RU2088523C1

RU2088523C1 - Method of activating carbon materials

Info

Publication number: RU2088523C1
Application number: RU95110499A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Суровикин; А.В. Рогов; Г.В. Сажин; Ю.В. Суровикин; М.С. Цеханович; А.М. Спектор
Original assignee: Конструкторско-технологический институт технического углерода СО РАН
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-08-27
Also published as: RU95110499A

Abstract

FIELD: activated carbon production. SUBSTANCE: method includes feeding fuel and air into combustion chamber, cooling combustion products to 750-1000 C with water which is fed through radial jets into narrowed (to linear velocity 100-300 m/s) stream of combustion products, feeding gas- vapor mixture under carbon material bed initiating its heat oxidative activation, and withdrawing activated carbon material and effluent gases, in which process, 5-20% of effluent gases is fed into combustion chamber as low-thermal-value fuel, and concentration of oxygen in gas-vapor mixture is maintained in the range 0.1-4.0 vol.%. EFFECT: enhanced efficiency of process and essentially reduced combustion loss. 2 cl, 1 dwg, 2 tbl

Description

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. The invention relates to chemical technology and can be used in the production of active carbon materials used as sorbents for the purification and neutralization of liquids and gases.

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.A known method of activating carbon materials, including passing a downward layer of carbon material in a shaft furnace and feeding into the upstream layer a mixture of fuel combustion products with water vapor [1]
The disadvantage of this method is the large loss of carbon material upon activation due to its oxidation by free oxygen contained in the vapor-gas mixture.

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.The closest in technical essence and the achieved effect to the invention is a method for producing activated carbons by treating carbon-containing materials at 750-1000 ^o C gas-vapor mixture obtained by burning fuel with air and injecting water into the combustion products [2]
The disadvantages of this method are the high energy costs of the process and the complexity of regulating the activation process. In addition, when the oxygen concentration in the vapor-gas mixture decreases to less than 4 (by approximating the ratio of fuel and air to stoichiometric), the temperature in the generator of the vapor-gas mixture exceeds 1600 ^o C, which leads to the destruction of its lining.

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.The proposed method for activating carbon materials includes feeding and burning fuel with air in the combustion chamber, cooling the combustion products to 750-1000 ^o C by supplying water, supplying a gas-vapor mixture under a layer of carbon material and its thermo-oxidative activation and removing activated carbon material and exhaust gases, and differs the fact that part of the exhaust gases in an amount of 5-20 is fed into the combustion chamber and the oxygen concentration in the vapor-gas mixture is maintained in the range of 0.1-4.0 vol.

Другое отличие заключается в том, что воду подают радиальными струями в суженный до линейной скорости 100-300 м/с поток продуктов горения. Another difference is that water is fed by radial jets into a stream of combustion products narrowed to a linear velocity of 100-300 m / s.

Совокупность этих признаков позволяет повысить эффективность процесса, существенно уменьшить степень обгара материала при высоком качестве получаемого продукта. The combination of these features can improve the efficiency of the process, significantly reduce the degree of burning of the material with high quality of the resulting product.

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.The waste gas of the activation process contains up to 40 vol. hydrogen, which is formed by the interaction of a carbon material with water vapor, and is a low-calorie fuel. When part of the exhaust gas is supplied to the combustion chamber of the generator, its physical and chemical heat is used, as a result of which the consumption of high-calorie hydrocarbon fuel is reduced and the overall efficiency of the process is increased. As a result of replacing part of the hydrocarbon fuel with low-calorific waste gas, the oxygen concentration in the vapor-gas mixture is maintained in the range of 0.1-4.0 vol. at a temperature in the generator of not more than 1600 ^o C, which ensures the resistance of the refractory lining of the generator.

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. When the supply of exhaust gas to the generator in an amount of less than 5, the process is not efficient enough. When more than 20 exhaust gas is supplied to the generator, the temperature of the gas-vapor mixture decreases and the activation process slows down.

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). When the oxygen concentration in the vapor-gas mixture is less than 0.1 vol. the activation process also slows down. With an oxygen concentration of more than 4 vol. the burning of the carbon material increases and its quality deteriorates (high macropore content).

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. The supply of water by radial jets into a stream of combustion products narrowed to a linear velocity of 100-300 m / s intensifies the evaporation of water and ensures uniformity of the vapor-gas mixture flow in temperature and concentration of oxygen and water vapor. At a flow velocity of more than 300 m / s, the hydraulic resistance of the generator increases and the energy costs of the process increase. At a flow velocity of less than 100 m / s, the processes of water evaporation and mixing of water vapor with combustion products slow down and the degree of burning of carbon material increases.

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. The drawing shows the installation for the activation of carbon material. The installation includes a vertical reactor 1 for activating carbon materials, connected at the bottom with a gas-vapor mixture generator 2, a hopper 3 for loading carbon material and a fan 4 for supplying a portion of the exhaust gas after reactor 1 to the generator 2. The reactor 1 is equipped with a grate 5 installed in the lower parts thereof, pipe 6 for loading and pipe 7 for unloading carbon material, and pipe 8 for the discharge of exhaust gases. The gas-vapor mixture generator 2 includes a coaxially and sequentially installed burner device 9, a combustion chamber 10, a constricting sleeve 11 with a radially mounted water nozzle 12 and a mixing chamber 13. The burner device 9 includes a burner 14 for supplying hydrocarbon fuel, an installed pipe coaxially with a gap relative to the burner 14 15 with a pipe 16 for supplying exhaust gas and a pipe 17 for supplying combustion air. The hopper 3 and the discharge pipes 7 of the reactor 1 are equipped with airlock feeders 18.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

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.The carbon material from the hopper 3 by the gateway feeder 18 is fed through the pipe 6 to the grate 5 of the reactor 1. Hydrocarbon fuel is fed into the combustion chamber 10 through the burner 14 and combustion air is supplied through the pipe 17. The flow of combustion products is narrowed in the constriction sleeve 11 to a linear speed of 100-300 m / s, pressurized water is supplied into it through the nozzle 12, and then the mixture enters the mixing chamber 13, in which water is evaporated and water vapor is mixed with the combustion products. The resulting vapor-gas mixture with a temperature of 750-1000 ^o C enters the reactor 1, passes through the distribution grid 5 and creates a fluidized bed of carbon material. As a result of interaction with oxygen and water vapor at high temperature, the thermally oxidative activation of the carbon material occurs, and the resulting exhaust gases containing up to 40 hydrogen are removed from the reactor through pipe 8. A portion of the exhaust gases from 5 to 20 vol. fan 4 serves in the burner device 9 of the generator 2 of the gas mixture as a low-calorie fuel. At the same time, the supply of hydrocarbon fuel to the burner 14 is reduced. In this case, the oxygen concentration in the vapor-gas mixture varies from 0.1 to 4.0. The activated carbon material is removed from the reactor 1 through nozzles 7 with gateway feeders 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.Example 1. Air is supplied to the combustion chamber for combustion and fuel (propane-butane mixture) and burned at 1600 ^° C. The flow of combustion products is narrowed in a constriction sleeve to a linear velocity of 220 m / s and 65 kg of water are supplied to it under pressure. / h A steam-gas mixture stream with a temperature of 1000 ^o C is fed into the reactor under a layer of carbon material (granular carbon black) and thermooxidative activation is carried out. Part of the exhaust gases from the reactor is fed into the combustion chamber. In the experiments, the flow rate of exhaust gases supplied to the combustion chamber was varied from 15 to 60 m ³ / h, which amounted to 5 to 20 of the total amount of exhaust gas. In the experiments, the temperature in the combustion chamber and the gas-vapor mixture was kept constant, as well as the flow rate of the gas-vapor mixture and, accordingly, exhaust gases by changing the air and hydrocarbon fuel consumption into the combustion chamber. In this case, the oxygen concentration in the gas mixture varied from 0.1 to 4.0 vol. The results of the experiments are shown in tables 1 and 2. When a portion of the exhaust gases is supplied to the combustion chamber, the consumption of hydrocarbon fuel in the combustion chamber decreases compared to the known method and the concentration of free oxygen in the vapor-gas mixture decreases. As a result, the degree of burning of the carbon material is significantly reduced while maintaining its adsorption characteristics at a constant level.

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. The supply of less than 5 exhaust gas to the combustion chamber is impractical, since the degree of burning becomes high and the efficiency of the process decreases. With an increase in the supply of exhaust gas more than 20 at a constant flow rate of a gas-vapor mixture, its temperature begins to decrease, which leads to an increase in the activation time of the carbon material and an increase in the cost of the process.

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. Example 2. The experiments were carried out under conditions similar to the conditions of the experiment in example 1. In the experiments, the flow rate of the combustion products in the narrowing sleeve was varied from 100 to 300 m / s by changing its diameter from 70 to 40 mm. With increasing speed, a decrease in the degree of burning of the carbon material is observed, however, at a speed of more than 300 m / s, the hydraulic resistance of the generators sharply increases and, accordingly, the energy costs of the process increase.

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. As can be seen from the table. 1, in the proposed method for the activation of carbon material is significantly lower than in the known, the degree of burning of the carbon material, as well as the cost of hydrocarbon fuel and air for combustion.

Claims

1. A method of activating carbon materials, including feeding and burning fuel with air in a combustion chamber, cooling the combustion products to 750-1000 ^° C by supplying water, supplying a gas-vapor mixture under a layer of carbon material and its thermo-oxidative activation and removing activated carbon material and exhaust gases , characterized in that part of the exhaust gases in an amount of 5 to 20% is fed into the combustion chamber and the oxygen concentration in the vapor-gas mixture is maintained within 0.1 4.0 vol.

2. The method according to claim 1, characterized in that the water is fed by radial jets into the stream of combustion products narrowed to a linear velocity of 100 300 m / s.