CN103372421A - 一种球状活性碳的活化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球状活性碳的活化装置，其为一直立式流动塔，并包含：活化加热部，该活化加热部包含蒸汽供应器及加热单元，其中该蒸汽供应器设置于该加热单元外；而该加热单元用于容置球状活性碳，并该加热单元***环设有电热器；以及冷热部，该冷却部设置于该活化加热部之下。利用本发明所述的装置，可有效针对经多次使用(经多次吸附、脱附)的球状活性碳进行蒸汽高温的活化再生，以提升重复使用的球状活性碳的使用效能。

Description

一种球状活性碳的活化装置

技术领域

本发明涉及一种球状活性碳的活化装置，尤其涉及一种直立式流动塔，其用于流体化浮动床的吸附***中球状活性碳的活化再生。

背景技术

传统上，利用高孔隙率、高比表面积的吸附材，借助吸附作用去除挥发性有机气体(Volatile Organic Compounds，VOCs)的吸附法净化技术，一般多使用固定床的吸附***；而固定床吸附***是通过两塔或多塔批式操作方式，进行废气的吸附及吸附饱和后的吸附材料再生，唯在遇有高反应性的VOCs处理时，常因被吸附的化学品在吸附时与吸附材产生触媒氧化放热反应(例如酮类与活性碳吸附材)，导致固定床内部散热不佳而大量热聚集，进而发生碳床着火或***问题；于是，为了改善固定床吸附***的此项缺点，而发展出一种流体化浮动床或简称流体化床(Fludized Bed)的吸附***或者是蜂巢状沸石转轮浓缩器(Rotary Type Concentrator)搭配焚化炉***。

再者，公知流体化浮动床吸附***的吸附流程如图1所示，废气以一风机14自一气流入口13送入一吸附塔10的底部，而废气气流通过一气流分散板12分散后，与由上落下的球状活性碳30接触，即可用来净化废气并从塔顶的气流出口15排放该经净化气体；其中，该吸附塔10的内部借助多个多孔板11分隔成数层，而该球状活性碳30经由该吸附塔10的顶端落下，而在该等多孔板11的上方形成流体化浮动层，并沿着该等多孔板11一层一层的开口部落下，当该球状活性碳30与含有VOCs的废气接触时，将废气中的VOCs被吸附于球状活性碳30的孔洞内，废气即变成净化气体排放；然而，吸附VOCs后的球状活性碳30落至该吸附塔10底部的贮槽后，借助一吸附材输送装置20运送至后续的脱附程序，在进行脱附再生工作后送回该吸附塔10的顶端。

其次，该流体化浮动床吸附***的脱附流程如图1右半部所示，吸附VOCs后的球状活性碳30落至该吸附塔10底部的贮槽后，通过该吸附材输送装置20的一输送气源22，以其所送出的空气或氮气形成推送力，经由出料管21、第一输送转接器23、输送管路24及第二输送转接器25送至脱附塔40的顶端，进行脱附再生的工作；而脱附再生后的球状活性碳30则以第三输送转接器26、第四输送转接器27及进料管28送回该吸附塔10的顶端。

其中，待脱附再生的球状活性碳30于该脱附塔40的一脱附反应器41慢慢往下堆积流动，并经由一脱附热源42加热，再由该脱附塔40下方的脱附气源43吹入氮气与该球状活性碳30接触，将该球状活性碳30中的VOCs脱附；脱附后的球状活性碳30经该脱附塔40底部冷却后，由上述的输送流程送回该吸附塔10上端，再度吸附VOCs；而经脱附出来的高浓度废气，则以氮气流经由一脱附气体管路44携带至冷凝塔50进行冷凝，而冷凝液体由一回收槽52回收，另外，冷凝气体则从气体出口53排出。

然而，现有流体化浮动床吸附***中，球状活性碳在该脱附塔中进行脱附再生反应，但于该脱附再生过程中IPA及Acetone可在脱附温度250℃下几乎完全脱附(残存量＜1％)，但是含IPA的活性碳在加热热点超过250℃时，会热分解反应不凝结气体Propene，当热点温度超过350℃时其转化率分别可高达90％以上。但由于Propene本身为极低沸点不易凝结的可燃性气体且活性高，尤其在含有铁、钴、镍等还原金属触媒存在的高温条件下更易进行碳化反应，如果在球状活性碳中进行碳化反应，将会生成非定型碳，如此一来将会阻塞球状活性碳内的微孔洞，加速球状活性碳的劣化(降低比表面积及微孔体积等)，缩短使用寿命。

因此，流体化浮动床处理的VOCs中若同时含有IPA或Acetone或聚合物(例如：单乙醇氨或苯乙烯或环己酮...等)或高沸点VOCs(例如：二甲基甲酰氨或单乙醇氨或DOP...等)的话，其使用的球状活性碳在多次的脱附再生反应后，因为高温热点热分解反应出Propene、聚合物聚合残留或高沸点VOCs残留而产生碳化生成非定型碳而无法脱附再生的问题，造成球状活性碳微孔洞的阻塞，进而缩短该球状活性碳的使用寿命，同时也影响到流体化浮动床的净化效能，为此而必须进行活性碳活化作业。

然而，一般公知活化设备(例如：卧式旋转炉活化单元)，因为占据空间且无法确保活化均匀性与无氧环境避免氧化反应，而致使每公斤价格为比一般煤基柱状活性碳高15-50倍价格的(沥青基)球状活性碳在市场上无法有效活化再生问题，导致流体化浮动床的应用普及性下降。

发明内容

为了改善上述公知技术所面临的问题，本发明的目的在提供一种球状活性碳的活化装置，该活化装置为一直立式流动塔，其包含：

活化加热部，该活化加热部包含蒸汽供应器及加热单元，其中该蒸汽供应器设置于该加热单元外，用以提供蒸汽至该加热单元中；而该加热单元用于容置球状活性碳，并该加热单元***环设有电热器，该电热器用以将该加热单元中的球状活性碳与蒸汽加热至750～900℃；以及

冷却部，该冷却部设置于该活化加热部的下方，其为冷却经高温活化的球状活性碳。

如上所述的活化装置，进一步包含有加热器，该加热器设置于该蒸汽供应器与加热单元之间，用以将该蒸汽供应器所提供的蒸汽加热成为过热蒸汽，再提供至该加热单元中。

如上所述的活化装置，进一步包含氮气供应器，该氮气供应器设置于该冷却部外，自该冷却部的末端处提供氮气以氮封整个活化装置。

如上所述的活化装置，其中该活化加热部内部环设有幅射状排列的多个加热鯺片，用以传导该电热器的热能均匀加热球状活性碳与蒸汽。

如上所述的活化装置，其中该冷却部为一均温热交换结构。

如上所述的活化装置，其中该均温热交换结构为均温热交换管壳热交换器或均温热交换板式热交换器。

如上所述的活化装置，其进一步结合有流体化吸附塔，以循环活化该流体化吸附塔中的球状活性碳。

如上所述的活化装置，其中该球状活性碳的活化为一种在线活化程序。

因此，本发明所提出的一种球状活性碳的活化装置，其可针对经多次吸附、脱附的球状活性碳进行活化程序，使得球状活性碳中孔洞被阻塞现象减少，从而延长了球状活性碳的使用寿命，进而改善重复使用球状活性碳的流体化浮动床的净化效能。

下列实验设计为说明，不应限制本发明的范畴，合理的变化，诸如对于熟习本领域技术人员显而易见为合理者，可于不脱离本发明的范畴下进行。

附图说明

图1为本发明领域中现有流体化浮动床吸附***吸附流程的示意图。

图2为本发明一具体实施例中球状活性碳的活化装置的示意图。

图3为本发明另一具体实施例中球状活性碳的活化装置的示意图。

图4为本发明中球状活性碳的活化装置冷却部的剖面图。

图5为本发明中球状活性碳的活化装置加热单元的剖面图。

图6为本发明中球状活性碳的活化装置结合现有流体化浮动床的示意图。

【主要组件符号说明】

10    吸附塔

11    多孔板

12    气流分散板

13    气流入口

14    风机

15    气流出口

20    吸附材输送装置

21    出料管

22    输送气源

23    第一输送转接器

24    输送管路

25    第二输送转接器

26    第三输送转接器

27    第四输送转接器

28    进料管

30    球状活性碳

40    脱附塔

41    脱附反应器

42    脱附热源

43    脱附气源

44    脱附气体管路

50    冷凝塔

52    回收槽

53    气体出口

60    活化加热部

61    加热单元

62    电热器

63    加热鯺片

64    蒸汽供应器

65    蒸汽入口

66    活化衍生气体出口

67    活化装置入口

68    活化装置出口

69    加热器

70    冷却部

71    冷媒入口

72    冷媒出口

73    冷却管束

74    横隔板

75    氮气入口

76    氮气供应器

100   球状活性碳之活化装置

200   球状活性碳之活化装置

具体实施方式

如图2所示，本发明的一具体实施例所述的一种球状活性碳的活化装置100，该活化装置100为一直立式流动塔，其包含有：一活化加热部60及一冷却部70；其中该活化加热部60包含有蒸汽供应器64及加热单元61，其中该蒸汽供应器64设置于该加热单元61之外，用以提供蒸汽至该加热单元61中；而该加热单元61用于容置球状活性碳30(本实施例采用直径0.65mm左右的沥青基球状活性碳)，并该加热单元61的***环设有电热器62，该电热器62用以将该加热单元61中的球状活性碳与蒸汽加热至750～900℃，以使容置于加热单元61中的球状活性碳完成活化再生；同时，该冷却部70设置于该活化加热部60的下方，用于冷却经高温活化的球状活性碳30。

而球状活性碳30在本发明所提供的一种球状活性碳的活化装置100的活化再生过程如后所述(参照图2)，球状活性碳30自活化装置入口67进入该球状活性碳的活化装置100中，当球状活性碳30自上而下流动堆积于该加热单元61中时，自该蒸汽供应器64提供蒸汽经一蒸汽入口65进入该加热单元61中，使蒸汽填满已容置球状活性碳30的加热单元61，此时，环设于该加热单元61***的电热器62将加热单元61中的蒸汽加热至750～900℃，使自上而下流动的球状活性碳30于该加热单元61流动时间超过60分钟以上，以完成球状活性碳30的活化再生；其中蒸汽与球状活性碳内残留的非结晶碳等反应为氢气与一氧化碳等衍生气体经活化衍生气体出口66排出(并可进一步连结一衍生尾气处理单元于排放前加以净化处理；例如冷凝器或氧化器)；而完成活化再生的球状活性碳30则进入冷却部70进行冷却，因为完成活化再生的球状活性碳30于刚完成活化再生时，其温度高达750℃之上，于此高温下的球状活性碳30若未能实时降温，当与空气中的氧接触后易发生氧化反应，而使球状活性碳30被氧化，而失去做为吸附材的效能，同时球状活性碳30表面也易于产生碳粉化而较易磨损。

在本发明中的冷却部70为一均温热管壳交换器(也可替代为一板式交换器)的结构，提供球状活性碳30的冷却反应的进行，而本发明中的均温热管壳交换器其横切面如图5所示，在该均温热管壳交换器中设有多个冷却管束73，而高温的球状活性碳30即流经该等冷却管束73中以进行降温至常温，而在该冷却部70中冷却管束73的***则充满冷媒，该冷媒为水或其他可供冷却的介质，在本实施例中，冷媒为常温的冷却水从一冷媒入口71进入该冷却部70中，最后经由一冷媒出口72流出该冷却部70，在该冷却部70中设有横向配置的多个横隔板74，使得冷却水于该冷却部70中沿着图2中该冷却部70内的虚线方向前进，以均匀的冷却该冷却部70内的各个冷却管束73，使高温的球状活性碳30于流经该等冷却管束73后得以快速降温，而自本发明中球状活性碳的活化装置100底端之一活化装置出口68向外输出，完成球状活性碳30的活化再生。

此外，在本发明中球状活性碳的活化装置100内，在该活化加热部60之上、下两端各设有一组分散密封段，此乃本发明中该活化装置100为一直立式流动床，所欲活化再生的球状活性碳30采取由上而下的流动方式进行活化再生，因此该等球状活性碳30自上而下流动落下时呈现如同因重力而自由落下散料的堆放方式，而散料在堆放时能够保持自然稳定状态的最大角度(单边对地面的角度)，称为”安息角”，当堆放散料时，散料自上而下流动落下时会自然形成该安息角，而该安息角形成后，再往上堆加同一散料，散料即为自然溜下，保持这个角度只会增高，而本发明中的球状活性碳30其直径约为0.65mm，堆积密度介于0.55～0.8g/cm³，其安息角则介于26～29。，而该等球状活性碳30在该堆积安息角下可产生密封作用。

本发明的另一具体实施例为如图3所示的一种球状活性碳的活化装置200，该活化装置200同样为一直立式流动塔，其包含有：活化加热部60及冷却部70；其中该活化加热部60含一蒸汽供应器64、电热器62、加热单元61、加热器69及多个加热鯺片63；而该冷却部70的外部另设有一氮气供应器76。

其中，该等加热鯺片63辐射排列环设于该加热单元61的内部，可参见图5，该等加热鯺片63为用以传导环设于该加热单元61外部的电热器62所提供的热能来加热球状活性碳与蒸汽，使得在该加热单元61中的蒸汽可以快速升温；并于该球状活性碳的活化装置200稳定操作时，也可借助该等散热鯺片63而使得该加热单元61内的热能快速均匀的加热内部的球状活性碳与蒸汽(主要是因活化过程为吸热反应，快速均匀的加热可充分避免内部温度不足现象)，可有效减少该球状活性碳的活化装置200的操作时间。

此外，在该活化加热部60中进一步包含有加热器69，该加热器69设置于该蒸汽供应器64与该加热单元61之间，将该蒸汽供应器64所提供的蒸汽加热成为过热蒸汽，再提供至该加热单元中，以避免所提供的蒸汽热度不足而使得经蒸汽入口65进入该加热单元61中的蒸汽凝结水造成球状活性碳30结块堵塞而影响球状活性碳30均匀流动性，而影响到球状活性碳30的活化再生效果。

再者，该球状活性碳的活化装置200进一步包含有氮气供应器76，该氮气供应器76设置于该冷却部70外，自该冷却部70末端的一氮气入口75提供氮气至整个球状活性碳的活化装置200中，以99.0～99.99％的氮气来氮封整个球状活性碳的活化装置200，再结合前述在该活化加热部60上、下两端所设置的分散密封段，使整个球状活性碳的活化装置200为氮气所完全氮封，阻绝其他成份的气体，如：空气、氧气等，使球状活性碳30在该活化加热部60的蒸汽高温活化过程及该冷却部70的降温冷却过程中减少与其他气体接触氧化的机会，可有效提升球状活性碳30的活化再生效能。

本发明的再一具体实施例为如图6所示，将本发明中球状活性碳的活化装置100直接取代现有技术(图1)中的脱附塔40，直接将球状活性碳30流经本发明的球状活性碳的活化装置100进行活化再生，以取代原来脱附塔40所进行的脱附再生，使得该等球状活性碳得以活化再生，以提供更好的吸附效能，并该活化再生也可为一在线活化再生程序。

此外，本发明的球状活性碳的活化装置100也可以与现有技术的脱附塔40并联使用，即在吸附塔10中经吸附后的球状活性碳30，可依据需要流经一脱附塔40进行脱附再生，也可选择流经该球状活性碳的活化装置100进行活化再生(在线活化再生程序)。

实施例

将球状活化碳进行孔洞测试，分别以未使用过新的球状活性碳(对照组)，在分别含有50-300ppmv的IPA、单乙醇氨(MEA)的废气环境下经过多次吸附、在线加热脱附后的失活球状活性碳(比较实施例1)、经由一般公知卧式活化设备活化再生的球状活性碳(比较实施例2)、经由本发明图2具体实施例活化再生的球状活性碳(实施例1)、经由本发明图3所示具体实施例活化再生的球状活性碳(实施例2)等，其中实施例1以及实施例2的球状活性碳30于该加热单元61流动时间分别为75分钟及60分钟，进行该等球状活性碳的孔洞分析，其结果如下表所示。

表1、球状活性碳之孔洞分析

上述表1的结果显示出，未使用过新的球状活性碳(对照组)其比表面积约为1100～1200m²/g，总孔洞容积约为0.58cm³/g，而经过多次吸附、在线加热脱附后的失活球状活性碳(比较实施例1)其比表面积为106m²/g，总孔洞容积为0.058cm³/g，即其吸附效果仅为全新的球状活性碳的十分之一左右，而经一般公知卧式活化设备活化再生的球状活性碳(比较实施例2)其比表面积为780m²/g，总孔洞容积为0.391cm³/g，小于

微孔体积为0.250(cm³/g)，仅占63.9％(0.250/0.391＝0.639)(全新活性碳为84.5％＝0.486/0.575)，明显有微孔因活化而产生微孔直径扩大的扩孔化现象，同时活性碳表面有明显氧化/碳化而呈现暗黑，手搓有灰份；而经本发明所提供的球状活性碳的活化装置所活化再生的球状活性碳(实施例1及实施例2)其比表面积分别为888m²/g及970m²/g，总孔洞容积分别为0.447cm³/g及0.491cm³/g，其比表面积约为全新的球状活性碳的8至9成间，其总孔洞容积则为全新的球状活性碳的8成左右，小于

微孔体积分别为0.356cm³/g及0.388cm³/g，分别占79.6％(0.356/0.447＝0.796)及79.0％(0.388/0.491＝0.790)，活化后微孔扩孔现象不明显，同时活性碳表面与全新的球状活性碳相同呈现光亮，手搓完全无灰份，明显较经脱附再生后或现有的活化设备所得的球状活性碳的比表面积及总孔洞容积高，可有效提升球状活性碳多次使用后的活性再生效能。

经由上述的实施例可证明，本发明的一种球状活性碳的活化装置，可有效针对经多次使用的球状活性碳进行蒸汽环境下高温的活化再生，以提升球状活性碳的使用效能，且可与现有的流体化浮动床的吸附***中的吸附塔及脱附塔进行并联使用，也可进行球状活性碳的在线活化再生，且其功效相较于原有脱附塔的脱附再生有其显着功效，因此为一经济、有效的球状活性碳的活化再生装置。

Claims (8)

1.一种球状活性碳的活化装置，其特征在于，该活化装置为一直立式流动塔，其包含：

活化加热部，该活化加热部包含有蒸汽供应器及加热单元，其中该蒸汽供应器设置于该加热单元外，用以提供蒸汽至该加热单元中；而该加热单元用于容置球状活性碳，并该加热单元***环设有电热器，该电热器用以将该加热单元中的球状活性碳与蒸汽加热至750～900℃；以及

冷却部，该冷却部设置于该活化加热部之下，其用以冷却经高温活化的球状活性碳。

2.如权利要求1所述的活化装置，其特征在于，还包含一加热器，该加热器设置于该蒸汽供应器与加热单元之间，用以将该蒸汽供应器所提供的蒸汽加热成为过热蒸汽，再提供至该加热单元之中。

3.如权利要求1所述的活化装置，其特征在于，还包含一氮气供应器，该氮气供应器设置于该冷却部外，自该冷却部的末端处提供氮气以氮封整个活化装置。

4.如权利要求1所述的活化装置，其特征在于，该活化加热部内部环设有幅射状排列的多个加热鯺片，用以传导该电热器的热能均匀加热球状活性碳与蒸汽。

5.如权利要求1所述的活化装置，其特征在于，该冷却部为一均温热交换结构。

6.如权利要求5所述的活化装置，其特征在于，该均温热交换结构为均温热交换管壳热交换器或均温热交换板式热交换器。

7.如权利要求1至6中任一项所述的活化装置，其特征在于，其进一步结合流体化吸附塔，以循环活化该流体化吸附塔中的球状活性碳。

8.如权利要求7所述的活化装置，其特征在于，该球状活性碳的活化为在线活化程序。

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