойства, которые трудно получить в традиционных технологиях получения активированного угля;

– последовательная установка за плазменным реактором камеры муфеля, камеры разделения, камеры активации, совмещенной с камерой пиролиза, обеспечивает более гибкое управление процесса получения актированного угля из углей электрических станций и котельных;

– установка по центру камеры активации перемешивающего устройства позволит равномерно воздействовать температуре и активирующему газу на каждую частицу угля;

– установка снаружи камеры активации нагревательного элемента позволит равномерно нагреть весь объем камеры активации;

– установка в нижней части камеры активации газовых вводов обеспечивает воздействие активирующего газа для активирования угля, прошедшего через плазменный реактор;

– выполнение камеры муфеля с применением модульного секционного принципа для увеличения или уменьшения муфельной зоны позволит перерабатывать различные по химическому составу угли;

– установка по центру камеры муфеля друг против друга газовых вводов, через один из которых вводится газ, а на другом установлены измерительные приборы, позволит активировать уголь после плазменного реактора, а также дает контроль в процессе производства.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел.

В прототипе способа [5] предварительно приготавливают уголь до фракции 1-3 мм, которую подают непрерывным потоком в плазменный реактор. Для применения этого способа требуется установка дополнительного оборудования, печь с кипящим слоем или муфельная печь, чтобы довести полукокс-сорбент до активированного угля надо извлечь его из установки и поместить его в одну из печей.

В прототипе устройства для качественного влияния всей совокупности режимных параметров на производительность устройства применяют коаксиальный плазматрон с графитовыми электродами.

Сравнение заявляемых изобретений с известными из уровня техники техническими решениями по патентной и научно-технической документации позволило установить следующее.

Известный способ получения полукокса-сорбента по прототипу (5) и установка позволяют получать активированный уголь с применением коаксиальных плазмотронов, с предварительным приготовлением угольной фракции, с установкой дополнительного технологического оборудования для получения активированного угля. А известными способами получения активированного угля (аналоги: 1, 2, 3, 4) и установками активированный уголь получают из углей с применением: (1) – вращающейся печи, (2) – шахтной печи, (3) – печи с кипящим слоем, (4) – трех стержневых плазмотронов.

Таким образом, из уровня техники не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена установка для получения активированного угля.

Предлагаемый способ реализован в совмещенном плазменном реакторе 1, в который измельченный уголь тепловых электрических станций и котельных попадает с пылепитателя 2 через пылепровод 3. За плазменным реактором 1 установлены последовательно камера муфеля 4, камера разделения 5, камера активации 6, совмещенная с камерой пиролиза. Камера муфеля 4 выполнена по модульному секционному принципу, что обеспечивает увеличение или уменьшение муфельной зоны, и снабжена газовыми вводами 7, расположенными по центру камеры друг против друга, через один из которых подается газ для активирования угля после прохождения плазменного реактора 1, а на другом газоводе установлены измерительные приборы-термопары (не показаны). Камера разделения 5 предназначена для разделения газовой и твердой составляющей. Уголь тепловых электрических станций и котельных после прохождения плазменного реактора 1, камеры муфеля 4, камеры разделения 5 попадает в камеру активации 6 для одновременного осуществления операции пиролиза и активирования угля, для чего по центру камеры активации 6 установлено перемешивающие устройство 8 для лучшего контакта активирующего газа, снаружи камеры расположен нагревательный элемент 9 для поддержания температуры 400-800°С, а нижняя часть камеры активации 6 снабжена газовыми вводами 10 для активирующих газов. Скорость вращения перемешивающего устройства 8:300 об/мин.

В средней части совмещенного плазменного реактора 1 снаружи установлена кольцевая электромагнитная катушка 11 для формирования внутри реактора вращающейся электрической дуги, что позволяет получить полный профиль температур от 2000°С до 2300°С.

Камера разделения 5 соединена с камерой вывода газа 12, за которой для очистки газа от мелких частиц установлен скруббер 13.

Предлагаемый способ получения активированного угля осуществляют следующим образом.

Применение плазменной технологии с применением совмещенного плазменного реактора 1 для получения активированного угля позволяет использовать любые по химическому составу угли с тепловых электрических станций и котельных. Измельченный уголь с пылепитателя 2 подают в плазменный реактор 1 через отверстие в крышке реактора. Измельченный уголь поступает в зону реакционной камеры совмещенного плазменного реактора 1, где температура от 2000°С до 2300°С за период 0,5-1 сек обеспечивает высокую степень термической переработки в процессе химического нагрева угля с применением стержневого катода и цилиндрического графитового анода, и электромагнитной катушки 11, которая создает магнитное поле для вращения электрической дуги.

Оптимальные значения температуры 2000-2300°С экспериментально проверены и рассчитаны с использованием универсальной модифицированной программы расчета многокомпонентных гетерогенных систем АСТРА-4, базирующейся на принципе максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия. Удельные энергозатраты оценивают при оптимальной температуре 2000-2300°С, осуществляющих химические превращения, приводящие к установлению термодинамического равновесия в системе. Оптимальные значения температуры 400-800°С и время активации 20 минут для камеры активации были подобраны опытным путем для каждого угля и экспериментально проверены.

Уголь, прошедший обработку в плазменном реакторе 1, проходит через муфельную камеру 4, где его дополнительно подвергают воздействию активирующего газа, после чего поток газа и твердых частиц поступает в камеру разделения 5. Крупные частицы попадают в камеру активации 6, оседают на решете, под которое подают активирующий газ, где происходит совмещенный процесс пиролиза и активации угля, а более мелкие частицы вместе с газом поступают на дальнейшую очистку через камеру вывода газов 12 в скруббер 13, где твердые частицы смываются. В камере активации 6 происходит дальнейшее активирование конечного продукта.

Пример, подтверждающий конкретное получение активированного угля.

Предварительно приготовляют угольную фракцию, пропуская уголь через мехсито с размером ячеек 1-3 мм. Измельченный уголь подают сверху через отверстие в крышке в зону реакционной камеры совмещенного плазменного реактора 1, где температура соответствует 2000-2300°С. В совмещенном плазменном реакторе 1 уровень тепломассообмена в рабочей части камеры реактора существенно интенсифицируется за счет нагрева частиц угля низкотемпературной плазмой за период времени 0,5-1 сек. Пройдя через камеру муфеля 4, где его дополнительно активируют активирующим газом, уголь собирается в камере активации 6, где происходит совмещенный процесс активации и пиролиза угля при температуре 400-800°С в течение 20 минут.

Одним из показателей сорбционной активности активированного угля является анализ на сорбционную активность по метиленовому голубому.

При температуре в поперечном сечении камеры совмещенного плазменного реактора 2000°С и при нагреве частиц угля за период времени 0,5 сек, совмещенного процесса активации и пиролиза угля в камере активации при температуре 400°С в течение 20 минут – сорбционная активность по метиленовому голубому составляет 39,16 мг/г.

При температуре в поперечном сечении камеры совмещенного плазменного реактора 2150°С и при нагреве частиц угля за период времени 0,75 сек, совмещенного процесса активации и пиролиза угля в камере активации при температуре 600°С в течение 20 минут – сорбционная активность по метиленовому голубому составляет 62,5 мг/г.

При температуре в поперечном сечении камеры совмещенного плазменного реактора 2300°С и при нагреве частиц угля за период времени 1 сек, совмещенного процесса активации и пиролиза угля в камере активации при температуре 800°С в течение 20 минут – сорбционная активность по метиленовому голубому составляет 36,60 мг/г.

При подаче 1 кг угля с тепловых электрических станций или котельных получают 0,3 кг активированного угля. Установка предназначена для работы в диапазоне мощности 60-100 кВт, производительность установки 10-50 кг/ч.

По сравнению с прототипом [5] – способом получения полукокса-сорбента и установкой для его осуществления, предлагаемое изобретение «Способ получения активированного угля и установка для его осуществления» позволяет:

– сократить время нагрева угля при температуре 2000-2300°С в совмещенном плазменном реакторе до 1 сек,

– снижать вероятность выбросов недоокисленных компонентов за счет возможности получения равномерного профиля температур от 2000°С до 2300°С в поперечном сечении камеры совмещенного плазменного реактора,

– использовать разные по химическому составу угли с тепловых электрических станций и котельных для получения активированного угля,

– упростить и удешевить способ производства активированного угля за счет отказа от сжигания дефицитных энергоисточников (кокс, природный газ и т.д.).

Применение плазменной технологии получения активированного угля и установки для ее осуществления позволит переработать угли тепловых электрических станций и котельных для получения сорбентов непосредственно на ТЭС и для ТЭС, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «промышленная применимость».

Формула изобретения

1. Способ получения активированного угля из угля тепловых электрических станций и котельных путем нагрева его в камере совмещенного плазменного реактора в потоке высококонцентрированной низкотемпературной плазмы с формированием вращающей электрической дуги в поперечном сечении реактора, отличающийся тем, что для нагрева частиц угля за период времени 0,5-1 с, в поперечном сечении камеры реактора получают полный профиль температур от 2000 до 2300°С с помощью вращающейся электрической дуги, с последующим проведением совмещенного процесса пиролиза и активирования угля в камере активации при температуре 400-800°С в течение 20 мин.

2. Установка для получения активированного угля, содержащая совмещенный плазменный реактор с выполненным из графита цилиндрическим анодом и стержневым катодом, в средней части плазменного реактора снаружи установлена электромагнитная катушка для формирования вращающейся электрической дуги в поперечном сечении камеры реактора, узел подачи угля, камеру разделения, отличающаяся тем, что за плазменным реактором последовательно установлены камера муфеля, камера разделения, камера активации, которая совмещена с камерой пиролиза, при этом по центру камеры активации установлено перемешивающее устройство, снаружи нагревательный элемент, а нижняя часть камеры снабжена газовыми вводами, кроме того, камера муфеля выполнена по модульному секционному принципу для увеличения или уменьшения муфельной зоны и снабжена газовыми вводами, расположенными по центру камеры друг против друга, через один из которых вводится газ для активирования угля после прохождения плазменного реактора, а на другом установлены измерительные приборы.

РИСУНКИ