RU2709349C1

RU2709349C1 - Laboratory unit for producing efficient carbon sorbents and useful thermolysis products

Info

Publication number: RU2709349C1
Application number: RU2019110079A
Authority: RU
Inventors: Зинфер Ришатович Исмагилов; Екатерина Сергеевна Михайлова; Юлия Николаевна Дудникова; Сергей Рифович Хайрулин; Надежда Васильевна Шикина
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2019-12-17

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to processing of organo-containing raw material in order to obtain active coals, in particular, to a laboratory unit for producing efficient carbon sorbents and useful thermolysis products. Proposed unit comprises gas preparation and dosing unit, reactor unit including tubular electric furnace with cylindrical quartz reactor equipped with two nozzles for inert gas inlet and steam and gas products output, reactor heating control unit and temperature control unit and waste gas cleaning unit, which includes two in-series connected traps for simultaneous trapping of liquid and gas products formed during thermal decomposition of coal.

EFFECT: invention enables to obtain efficient carbon sorbents with high texture characteristics and an environmentally safe process for production thereof.

3 cl, 2 dwg, 1 tbl, 8 ex

Description

Изобретение относится к области переработки органосодержащего сырья с целью получения активных углей. В частности изобретение относится к лабораторным установкам для химического активирования углей и предназначено для получения эффективных углеродных сорбентов на основе каменных углей, которые могут найти применение в процессах очистки воды от различных химических загрязнений. Лабораторная установка позволяет получать эффективные углеродные сорбенты в процессе термолиза органической массы каменных углей, пропитанных химическим реагентом (гидроксидами щелочных металлов, а именно гидроксидами натрия или калия). Кроме того, лабораторная установка позволяет получать и исследовать полезные продукты глубокого термического превращения органической массы каменных углей (каменноугольную смолу) и контролировать состав отходящих газов в атмосферу. Процесс осуществляется при пропускании инертного газа (аргона) в проточном режиме при атмосферном давлении над углещелочной смесью.The invention relates to the field of processing organo-containing raw materials in order to obtain activated carbons. In particular, the invention relates to laboratory installations for the chemical activation of coal and is intended to produce effective carbon sorbents based on coal, which can be used in water purification processes from various chemical contaminants. The laboratory setup allows one to obtain effective carbon sorbents in the process of thermolysis of the organic mass of coal impregnated with a chemical reagent (alkali metal hydroxides, namely sodium or potassium hydroxides). In addition, the laboratory setup allows you to obtain and study the useful products of deep thermal conversion of the organic mass of coal (coal tar) and control the composition of the exhaust gases into the atmosphere. The process is carried out by passing an inert gas (argon) in a flow mode at atmospheric pressure over a carbon-alkaline mixture.

Известна установка получения активного угля, содержащая установленные в корпусе (по ходу движения материала) камеры сушки, пиролиза, активации и охлаждения, разделенные между собой теплоизоляционными газонепроницаемыми перегородками и соединенные переходными трубопроводами для равномерного передвижения материала из камеры в камеру, причем рабочей средой в камере активации является перегретый водяной пар, подаваемый в камеру из парогенератора через пароперегреватель с температурой около 850°С, а рабочей средой в камере пиролиза является баллонный углекислый газ, нагреваемый до температуры 600°С электрокалорифером (RU 92861, С10В 1/04, 10.04.2010).A known installation for producing activated carbon, containing drying, pyrolysis, activation and cooling chambers installed in the housing (in the direction of the material), separated by heat-insulating gas-tight partitions and connected by transition pipelines for uniform movement of material from chamber to chamber, with the working medium in the activation chamber is superheated water vapor supplied to the chamber from the steam generator through a superheater with a temperature of about 850 ° C, and the working medium in the pyrolysis chamber is carbon dioxide is heated, heated to a temperature of 600 ° C with an electric air heater (RU 92861, С10В 1/04, 04/10/2010).

Недостатками данной установки является высокая энергоемкость технологического процесса и низкая производительность, за счет выгорания до 83-85% твердой фазы.The disadvantages of this installation is the high energy intensity of the process and low productivity due to burnup to 83-85% of the solid phase.

Известна также установка для получения активного угля, содержащая сушильный шнековый реактор, пиролизный шнековый реактор, реактор охлаждения и конденсации парогазовой смеси углеводородов, реактор активации угля в кипящем слое и шнековый реактор охлаждения активного угля. Следует отметить, что сушильный шнековый реактор, пиролизный шнековый реактор, реактор активации угля в кипящем слое и шнековый реактор охлаждения активного угля в данной установке совмещены последовательно в горизонтальной плоскости посредством фланцевых соединений для беспрерывного перемещения сырья от загрузки в приемный бункер сушильного шнекового реактора до выгрузки активного угля на конце шнекового реактора охлаждения активного угля (RU 160067, С10В 31/08, 27.02.2016).Also known is a plant for producing activated carbon, comprising a drying screw reactor, a pyrolysis screw reactor, a reactor for cooling and condensing a steam-gas mixture of hydrocarbons, a fluidized bed coal activation reactor and an active coal cooling screw reactor. It should be noted that the drying screw reactor, pyrolysis screw reactor, fluidized bed coal activation reactor and activated carbon cooling reactor in this installation are combined sequentially in the horizontal plane by means of flange connections for the continuous movement of raw materials from loading into the receiving hopper of the drying screw reactor to the discharge of the active coal at the end of a screw reactor for cooling activated carbon (RU 160067, СВВ 31/08, 02/27/2016).

Кроме того, известна установка, содержащая сушильный шнековый реактор, пиролизный шнековый реактор, реактор охлаждения и конденсации парогазовой смеси углеводородов, реактор активации угля и шнековый реактор охлаждения активного угля, при этом сушильный шнековый реактор, пиролизный шнековый реактор, реактор активации угля и шнековый реактор охлаждения активного угля совмещены последовательно в горизонтальной плоскости при помощи фланцевых соединений. Реактор активации угля оснащен горелкой для сжигания части несконденсировавшегося пиролизного газа, полученного в реакторе охлаждения и конденсации парогазовой смеси углеводородов. Реактор активации угля оснащен фланцевым патрубком для ввода водяного пара, полученного из сушильного шнекового реактора (RU 169229, С10В 47/44, С10В 53/02, С10В 31/08, 13.03.2017).In addition, a known installation comprising a drying screw reactor, a pyrolysis screw reactor, a reactor for cooling and condensing a steam-gas mixture of hydrocarbons, a coal activation reactor and a screw reactor for cooling active carbon, wherein a drying screw reactor, a pyrolysis screw reactor, a coal activation reactor and a screw cooling reactor activated carbon combined sequentially in the horizontal plane using flange connections. The coal activation reactor is equipped with a burner for burning part of the non-condensable pyrolysis gas obtained in the reactor for cooling and condensing a combined-gas mixture of hydrocarbons. The coal activation reactor is equipped with a flanged pipe for introducing water vapor obtained from a drying screw reactor (RU 169229, С10В 47/44, С10В 53/02, С10В 31/08, 03/13/2017).

К недостаткам технического решения двух, описанных выше, установок можно отнести сложность их конструкции, процессы пиролиза и активации углей происходят постадийно в отдельных реакторах (камерах) и их конструкцией не предусмотрен сбор полезных продуктов (жидких и газообразных), образующихся при пиролизе.The disadvantages of the technical solution of the two plants described above can be attributed to the complexity of their design, the processes of coal pyrolysis and activation occur in stages in separate reactors (chambers) and their design does not provide for the collection of useful products (liquid and gaseous) formed during pyrolysis.

Известна также лабораторная установка термического модифицирования лузги подсолнечной, основным элементом которой является вертикальный кварцевый реактор объемом 0,6 дм³, помещенный в муфельную печь с регулируемым электронагревом. Кроме того, в установке организованы подачи газа-носителя, охлаждения и сбора сконденсированной воды и смолистых продуктов (Долгих, О.Г. Использование адсорбционных технологий и углеродных адсорбентов на основе лузги подсолнечной в системах очистки нефтезагрязненных вод: автореф. дис. канд. тех. наук / О.Г. Долгих. - Краснодар, 2011. - 24 с.).There is also a laboratory installation for the thermal modification of sunflower husk, the main element of which is a vertical quartz reactor with a volume of 0.6 dm ³ , placed in a muffle furnace with adjustable electric heating. In addition, the installation organized carrier gas supply, cooling and collection of condensed water and tar products (Dolgikh, O.G. Use of adsorption technologies and carbon adsorbents based on sunflower husk in oil-contaminated water purification systems: abstract of diss. Sciences / OG Dolgikh. - Krasnodar, 2011 .-- 24 p.).

Недостатками вышеописанной лабораторной установки является то, что данная установка может быть использована только для растительного сырья, поскольку при карбонизации сырье помещается непосредственного в вертикальный кварцевый реактор, что усложнит извлечение готового продукта в случае получения сорбентов из любого другого сырья, например, для получения сорбентов на основе каменных углей. Кроме того, в схеме лабораторной установки не указано расположение термопары, что не позволяет контролировать температуру в зоне реакции. Следует отметить, что в схеме лабораторной установки указана система сбора сконденсированной воды и смолистых продуктов и нет приемника для газообразных продуктов, образующихся при карбонизации сырья. Данный факт можно отнести к недостаткам вышеуказанной установки, поскольку не исследуется состав газообразных продуктов, выделяющихся в атмосферу.The disadvantages of the above laboratory installation is that this installation can only be used for plant materials, since during carbonization, the raw materials are placed directly in a vertical quartz reactor, which will complicate the extraction of the finished product in the case of sorbents from any other raw materials, for example, to obtain sorbents based on coal. In addition, the layout of the laboratory installation does not indicate the location of the thermocouple, which does not allow controlling the temperature in the reaction zone. It should be noted that the scheme of the laboratory installation indicates the system for collecting condensed water and resinous products and there is no receiver for gaseous products formed during the carbonization of raw materials. This fact can be attributed to the disadvantages of the above installation, since the composition of gaseous products released into the atmosphere is not studied.

Известна лабораторная установка для получения активированных углей с заданными свойствами из растительного сырья, которая состоит из кварцевой трубки, термопары, пробок, трубки для отвода пиролизных газов, приемника газообразных продуктов пиролиза и микропроцессорного контролера, обеспечивающего сбор данных с датчиков (Богаев А.Н., Горелова О.М. Курочкин Э.С. Изучение закономерностей процесса пиролиза скорлупы кедрового ореха и получение на ее основе активированного угля с заданными свойствами // Ползуновский вестник. - 2014. - №3. - С. 217-220).A known laboratory setup for producing activated carbons with desired properties from plant materials, which consists of a quartz tube, thermocouple, plugs, a tube for removing pyrolysis gases, a receiver for gaseous pyrolysis products and a microprocessor controller that collects data from sensors (A.N. Bogaev, Gorelova OM, Kurochkin ES Studying the laws of the process of pyrolysis of pine nutshell and obtaining activated carbon with specified properties on its basis // Polzunovsky Bulletin. - 2014. - No. 3. - P. 217-220).

Недостатком данной лабораторной установки является то, что в качестве теплоизоляционного материала камеры пиролиза используют опасный для здоровья асбест, длительный нагрев которого возможен только до 500°С, и до 700°С - при кратковременном, т.к. при температуре выше 700°С его волокна становятся хрупкими (согласно ГОСТ 12871-93). Кроме того, в схеме лабораторной установки не указано расположение термопары, что не позволяет контролировать температуру в зоне реакции и загрузка сырья осуществляется непосредственно в кварцевую трубку через съемную пробку, что усложняет извлечение активированного угля. Следует отметить, что недостатком данной лабораторной установки является то, что она не позволяет исследовать состав пиролизных газов, и тот факт, что о начале и прекращение процесса карбонизации судили по газовыделению пиролизных газов в приемнике, заполненным водой.The disadvantage of this laboratory setup is that asbestos-hazardous asbestos is used as the heat-insulating material of the pyrolysis chamber, prolonged heating of which is possible only up to 500 ° C, and up to 700 ° C - for short-term, because at temperatures above 700 ° C, its fibers become brittle (according to GOST 12871-93). In addition, the layout of the laboratory installation does not indicate the location of the thermocouple, which does not allow controlling the temperature in the reaction zone and the feed is loaded directly into the quartz tube through a removable plug, which complicates the extraction of activated carbon. It should be noted that the disadvantage of this laboratory setup is that it does not allow to study the composition of pyrolysis gases, and the fact that the beginning and termination of the carbonization process was judged by the gas evolution of pyrolysis gases in a receiver filled with water.

Известна полезная модель, в которой описано использование реакторного блока в лабораторной установки для химического активирования углей, включающего трубчатую электропечь с термопарами, цилиндрический кварцевый реактор, снабженный двумя штуцерами для ввода инертного газа и выхода парогазовых продуктов, при этом кварцевый реактор содержит съемную кварцевую емкость, помещаемую в зону изотермичности. Данная лабораторная установка для химического активирования углей позволяет повысить выход углеродного сорбента и улучшить качественные характеристики получающихся углеродных сорбентов (RU 183557, С10В 32/39, С10В 32/342, 25.09.2018).A utility model is known that describes the use of a reactor unit in a laboratory installation for the chemical activation of coal, including a tubular electric furnace with thermocouples, a cylindrical quartz reactor equipped with two fittings for introducing inert gas and output of gas-vapor products, while the quartz reactor contains a removable quartz vessel placed into the isothermal zone. This laboratory unit for the chemical activation of coal allows increasing the yield of carbon sorbent and improving the quality characteristics of the resulting carbon sorbents (RU 183557, С10В 32/39, С10В 32/342, 09/25/2018).

Кроме того, известна полезная модель, в которой описано использование каталитического реактора сжигания пиролизных газов лабораторной установки для химического активирования углей, в котором для очистки отходящего пиролизного газа от вредных веществ используется экологически чистое каталитическое сжигание на твердых катализаторах. Каталитический реактор дожигания пиролизных газов лабораторной установки для химического активирования углей включает трубку для подвода пиролизных газов, секцию смешения пиролизных газов с воздухом, секцию нагрева смеси ТЭНами и секцию полного окисления компонентов смеси, при этом, в секции полного окисления компонентов смеси используется два каталитических слоя: первый содержит катализатор на основе оксидов переходных металлов, нанесенных на оксидный носитель с высокоразвитой удельной поверхностью, а второй - гранулы катализатора, содержащего металлы платиновой группы. Кроме того, после секции полного окисления компонентов смеси размещается теплообменник для утилизации теплоты реакций окисления (RU 187561, F23G 7/07, 12.03.2019).In addition, a useful model is known that describes the use of a catalytic reactor for burning pyrolysis gases of a laboratory installation for the chemical activation of coal, in which environmentally friendly catalytic combustion on solid catalysts is used to purify the pyrolysis gas from harmful substances. The catalytic reactor for burning pyrolysis gases of a laboratory installation for the chemical activation of coal includes a tube for supplying pyrolysis gases, a section for mixing pyrolysis gases with air, a section for heating the mixture with heating elements, and a section for the complete oxidation of the mixture components, while two catalytic layers are used in the section for the complete oxidation of mixture components: the first contains a catalyst based on transition metal oxides supported on an oxide carrier with a highly developed specific surface, and the second contains catalyst granules Comprising platinum group metals. In addition, after the section for the complete oxidation of the components of the mixture, a heat exchanger is placed to utilize the heat of the oxidation reactions (RU 187561, F23G 7/07, 03/12/2019).

Недостатками вышеописанных полезных моделей является то, что при эксплуатировании лабораторной установки для химического активирования углей, с использованием реакторного блока, включающего трубчатую электропечь с термопарами, цилиндрический кварцевый реактор, снабженный двумя штуцерами для ввода инертного газа и выхода парогазовых продуктов, не исследуется и не контролируется состав газообразных продуктов, образующихся при химическом активировании углей и выделяющихся в атмосферу. Тогда как во второй полезной модели указано только использование каталитический реактора сжигания пиролизных газов лабораторной установки для химического активирования углей.The disadvantages of the above utility models is that when operating a laboratory installation for the chemical activation of coal, using a reactor unit including a tubular electric furnace with thermocouples, a cylindrical quartz reactor equipped with two fittings for introducing inert gas and output of gas-vapor products, the composition is not investigated and not controlled gaseous products formed during the chemical activation of coal and released into the atmosphere. Whereas in the second utility model only the use of a catalytic reactor for burning pyrolysis gases of a laboratory unit for the chemical activation of coal is indicated.

Наиболее близким техническим решением является лабораторная установка по активированию кокса, содержащая блок генерации пара, состоящего из четырехгорлой колбы, помещенной в нагревательную печь и соединенной с распределителем азота, и блок активации, состоящего из трубчатой печи внутрь которой помещается кварцевая трубка с навеской кокса (1,5-2,5 г), один конец которой соединен с выходом пара из четырехгорлой колбы, а другой конец трубки закрывают пробкой, отвод которой подсоединен к сборнику конденсата. (Тагиров М.А., Жирнов Б.С., Гостьков Е.В., Фаткуллин М.Р., Мухаметзянова Э.Г. Динамика активирования нефтяных коксов с целью получения носителей катализаторов // Кокс и химия. - 2011. - №10. - С. 32-36.).The closest technical solution is a coke activation laboratory unit containing a steam generation unit consisting of a four-necked flask placed in a heating furnace and connected to a nitrogen distributor, and an activation unit consisting of a tube furnace inside of which a quartz tube with a coke sample is placed (1, 5-2.5 g), one end of which is connected to the steam outlet from the four-necked flask, and the other end of the tube is closed with a stopper, the outlet of which is connected to the condensate collector. (Tagirov M.A., Zhirnov B.S., Gostkov E.V., Fatkullin M.R., Mukhametzyanova E.G. Dynamics of activation of petroleum cokes in order to obtain catalyst supports // Coke and Chemistry. - 2011. - № 10. - S. 32-36.).

Недостатками вышеописанной лабораторной установки является то, что данная установка предусматривает использование заранее приготовленного карбонизата (кокса). Кроме того, навеску кокса засыпают непосредственно в центр кварцевой трубки, что приводит к выгоранию кокса, а для предотвращения уноса частиц кокса из зоны реакции, по обе стороны от слоя устанавливается мелкая стальная сетка, что усложняет извлечение готового продукта. Также следует отметить, что помещенная термопара в центр печи у наружной стенки кварцевой трубки не позволяет контролировать температуру в зоне реакции. Недостатком также является то, что конструкция данной лабораторной установки не позволяет контролировать состав газообразных продуктов, образующихся при активации кокса, которые выделяются в атмосферу.The disadvantages of the above laboratory installation is that this installation involves the use of pre-prepared carbonizate (coke). In addition, a coke sample is poured directly into the center of the quartz tube, which leads to coke burnout, and to prevent coke particles from being carried away from the reaction zone, a small steel mesh is installed on both sides of the layer, which complicates the extraction of the finished product. It should also be noted that a thermocouple placed in the center of the furnace near the outer wall of the quartz tube does not allow temperature control in the reaction zone. The disadvantage is that the design of this laboratory installation does not allow you to control the composition of the gaseous products formed during the activation of coke, which are released into the atmosphere.

Задачей изобретения является создание лабораторной установки для получения эффективных углеродных сорбентов, которая позволяет совместить процессы термолиза угля и его химической активации гидроксидами щелочных металлов при снижении энергетических затрат, получать полезные продукты (каменноугольную смолу), конденсирующиеся при охлаждении коксового газа и контролировать состав отходящих газов в систему вентиляции.The objective of the invention is the creation of a laboratory unit for producing effective carbon sorbents, which allows you to combine the processes of thermolysis of coal and its chemical activation with alkali metal hydroxides while reducing energy costs, to obtain useful products (coal tar), condensing during cooling of coke oven gas and to control the composition of the exhaust gases into the system ventilation.

Технический результат - получение эффективных углеродных сорбентов с высокими текстурными характеристиками (удельная поверхность, микропористость), а также сбор, исследование состава полезных продуктов глубокого термического превращения органической массы каменных углей (каменноугольную смолу) и контроль состава отходящих газов в атмосферу, что делает процесса получения углеродных сорбентов экологически безопасным.EFFECT: obtaining effective carbon sorbents with high texture characteristics (specific surface area, microporosity), as well as collecting, studying the composition of useful products of deep thermal conversion of the organic mass of coal (coal tar) and monitoring the composition of the exhaust gases into the atmosphere, which makes the process of producing carbon sorbents environmentally friendly.

Технический результат достигается тем, что лабораторная установка для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза состоит из блока подготовки и дозирования газа, реакторного блока, включающего трубчатую электропечь с цилиндрическим кварцевым реактором, снабженным двумя штуцерами для ввода инертного газа и выхода парогазовых продуктов, блока управления нагревания реактора и регулировки температуры, блока очистки отходящих газов. Отличием является то, что блок очистки отходящих газов содержит две последовательно соединенные ловушки для одновременного улавливания жидких и газовых полезных продуктов, образующихся в процессе термического разложения угля.The technical result is achieved by the fact that the laboratory unit for producing effective carbon sorbents and useful thermolysis products consists of a gas preparation and batching unit, a reactor unit including a tubular electric furnace with a cylindrical quartz reactor equipped with two fittings for inert gas input and output of combined-gas products, a control unit heating the reactor and adjusting the temperature of the exhaust gas purification unit. The difference is that the exhaust gas purification unit contains two serially connected traps for the simultaneous capture of liquid and gas useful products formed during the thermal decomposition of coal.

Лабораторная установка содержит каталитический реактор для очистки отходящих пиролизных газов от вредных веществ.The laboratory installation contains a catalytic reactor for purification of waste pyrolysis gases from harmful substances.

Лабораторная установка также содержит систему контроля газообразных продуктов, попадающих в систему вентиляции.The laboratory unit also contains a control system for gaseous products entering the ventilation system.

Сущность заявляемого технического решения поясняется блок - схемой лабораторной установки для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза (Фиг. 1). Сборочный чертеж реакторного блока (а) и трубчатой электропечи с подставкой (б) представлен на Фиг. 2 (б: А-А - фронтальный разрез электропечи с подставкой, Б-Б - горизонтальный разрез электропечи с подставкой, В-В - профильный разрез электропечи с подставкой).The essence of the proposed technical solution is illustrated by the block diagram of the laboratory setup for obtaining effective carbon sorbents and useful products of thermolysis (Fig. 1). An assembly drawing of the reactor block (a) and the tubular electric furnace with the stand (b) is shown in FIG. 2 (b: A-A - frontal section of an electric furnace with a stand, B-B - horizontal section of an electric furnace with a stand, B-V - profile section of an electric furnace with a stand).

Предложенная лабораторная установка для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза содержит блок подготовки и дозирования газа, включающий баллон с аргоном (1), редуктор газовый (2), вентили запорный (3) и регулирующий (4) и устройство для измерения и контроля потока газа (5), реакторный блок, включающий трубчатую электропечь (6) с двумя термопарами (7 и 8), одна из которых позволяет контролировать температуру непосредственно в зоне реакции, цилиндрический кварцевый реактор (9), который снабжен двумя штуцерами для ввода инертного газа (10) и выхода парогазовых продуктов (11), образующихся во время термолиза, съемную кварцевую емкость (12), помещаемую в кварцевый реактор в зону изотермичности, блок управления нагревания реактора и регулировки температуры (13) и блок очистки отходящих газов, состоящий из двух последовательно соединенных ловушек для улавливания жидких (16) и газовых (17) продуктов, образующихся во время термолиза, каталитический реактор (19), предназначенный для окончательной очистки газов термолиза для последующего выброса очищенных газов в систему вентиляции. Система контроля, записи и архивирования параметров процесса термолиза включает аналого-цифровой преобразователь (14), персональный компьютер (15) и газовый хроматограф (18).The proposed laboratory installation for producing effective carbon sorbents and useful thermolysis products contains a gas preparation and dosing unit, including an argon cylinder (1), a gas reducer (2), shut-off valves (3) and control valves (4) and a device for measuring and controlling the flow gas (5), a reactor block including a tubular electric furnace (6) with two thermocouples (7 and 8), one of which allows you to control the temperature directly in the reaction zone, a cylindrical quartz reactor (9), which is equipped with two fittings for an inert gas ode (10) and steam and gas products (11) formed during thermolysis, a removable quartz vessel (12) placed in a quartz reactor in the isothermal zone, a reactor heating control unit and temperature control (13), and an exhaust gas purification unit, consisting of two series-connected traps for trapping liquid (16) and gas (17) products formed during thermolysis, a catalytic reactor (19) designed for the final purification of thermolysis gases for the subsequent release of purified gases into the system Thread ventilation. The system for monitoring, recording, and archiving the parameters of the thermolysis process includes an analog-to-digital converter (14), a personal computer (15), and a gas chromatograph (18).

Работа лабораторной установки для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза осуществляется следующим образом.The work of the laboratory setup to obtain effective carbon sorbents and useful products of thermolysis is as follows.

Перед началом работы необходимо подготовить лабораторную установку для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза. Для этого, после окончания монтажа проводят измерения температурного профиля реактора при различных температурах, заданных на измерителе-регуляторе (определение зоны изотермичности). Кроме того, проводят проверку герметичности газовой схемы. После чего, устанавливают давление на газовом редукторе (2) 0,3-0,4 МПа (3-4 атм.) и рабочий расход газа регулирующим вентилем (4). Далее проверяют функциональность системы контроля температуры, для чего на лабораторную установку для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза подают электропитание и проводят программирование работы измерителя-регулятора микропроцессорного ТРМ148, укомплектованного твердотельным реле CCR-25DA и двумя термопарами (хромель-алюмель) с точностью ±0,1°С.Before starting work, it is necessary to prepare a laboratory setup to obtain effective carbon sorbents and useful products of thermolysis. For this, after the installation is completed, the temperature profile of the reactor is measured at various temperatures specified on the meter-regulator (determination of the isothermal zone). In addition, they check the tightness of the gas circuit. After that, the pressure on the gas reducer (2) is set to 0.3-0.4 MPa (3-4 atm.) And the working gas flow rate by the control valve (4). Then, the functionality of the temperature control system is checked, for which purpose a power supply is supplied to the laboratory installation for obtaining effective carbon sorbents and useful thermolysis products and microprocessor-controlled meter TPM148, equipped with the CCR-25DA solid-state relay and two thermocouples (chromel-alumel), is accurate ± 0.1 ° C.

Далее, после всех подготовительных операций, в кварцевую емкость (12) в соответствии с заданием на эксперимент загружают необходимое количество угля, пропитанного гидроксидами натрия или калия, выдержанного в течение 24 часов и высушенного при 105±5°С до постоянной массы углещелочной смеси, для проведения термолиза. Кварцевую емкость (12) с углещелочной смесью помещают в кварцевый реактор (9), вход и выход которого соединен штуцерами (10 и 11) на высокотемпературной смазке. Затем кварцевый реактор (9) помещают в трубчатую электропечь (6). Далее к штуцеру (11) кварцевого реактора (9) подсоединяют две последовательно-соединенные ловушки: сначала ловушку для улавливания жидких (16) продуктов, помещенную в баню со льдом, затем ловушку для улавливания газовых (17) продуктов, газовым хроматографом (18) и каталитическим реактором (19). Далее из баллона (1) подают аргон со скоростью 0,5 мл/с и производят нагрев трубчатой электропечи (6) до 800°С, со скоростью подъема температуры 7-8°С/мин., согласно программе заданной в ТРМ148. Конструкция и расположение термопар (7 и 8) позволяют поддерживать вариативный температурный режим, что позволяет добиваться оптимальных параметров термолиза в присутствии химических активаторов. Следует отметить, что в конструкции данной лабораторной установки используют две термопары (7 и 8), расположение которых проиллюстрировано на Фиг. 1 и Фиг. 2, позволяющие точно контролировать температуру непосредственно в зоне реакции. Кроме того, конструкция лабораторной установки предусматривает сбор полезных жидких (каменноугольная смола) и газообразных продуктов, образующихся в процессе термического разложения угля, а также позволяет исследовать и контролировать состав газообразных продуктов, попадающих в систему вентиляции. После охлаждения (в токе инертного газа не выше 50°С) кварцевую емкость (12) вынимают из трубчатой электропечи (6), взвешивают и из нее выгружают образовавшийся углеродный сорбент, который промывают с целью удаления щелочи.Further, after all the preparatory operations, in accordance with the task for the experiment, the required amount of coal impregnated with sodium or potassium hydroxides, aged for 24 hours and dried at 105 ± 5 ° С to a constant mass of carbon-alkali mixture, is loaded into the quartz container (12) for thermolysis. A quartz container (12) with a carbon-alkaline mixture is placed in a quartz reactor (9), the inlet and outlet of which is connected by fittings (10 and 11) on a high-temperature lubricant. Then the quartz reactor (9) is placed in a tubular electric furnace (6). Next, two series-connected traps are connected to the nozzle (11) of the quartz reactor (9): first, a trap for trapping liquid (16) products, placed in an ice bath, then a trap for trapping gas (17) products, with a gas chromatograph (18) and catalytic reactor (19). Next, argon is supplied from a cylinder (1) at a rate of 0.5 ml / s and the tubular electric furnace (6) is heated to 800 ° C, with a temperature rise rate of 7-8 ° C / min., According to the program specified in TPM148. The design and arrangement of thermocouples (7 and 8) make it possible to maintain a variable temperature regime, which makes it possible to achieve optimal thermolysis parameters in the presence of chemical activators. It should be noted that two thermocouples (7 and 8) are used in the design of this laboratory setup, the arrangement of which is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2, allowing precise control of the temperature directly in the reaction zone. In addition, the design of the laboratory installation provides for the collection of useful liquid (coal tar) and gaseous products formed in the process of thermal decomposition of coal, and also allows you to study and control the composition of gaseous products that fall into the ventilation system. After cooling (in an inert gas stream not higher than 50 ° C), the quartz vessel (12) is removed from the tubular electric furnace (6), weighed, and the carbon sorbent formed is washed from it, which is washed to remove alkali.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

В данных примерах приведены результаты исследования пористой структуры исходных углей и углеродных сорбентов, полученных на их основе. В экспериментах использовали естественно окисленные угли вскрышных пластов различных угледобывающих предприятий Кузбасса: разрез Кайчакский (код образца Б), разрез Моховский (код образца Д), разрез Шестаки (код образца СС), разрез Апанасовский (код образца Т). Коды выбранных для исследования образцов присваивались в соответствии с теми марками углей, которые добываются на конкретном разрезе.These examples show the results of a study of the porous structure of the initial coal and carbon sorbents obtained on their basis. In the experiments, naturally oxidized coals of overburden seams of various coal mining enterprises of Kuzbass were used: the Kaychaksky section (sample code B), the Mokhovsky section (sample code D), the Shestaki section (sample code SS), the Apanasovsky section (sample code T). The codes of the samples selected for the study were assigned in accordance with the grades of coal that are mined at a particular section.

Пример 1. Навеску (m=10-20 г) угля марки Б (0,2-0,5 мм) насыпают в кварцевую емкость и помещают в кварцевый реактор. Затем реактор помещают в трубчатую электропечь. Далее из баллона подают аргон со скоростью 0,5 мл/с и производят нагрев трубчатой электропечи до 800°С со скоростью подъема температуры 7-8°С/мин согласно программе, заданной в ТРМ148. После охлаждения (в токе инертного газа не выше 50°С или до комнатной температуры) кварцевую емкость достают из трубчатой электропечи и из нее выгружают образовавшийся углеродный сорбент, который промывают с целью удаления щелочи и сушке до постоянной массы.Example 1. A portion (m = 10-20 g) of brand B coal (0.2-0.5 mm) is poured into a quartz container and placed in a quartz reactor. Then the reactor is placed in a tubular electric furnace. Next, argon is supplied from the cylinder at a rate of 0.5 ml / s and the tubular electric furnace is heated to 800 ° C at a rate of temperature rise of 7-8 ° C / min according to the program specified in TPM148. After cooling (in an inert gas stream not higher than 50 ° C or to room temperature), the quartz container is removed from the tubular electric furnace and the formed carbon sorbent is unloaded from it, which is washed to remove alkali and dried to constant weight.

Пример 2. Навеску угля марки Б (0,2-0,5 мм) обрабатывают 50%-ным раствором КОН (соотношение R_КОН ₌ 1,0 г/г), выдерживают 24 ч при комнатной температуре и высушивают до постоянной массы при температуре 105±5°С. Далее для проведения термолиза в кварцевую емкость насыпают 10-20 г углещелочной смеси, которую помещают в кварцевый реактор. Затем реактор помещают в трубчатую электропечь. Далее из баллона подают аргон со скоростью 0,5 мл/с и производят нагрев трубчатой электропечи до 800°С (со скоростью подъема температуры 7-8°С/мин) согласно программе заданной в ТРМ148. После охлаждения (в токе инертного газа не выше 50°С или до комнатной температуры) кварцевую емкость достают из трубчатой электропечи и из нее выгружают образовавшийся углеродный сорбент, который промывают с целью удаления щелочи и сушке до постоянной массы.Example 2. A portion of brand B coal (0.2-0.5 mm) is treated with a 50% KOH solution (R _KOH ratio ₌ 1.0 g / g), incubated for 24 hours at room temperature and dried to constant weight at a temperature 105 ± 5 ° C. Then, for thermolysis, 10-20 g of a carbon-alkaline mixture is poured into a quartz container, which is placed in a quartz reactor. Then the reactor is placed in a tubular electric furnace. Next, argon is supplied from the cylinder at a rate of 0.5 ml / s and the tubular electric furnace is heated to 800 ° C (with a temperature rise rate of 7-8 ° C / min) according to the program specified in TPM148. After cooling (in an inert gas stream not higher than 50 ° C or to room temperature), the quartz container is removed from the tubular electric furnace and the formed carbon sorbent is unloaded from it, which is washed to remove alkali and dried to constant weight.

Примеры 3,5 и 7 аналогичны примеру 1, отличаются только маркой исходного угля.Examples 3,5 and 7 are similar to example 1, differ only in the brand of source coal.

Примеры 4,6 и 8 аналогичны примеру 2, отличаются только маркой исходного угля.Examples 4.6 and 8 are similar to example 2, differ only in the brand of the source coal.

Величину удельной поверхности (S_BET, м²/г) и характеристики пористой структуры (суммарный объем пор V_Σ см³/г; объем мезо- и микропор V_me и V_mi, см³/г, средний диаметр пор D нм) исследуемых образцов углеродных материалов рассчитывают по изотермам адсорбции-десорбции N₂ при -195,97°С (77,4 К), значения которых представлены в таблице:The specific surface area (S _BET , m ² / g) and the characteristics of the porous structure (total pore volume V _Σ cm ³ / g; meso- and micropore volume V _me and V _mi , cm ³ / g, average pore diameter D nm) of the studied samples of carbon materials are calculated by the adsorption-desorption isotherms of N ₂ at -195.97 ° C (77.4 K), the values of which are presented in the table:

По результатам исследования можно сделать вывод о том, что предлагаемая лабораторная установка для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза обеспечивает повышение качества углеродных сорбентов (величин удельной поверхности ~ 1000 м²/г и объема пор до 0,75 см³/г), что делает их перспективными материалами для различных адсорбционных процессов, в том числе для очистки воды от различных химических загрязнений.According to the results of the study, we can conclude that the proposed laboratory facility for producing effective carbon sorbents and useful thermolysis products provides an increase in the quality of carbon sorbents (specific surface area ~ 1000 m ² / g and pore volume up to 0.75 cm ³ / g), which makes them promising materials for various adsorption processes, including water purification from various chemical contaminants.

Предложенная лабораторная установка для получения эффективных углеродных сорбентов и полезных продуктов термолиза успешно прошла опытно-лабораторные испытания в лаборатории Института углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН и подтвердила эффективность ее использования и дальнейшего тиражирования.The proposed laboratory facility for obtaining effective carbon sorbents and useful thermolysis products has successfully passed experimental laboratory tests in the laboratory of the Institute of Coal Chemistry and Chemical Materials Science of the FIC UUH SB RAS and confirmed the effectiveness of its use and further replication.

Claims

1. Laboratory installation for the production of effective carbon sorbents and useful thermolysis products, consisting of a gas preparation and batching unit, a reactor unit, including a tubular electric furnace with a cylindrical quartz reactor, equipped with two fittings for inert gas input and output of gas-vapor products, a reactor heating control unit, and temperature control, exhaust gas purification unit, characterized in that the exhaust gas purification unit contains two serially connected traps for simultaneous ennogo collecting liquid and gas products formed during thermal decomposition of coal.

2. The laboratory installation according to claim 1, characterized in that it contains a catalytic reactor for purification of waste pyrolysis gases from harmful substances.

3. The laboratory installation according to claim 1, characterized in that it contains a control system for gaseous products entering the ventilation system.