Пирогенетическая переработка растительных отходов в активированный уголь

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников

ПИРОГЕНЕТИЧЕСКАЯ 

ПЕРЕРАБОТКА 

РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ 

В АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 674.04:658.567.1
ББК 37.13:30.69

С21

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

директор ЗАО «Ласкрафт» канд. техн. наук Е. К. Воронин

директор ООО НПО «Политехнологии» канд. техн. наук В. А. Салдаев

С21 

Сафин Р. Г. 
Пирогенетическая переработка растительных отходов в активированный уголь : монография / Р. Г. Сафин, В. Г. Сотников; Минобрнауки 
России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 
2022. – 108 с. 

ISBN 978-5-7882-3157-0 

Представлено современное состояние техники и технологии термохимической переработки сырья растительного происхождения: рассмотрены методы переработки биомассы, механизмы термического разложения древесины, приведены математическая модель, аппаратурное оформление способа термохимической переработки растительных отходов. 
Предназначена для инженерно-технических работников, аспирантов и студентов. 
Подготовлена на кафедре переработки древесных материалов. 

ISBN 978-5-7882-3157-0 
© Сафин Р. Г., Сотников В. Г., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 

УДК 674.04:658.567.1 
ББК 37.13:30.69 

2

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение.........................................................................................................................6

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ 
ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ В АКТИВИРОВАННЫЙ 
УГОЛЬ............................................................................................................................7

1.1. Растительные отходы, классификация и направления их переработки........7

1.2. Основные сведения об активированном угле ..................................................8

1.3. Способы получения активированного угля ...................................................11
1.4. Аппаратурное оформление процесса получения активированного угля....12

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ 
ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ В АКТИВИРОВАННЫЙ 
УГОЛЬ ..........................................................................................................................17

2.1. Физическая картина процесса получения активированного угля из 
растительных отходов .............................................................................................17
2.2. Формализация термохимического процесса разложения растительных 
отходов......................................................................................................................18

2.3. Математическое описание процесса переработки растительных отходов 
в активированный уголь..........................................................................................19

2.3.1. Математическое описание процесса подготовки отходов 
к термохимическому разложению ......................................................................20

2.3.2. Математическое описание процесса конвективной сушки отходов.....23

2.3.3. Математическое описание процесса кондуктивного пиролиза 
отходов...................................................................................................................25

2.3.4. Математическое описание процесса паровой активации древесного 
угля .........................................................................................................................28

2.3.5. Математическое описание процесса конвективного охлаждения 
активированного угля...........................................................................................31

2.3.6. Математическое описание процесса вакуумной сушки 
активированного угля...........................................................................................34

2.3.7. Математическое описание процесса сепарации пиролизных газов......35

2.3.8. Математическое описание процесса охлаждения топочных газов 
и перегрева водяного пара ...................................................................................38

2.3.9. Математическое описание процесса абсорбции отработанных 
топочных газов......................................................................................................42

2.4. Алгоритм расчета процесса получения активированного угля ...................45

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ 
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ....48

3.1. Описание экспериментального стенда для исследования процесса 
получения активированного угля, неконденсированного горючего газа 
и пиролизного дистиллята ......................................................................................48

3.2. Методики проведения экспериментов и обработка экспериментальных 
данных.......................................................................................................................50

3.3. Анализ результатов исследований физического и аналитического 
моделирования .........................................................................................................51

3.3.1. Анализ результатов исследований пневматического 
транспортирования измельченных отходов.......................................................51

3.3.2. Анализ результатов исследований конвективной сушки 
измельченных отходов .........................................................................................52

3.3.3. Анализ результатов исследований кондуктивного пиролиза отходов .....54

3.3.4. Анализ результатов исследований сепарации пиролизных газов, 
активационных газов и технологической воды.................................................57

3.3.5. Анализ результатов паровой активации древесного угля ......................58

3.3.6. Анализ результатов исследований конвективного охлаждения 
активированного угля...........................................................................................59

3.3.7. Анализ результатов исследований вакуумной сушки активированного 
угля .........................................................................................................................60

3.3.8. Анализ результатов исследований теплообмена между топочным 
газом и водяным паром .........................................................................................61

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ 
ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ 
В АКТИВИРОВАННЫЙ УГОЛЬ..............................................................................63

4.1. Описание установки для производства активированного угля ...................63

4.2. Исследования органических отходов как объекта пирогенетической 
переработки ..............................................................................................................66

4.2.1. Методика расчета зоны подготовки отходов...........................................66

4.2.2. Методика расчета зоны конвективной сушки .........................................68

4.2.3. Методика расчета зоны кондуктивного пиролиза...................................73

4.2.4. Методика расчета зоны паровой активации древесного угля................77

4.2.5. Методика расчета зоны конвективного охлаждения активированного 
угля .........................................................................................................................80

4.2.6. Методика расчета зоны вакуумной сушки активированного угля........81

4.2.7. Методика расчета конденсатора пиролизных газов................................82

4.2.8. Методика расчета пароперегревателя ......................................................84

4.2.9. Методика расчета абсорбционной установки..........................................85

4.3. Технико-экономическое обоснование термохимической переработки 
растительных отходов в активированный уголь ...............................................86

Заключение ..................................................................................................................94

Библиографический список .......................................................................................96

5 

В В Е Д Е Н И Е

Расширение сырьевой базы для получения востребованных 

в промышленности материалов является важной задачей химической 
технологии. Особый интерес представляет использование возобновляемых растительных ресурсов, запасы которых постоянно пополняются, 
но практически не используются.

В России ежегодно образуется большое количество раститель
ного сырья, его объем достигает 400 млн м3. Существуют эффективные 
технологии переработки углеродосодержащих отходов, одной из которых является пирогенетическое разложение отходов с получением древесного угля. Активирование древесного угля перегретым паром еще
больше расширяет круг применения данного продукта, делая из него 
отличный адсорбент, пользующийся спросом во многих отраслях промышленности.

Мировое потребление активированных углей составляет около 

1,5 млн т в год и продолжает расти уверенными темпами. При этом основное количество активированного угля производится из невозобновляемых ресурсов. Потребители активированного угля в России испытывают дефицит в высококачественных активированных углях, ведь до 
60 % от всего рынка активированного угля в РФ импортируется, при 
этом большая доля импорта приходится на страны Азии, где контролю 
за производством активированного угля уделяется недостаточно внимания, и уголь в Россию ввозится порой низкого качества. 

Использование активированного угля в промышленности: произ
водство пищевых продуктов – до 38 %, для технологического использования – до 34 %, для решения вопросов окружающей среды – до 16 %, 
для очистки питьевой воды – до 5 %, в производстве медицинских препаратов – до 5 %.

Разработка новых ресурсо- и энергосберегающих технологий по
лучения активированного угля является крайне актуальной задачей 
ввиду высокой востребованности угля в промышленности и низкой стоимости сырья, из которого возможно его получение. 

Г л а в а 1 .  С О В Р Е М Е Н Н О Е  С О С Т О Я Н И Е  Т Е Х Н И К И  
И Т Е Х Н О Л О Г И И  П Е Р Е Р А Б О Т К И  Р А С Т И Т Е Л Ь Н Ы Х  

О Т Х О Д О В  В  А К Т И В И Р О В А Н Н Ы Й  У Г О Л Ь

1 . 1 . Р а с т и т е л ь н ы е  о т х о д ы , к л а с с и ф и к а ц и я  

и н а п р а в л е н и я  и х  п е р е р а б о т к и

Растительные отходы – это группа отходов, основой состава ко
торых является лигниноуглеводный комплекс целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина (табл. 1.1). В свою очередь, лигниноуглеводный комплекс данных отходов образован такими химическими элементами, как 
углерод С (до 49,5 %), кислород O (до 44,1 %), водород Н (до 6,3 %) 
и азот N (~0,12 %). Высокое содержание углерода в составе растительных отходов дает возможность получать ценный адсорбент – активированный уголь.

Таблица 1.1

Компонентный состав основных видов растительных отходов, %

Растительное

сырье

Лигниноуглеводный комплекс
Иные 

вещества
Целлюлоза
Гемицеллюлоза
Лигнин

Древесные отходы
44
22,4
29
4,6

Лузга 
подсолнечника
22,6
30,7
29,1
17,6

Косточки фруктов
60
8
–
32

Льняная ткань
71,2
18,6
2,2
8

Хлопковая ткань
91,8
–
0,7
7,5

Скорлупа грецкого 
ореха
30,4
21,4
48,2
–

Картон
94
–
–
6

В различных литературных источниках описаны многочислен
ные способы получения активированного угля из сырья растительного 
происхождения [1, 2, 41]. Эффективным способом утилизации растительных отходов является кондуктивный пиролиз. Пирогенетическому 

разложению может быть подвергнуто любое растительное сырье. В соответствии с технологией сырье при необходимости измельчают, перемешивают, сушат, пиролиз проводят в герметичных камерах с подводом тепла от стенок или других конструктивных элементов аппаратурного оформления. Для удаления тяжелых вредных примесей производят активацию паром высокой температуры.

1 . 2 . О с н о в н ы е  с в е д е н и я  о б  а к т и в и р о в а н н о м  у г л е

Активированный (или активный) уголь (от лат. carbo activatus) 

представляет собой адсорбент – вещество с высокоразвитой пористой 
структурой, которое получают из различных углеродсодержащих материалов органического происхождения [9, 51]. Активированный уголь 
с точки зрения химии – это одна из форм углерода с несовершенной 
структурой, практически не содержащая примесей. Активированный 
уголь на 87–97 % в своей массе состоит из углерода, также может содержать водород, кислород, азот, серу и другие вещества. Активный 
уголь имеет огромное количество пор и поэтому обладает очень большой поверхностью, вследствие чего характеризуется высокой адсорбцией (1 г активного угля в зависимости от технологии изготовления 
имеет поверхность от 500 до 1500 м2). Увеличение пористости активного угля происходит во время специальной обработки – активации, которая 
значительно 
увеличивает 
адсорбирующую 
поверхность

[12, 40, 58].

Структура. В активированных углях различают макро-, мезо
и микропоры. В зависимости от размеров молекул, которые нужно 
удержать на поверхности угля, должен производиться уголь с разными 
соотношениями размеров пор. 

Поры в активном угле классифицируют по их линейным разме
рам, а именно по полуширине Х (для щелевидной модели пор) и радиусу (для цилиндрической или сферической модели):

Х < = 0,6–0,7 нм – микропоры;
0,6–0,7 < Х < 1,5–1,6 нм – супермикропоры;
1,5–1,6 < Х < 100–200 нм – мезопоры;
Х > 100–200 нм – макропоры.

В порах активного угля существует межмолекулярное притяже
ние, которое приводит к возникновению адсорбционных сил (вандерваальсовые силы), которые по своей природе сродни силе гравитации,
с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбируемые вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков [57].

Классификация. Активированный уголь классифицируется по 

типу сырья, из которого он изготовлен (каменный уголь, древесина, кокос и т. д.), по способу активации (термохимическая и паровая), по 
назначению (газовые, рекуперационные, осветляющие и угли-носители 
катализаторов –химосорбентов), а также по форме выпуска. В настоящее время активированный уголь в основном выпускается в следующих формах:

– порошковый активный уголь;
– гранулированный (дробленый, частицы неправильной формы) 

активный уголь;

– формованный активный уголь;
– экструдированный (цилиндрические гранулы) активный уголь;
– ткань, пропитанная активным углем.
Порошковый активированный уголь имеет частицы размером ме
нее 0,1 мм (более чем 90 % общего состава). Используется для промышленной очистки жидкостей, включая очистку хозяйственно-бытовых 
и промышленных сточных вод [51]. 

Гранулированный активированный уголь имеет частицы разме
ром от 0,1 до 5 мм (более чем 90 % состава). Используется для очистки
жидкостей, в основном для очистки воды. 

Формованный активированный уголь – это активированный 

уголь в форме различных геометрических фигур в зависимости от области применения (цилиндры, таблетки, брикеты и т. д.). 

Экструдированный уголь выпускается с частицами в форме ци
линдров диаметром от 0,8 до 5 мм, как правило, пропитывается специальными химическими веществами и применяется в катализе.

Основные характеристики. Гранулометрический размер – это

размер основной части гранул активного угля.

Насыпная плотность – масса материала, заполняющего единицу 

объема под действием собственного веса.

Твердость (или прочность) определяется экспериментально. 

Проба активированного угля подвергается воздействию механической 

нагрузки, а мерой прочности служит количество образовавшихся при 
разрушении угля мелких фракций.

Влажность – количество влаги, содержащейся в активном угле.
Зольность – количество золы в активном угле.
рН водной вытяжки – значение рН водного раствора после кипя
чения в нем навески активного угля.

Защитное действие – измерение времени адсорбции углем опре
деленного газа до начала пропускания минимальных концентраций газа 
слоем активированного угля. Данный тест применяют для углей, используемых для очистки воздуха. Чаще всего активный уголь тестируется по бензолу или четыреххлористому углероду.

СТС-адсорбция (адсорбция по четыреххлористому углероду) –

процесс контроля начинается с того, что через объем активированного 
угля пропускают четыреххлористый углерод, насыщение происходит
до постоянной массы, далее получают количество адсорбированного 
пара, отнесенное к навеске угля в процентах ( %).

Йодный индекс (адсорбция йода, йодное число) – это количество 

йода, которое может адсорбировать 1 грамм активированного угля в порошкообразной форме из разбавленного водного раствора. Единица измерения – мг/г.

Адсорбция по метиленовому голубому – количество миллиграм
мов метиленового голубого, поглощаемое одним граммом активированного угля из водного раствора. Единица измерения – мг/г.

Обесцвечивание мелассы (мелассовое число, или индекс, показа
тель по мелассе) – количество активированного угля в миллиграммах,
необходимое для 50 % осветления стандартного раствора мелассы
[10, 13].

Области применения. Активированный уголь – крайне востребо
ванный продукт, имеющий широкий спектр применения в качестве адсорбента. Основные области применения активированного угля:

– для водоподготовки (очистка воды от диоксинов и ксенобиоти
ков, углевание);

– в пищевой промышленности активированный уголь позволяет 

удалять токсичные загрязнения, а также улучшать цвет, вкус и запах 
алкогольной и иной продукции;

– в химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей 

промышленности с помощью углеродных сорбентов очищается и повышается сортность желтого фосфора, осветляются пластификаторы, 
а также синтетические смолы. Кроме того, не обходится без