CN101885487A - 生物质批量连续制备活性炭的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质批量连续制备活性炭的装置及方法，其特征在于：该装置包括螺旋干燥装置(1)、螺旋炭化活化装置(2)、螺旋冷却装置(3)、燃烧炉(4)、余热锅炉(5)、循环风机(6)、送风机(7)、引风机(8)、烟囱(9)、调速电机(10)、喷淋塔(14)、废液循环池(15)、循环水泵(16)；螺旋干燥装置(1)设有加料口(11)、废气出口(1a)、干燥后物料出口(13)和盘管、夹套；螺旋炭化活化装置(2)包括炭化段(2-1)和与其导通的活化段(2-2)两个部分。本发明克服了目前活性炭制备工艺中热利用效率低、干燥/炭化/活化效率低以及生产过程不连续等缺陷。

Description

生物质批量连续制备活性炭的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种利用生物质批量连续制备活性炭的装置及方法，具有生产连续性、生物质物料适应性强、劳动强度低、热利用效率高、单位产品能耗低和无二次污染等特点。
背景技术
活性炭是一种优质的吸附剂，具有丰富的内部孔隙结构和较高的比表面积，随着工业的发展，其应用越来越广泛，目前已广泛应用于环保领域、农业、医药工业、食品工业和其他各个领域中。
我国是活性炭生产大国，活性炭的总产量仅次于美国居世界第二，出口量位于世界第一，每年活性炭出口量达到7～8万t。同时，随着工业的蓬勃发展，世界人口的不断增长和人民生活条件的不断改善，环境保护的加强和饮用水的需求等都将刺激活性炭产业的不断发展，价格低廉、性能好的活性炭将会有更大的市场。
活性炭的制备方法主要分为物理活化法和化学活化法。物理活化法是将原料先炭化，然后再用水蒸汽或者二氧化碳进行活化。化学活化法是将原料与化学药品(如磷酸、氯化锌、氢氧化钠等)混合浸渍一段时间后，将炭化与活化一步完成。传统制备活性炭的方法主要是化学活化法，原料是煤、木材和椰壳等。传统制备活性炭的方法有两方面的弊端，一方面是由于能源的匮乏，煤和木材等的价格呈上涨的趋势，使得活性炭的制备成本升高，活性炭的价格也随之升高，经济性不好。另一方面由于利用化学药品为活化剂，不仅对制备设备产生腐蚀，而且在制备活性炭的过程中污染了环境。鉴于此，近年来，对活性炭研究的热点之一是利用廉价的生物质原料和简单清洁的工艺来制备经济性高、吸附性能好的生物质活性炭。这样既防止了对环境的影响，又达到了变废为宝的目的，而且经济易得。
传统制备活性炭工艺和装置结构复杂。如鞍式炉，它有两个蓄热室和左右两个活化半炉组成，炉芯需要由三十多种特异型耐火砖砌成一排排如格子一样分布的产品道。该炉原料的适应性差，只能利用灰分含量少、灰分熔点高、比重大的物料，例如：煤炭、木炭和椰壳等，另外要求物料颗粒均匀，不能使用湿料。国家发明专利CN1382625A“一种竹质活性炭生产工艺”采用烟熏法和半真空烧制技术制备竹质活性炭，主要工序包括原料选择工序、原料装窖工序、烟熏脱水工序、干馏炭化工序、精炼工序、喷蒸汽工序和封窖工序。制备工艺繁琐，生产过程间断。国家发明专利CN1275528A“一种活性炭生产工艺”也存在生产过程间断性的缺陷。国家发明专利CN85103470A“活性炭的活化方法和设备”虽然在一定程度上实现了连续性生产，但是它采用设置隔板的方式翻拌物料，一旦原料过多或含湿量大时，原料就得不到充分的翻拌，造成加热不均匀和结瘤现象，制备的活性炭产品性能受到影响。
还有一种流态化活性炭制作技术即用烟道气与部分过热水蒸汽作为活化介质和流化介质，使炭颗粒在流态化状态下进行活化反应，该活化方式具有气-固接触好、传热快、活化均匀、活化时间短、反应气体成分易于控制等优点。其不足是单位产品的能耗相对较高、热利用效率低，约束了该炉型的推广应用。
综上所述，目前制备活性炭方法存在生产过程间断性、能耗相对较高、热利用效率低、工艺和结构复杂等缺点。
发明内容
技术问题：针对以上活性炭制备方法的不足，本发明设计了一种利用生物质批量连续制备活性炭的装置及方法。本发明克服了目前活性炭制备工艺中热利用效率低、干燥/炭化/活化效率低以及生产过程不连续等缺陷。本发明可用于废木材、果壳、鸡粪、污泥和垃圾等生物质来制备活性炭，具有结构简单、投资和运行成本低廉、制作容易、操作方便等特点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种生物质批量连续制备活性炭的装置，该装置包括螺旋干燥装置、螺旋炭化活化装置、螺旋冷却装置、燃烧炉、余热锅炉、循环风机、送风机、引风机、烟囱、调速电机、喷淋塔、废液循环池、循环水泵；
螺旋干燥装置设有加料口、废气出口、干燥后物料出口和盘管、夹套；螺旋炭化活化装置包括炭化段和与其导通的活化段两个部分；螺旋冷却装置设有活性炭出料口；
其中，螺旋干燥装置的干燥后物料出口与炭化段物料进口相连，螺旋干燥装置的废气出口与喷淋塔的进气口相连，喷淋塔通过循环风机与燃烧炉相连，喷淋塔底部的废液出口与废液循环池的废液进口相连，循环水泵分别与喷淋塔和废液循环池相连；
炭化段废气出口和活化段废气出口分别与燃烧炉的废气进口相连，燃烧炉的高温烟气出口与螺旋炭化活化装置的炭化段和活化段高温烟气进口分别相连；
炭化段的烟气出口和活化段的烟气出口与余热锅炉的烟气进口相连，余热锅炉的烟气出口与螺旋干燥装置的烟气进口相连，进入螺旋干燥装置内的盘管和夹套；余热锅炉的蒸汽出口与活化段的蒸汽入口相连；
螺旋冷却装置活性炭进口与活化段活性炭出口相连，送风机与螺旋冷却装置相连，螺旋冷却装置的热风出口与燃烧炉的热风进口相连；
引风机设置在螺旋干燥装置与烟囱之间，螺旋干燥装置和螺旋炭化活化装置的转速由调速电机控制。
本发明还提供了一种生物质批量连续制备活性炭的方法，该方法包括如下步骤：
A、生物质预先在螺旋干燥装置内进行充分干燥，螺旋干燥装置出来的废气进入喷淋塔，喷淋塔出来的不凝结性气体由循环风机送入燃烧炉，喷淋塔底部出来的废液进入废液循环池，一部分废液循环进入喷淋塔，一部分废液进入污水处理系统；
B、干燥后的生物质在螺旋炭化活化装置内依次发生炭化和活化，生物质在炭化和活化阶段产生的液态焦油、水和不凝结气体等副产物送入燃烧炉内；
C、生物质干燥、炭化和活化过程所需要的热量由燃烧炉提供，燃烧炉生成的850℃～900℃的高温烟气首先通入螺旋炭化活化装置的炭化段和活化段的盘管/夹套内，为生物质炭化和活化提供热源，由炭化段和活化段出来的600℃～700℃烟气随后进入余热锅炉，从余热锅炉出来的250℃～300℃烟气进入螺旋干燥装置的盘管和夹套内，为生物质干燥过程提供热源，余热锅炉产生的过热蒸汽作为活化段所需的活化气；
D、活化段出来的高温活性炭产品在螺旋冷却装置内进行冷却；由送风机提供冷却风进入螺旋装置的盘管和夹套内，对高温活性炭产品进行冷却，冷却后的活性炭产品由出料口排出，冷却产生的热风送入燃烧炉，作为燃烧炉的助燃风。
优选的，所述生物质干燥、炭化、活化、冷却均采用内外并热方式的螺旋盘管式装置。
优选的，干燥过程中：温度为80℃～110℃，干燥时间为30分钟～60分钟；炭化过程中：炭化温度为300℃～600℃，炭化时间为30分钟～60分钟；活化过程中：活化温度为600℃～700℃，活化时间为60分钟～90分钟；冷却过程中：活性炭冷却时间为15分钟～30分钟，活性炭出料温度为35℃。
优选的，所述的制备过程中产生的不凝结气体、焦油全部送入余热锅炉，热利用效率高，且无二次污染。
有益效果：
(1)采用螺旋盘管式装置对生物质进行干燥、炭化和活化，使干燥、炭化和活化达到内外并热的效果。本发明解决了现有技术在干燥、炭化和活化过程中受热不均匀和结瘤现象的弊端。
(2)加料、干燥、炭化、活化、冷却和出料过程均在连续情况下进行，避免了很多中间人工环节，能够实现连续性生产。
(3)干燥、炭化和活化过程产生不会产生二次污染，本发明把干燥过程产生的不凝结气体、炭化和活化过程产生的可燃气、灰尘、焦油等一并送入燃烧炉内进行燃烧，同时把冷却产生的热风作为燃烧炉的助燃风使用。
(4)本发明实现能量梯级利用，热利用效率高，单位产品能耗低。
(5)本发明采用干燥、炭化和活化工艺，通过调节螺旋的转速和盘管/夹套加热烟气温度，能有效控制干燥、炭化和活化速率，能够处理不同类型生物质制备活性炭，对原料的适应性强。
附图说明
图1是本发明的生物质批量连续制备活性炭方法的示意图，其中有：螺旋干燥装置1、螺旋炭化活化装置2、炭化段2-1、活化段2-2、螺旋冷却装置3、燃烧炉4、余热锅炉5、增压风机6、送风机7、引风机8、烟囱9、调速电机10、加料口11、活性炭出料口12、干燥后物料出口13、喷淋塔14、废液循环池15、循环水泵16。其中还包括：不凝结性气体a、水b、过热水蒸汽c、辅助燃料d、850℃～900℃烟气e、250～300℃烟气f、600℃～700℃烟气g、热风h、150℃左右烟气i。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明是一种利用生物质批量连续制备活性炭的装置及方法，生物质干燥、炭化、活化、冷却均采用内外并热方式的螺旋盘管式结构，可在连续不间段的情况下进行，可实现连续性生产。通过调节盘管轴转速和加热烟气温度可方便调节生物质干燥、炭化和活化所需的时间和温度。生产过程产生的不凝结气体、可燃气和焦油全部送入余热锅炉加以热量利用。整个系统热利用效率高、单位产品能耗低、无二次污染。
参见图1，本发明提供的生物质批量连续制备活性炭的装置包括螺旋干燥装置1、螺旋炭化活化装置2、螺旋冷却装置3、燃烧炉4、余热锅炉5、循环风机6、送风机7、引风机8、烟囱9、调速电机10、喷淋塔14、废液循环池15、循环水泵16；
螺旋干燥装置1设有加料口11、废气出口1a、干燥后物料出口13和盘管、夹套；螺旋炭化活化装置2包括炭化段2-1和与其导通的活化段2-2两个部分；螺旋冷却装置3设有活性炭出料口12；
其中，螺旋干燥装置1的干燥后物料出口13与炭化段2-1物料进口2a相连，螺旋干燥装置1的废气出口1a与喷淋塔14的废气进口14a相连，喷淋塔14通过循环风机6与燃烧炉4相连，喷淋塔14底部的废液出口与废液循环池15的废液进口相连，循环水泵16分别与喷淋塔14和废液循环池15相连；
炭化段2-1废气出口和活化段2-2废气出口分别与燃烧炉4的进口4a相连，燃烧炉4的高温烟气出口4b与螺旋炭化活化装置2的炭化段2-1和活化段2-2高温烟气进口分别相连；
炭化段烟气出口和活化段烟气出口与余热锅炉5的烟气进口5a相连，余热锅炉5的烟气出口5b与螺旋干燥装置1的烟气进口相连，进入螺旋干燥装置1内的盘管和夹套；余热锅炉5的蒸汽出口5c与活化段2-2的蒸汽入口相连；
螺旋冷却装置3活性炭进口与活化段2-2活性炭出口相连，送风机7与螺旋冷却装置3相连，螺旋冷却装置3的热风出口与燃烧炉4的热风进口相连；
引风机8设置在螺旋干燥装置1与烟囱9之间，调速电机10与螺旋干燥装置1和螺旋炭化活化装置2相连。
本发明还提供了一种生物质批量连续制备活性炭的方法，该方法包括如下步骤：
(1)生物质预先在螺旋干燥装置1内进行充分干燥，螺旋干燥装置1出来的气体进入喷淋塔14，干燥过程产生的不凝结性气体由循环风机6送入燃烧炉4，喷淋塔14底部出来的废液进入废液循环池15，一部分废液循环进入喷淋塔14，一部分废液进入污水处理系统；
(2)干燥后的生物质在螺旋炭化活化装置2内依次发生炭化和活化，生物质在炭化和活化阶段产生的液态焦油、水和不凝结气体等副产物送入燃烧炉4内；
(3)生物质干燥、炭化和活化过程所需要的热量由燃烧炉4提供，燃烧炉4生成的850℃～900℃的高温烟气e首先通入螺旋炭化活化装置2的炭化段2-1和活化段2-2的盘管和夹套内，为生物质炭化和活化提供热源，由炭化段2-1和活化段2-2出来的600℃～700℃烟气g随后进入余热锅炉5，从余热锅炉出来的250℃～300℃烟气f进入螺旋干燥装置1的盘管和夹套内，为生物质干燥过程提供热源，余热锅炉5产生的过热蒸汽作为活化段2-2所需的活化气；
(4)活化段2-2出来的高温活性炭产品在螺旋冷却装置3内进行冷却；送风机7提供的冷却风进入螺旋装置的盘管和夹套内，对高温活性炭产品进行冷却，冷却后的活性炭产品由出料口12排出，冷却产生的热风送入燃烧炉，作为燃烧炉的助燃风。
(5)所述生物质干燥、炭化、活化、冷却均采用内外并热方式的螺旋盘管式装置。
(6)干燥过程中：温度为80℃～110℃，干燥时间为30分钟～60分钟；炭化过程中：炭化温度为300℃～600℃，炭化时间为30分钟～60分钟；活化过程中：活化温度为600℃～700℃，活化时间为60分钟～90分钟；冷却过程中：活性炭冷却时间为15分钟～30分钟，活性炭出料温度为35℃。
(7)所述的制备过程中产生的不凝结气体、焦油全部送入余热锅炉。
本发明具有如下特点：
(1)本发明采用水蒸汽活化法，清洁易于控制，水蒸汽易与炭化料反应，能够制备出高比表面积的活性炭产品。相比于化学活化法，价格低廉、环境效益好；相比于二氧化碳活化法，水蒸汽活化法能够制备出中孔型的活性炭，此种活性炭对印染废水的处理效果佳。并且水蒸汽比二氧化碳更容易得到。
(2)生物质原料在螺旋盘管式装置中进行干燥。在螺旋盘管的作用下，生物质一边干燥一边向前运动。生物质得到充分干燥后，所含的水分基本蒸发完毕。
干化后的物料直接落入螺旋炭化活化装置。在螺旋盘管的作用下，一边炭化一边向前运动。炭化后的生物质随即进入活化段，与水蒸汽反应进行活化，使炭化后的生物质得到开孔和扩孔作用。充分活化后的活性炭产品落入螺旋冷却装置，冷却后的活性炭产品由出料口直接排出。此生产过程避免了很多中间人工环节，能够实现自动、连续性生产。
(3)生物质的干燥是活性炭制备工艺中重要的环节，主要目的是降低或除去物料中的水分，保持和改善生物质的品质，为后续的炭化和活化提供更佳的原料。本发明采用螺旋盘管式干燥结构，它的传热面由盘管和夹套两部分组成，螺旋盘管是整个装置的核心，它除了起到搅拌和输送生物质作用外，同时也是装置的传热体。随着盘管轴的旋转，生物质一边翻滚一边向前输送，并且同时从盘管和夹套的表面上吸收热量。螺旋干燥装置出来的气体进入喷淋塔，干燥过程产生的不凝结性气体由循环风机送入燃烧炉。喷淋塔底部出来的废液进入废液循环池，一部分废液循环进入喷淋塔，一部分废液进入污水处理系统。
(4)除了干燥外，制备活性炭的重要环节还包括炭化和活化。本发明的炭化、活化和冷却也采用螺旋盘管式装置，炭化是指生物质在加热温度上升的过程中失去挥发分而变成无定型碳，主要目的是要得到适宜于活化的初始孔隙和具有一定机械强度的炭化料，炭化后的生物质的孔隙结构更加发达，为以后活化过程的水蒸汽与炭反应创造了更好的条件。活化过程是利用水蒸汽与碳的氧化反应，使炭化物的孔隙结构更加发达的过程。在活化过程中，水蒸汽和停留在孔隙内的细小碳碎片和一部分炭骨架发生反应，活性炭的孔隙结构更加发达，吸附表面积也随之增加，制备出的活性炭的吸附性能也增大。
(5)生物质炭化和热解过程中产生的可燃气和焦油送入燃烧炉内进行燃烧，螺旋冷却装置产生的热风作为燃烧炉的助燃风。燃烧炉出口高温烟气(850℃～900℃)先通入炭化段和活化段上的盘管和夹套内为炭化和活化提供热量。从炭化、活化段出来的烟气(600℃～700℃)再通入余热锅炉内，产生过热蒸汽，作为活化段的活化气。从余热锅炉内出来的烟气(250～300℃)通入干燥装置的盘管和夹套内，为生物质干燥提供热源。整个系统热利用效率高，单位产品能耗低，无有害物质排放，对环境无污染。

Claims (5)

1.一种生物质批量连续制备活性炭的装置，其特征在于：该装置包括螺旋干燥装置(1)、螺旋炭化活化装置(2)、螺旋冷却装置(3)、燃烧炉(4)、余热锅炉(5)、循环风机(6)、送风机(7)、引风机(8)、烟囱(9)、调速电机(10)、喷淋塔(14)、废液循环池(15)、循环水泵(16)；
螺旋干燥装置(1)设有加料口(11)、废气出口(1a)、干燥后物料出口(13)和盘管、夹套；螺旋炭化活化装置(2)包括炭化段(2-1)和与其导通的活化段(2-2)两个部分；螺旋冷却装置(3)设有活性炭出料口(12)；
其中，螺旋干燥装置(1)的干燥后物料出口(13)与炭化段(2-1)物料进口(2a)相连，螺旋干燥装置(1)的废气出口(1a)与喷淋塔(14)的进气口(14a)相连，喷淋塔(14)通过循环风机(6)与燃烧炉(4)相连，喷淋塔(14)底部的废液出口与废液循环池(15)的废液进口相连，循环水泵(16)分别与喷淋塔(14)和废液循环池(15)相连；
炭化段(2-1)废气出口和活化段(2-2)废气出口分别与燃烧炉(4)的废气进口(4a)相连，燃烧炉(4)的高温烟气出口(4b)与螺旋炭化活化装置(2)的炭化段(2-1)和活化段(2-2)高温烟气进口分别相连；
炭化段(2-1)的烟气出口和活化段(2-2)的烟气出口与余热锅炉(5)的烟气进口(5a)相连，余热锅炉(5)的烟气出口(5b)与螺旋干燥装置(1)的烟气进口相连，进入螺旋干燥装置(1)内的盘管和夹套；余热锅炉(5)的蒸汽出口(5c)与活化段(2-2)的蒸汽入口相连；
螺旋冷却装置(3)活性炭进口与活化段(2-2)活性炭出口相连，送风机(7)与螺旋冷却装置(3)相连，螺旋冷却装置(3)的热风出口与燃烧炉(4)的热风进口相连；
引风机(8)设置在螺旋干燥装置(1)与烟囱(9)之间，螺旋干燥装置(1)和螺旋炭化活化装置(2)的转速由调速电机(10)控制。
2.一种生物质批量连续制备活性炭的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
A、生物质预先在螺旋干燥装置(1)内进行充分干燥，螺旋干燥装置(1)出来的废气进入喷淋塔(14)，喷淋塔出来的不凝结性气体由循环风机(6)送入燃烧炉(4)，喷淋塔(14)底部出来的废液进入废液循环池(15)，一部分废液循环进入喷淋塔(14)，一部分废液进入污水处理系统；
B、干燥后的生物质在螺旋炭化活化装置(2)内依次发生炭化和活化，生物质在炭化和活化阶段产生的液态焦油、水和不凝结气体等副产物送入燃烧炉内(4)；
C、生物质干燥、炭化和活化过程所需要的热量由燃烧炉(4)提供，燃烧炉(4)生成的850℃～900℃的高温烟气(e)首先通入螺旋炭化活化装置(2)的炭化段(2-1)和活化段(2-2)的盘管/夹套内，为生物质炭化和活化提供热源，由炭化段(2-1)和活化段(2-2)出来的600℃～700℃烟气(g)随后进入余热锅炉(5)，从余热锅炉出来的250℃～300℃烟气(f)进入螺旋干燥装置(1)的盘管和夹套内，为生物质干燥过程提供热源，余热锅炉(5)产生的过热蒸汽作为活化段(2-2)所需的活化气；
D、活化段(2-2)出来的高温活性炭产品在螺旋冷却装置(3)内进行冷却；由送风机(7)提供冷却风进入螺旋装置的盘管和夹套内，对高温活性炭产品进行冷却，冷却后的活性炭产品由出料口(12)排出，冷却产生的热风送入燃烧炉，作为燃烧炉的助燃风。
3.根据权利要求2所述的生物质批量连续制备活性炭的方法，其特征在于：所述生物质干燥、炭化、活化和冷却均采用内外并热方式的螺旋盘管式装置。
4.根据权利要求2或3所述的生物质批量连续制备活性炭的方法，其特征在于：干燥过程中：温度为80℃～110℃，干燥时间为30分钟～60分钟；炭化过程中：炭化温度为300℃～600℃，炭化时间为30分钟～60分钟；活化过程中：活化温度为600℃～700℃，活化时间为60分钟～90分钟；冷却过程中：活性炭冷却时间为15分钟～30分钟，活性炭出料温度为35℃。
5.根据权利要求1所述的生物质批量连续制备活性炭的方法，其特征在于：所述的制备过程中产生的不凝结气体和焦油全部送入余热锅炉，热利用效率高，且无二次污染。
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