SE445548B - Ett kontinuerligt forfarande for framstellning av en aktiverad kolhaltig produkt - Google Patents

Description

10 l5 20 25 30 35 40 8002881-4 2 enbart transportkostnader att ta hänsyn till utan även, högst ofördelaktigt, upp- kommer en betydande förlust av termisk energi, vilken är förenad med normal behand- ling och förflyttning av det varma, förkolnade materialet. Detta är speciellt olyckligt eftersom aktiveringsreaktionen är endoterm och kräver stora mängder värme, vilket således måste tagas från en kompletterande källa. Det är också tydligt att ett tvâstegsförfarande i sig innebär en olämplig behandling av ganska svårbehandlat och aggressivt material, vilket medför ytterligare kostnader och besvärligare faktorer.

Inom tidigare känd teknik finns det förslag på att fasta, kolhaltiga produkter kan framställas i ett enkelt steg, vilka produkter i vissa fall kan vara mer eller mindre aktiverade. Exempel på tidigare känd teknik innefattar US patentskrifterna nr l.524.784, 3.525.674 och 4.145.256. Men, såsom kommer att framgå av beskriv- ningen av föreliggande uppfinning, vilken följer nedan, anger inte någon av dessa patentskrifter ett förfarande som ger de fördelar vilka kommer fram genom till- lämpning av föreliggande förfarande. Således tillåter i stort sett inget tidigare känt förfarande framställningen av höggradigt, aktiverade, kolhaltiga produkter med goda utbyten i ett kontinuerligt, enkelstegsförfarande, alltmedan den erforder- liga energimängden minimeras och varvid detta göres på ett sätt som är ekonomiskt, okomplicerat, effektivt och tillgängligt för en lätt kontroll för att variera egenskaperna och kvaliteten av de erhållna produkterna.

Således är det ett första ändamål med föreliggande uppfinning att tillhanda- hålla ett nytt förfarande, varvid höggradigt aktiverade, kolhaltiga produkter kan framställas effektivt och ekonomiskt, med ett minimum av energiförbrukning.

Det är även ett ändamål med föreliggande uppfinning att tillhandahålla ett sådant förfarande, som kan utföras i ett enda steg och på ett sätt som är bekvämt och tillgängligt för en lätt kontroll, för att medföra reproducerbarhet och enkla möjligheter att variera egenskaperna och kvaliteten hos de erhållna produkterna. Ännu ett ändamål är att tillhandahålla ett nytt förfarande, vilket har tidigare fördelar och genom vilket det är möjligt att framställa en torr, fast produkt vid en relativt låg temperatur, för att på så sätt möjliggöra en enkel behandling av produkten och minimera behovet av påföljande behandlingsmoment i samband härmed.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en sådan metod som är anpassad att utföras i en reaktionsenhet vilken är relativt enkel och billig att konstruera och driva. Ännu ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhanda- hålla ett nytt förfarande med tidigare egenskaper, där mängden införd ånga i reaktionskärlet minimeras och där ingen yttre tillförsel av bränsle behöver till- föras.

Ovan nämnda ändamål med föreliggande uppfinning uppnås lätt med en självuppe- hållande, kontinuerlig process i ett steg innefattande, såsom ett initiellt steg, l0 l5 20 25 30 35 40 3 8002881-4 införandetav ett i huvudsak torrt matarmaterial, till toppen av en vertikal reaktor, vilket material kan sönderdelas termiskt till en gasformig komponent och en fast, aktiverad kolhaltig produkt. Materialet som införes föres framåt i huvudsak kontinuerligt, som en packad bädd och med en förutbestämd hastighet, neråt genom och ut ur botten av reaktorn, medan gaserna föres uppåt och tages ut i toppen. Luft sprutas in i bädden vid ett flertal nivåer, vilka är vertikalt skilda från varandra och från toppen och bottnen av reaktorn, för att upprätta en första aktiveringszon av väsentligt djup. Luften sprutas in vid de olika nivåerna med väsentligt skilda hastigheter, vilka är oberoende av varandra kontrollerade för att fördela luften och för att på så sätt göra den första zonen i huvudsak isotermisk, varvid det däri befintliga materialet har en i huvudsak enhetlig temperatur av 76006 till ca ll49°C. Vid ett ställe under den första zonen, insprutas lågtemperaturånga, vilken i huvudsak är fri från syre, för att upprätta en andra aktiveringszon av väsentligt djup under den första zonen. Ångan initieras med en hastighet som är lagom för att transportera till- räckligt med termisk energi från den andra aktiveringszonen till toppen av bädden för torkning och termisk sönderdelning av matarmaterialet, i syfte att ge de avgående gaserna en temperatur av ca l2l-3l6°C och att kyla materialet som kommer ut från den andra aktiveringszonen till en temperatur av ca 93-8l6°C.

Det utgående materialet kommer att omfatta en huvudsakligen torr, aktiverad kol- haltig produkt, vilken har en yta av minst 400 m2/g.

I föredragna utföranden av uppfinningen, har den kolhaltiga produkten en yta av ca 600-900 mz/g, den enhetliga temperaturen hos materialet, som är när- varande i aktiveringszonen, är ca 87l-982°C och matarmaterialet, vilket införes med en hastighet av ca 46,4-9070 kw/timme, innehåller mindre än l0 vikts-% fukt, baserat på fuktigt matarmaterial. Vidare har, i dessa utföranden, den första aktiveringszonen en tvärsnittsyta av ca 0,09-9,29 m2 och företrädesvis ca i.39-s.72 m2 och ett djup av aa oßo-Lsz m.

För det mesta injiceras luften till den första aktiveringszonen vid åtminstone tre vertikalt skilda nivåer. Den sammansatta injektionshastigheten kan företrädesvis ge mindre mängd syre än den som stökiometriskt behövs för att oxidera samtliga gasformiga reaktionsprodukter som bildas i den första aktiveringszonen, för att därigenom minimera den exoterma oxidationen av närvarande fast kol. Mera speciellt är den sammansatta injektionshastigheten av luft i allmänhet mindre än 0,45 kg luft per 0.45 kg inmatat material, baserat på fuktfritt material. Då den kolhaltiga produkten skall ha en specifik yta som ligger mellan ca 600-900 m2/g, kommer den sammansatta luftinjektionshastigheten att vara ungefär 0,ll-0,34 kg luft per 0,45 kg matningsmaterial och komer att vara proportionell mot produktens specifika yta.

Allmänt kommer luften att fördelas genom den första zonen med uppåt minskande hastig- heter. Typiskt sträcker sig dessa gränser mellan ungefär 0,23-0.33 kg luft per 0,45 kg lO 15 20 25 30 35 40 8002881-4 4 matningsmaterial per 0,30 m zontjocklek, vid bottnen av den primära zonen, till ca 0,03-0,07 kg luft per kg matningsmaterial per 0,30 m zontjocklek, vid toppen av den första zonen.

Den i förfarandet utnyttjade ångan har en temperatur av mindre än ungefär 3l6°C och i allmänhet är dess temperatur ungefär l2l-l49°C. Ånginjektionshastig- heten är normalt ungefär 0,0ll-0,09 kg per 0,45 kg matningsmaterial, baserat på fuktfritt material, och företrädesvis inom området mellan ungefär 0,02-0,07 kg per 0,45 kg. Medeluppehâllstiden för materialet i den första aktiveringszonen är mellan 3-180 min.; företrädesvis är uppehållstiden ungefär 5-90 min. och allra helst ungefär l5-60 min.

Fig. l är en schematisk bild som visar ett typiskt system, där aktiverings- förfarandet i ett steg enligt föreliggande uppfinning kan utföras; och Fig. 2 är en vertikal, tvärsnittsbild av en reaktor, med tillhörande apparatur, vilken är lämplig att användas i systemet enligt fig. l, och för utförande av för- farandet enligt uppfinningen.

Med hänvisning till fig. l finns i centrum av det däri visade systemet, en aktiveringsenhet, vilken allmänt har beteckningen 10. Matningsmaterial införes vid toppen av aktiveringsenheten genom ledningen 12 som står i förbindelse med en utjämningsbassäng l4, vilken i sin tur mottager matningsmaterialet fràn torken 16 genom den förbindande ledningen l8. Torken l6 matas, genom ledningen 22, med fuktigt matningsmaterial från mätbehàllaren 20, vilken matas (frân en källa som icke visas) genom ledningen l7. Torken 16 har en tillhörande fläkt 24, vilken tjänar till att driva ut de varma gaserna genom en uppsamlare för de finare fraktionerna 26 via ledningarna 25 och 27. Den har också en tillhörande brännare 28, där luft för förbränning tillföres brännaren 28 genom inloppet 30 och där bränslegas tillföres denna genom ledningen 32. Som synes är källan till bränsle- gasen aktiveringsenheten l0; den tas därifrån genom ledningen 33 och genom en gastvätt/kondensorenhet 34, med hjälp av en fläkt 36 med variabel hastighet och inducerad reduktionsgrad, och en del av gasen tages normalt ut från anordningen genom ledningen 38, vilken är förenad med ledningen 32, som en bränslegasprodukt.

En annan del av den bildade bränslegasen i enheten l0 föres genom ledningen 40 till en kokare 42, där vatten och förbränningsluft (införd genom ledningar 44 respektive 46) användes för att generera ånga, vilken föres till aktiverings- enheten 10 genom ledningen 50; utblâsningsgas avlägsnas från kokaren 42 genom ledningen 48. En lämplig blåsmaskin 52 tillför förbränningsluft till reaktorn l0 genom ledningen 54.

Med avseende på gastvätten/kondensorn 34, mera i detalj, kan den drivas med användande av en spray av pyrolytiska oljor, vilka framställes i aktiveringsenheten l0 (vilket komer att mera noggrant beskrivas nedan). Oberoende av dess egenskaper, föres gastvättmediet till enheten 34 fràn en lagringstank 56. De icke gasformiga 10 15 20 25 30 35 40 8002881-4 5 produkterna passerar från bottnen av gastvätten 34 in i en filtreringsenhet 58, från vilken filterkakan utvinnes och matas (tillsammans med det torkade matningsmaterialet) till toppen av aktiveringsenheten 10 genom ledningen 12 (ledningen 60, från filtreringsenheten 58, står i förbindelse med denna). Den olja som avlägsnas vid filtreringen återvinnes genom ledningen 68 till lagringstanken 56, från vilken en del kan bortföras genom ledningen 70 för andra syften (t.ex. som bränsleprodukt), om så önskas. Den fasta, aktiverade kolprodukten matas ut från botten av aktiveringsenheten 10 genom ledningen 62 och föres till en lagringsbehållare 64, varifrån den kan bortföras genom ledningen 72.

Med hänvisning till fig. 2, visas reaktorn 10, vilken består av en eld- fast fodrad vertikal schaktugn 74 och en övre vägg 75, med en mätande utmat- ningsanordning 76 vid den undre änden av schaktugnen 74 och en inmatningsmekanism, allmänt betecknad med siffran 78, nära den övre änden. Inmatningsmekanismen 78 består av en inloppskanal 80, vilken leder till en roterande ventil 82, och en förbindande skruvtransportdel B4. Genom den övre väggen 75 sträcker sig en avvägningsanordning, vilken består av ett fördelningshuvud 88 som är roterbart monterat på en axel 90 och vilken stödjes av en lämplig drivningsfixtur 92, varvid tryckavlastningsanordningar 96 är inrättade i denna övre vägg. En isolerad ledning 98 utgör en gasledning från toppen av reaktorn 10 och dessutom är här inrättat en lämplig temperaturdetektor 100 och en avstängningsmekanism 102, vilken syftar till att isolera reaktorn från de nedåtgående delarna av det avgående gassystemet.

En gastät, trycksatt kammare 104 är placerad vid botten av reaktorn 10, under den mätande utmatningsanordningen 76, i syfte att mottaga den varma, aktiverade kolprodukten; även denna är försedd med en tryckavlastningsanordning 106, vilken är inrättad på ventilledningen 108. Produkten avlägsnas från den trycksatta kammaren 104 med hjälp av en lutande skruvtransport 110, vilken står i förbindelse med en andra utmatningstransportör 112 genom en lämplig roterande ventil 114. Syftet med att använda roterande ventiler i föreliggande system är naturligtvis att begränsa införandet av luft till systemet; tryckavlaetningsanordningarna är inrättade för att skydda reaktorn mot explosiv förbränning, vilket kan ske trots de åtgärder som tagits för att förhindra luftläckage, speciellt då reaktorn normalt drives under ett svagt negativt tryck.

Diametralt placerade på sidväggarna av den vertikala schaktugnen 74 är en gammastrålegenerator 116 och en gammastråledetektor 118; dessa anordningar samverkar för att indikera toppnivån av bädden av material i schaktugnen 74 och syftar till att kontrollera (med hjälp av anordningar som inte visas) inmatníngsmekanismen 78. Genom väggarna av schaktet 74, vid fem nivåer, är luftinjektionsrör 120A-120E monterade; på en sjätte nivå, placerad under det lägsta röret 120E, finns ett ånginjektionsrör 122. Även om det inte visas, är luftrören 120 försedda med kylmantlar i syfte att cirkulera kylande vatten omkring dessa; 10 15 20 25 30 35 40 8002881-4 6 detta är väsentligt om rören skall kunna motstå, under en praktiskt anpassad tid, den intensiva hetta som de utsättes för. Icke heller visas det verkliga utseendet av rören 120 och 122, vilka i verkligheten består av ett system av rördelar, arrangerade som ett antal plana galler för att ge en maximalt enhetlig gasinförsel vid varje nivå, horisontellt genom bädden. Rören är också försedda med en mängd små hål, återigen i syfte att ge en enhetlig utmatning från dessa.

Det allmänna sätt på vilket reaktorn 10 drives inses lätt av en fackman.

Således införes matningsmaterialet genom mekanismen 78 och avsättes på den befintliga bädden som är innesluten i schaktugnen 74. Avvägningsanordningar roteras så att fördelningshuvudet 88 jämnt fördelar det råa materialet, varvid risken för kannelering (eller skorstenseffekten) av de uppàtgående gaserna genom bädden minimeras och varvid en korrekt mätning av bäddnivån med hjälp av gammastrål- anordningarna 116 och 118 gynnas. Den senare förmågan är naturligtvis viktig för en noggrann kontroll av förfarandet, vilket i sin tur är nödvändigt för att garantera att produkter med de önskade egenskaperna erhålles. Den mätande utmatningsanordningen 76 kontrollerar materialets nedgångshastighet genom reaktorn 10, varvid det tillåtes att passera i följd genom de olika zonerna som är inrättade däri, víket kommer att diskuteras mera detaljerat nedan. I varje fall matas slutligen den fasta, kolhaltiga produkten ut i den trycksatta kammaren 104, från vilken den avlägsnas med hjälp av skruvtransportörerna 110 och 112.

Grovt sett så fungerar förfarandet enligt föreliggande uppfinning på följande sätt: I och med att ett stationärt tillstånd har uppnåtts, torkar de uppåtgående varma gaserna först fullständigt matningsmaterialet och utsätter därefter det fasta materialet för pyrolys då det går nedåt genom den övre delen av reaktorn. Med hänvisning till fig. 2, sker dessa två effekter i torkzonen (betecknad A) resp. i den termiska sönderdelningszonen (betecknad B). Det varma, förkolnade materialet från pyrolysreaktionen inträder därefter i den första aktiveringszonen (betecknad C), där den luft som införes exotermiskt oxiderar lokalt genererat gasformigt bränsle. De resulterande varma gaserna värmer upp träkolen, varvid de endoterma aktiveringsreaktionerna understödjes. Speciellt reagerar det varma, förkolnade materialet med vattenånga och koldioxid, vilken finns närvarande i den första aktiveríngszonen, för att producera gasformigt bränsle, väte och kolmonoxid, då det förkolnade materialet aktiveras.

Den ånga som ínjiceras vid botten av den andra aktiveringszonen (beteck- nad D) kyler samtidigt det förkolnade materialet och för det till dess slut- liga aktiveringsnivå; ångan fungerar också som ett medium för termisk energi- överföring till de övre regionerna av bädden. Det inses att även om zonerna A-D, i fig. 2, ser ut att ha definitiva gränser, har detta gjorts enbart i illustra- tionssyfte och att gränserna däremellan i verkligheten är övergående och obe- stämde. lÛ l5 20 25 30 35 40 7 8002881-4 Ur kemisk synpunkt är reaktionen mellan kol och ånga, där ånga reagerar med glödande kol för att ge väte och kolmonoxid (vid temperaturer över 982°C) och kol- dioxid (vid temperaturer väsentligt under 982°C), fundamentala för aktiverings- mekanismen och för den omedelbara processen. Aktivering sker också genom reaktionen av kol med koldioxid för att ge kolmonoxid. Eftersom aktiveringsreaktionerna är starkt endoterma, förlitar sig föreliggande förfarande på de exotermiska gasfas- reaktionerna för att generera den termiska energi som är nödvändig för att under- stödja aktiveringsprocessen. De huvudsakliga gasfasreaktionerna (vilka sker i den första aktiveringszonen) omfattar oxidationen av väte och kolmonoxid till vatten (ånga) resp. koldioxid. Regenereringen av ånga och koldioxid i den första aktive- ringszonen, genom de angivna reaktionerna, är av fundemental vikt för uppfinningen, vilket mera noggrant kommer att diskuteras nedan.

I syfte att illustrera föreliggande uppfinning följer nedan specifika exempel.

EXEMPEL l Tallflis med en fukthalt av 5 vikts-% (på basis av vått material) matas med en hastighet av 2724 kg/timme (på basis av torrt material) till en reaktor, kon- struerad såsom visas i fig. 2. Bädden i reaktorn har en total höjd av ca 2,74 m, mätt från toppen av bädden till den mätande utmatningsanordningen, och fyra zoner kan identifieras i reaktorn. Vid betraktande av bädden från toppen och nedåt, komner först en torkzon av ca 0,30 mzs djup, en första aktiveringszon av ca 0,30 mzs djup, och en andra aktiveringszon av ca 0,91 m:s djup; under nivånför införning av ånga finns också en grund förutmatningszon. Bädden har vanligtvis ett cirkulärt tvärsnitt och en diameter av ca 2,13 m.

Inom den första aktiveringszonen finns fyra rörgaller för lufttillförsel, där gallren väsentligt överbryggar reaktorn och är placerade vid nivåer som är skilda från varandra med ett avstånd av 7,62 cm. Rören kyles av vatten för att skydda dem från de höga temperaturer som utvecklas i den första aktiveringszonen och de termiska förlusterna på grund av denna kylning är ca 50 kJ per 0,45 kg torrt matar- material som processats.

I och med att det stationära tillståndsförfarandet uppnåtts, följt efter starten, är hastigheten på den införda luften (i kg/timme) genom vardera av rör- gallren för luft, i sjunkande ordning (från toppen av zonen till bottnen): ll5, l35, l7l resp. 259, vilket ger en samlad injektionshastighet av 680 kg/timme. Under driftsförhållandena, utvecklar sig ett i huvudsak isotermiskt tillstånd i den första aktiveringszonen vid en temperatur av 982°C. Mättad ånga, vid en temperatur av l2l°C, införes vid bottnen av den andra aktiveringszonen med en hastighet av 320 kg/timme och torr, aktiverad kol utvinnes ur reaktorn vid en temperatur av 45400 och vid en hastighet av 638 kg/timme; kolet har en specifik yta av 600 m2/g. 8002881-4 8 EXEMPEL 2 En reaktor, med samma konstruktion som den som beskrivits i Exempel l ut- nyttjas; dock förändrad genom att här utnyttjas tio nivåer för luftinförseln.

Torkzonen är ungefär 0,30 m djup, den termiska sönderdelningszonen är ca l,22 m djup, den första aktiveringszonen är ca l.52 m djup och den andra aktiverings- zonen är ca 0,9l m djup. Samma matningshastigheter och matningsmaterial användes ocksâ, men till en fukthalt av l0 vikts-%.

Rören för lufttillförsel är skilda från varandra, från toppen till bottnen, med ett avstånd av 0,30 m mellan den första och den andra och den andra och den tredje nivån, med 0,l5 m mellan den tredje och den fjärde, fjärde och femte, femte och sjätte och sjätte och sjunde nivån och med ett avstånd av 0,08 m mellan den sjunde och åttonde, åttonde och nionde och nionde och tionde nivån.

Hastigheterna för lufttillförsel, från toppen till bottnen, är (i kg/timme): 213, 248, l47, l70, l93, 240, l35, l70, 205 och 332. Återigen upprätthålles en isoterm temperatur av 98200 i den första aktiveringszonen; men eftersom ett upp- nående av en optimal luftfördelning föreskriver ojämna avstånd mellan nivåerna, ökar inte, såsom kan noteras, de absoluta lufttillselhastigheterna enhetligt från toppen till botten, vilket var fallet i föregående exempel.

I detta läget införes mättad ånga vid l2l°C till en hastighet av 224 kg/timme, temperaturen på den avgående gasströmmen är 26800 och värmeförlusterna till kyl- systemet för rören för lufttillförsel är 369 kd per 0,45 kg torrt matningsmaterial.

Under dessa förhållanden utvinnes från reaktorn 478 kg/timme torr kolhaltig produkt, vilken aktiveras till en nivå av 900 m2/g vid en temperatur av 492,5°C.

Emedan vissa tidigare kända enkelstegsförfaranden ger den utvunna kolhaltiga produkten en viss grad av aktivering, rör sig föreliggande uppfinning om att uppnå en kommersiellt praktisk nivå av aktivering, erhållen_genom införsel av ånga och luft i enlighet med det nya som anges häri, hellre än med sådana passivt aktiverade material som av en tillfällighet kan framställas genom utnyttjandet av tidigare kända förfaranden. I Vid nivån av ca 400 m2/g, utgör det aktiverade kolet vad man vanligtvis be- nämner som en tröskelprodukt för kommersiella syften; ännu hellre bör produkten ha en aktiveringsnivå av minst 500 m2/g och företrädesvis är dess aktiveringsnivå inom området av ungefär 600-900 m2/g. För att om möjligt undvika missförstånd kan nämnas att ytvärdena som anges häri ärbaserade på en kvävebestämning. Det bör också nämnas att ett liknande, lämpligt sätt att karaktärisera absorptiviteten hos det aktiverade kolet är genom att uttrycka det som ett "jodnumer"; men de numneriska värdena kommer att vara huvudsakligen desamma oberoende av vilket system som användes.

Vad beträffar det specifika organiska matningsmaterialet, som är lämpligt att användas vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning, måste det naturligtvis vara 15 20 25 30 35 40 9 8002881-4 möjligt att utsättas för termisk sönderdelning för att framställa en fast kol- haltig produkt, vilken kan uppnå kommersiella nivåer av aktivering. Dessutom, ur praktisk synpunkt, föredrages om matningsmaterialet är en restprodukt som är lätt tillgänglig i rikliga mängder, för att maximera de ekonomiska faktorerna och fördelarna med uppfinningen. Således, medan ett antal lämpliga matningsmaterial är självklara för fackmannen inom området, är det mest önskvärda materialet för användning, träavfall, med tanke på de enorma mängder som erhålles i hela världen, på önskan efter en optimal slutanvändning av det och pä de höga kvaliteter av aktiverat kol som kan framställas. Andra lämpliga matningsmaterial som kan nämnas är socker- rörsbagass, halm, risskal, jordnötsskal och liknande jordbruksavfall. Det bör också nämnas att förfarandet inte kräver användandet av ett fullständigt oomvandlat matningsmaterial, eftersom material vilka har blivit karboniserade till en viss grad kan utgöra hela eller en del av det material som skall behandlas. I varje fall bör matningsmaterialet vara helt torrt, med en fukthalt av l0 %, vilket represen- terar en praktisk övre gräns; således kan det vara nödvändigt att förtorka mate- rialet för att göra det lämpligt att användas.

Det fasta materialet som omvandlas rör sig nedåt genom reaktorn som en packad bädd, i vilken skikt vid olika nivåer av reaktionen kan identifieras; detta skall ställas i kontrast mot vissa tidigare kända förfaranden där reaktionen sker i en fluidiserad bädd, i vilken materialet tenderar att vara homogent. Behovet av skikt- ning lägger på en praktisk övre gräns på den totala volymen luft och ånga som in- föres i reaktorn, eftersom en gasvolym i överskott tenderar att ge upphov till fluidisering.

Omkring 45,4 till 9080 kg matningsmaterial behandlas vanligtvis i en reaktor av den sort som beskrives ovan; detta ger vanligtvis ca 7,7-2088 kg/timme av akti- verat kol, varvid det är självklart att vikten av den fasta produkten som fram- ställts beror på dess aktiveringsnivâ. Med andra ord, eftersom mer kol måste kon- sumeras för att uppnå en högre grad av aktivering, minskas till en följd därav den kvantitet som skall utvinnas. Återigen, beroende på aktiveringsnivân hos produkten, uppnås typiskt omvandlingshastigheter av mellan l7-23 %, baserade på vikten av torrt matningsmaterial och torr produkt, vid utförandet av föreliggande uppfinning. i För praktisk drift, är vanligtvis uppehâllstiderna i den första aktiverings- zonen mellan 3 och l80 min. Mera allmänt är dessa tider i storleksordningen 50-90 min. och företrädesvis mellan l5-60 min., under förutsättning (i det senare fallet) att temperaturerna är ca 87l-98200 och produkten har en specifik yta av ungefär 400-600 m2/g. Således bör man hålla i minnet att uppehållstiden i den första aktive- ringszonen är en funktion av icke enbart temperaturen som råder däri, utan även av aktiveringsnivàn som den slutliga produkten skall ha. T.ex. om ett material med en aktiveringsnivâ av 400 m2/g skall framställas vid en temperatur av 98206, kan en lÛ l5 20 25 30 35 40 8002881-4 w uppehållstid av 5 min. i den första aktiveringszonen vara typisk. Å andra sidan om temperaturen höjes till l02l°C, kan uppehâllstiden minska till ca 3 min.

Ett grundläggande drag hos förfarandet enligt föreliggande uppfinning berör den kontrollerade lufttillförseln vid mellanregionen i bädden, vilken utgör den första aktiveringszonen. En väsentlig funktion hos luften är att ge den termiska energi som är nödvändig för att underhålla de endotermiska aktiveringsreaktionerna och att kompensera för värmeförlusterna till det skyddande kylsystemet, vilket är inrättat runt gallren för luftinförsel. En andra väsentlig funktion hos luften är att producera den största delen av den ånga som behövs för aktiveringsreaktionen, för att minimera mängden som tillföres externt. Slutligen är en noggrann kontroll av luften väsentlig för att undvika överhettning och överskott av exotern för- bränning av det fasta kolet.

Såsom angetts, tillföres den termiska energi som krävs för aktiveringsreak- tionerna genom den märkbara värme från kolet, vilken värme genereras genom gasfas- oxidationsreaktionerna som sker i den första aktiveringszonen. Men för att uppnå önskvärda aktiveringsnivåer är det avgörande att kolet inte överhettas, eftersom överhettning orsakar kollaps av porerna som utvecklas i kolet och vilka ger upphov till den höga specifika yta, och således aktivitet, sun erhålles. Även om allvarlig överhettning av kolet vanligtvis inte sker vid temperaturer under ll49°C, är det icke desto mindre lämpligt att begränsa temperaturen för det kolhaltiga materialet i den första zonen till ett maximum av ungefär 982°C till l038°C. Vid temperaturer under 76000, sker helt enkelt ingen effektiv aktiverings- reaktion; således utgör denna gräns en praktisk undre temperaturgräns vid vilken den första aktiveringszonen inte bör drivas. Å I För att ge en lämplig termisk energi i den första_aktiveringszonen, medan samtidigt undvikes överhettning av det förkolnade materialet, måste luften för oxidationen fördelas genom denna zonen på så sätt att man erhåller huvudsakligen isoterma förhållanden däri, vid en optimal temperatur. Detta kräver införandet av'luft till den första aktiveringszonen vid ett flertal (dvs. tvâ eller flera) nivåer och företrädesvis är antalet nivåer för lufttillförsel 3-5. Emedan tio (eller kanske flera) nivåer kan användas, bör det stå klart att alltför många luftrör tenderar att hindra reaktorn och således orsaka allvarliga driftsvårig- heter, genom att hindra de. naturliga gravitationsrörelserna för materialet på väg därigenom. Om, å andra sidan, all luft skulle införas på en enda nivå, skulle det vara nödvändigt att framkalla temperaturer av storleksordningen l37l-l538°C för att ge tillräcklig mängd termisk energi som kan understödja reaktionsför- hållandena,vilka är nödvändiga för att uppnå de önskade nivåerna av aktivering.

Dessutom tenderar en "sling-"effekt att utvecklas under sådana omständigheter, i den mån att genereringen av höga temperaturer kräver att mera kol konsumeras endotermiskt (eftersom lokal överhettning begränsar aktiveringen), varvid den lO l5 20 25 30 35 40 ii 8002881-4 ytterligare mängden kol, i sin tur, lägger krav på systemet om ett överskott av termisk energi.

Såsom antytts av exemplen, kan nivåerna för lufttillförseln vara, eller icke vara, placerade med jämnt avstånd från varandra. Således, emedan det vanligtvis är nödvändigt att införa luften med uppåt minskande hastigheter_(baserat på den mängd fast material som påverkas av syret), för att utveckla isoterma förhållanden i den första aktiveringszonen, kan inte luftinjektionshastigheterna på absolut basis variera på samma sätt. Det speciella arrangemanget och utseendet av luftrören beror på många faktorer, inklusive driftsförhållanden, naturen och kvaliteten hos mat- ningsmaterialet och den önskade produkten, utseendet och dimensionerna av bädden etc.

I varje fall har antalet luftnivåer och avståndet mellan dessa en grundläggande be- tydelse för hastigheten vid vilken luft införes vid en given nivå.

Det är ganska överraskande att upptäcka att, förutom att det kan vara nöd- vändigt att garantera att en minsta temperatur för de avgående gaserna av l8l°C upprätthålles (av orsaker som mera noggrant kommer att diskuteras nedan), mängden luft som införes är huvudsakligen oberoende av den energi som krävs för processerna som sker i de övre regionerna av bädden (dvs. torkning och pyrolys). Det syre som tillhandahålles är företrädesvis mindre än den mängd som teoretiskt skulle krävas för att oxidera samtliga gasformiga reaktionsprodukter som genereras i den första aktiveringszonen, för att därigenom minimera den exoterma oxidationen av närvarande kol. Det inses att oxidationen sker initiellt i gasformigt tillstånd; endast därefter kommer det fasta kolet att brännas i väsentlig mängd.

Den andra aktiveringszonen är naturligtvis den zon av bädden som ligger ovan- för nivån för ânginjektion och under den första aktiveringszonen, vilken allmänt definieras av den lägsta nivån för lufttillförsel. Angans primära funktion är värme- upptagning. I huvudsak är detta för syftet att ge termisk energi för att uppehålla processerna i den övre bädden av torkning och termisk sönderdelning av matnings~ materialet; men den tjänar också till att förvärma ångan innan denna inträder i den första aktiveringszonen (varvid undvikes termisk överbelastning eller över- hettning av närvarande kol vid botten av denna zonen), och att understödja den önskade temperaturen för de avgående gaserna. Angan ger också reaktanter som är nödvändiga för att initiera kol-ångreaktionen, vilken sker under processen men, vilket tidigare angetts, mängden införd ånga som krävs för att uppehålla reaktionen är minimal.

Således inses nu att aktiveringszonerna (till övervägande del i den första aktiveringszonen, där fritt syre är lätt tillgängligt), regenereras ånga konstant genom väteoxidation, och konsumeras genom reaktionen med kol. Således är det nöd- vändigt att införa till reaktorn betydligt mindre mängd ånga än vad som vore stökio- metriskt nödvändigt för att uppnå, med andra medel, de aktiveringsnivåer som ges enligt föreliggande förfarande; t.ex. kan mängden ånga vara mindre än den mängd som l0 l5 20 25 30 35 40 8002881-4 iz skulle åtgå om aktiveringen utfördes i en externt upphettad roterande brännugn.

Speciellt, i exempel l och 2 enligt ovan, är mängden ånga som injiceras i bädden l72 % resp. 52 % av de mängder som teoretiskt skulle krävas med hjälp av en externt upphettad roterande brännugn. Icke desto mindre bör det inses att det kan vara nöd- vändigt att använda även mer än den stökiometriska mängden ånga som krävs för en icke-regenerativ process, för att garantera närvaron av tillräcklig gasvolym i syfte att erhålla en lämplig massöverföring. Teoretiskt sett behöver den införda mängden ånga i syfte att aktivera endast vara så stor att den initierar kol-ångreaktionen med kol, med tanke på ångregenereringen som sker i den första aktiveringszonen.

Men användandet av en sådan teoretisk minimimängd anses inte praktisk, på grund av de djup hos bäddarna och de höga uppehâllstiderna som skulle bli nödvändiga för att tillfredsställa aktivering under sådana förhållanden. I varje fall kan sägas att mängden införd ånga inte behöver vara stökiometriskt relaterad till vikten av kolet, som skall aktiveras, och inte heller till den aktiveringsnivå som slutligen uppnås. En begränsning av mängden införd ånga bevarar inte enbart energi, utan inför även en frihetsgrad i processen. Således, eftersom ångan inte är en begränsande faktor, erbjudes avdrift i form av kylning och annan bearbetning av kolet,i en kontrollerbar atmosfär och inom variabla temperaturer och tidgränser. Den stabili- serar också aktiveringsprocessen genom att kontinuerligt byta ut ångomgivningen vilken råder inom reaktorn.

Typiskt träder det partiellt aktiverade kolhaltiga materialet från den första aktiveringszonen in i den andra aktiveringszonen vid en temperatur av ungefär 871- 98206; det utträder ur den andra aktiveringszonen vid en temperatur av ca 93-8l6°C.

Det bör påpekas att åtgärder vidtages för att förhindra, eller åtminstone minimera tillträdet av syre till den andra aktiveringszonen, eftersom sådana reaktioner som då skulle ske där skulle generera värme och konsumera kol, effekter varav inga är önskvärda i denna regionen av bädden.

Det material som tages ut från botten av reaktorn är en huvudsakligen torr, fast kolhaltig produkt med en aktiveringsnivâ av 400 m2/g eller högre. Dess för- hållande till mängden använt matningsmaterial kommer, såsom angetts tidigare, till viss grad att' bero på aktiveringsnivån som uppnåtts; icke desto mindre är typiska om- vandlingsförhållanden ungefär 0,17-0,27:l.0. Produktutbytet kommer också att variera beroende på många faktorer innefattande, i grunden, produktens aktiveringsnivå; t.ex. skulle ca l6 % av den träkol som framställts ur ett-matningsmaterial av tallved typiskt endotermiskt konsumeras för att ge en produkt med en aktiveringsnivå av 600 m2/g.

Förutom den fasta produkten, producerar föreliggande förfarande en gasformig produkt, vilken omfattar de gaser som passerar från den första aktiveringszonen, i kombination med förångade tjäror och oljor, och gaser som produceras av den termiska sönderdelningen och torkningen som sker i regionerna av bädden ovanför den första 10 l5 20 25 30 35 40 13 8002881-4 aktiveringszonen. Ur denna gasström, kan en fraktion kondenseras för att ge en pyrolytisk olja, vilken kan utnyttjas som en bränslekälla inom systemet, och/eller externt. Såsom angetts ovan, kan den pyrolytiska oljan också användas i syfte att tvätta gasströmmen, för att avlägsna fasta partiklar och för att ge en finare gas- formig produkt vilken naturligtvis också kan användas som en bränslekälla.

Temperaturen hos de utgående gaserna är vanligtvis inom området mellan l2l- 3l6°C, beroende på aktiviteten hos kolprodukten, fukthalten hos matningsmaterialet och mängden införd ånga. Såsom tidigare antytts, är en temperatur under l2l°C icke önskvärd; vid lägre temperaturer, sker ett överskott av kondensation på de relativt kalla partiklarna i de övre delarna av bädden, vilket orsakar överbryggning och i sista led hindrar rörelsen hos bädden genom reaktorn.

Vad beträffar utformningen är reaktorn vanligtvis_cylindrisk; tvärsnittsytan är normalt ungefär 0,09-9 m2, med en föredragen yta mellan l,39 och 3,72 m2, och ett typiskt värde på ungefär 2,32 m2. Djupet av den första aktiveringszonen är vanligtvis mellan 0,30 och l,52 m, varvid det grundläggande kännetecknet är att tillhandahålla ett tillräckligt djup för att ge en lämplig uppehållstid i syfte att uppnå den aktiveringsnivå som skall erhållas. Den andra aktiveringszonen är vanligtvis ungefär 0,6l-O,9l m djup och de övre bäddregionerna är vanligtvis unge- fär l.52 m djupa; således är det totala bäddjupet typiskt i storleksordningen av ungefär 2,74-3,96 m.

I föreliggande förfarande, kan vissa parametrar betecknas som antingen obe- roende eller beroende. De oberoende parametrarna (dvs. de som kan väljas och vara uppsatta) är: egenskaperna hos matningsmaterialet, dess fukthalt, processhastig- heten (dvs. matningshastigheten), den isoterma temperaturen hos den första aktive- ringszonen, aktiveringsnivån för den kolhaltiga produkten och dess utmatnings- temperatur. Beroende egenskaper (dvs. de som antingen är ett resultat av eller bestämmes av de oberoende parametrarna) innefattar: hastigheterna för processluften och den använda ångan, mängden värmeförluster till kylsystemet för lufttillförseln, temperaturen hos den avgående gasströmmen, utbytet av kolhaltig produkt och den teoretiska mängd ånga som krävs för aktiveringsreaktionen (i motsats till den mängd ånga som i verkligheten behöver införas i systemet). Således, i och med att aktive- ringsnivån, den första aktiveringszonens temperatur och värmeförlusterna är be- stämda eller kända, kan mängden processluft som kräves bestämmas. Vidare, genom specifisering av kolets utgångstemperatur, kan mängden processänga som injiceras bestämmas fullständigt,oberoende av den teoretiska (dvs. stökiometriska) mängd som konsumeras i en externt upphettad aktivator, som t.ex. en roterande brännugn.

Således är det inom rimliga gränser, vilket står klart för en fackman inom omrâdet, möjligt att fastlägga inmatningshastigheten för matningsmaterialet och fukthalten, kolproduktens aktiveringsnivå, den första aktiveringszonens temperatur och den första aktiveringszonens djup, samt därefter, på basis av dessa parametrar, bestämma lämpliga

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 40 8002881-4 14 värden för införselhastigheterna av luft och ånga, för luftfördelnings- profilen och för temperaturen av den avgående gasströmmen. Således är det tydligt att föreliggande uppfinning tillhandahåller ett varmed högt aktiverat kol kan framställas effektivt och ekono- i ett förfarande, miskt och med ett minimum av energiförbrukning. Förfarandet utföres enda steg och på ett sätt som är bekvämt och väl lämpet för kontrollerade variationer, för att på så sätt tillåta framställningen av ett antal önskvärda produkter. Det är möjligt att framställa en torr, relativt kall, fast produkt, varvid enkel behandling tillåtas och förfarandet är anpassat att utföras vid ett reaktionssystem som är relativt enkelt och billigt att konstruera och driva. Uppfinningen tillhandahåller ett förfarande för kon- tinuerlig framställning av aktivt kol med en kontrollerbar och reducerbar grad av aktivitetsnivå och adsorptionsegenskaper. Slutligen minimeras den mängd ånga som införes i reaktionskärlet och det finns inget behov av att tillföra något bränsle från en yttre källa för att understödja processen. All energi för processen tillföres genom den märkbara värme hos det förkolnade materialet, vilket i sin tur huvudsakligen genereras genom en exoterm, gas- fasoxidation av vätet och kolmonoxiden, vilken erhålles genom de endoterma aktiveringsreaktionerna. Den kontrollerade införseln av luft vid ett flertal nivåer och av ånga vid botten av reaktorn, möjliggör ett sådant förfarande, såvida överhettning av kolet undvikes och den konsumerade mängden minimeras. PATENTKRAV

1. Ett kontinuerligt förfarande i ett steg för framställning av en aktiverad, kolhaltig produkt med en yta av minst 400 m2/g, varvid: (a) ett huvudsakligen torrt, organiskt matningsmaterial införas vid toppen av en vertikal reaktor (10), vilket material sënderdelas termiskt till en gasformig komponent och en fast, aktiverad, kolhaltig produkt; (b) materialet kontinuerligt förflyttas, såsom en packad bädd med en förutbestämd hastighet, nedåt genom och ut ur botten av reaktorn (10), medan den gasformiga komponenten föres uppåt genom reaktorn; k ä n n e t e c k- n a t av att (c) luft ínjiceras i bädden vid ett flertal nivåer (120), vilka är vertikalt skilda från varandra och skilda från toppen och botten av reaktorn, för att etablera en första aktiveringszon (C) med väsentligt djup, varvid luften injiceras vid de olika nivåerna med skilda, oberoende av varandra kon- trollerade hastigheter för att fördela luften, och därmed göra den första zonen huvudsakligen isotermisk, med en enhetlig temperatur av mellan 76000 och ca 11sn°c; (d) lågtemperaturånga, huvudsakligen i frånvaro av syre, injiceras i 10 15 20 25 30 35 40 8002881-4 15 bädden vid ett ställe (122) skilt från och liggande under den första zonen för att etablera en andra aktiveringszon (D) av väsentligt djup under den första zonen, varvid ångan insprutas med en sådan hastighet att tillräcklig mängd termisk energi transporteras från den andra aktiveríngszonen till toppen av bädden för torkning och termisk sönderdelning av materialet.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den kol- haltiga produkten har en yta av mellan 600-900 m2/g och av att den enhet- liga temperaturen av materialet i den första aktiveríngszonen är ungefär a5o_1o0o°c.

3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t jiceras i den första aktiveríngszonen i en total mängd som ger en mindre mängd syre än den som stökiometriskt krävs för att oxidera alla gasformiga reaktionsprodukter som erhålles i denna zonen och så att den exoterma oxida- av att luft in- tionen av närvarande fast kol minimeras.

4. Förfarande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att den totala luftmängden är mindre än 1 kg luft per kg inmatat material, baserat på fukt- fritt material.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att den totala luftmängden är ca 0,2-0,8 kg luft per kg inmatat material och att den är proportionell mot ytan av produkten, varvid ytan är mellan ungefär 600 och 900 m2/9.

6. Förfarande enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att luften tillföres vid de olika nivåerna i den första zonen med uppåt minskande mängder.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att de obero- ende luftmängderna är omkring 0,50-0,70 kg luft per kg inmatat material per 0,30 m:s djup, vid botten av den första zonen, och ungefär 0,07-0,15 kg luft per kg inmatat material per 0,30 mzs djup, vid toppen av den första zonen.

8. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att luften in- jiceras in i den första aktiveríngszonen vid minst tre vertikalt skilda nivåer.

9. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den första aktiveríngszonen har en tvärsnittsyta av ungefär 0,1-10 mz, och företrädes- vis mellan ungefär 1,5-4 m2.

10. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den första aktiveríngszonen är ungefär 0,3-1,5 m djup.

11. förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att medeluppe- hållstiden av materialet i den första aktiveríngszonen är mellan 3 och 180 min., speciellt mellan 5 och 90 min. och företrädesvis mellan 15 och 60 min.

12. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ångtempe- 10 15 20 25 30 35 40 8002881 -4 16 raturen är mellan 120 och 150%.

13. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ånginjek- tionshastigheten är sådan att den ger ungefär 0,02 till 0,2 kg ånga per kg matningsmaterial, baserat på Fuktfritt material, och företrädesvis mellan 0,04 till 0,15 kg ånga per kg matningsmateríal.

14. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att matníngs- materialet innehåller mindre än 10 vikta-% Fukt, baserat på vikten av det fuktiga materialet.

15. Förfarande enligt krav 14, k ä n n e t e c k n a t av att matnings- materialet införas i reaktorn med en hastighet av ungefär 50-1000 kg/tim.