CN103420368B - 一种连续式制备活性炭的一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续式制备活性炭的一体化装置及方法。其特征是从储气罐输出的气体经换热器换热后形成高温可燃气体，与反应器内的有机固体物料发生热解反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐存储。燃气反向经过反应器后进入燃烧器燃烧；反应器内的焦炭被活化并降温形成活性碳。通过多个反应器的协同操作，达到连续式生产。燃气在活化过程中温度升高，大大提高燃烧效率。该方法中高温热解气同活性炭原料进行直接接触反应，增加了热传递效率；活性炭制取过程中产生的焦油被活性炭和物料吸附，避免了因焦油排放而产生的污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续式制备活性炭的一体化装置及方法，特别涉及到利用可燃气体作为媒介气制备活性炭，此工艺具有热传递快、热量利用率高、无焦油物质排放和活性炭的连续生产，此工艺全过程可实现污染物质的零排放。
背景技术
活性炭是一种具有丰富空隙和巨大比表面积的炭质吸附材料，它具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高，可再生等特点，被广泛用于工业、农业、国防、交通、医药卫生、环境保护等领域，其需求量随着社会经济发展呈逐年上升的趋势，尤其是近年来随着环境保护要求的日益提高，使得国内外活性炭需求量逐年增长，将煤炭、生物质材料通过热解的方法制备活性炭具有广阔市场应用价值
目前活性炭制备过程采用的活化炉主要为斯列普炉、回转炉、耙式炉、沸腾炉。这些活化反应炉在活性炭生产过程中存在诸多问题，主要包括以下几个方面：斯列普炉建造复杂对原料粒度及堆积密度有要求；回转炉结构材料复杂，燃料消耗大，产量较低；耙式炉造价较贵，结构材料复杂，生产过程有时需要补充热源，要求操作水平熟练；沸腾炉燃不高，料消耗大，质量不易控制，原料粒度范围要求严，得率不高。
目前活性炭制备过程主要存在问题：首先，采用传统的加热方式使活性炭的制备过程能耗较高，对热能的利用效率较低造成能源的大量浪费；其次，活性炭制备过程中产生水、大气、土壤污染，其中焦油的污染比较严重而且难以处理对环境的危害较大；第三：活性炭制备过程由于其大部分工艺包括了升温、反应和降温过程，是单批活性炭的生产周期过长从而导致效率较低；第四是大多数工艺的设备较为复杂运行成本高不易维护，不能保持稳定的活性炭品质。
发明内容
本发明提供一种连续式制备活性炭的一体化装置及方法，将活性炭制备过程产生的热解气体作为热载体热解原料，热解气体中含有的CO2、CO、H2、CH4等气体对焦炭具有活化作用，形成具有较多孔隙结构的活性炭；此外，以常温可燃气体作为冷却载体对高温活性炭进行冷却的同时，也回收了反应器中的热量；活性炭反应器多组并列，以保证工艺的连续运行。本发明技术方案如下：
本发明涉及的一种连续式制备活性炭的一体化装置包括燃烧器、换热器、反应器、储气罐、引风机和开关。燃烧器的燃气入口经开关与储气罐相连。燃烧器烟气出口与换热器的外管相连，引风机入口与换热器的外管出口相连。换热器的内管入口经输气管路与储气罐相连；换热器的内管出口分别经开关与反应器相连。每个反应器顶部还安装有一个与燃烧器的燃气入口相连接的管道，管路上安装有开关；反应器下端出口分别与储气罐连接。反应器个数不少于三组。反应器可以为单层固定床、分层炉篦式固定床、回转窑以及流化床。
可燃气体作为媒介气经换热器换热后形成高温载热气体，高温载热气体与反应器内的有机固体物料发生热解和活化反应，形成热解气和活性炭。产生的新的可燃热解气体和载热气体混合进入燃气储气罐作为可燃气体存储。热解活化反应完成后，高温载热可燃气进入另外的未反应的反应器进行热解活化反应。而储气罐中的冷态可燃燃气反向经过前一个已发生热解活化的反应器继续进行活化反应并为活性炭降温，冷态可燃气体经此预热过程后进入燃烧器燃烧，为高温载热气体提供热源；通过多个反应器的协同操作，达到连续式生产。
具体过程如下：
启动阶段，从储气罐内引出两条输气管路。从一条管路输出的燃气进入燃烧器燃烧并经换热器换热后通过引风机排出；从另一条管路输出的燃气经换热器充分换热后形成高温载热气体进入反应器A，与反应器A中的有机固体物料直接接触并发生热解、活化反应，产生热解气和焦炭，热解气和和载热气体混合进入储气罐存储。完成热解反应后，关闭输气管路L1。这时启动阶段结束。
从储气罐输出的冷态可燃气体反向经过已发生热解、活化反应的反应器A后，成为热态可燃气进入燃烧器燃烧，经换热器换热后通过引风机排出。储气罐内的冷态可燃气经反应器A后气体温度升高，进入燃烧器高效燃烧；在此过程中，反应器A内的焦炭被冷态可燃气体冷却、活化形成活性炭。
这时开始第二个反应器的反应。从储气罐经管路L2输出的冷态可燃气体经换热器换热后形成高温载热气体，反向与反应器B中的有机固体物料充分接触并发生热解、活化反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和高温载热气体混合进入储气罐存储。这时从储气罐输出的冷态可燃气体反向经过反应器B后气体温度升高，进入燃烧器高效燃烧后经换热器换热后通过引风机排出。反应器B内的焦炭被活化并降温，形成活性炭。
对于第三个反应器的反应时，从储气罐经管路L2输出的冷态可燃气体经换热器换热后形成高温载热气体，与进入反应器C内的有机固体物料充分接触发生热解、活化反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和高温载热气体混合进入储气罐存储。在这个过程中，卸除反应器A中的活性炭，并重新填装新的有机固体物料，准备下次反应。
从储气罐中的燃气反向经过反应器C后进入燃烧器燃烧，经换热器换热后通过引风机排出。反应器C内的焦炭被活化并降温，形成活性炭。这时从储气罐经管路L2输出的气体经换热器换热后形成高温可燃气体，与进入反应器A内的有机固体物料充分接触并发生热解、活化反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和载热气体混合进入储气罐存储。在这个过程中，卸除反应器B中的活性炭，重新填装新的有机固体物料，准备下次反应。
依次类推，整个流程循环往复。
本方案中所述燃气主要组分为CO、CH4、H2以及烷烃类气体。燃气既可以作为热解介质为反应提供热量，也可作为生产活性炭的活化介质。热解反应过程的反应温度范围为600-900℃，反应器A-C外部均用隔热材料包覆。反应器可以为三台并列运行，也可以为多台并列运行。
高温载热燃气在反应器内与物料接触，物料发生热解、活化反应，产生小分子气体和焦油物质，生成的活性炭在燃气的作用下发生活化反应。高温燃气经与物料换热后温度降低，以低于150℃的温度经管道流向储气罐。
活化完成后活性炭处于高温状态，此时将处于冷态的可燃气体通入反应器以达到迅速降温的目的，可燃气体温度快速升高；与此同时燃气燃烧放热通过热交换器最大程度回收利用。活性炭制取过程由升温过程、反应过程、降温过程，为了保证生产的连续性，整体制取***由多个炭化反应器并列组成，对于每个反应器而言是间歇操作，但整体来说则近似于连续操作，从而保证活性炭的连续生产能力。
本发明的效果和益处：
1．高温热解气同活性炭原料进行直接接触反应，增加了热传递效率，同时热解燃气作为活化气体对活性炭进行活化，充分利用了热解燃气的特性；
2.活性炭制取过程中产生的焦油被活性炭及固体物料吸附并在高温燃气进入时，分解为可燃的小分子气体，从而避免了因焦油排放而产生的污染问题。
3.活性炭的冷却采用常温可燃气体作为介质，一方面能够将活性炭迅速冷却大大缩短活性炭的制备周期，同时可燃气体将高温活性炭的热量回收后经过燃烧器和高效热交换器高效了回收利用了能量同时又减少了燃气的用量；
4.活化反应器采用多个反应器并排的方式，通过统筹安排合理利用了活性炭制取过程中升温时间、反应时间、冷却时间，实现设备连续运行，同时可根据实际情况添加活性炭反应器以满足不同产量的需求
附图说明
附图是一种连续式制备活性炭的一体化装置示意图
图中：1燃烧器；2换热器；3反应器A；4反应器B；5反应器C；6储气罐；7开关A；8开关B；9开关C；10开关D；11开关E；12开关F；13开关G；14引风机。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的实施例。
本发明的一体化制取活性炭***是由1燃烧器、2换热器、3反应器A、4反应器B、5反应器C、6储气罐、7-13开关A-G组成。
启动阶段，开关A（7）、开关C（9）-开关F（12）关闭，从储气罐内引出两条输气管路L1和L2。从L1输出的燃气进入燃烧器（1）燃烧并通过换热器（2）后通过引风机（14）排出；从L2输出的燃气进入换热器（2），经充分换热后形成高温燃气进入反应器A（3），在高温燃气的作用下，反应器A（3）中的有机固体物料发生热解反应，产生可燃热解气和焦炭，热解气和可燃气混合进入储气罐（6）存储。完成热解反应后，关闭输气管路L1上的开关G（13）。这时启动阶段结束。
打开开关A（7）、开关D（10），关闭开关B（8）。从储气罐输出可燃气体反向经反应器A（3）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器换（2）热后通过引风机（14）排出。储气罐（6）内的气体为冷态气体，经反应器A（3）后，反应器内的焦炭被冷却，冷却的过程同时也是焦炭的活化过程。冷却完成后形成活性炭。在这个过程中，从储气罐中流出的可燃气体温度升高，形成较高温度的燃气进入燃烧器燃烧。
从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器（2）换热后形成高温可燃气体，与进入反应器B（4）内的有机固体物料同样发生热解反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐存储（6）。热解反应完成后，关闭开关A（7）、开关D（10），打开开关C（9）。
同样，打开开关F（12），关闭开关E（11）。从储气罐输出可燃气体反向经过反应器B（4）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器换（2）热后通过引风机（14）排出。反应器B（4）内的焦炭被活化并降温，形成活性炭。从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器换（2）后形成高温可燃气体，与进入反应器C（5）内的有机固体物料发生热解反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐存储（6）。热解反应完成后，关闭开关C（9）、F（12），打开开关B（8）、开关E（11）。在这个过程中，卸除反应器A（3）中的活性炭，并重新填装新的有机固体物料，准备下次反应。
从储气罐（6）中反向经反应器C（5）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器（2）换热后通过引风机（14）排出。反应器C（5）内的焦炭被活化并降温，形成活性炭。从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器（2）换热后形成高温可燃气体，与进入反应器A（3）内的有机固体物料发生热解反应，形成热解气和焦炭。产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐存储（6）。在这个过程中，移除反应器B（4）中的活性炭，重新填装新的有机固体物料，准备下次反应。
Claims (3)
1.一种连续式制备活性炭的一体化方法，其特征在于，
连续式制备活性炭的一体化装置，包括燃烧器（1）、换热器（2）、反应器、储气罐（6）、引风机（7）和开关；燃烧器（1）的燃气入口经开关与储气罐（6）相连，燃烧器（1）烟气出口与换热器（2）的外管进口相连，引风机（7）入口与换热器（2）的外管出口相连；换热器（2）的内管入口经输气管路与储气罐（6）相连，换热器（2）的内管出口分别经开关与反应器相连；反应器顶部还安装有一个与燃烧器（1）的燃气入口相连接的管道，管路上安装有开关；反应器下端出口分别与储气罐（6）连接；反应器不少于三个；反应器为单层固定床、分层炉篦式固定床、回转窑或流化床；
利用连续式制备活性炭的一体化装置的方法，步骤如下：
开关A（7）、开关C（9）-开关F（12）关闭，从储气罐内引出两条输气管路L1和L2；从L1输出的燃气进入燃烧器（1）燃烧并通过换热器（2）后通过引风机（14）排出；从L2输出的燃气进入换热器（2），经充分换热后形成高温燃气进入反应器A（3），在高温燃气的作用下，反应器A（3）中的有机固体物料发生热解反应，产生可燃热解气和焦炭，热解气和可燃气混合进入储气罐（6）存储；完成热解反应后，关闭输气管路L1上的开关G（13）；
打开开关A（7）、开关D（10），关闭开关B（8）；从储气罐输出可燃气体反向经反应器A（3）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器（2）换热后通过引风机（14）排出；储气罐（6）内的气体为冷态气体，经反应器A（3）后，反应器内的焦炭被冷却，冷却的过程同时也是焦炭的活化过程；冷却完成后形成活性炭；在这个过程中，从储气罐中流出的可燃气体温度升高，形成较高温度的燃气进入燃烧器燃烧；
从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器（2）换热后形成高温可燃气体，与进入反应器B（4）内的有机固体物料同样发生热解反应，形成热解气和焦炭；产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐（6）存储；热解反应完成后，关闭开关A（7）、开关D（10），打开开关C（9）；
同样，打开开关F（12），关闭开关E（11）；从储气罐输出可燃气体反向经过反应器B（4）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器（2）换热后通过引风机（14）排出；反应器B（4）内的焦炭被活化并降温，形成活性炭；从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器（2）换热后形成高温可燃气体，与进入反应器C（5）内的有机固体物料发生热解反应，形成热解气和焦炭；产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐（6）存储；热解反应完成后，关闭开关C（9）、F（12），打开开关B（8）、开关E（11）；在这个过程中，卸除反应器A（3）中的活性炭，并重新填装新的有机固体物料，准备下次反应；
从储气罐（6）中反向经反应器C（5）后进入燃烧器（1）燃烧，经换热器（2）换热后通过引风机（14）排出；反应器C（5）内的焦炭被活化并降温，形成活性炭；从储气罐（6）经管路L2输出的气体经换热器（2）换热后形成高温可燃气体，与进入反应器A（3）内的有机固体物料发生热解反应，形成热解气和焦炭；产生的可燃热解气体和燃气混合进入储气罐（6）存储；在这个过程中，移除反应器B（4）中的活性炭，重新填装新的有机固体物料，准备下次反应。
2.根据权利要求1所述的一体化方法，其特征在于：燃气为CO、CH4、H2、烷烃类气体，燃气既是热解介质也是活化介质；热解反应过程的反应温度范围为600-900℃，反应器1-3外部均用隔热材料包覆。
3.根据权利要求1或2所述的一体化方法，其特征在于：高温燃气经与物料换热后温度降低，以低于150℃的温度经管道流向储气罐。
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