CN103599681A - 一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置及其尾气连续处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，包括加热排气管、氧化塔和回收室，加热排气管的出气口连接氧化塔的上部，氧化塔的顶部开设通风口，底部为斜面构造并设有出口与回收室连接，回收室设有喷淋装置和排气扇，其上部具有排放口；本发明还提供一种应用上述装置的碱活化制造活性炭的尾气连续处理方法，尾气的气流方向为：从氧化塔上部进入后，向下移动，自氧化塔的下部排出氧化塔，从回收室的下部进入，从回收室的上部排出；本发明能够连续处理碱活化制造活性炭产生的废气，彻底解决了碱金属的安全问题，使碱活化制造高比表面积活性炭的产业化连续生产变为可能。并且，活化气体中的有害有机物成分能在处理过程中被燃烧去除、喷淋吸收，处理后的碱金属能被回收利用。

Description

一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置及其尾气连续处理方法

技术领域

本发明涉及产业化碱活化制造活性炭的碱金属连续安全处理装置和方法。 

背景技术

高比表面积活性炭拥有极其发达的细孔结构，作为吸附剂在各种领域被广泛地应用。另外，在固体触媒、触媒载体等方面的应用也极具前景。近年来，高比表面积、高纯度的活性炭作为超级电容器（EDLC）以及燃料电池的电极材料倍受注目。活性炭制造时的活化方式一般分为气体活化和药品活化，气体活化是采用二氧化碳、水蒸气等气体来进行的；药品活化是通过氯化锌、磷酸、碱金属氢氧化物（KOH、NaOH等）等化学药品来活化的。而其中KOH的活化效果最好，不但所得的活性炭比表面积高、细孔分布合理，而且活性炭的收率也高，制备的碱活化活性炭是目前最适合的超级电容器等的关键电极材料。但是，碱活化技术应用于活性炭的产业化连续制造还是有困难的。因为KOH经活化后一部分以碳酸钾等化合物的形式残留在产物中，另一部分以金属钾蒸气的形式随热气流离开反应炉（容器）。由于碱金属的凝固点高，碱金属蒸气在遇冷时易凝固，在排气管内壁析出并成长为碱金属结晶体，在遇到空气、水分时会激烈反应，可能会伴随着燃烧、爆炸的危险发生。这种生产安全隐患的存在，导致该活性炭的产业化的困难。 

因此，在利用KOH等进行碱活化大量生产活性炭时，应该注意碱金属引起的危险，要及时对产生的金属钾进行处理。目前，在不连续碱活化制造活性炭工艺上采用了一些碱金属的处理方法，如在活化容器上加盖减少气体排放面和排放量，在气体排放孔（或缝隙）上设置木炭、竹炭、活性炭等多孔质材料，其原理是利用吸附来吸收碱金属、以及这些炭材料在高温下被氧化产生的二氧化碳等与碱金属反应形成碱金属的碳酸盐来达到处理目的。这种方法虽然可以处理部分碱金属减少安全隐患，但存在许多问题，如①无法完全处理碱金属，安全隐患依然存在；②使用多孔质材料增加成本；③产生的气体无法通畅排出活化容器，内部压力增大使活化反应受影响，活化效率降低；④增加碱的使用量，提高成本的同时也给之后的洗涤、排水处理增加困难；⑤该方法只能适合于间歇式生产，不能用于连续生产，操作困难、生产性低，而且能源浪费大。还有如申请号200610034388.2、200610123444.X的专利文献，其中提到利用煤油保存金属钾，但没有提到具体的回收方案和措施。该方法为一般的常识，在产业化生产碱活化的活性炭中的具体应用是困难的，如排气管中的金属钾如何处理、高温下煤油的安全措施等。申请号200710022323.0的专利文献中提到一种缓和反应过程中生成的金属钾危害的方法，即在活化炉中导入一定量的水蒸气或甲醇或乙醇，与金属钾反应生成KOH或醇钾，减少金属钾的排除，达到降低安全隐患的目的。但该方法只能减轻安全隐患，并不能完全解决安全问题。另外，在碱活化中添加这些在高温下氧化性极强的物质，不但在高温下产生大量的氢气而带来新的安全隐患，而且减少活性炭的收率和活化效果，还会影响活性炭的细孔性能等品质。另外CN101069804A的专利文献中提出了一种采用惰性气体和水蒸气的混合气体来处理碱活化尾气的方法，其主要原理是通过含碱金属的活化尾气直接与含水蒸气和惰性气体的潮湿气体接触，通过“2K + 2H₂O==2KOH + H₂↑”的反应，把碱金属转变为碱（氢氧化物），从而消除碱金属的安全隐患。但该发明有以下2点缺陷，（1）没有提出消除所产生的氢气和热量的技术手段。我们知道，碱金属（如K、Na等）是十分活泼的金属，当它与水（水蒸气）直接接触后会产生剧烈反应，出现火花并产生氢气（H₂），氢气在火花存在下极易产生爆炸。（2）没有对涉及对尾气的输送管的安全处理。活化尾气中的碱金属在高温的活化炉内是以气体形式存在，但随着在排气管中向外排放的过程中，其温度会逐渐下降，但温度下降到碱金属的熔点以下时，碱金属会凝固，以结晶形态附着在排气管内壁，久而久之在排气管内壁会形成较大颗粒的碱金属块，当碱金属块遇到潮湿空气时会发生剧烈爆炸，轻易地把排气管炸掉，还会对周围产生破坏，包括人员伤亡。所以该方法是不安全的，不适应于实际生产上的应用。 

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，在无需封闭排气孔、不与水蒸气直接接触等的情况下，能够安全连续处理活化时产生的碱金属、且操作维护安全方便。为此，本发明采用以下技术方案： 

一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于所述装置包括加热排气管、氧化塔和回收室，所述加热排气管的出气口连接氧化塔的上部，所述氧化塔的顶部开设通风口，通风口上方设有防雨罩，其底部为斜面构造并设有出口与回收室连接，所述回收室设有喷淋装置和排气扇，排气扇处于回收室的上部，回收室的上部具有排放口；

所述氧化塔上的加热排气管出气口的正对面部位上设置一个可开闭的孔，孔的尺寸以方便进行加热排气管内的观察和管内清理操作为准，在孔上配置可开闭的不锈钢盖；在氧化塔的周围搭建有操作平台。

在采用上述技术方案的基础上，还可采用以下进一步的技术方案： 

所述加热排气管为不锈钢管，其外围设有加热装置和保温层。

加热装置采用可温控的电加热装置，所述电加热装置中的电加热元件为圈绕型或直管型的电热管，或为电加热片，所述电加热元件装在排气管外表。 

所述可温控的电加热装置被分为若干段可分别进行温控的加热段。 

所述氧化塔由不锈钢材质构成；其主体为圆筒形，直径为0.5米-3米，高度为直径的2-4倍；顶部的通风口的直径为主体直径的1/3-1/2；氧化塔底部斜面的角度为30度-60度。 

在氧化塔内设有加热排气管与氧化塔内壁间的密闭罩壳。 

在回收室内设置的喷淋装置为旋转式喷淋管。 

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种应用上述装置的碱活化制造活性炭的尾气连续处理方法，为此，本发明采用以下技术方案： 

碱活化制造活性炭的尾气连续处理方法，其特征在于碱活化制造活性炭产生的废气通过加热排气管连续流入氧化塔；

所述尾气处理方法的气流方向为：所述废气在从氧化塔上部进入后，向下移动，自氧化塔的下部排出氧化塔，从回收室的下部进入，从回收室的上部排出；

对将所述废气排入氧化塔内的加热排气管进行加热和保温，排气管内的温度保持在碱金属的沸点以上；

在氧化塔内利用空气将废气中的碱金属氧化成碱金属氧化物，并在气流中被冷却；

冷却后的碱金属氧化物粉体在气流的带动进入回收室，在回收室利用水喷淋溶解进行洗涤回收。

所述气流是由回收室上方装备的排气扇的排气形成的。 

由于采用本发明的技术方案，本发明能够连续处理碱活化制造活性炭产生的废气，彻底解决了碱金属的安全问题，使碱活化制造高比表面积活性炭的产业化连续生产变为可能。并且，活化气体中的有害有机物成分能在处理过程中被燃烧去除、喷淋吸收，处理后的碱金属能被回收利用。本发明具有以下技术效果： 

1. 通过对碱活化炉（容器）与氧化塔上部之间连接的排气管的加热保温，使碱活化所排出的尾体中的碱金属以气体的状态进入氧化塔内，不会在管内析出结晶，消除了以往的活化设备的排气管管壁被析出的碱金属附着所产生的安全隐患。

2. 通过氧化塔内空气的氧化，使碱金属变成氧化物，降低了活性，在之后的遇水反应时不会产生氢气，消除燃烧、爆炸的危险。 

3. 由于连接氧化塔的加热排气管处于高温状态，活化时产生的可燃性气体会在氧化塔内的排气管出口处燃烧，可以除去活化气体中的有害有机物成分。 

4. 通过在氧化塔上的加热排气管出口的正对面部位上设置一个可开闭的孔，并在氧化塔的周围搭建一个操作平台，方便进行排气管内的观察和管内沉积物的清理。 

5.通过排风扇对氧化塔进行抽风，除了为氧化塔内提供足够的氧气外，还可以加快塔内的冷却速度。 

6.回收室内进行水喷淋，能够洗净排气中的可溶性成分，使碱性物质等不会排放到空气中。 

7.由于排风扇的作用，使活化炉中保持微弱的负压，可以加速活化的速度，提高生产效率。 

8. 可以回收回收室母液，通过处理有效再利用。 

附图说明

图1为本发明所提供的碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置实施方式的示意图。 

图2为防止加热管和保温层腐蚀的密闭罩壳的构造示意图。 

图3为氧化塔开孔和操作台的示意图。 

图4为图1中的回收室的构造示意图。 

具体实施方式

如附图所示，本发明所提供的碱活化制造活性炭的碱金属连续处理装置主要由三部分组成：1）加热排气管，2）氧化塔，3）回收室，详细说明如下： 

1）.加热排气管1的主要作用是，将碱活化制造活性炭产生的尾气通过加热排气管1排入氧化塔2内，所述加热排气管1为不锈钢管，其外围设有加热装置和保温层11，使加热排气管1内的温度保持在碱金属的沸点以上，使尾体中的碱金属以气体的状态进入氧化塔2内，不会在加热排气管1内析出结晶，消除了以往的活化设备的排气管管壁被析出的碱金属附着所产生的安全隐患。

2）.氧化塔2的主要作用是，从碱活化制造活性炭的容器即活化炉排出的高温碱金属在该塔内与空气中的氧气反应生成碱金属氧化物，随气流在从上到下降落的过程中受到冷却，通过塔底的连接管道4排向回收室3。在氧化塔的上方空气进口21的上面设有防雨罩22，防止雨水等进入氧化塔2内，在下方设有脚架23，用于固定和支撑氧化塔2。 

3）.回收室3的作用是①在上方设有排气扇5及排放口30，形成整个处理系统的气流方向，使气流流向从氧化塔的顶部空气进口21吸入空气，沿着氧化塔2的圆筒体从上至下，最终通过连接通道4从回收室的下部进入回收室3，附图标号51所指为排气扇的电机，排气量为可调节。②在回收室内设置喷淋装置，喷淋方式为逆流式、横流式以及混流式皆可，以逆流式为最佳；喷淋装置可采用旋转式喷淋管6，在两边不同方向的喷水的推动下转动起来，对室内进行全面的喷淋，洗去气体中的碱金属氧化物等可溶性物质，喷淋水由底部的水泵从储水箱61提供循环利用。③为了让洗涤更加完善，在回收室3的喷淋管下方设置上下两块多孔滤网7，在其间放入具有排气通道的填充材料71，以增加其接触面（如图4所示）。④储水箱61中的水可以通过进水口62进入回收室，通过排水口63排放到回收室外部的液体回收储罐，以减少水中的盐浓度。排气扇的马达51设在上面，在排气扇的上面的排放口30设有防护网31，防止异物从上面落入回收室3。经喷淋洗涤处理后的气体从回收室的下方向上流动，通过排气扇5排出装置外。 

加热排气管1的加热装置和保温层11主要作用是使从活化炉出来的气体在加热排气管1内保持在碱金属的沸点以上，一般为700-1000℃。活化反应生成的碱金属不会在管内遇冷析出附着在管壁上，以蒸气的状态排入氧化塔2内。所述加热装置采用可温控的电加热装置，所述电加热装置中的电加热元件为圈绕型或直管型的电热管，所述电热管装在加热排气管1外壁外，在其上包上保温层11。所述电加热装置可以被分为若干段可分别进行温控的加热段，或者未被分成若干段而接受同一个温控机构的控制对加热排气管进行加热。 

如图2所示，为了防止氧化塔2内的气体、粉末对加热排气管1、保温层11的腐蚀，在加热排气管1的出口处和氧化塔2的本体间焊接上一个密闭的不锈钢盒12，切断气体等和加热排气管1上的加热管、保温层11之间的接触。另外，该不锈钢盒12的尺寸要考虑实际使用时加热排气管的膨胀幅度。 

如图3所示，在氧化塔2上的加热排气管1出口的正对面部位上设置一个可开闭的孔，在孔上配置可开闭的不锈钢盖24，并在氧化塔的周围搭建一个操作平台25，方便进行加热排气管内的观察和管内沉积物的清理。 

氧化塔2、回收室3的尺寸、空气进口21的大小、加热排气管1的管径等要根据实际生产的情况而定。为了充分的氧化和冷却，氧化塔2的直径为0.5米-3米，最适直径为1米-2米，高度为直径的2-4倍，最适为3倍；空气进口21的直径为主体直径的1/3-1/2；氧化塔2的材质选用不锈钢，厚度在1.5毫米以上，更优选为2-3毫米。回收室3的材质采用不锈钢、表面涂有防锈漆的铁材和塑料等。回收室3可以用常用的室外水冷机加以适当的改造而成。连接管道4的材质选用不锈钢，加热排气管要采用高温型的圈绕型或直管型加热管或为电加热片，所述电加热元件紧贴在加热排气管1上，分1～4段控温；保温层11采用耐高温型的材料，如轻质（多孔质）碳酸钙、硅酸盐、氧化铝等，厚度在6厘米以上，更优选为8～15厘米。这里要强调的是排气扇5的排气量，不但要满足碱金属氧化所需的空气，还要考虑到活化时产生的氢气、一氧化碳等可燃性气体燃烧时的空气用量，要控制可燃性气体与氧气的比例在引爆浓度之下（一般要保持在2%以下）。 

以下通过实施例，对本发明进行更具体的说明。 

实施例1 

利用本发明的装置对碱活化制造活性炭时的发生气体进行处理，活化炉排出的气体在氧化塔内遇到空气燃烧，减少或去除排气中的有害有机成分。根据测定回收室回收水溶液中的碱金属浓度和活化物中的残留碱金属的量的计算结果，可以确认从活化时产生的碱金属蒸气经本装置处理后全部被回收，排气管1中没有残留碱金属，本装置是有效可行的。

实施例2 

通过对处理装置的改造，可以对氧化塔2和加热排气管1内部进行观察和清扫。在排气管正对面的氧化塔圆筒主体上开一个40厘米×30厘米左右的孔，在其上配置一个可开闭的不锈钢盖24。打开盖子不锈钢盖24，可以观察氧化塔2和加热排气管1内部的情况，必要时也可以对其进行清扫。在氧化塔2外搭起一个配有阶梯的操作平台25，以便人员在其上操作（如图3所示）。

实施例3 

用酚醛树脂的炭化物（800℃、2小时炭化，平均粒径为200-400μm）与KOH按照1：3的重量比混合后，置于镍活化炉中，在氮气氛围中搅拌下升温到550℃后保持2小时，使反应物形成粉末（细粒）状，然后升温到800℃，保持30分钟后，将生成物排入冷却器中冷却到50℃以下，排出后用热水/热盐酸洗涤到中性，回收洗涤液，活化过程中排气管的温度保持在800℃，利用本发明装置对金属钾进行安全处理、回收。利用ICP测定洗涤回收液和金属钾处理回收液中金属钾的浓度，计算的钾的总量。其结果归纳在表1。可以看出，经本发明装置处理，金属钾基本没有在排气管残留。洗涤后的活性炭经干燥，其性能如表2所示，比表面积超过2000m²/g。

实施例4 

用回收聚脂（PET）薄片直接与KOH按照1：3的重量比混合，置于镍活化炉中，在氮气氛围中加热到350℃，保持30分钟，让PET在该温度段分解，这时的排气管的温度控制为350℃-400℃，目的是使分解物能以气体的状态排出排气管。之后的活化、洗涤、钾处理、测定等实验方法与实施例3相同，金属钾的处理回收结果归纳在表1，可以看出，用树脂直接制造高比表面积活性炭的场合，经本发明装置处理，金属钾基本没有在排气管残留。所得活性炭的性能如表2所示，比表面积高，超过3000m²/g。

表1 金属钾的处理结果 

	洗涤回收中K的比例（%）	金属钾处理回收中K的比例（%）	占原料总比例（%）
				实施例3	52.1	47.7	99.8
实施例4	63.6	36.1	99.7

表2 活性炭的性能

。

Claims (9)

1.一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于所述装置包括加热排气管、氧化塔和回收室，所述加热排气管的出气口连接氧化塔的上部，所述氧化塔的顶部开设通风口，通风口上方设有防雨罩，其底部为斜面构造并设有出口与回收室连接，所述回收室设有喷淋装置和排气扇，排气扇处于回收室的上部，回收室的上部具有排放口；

所述氧化塔上的加热排气管出气口的正对面部位上设置一个可开闭的孔，孔的尺寸以方便进行加热排气管内的观察和管内清理操作为准，在孔上配置可开闭的不锈钢盖；在氧化塔的周围搭建有操作平台。

2.如权利要求1所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于所述加热排气管为不锈钢管，其外围设有加热装置和保温层。

3.如权利要求2所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于加热装置采用可温控的电加热装置，所述电加热装置中的电加热元件为圈绕型或直管型的电热管，或为电加热片，所述电加热元件装在加热排气管外表。

4.如权利要求3所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于所述可温控的电加热装置被分为若干段可分别进行温控的加热段。

5.如权利要求1所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于所述氧化塔由不锈钢材质构成；其主体为圆筒形，直径为0.5米-3米，高度为直径的2-4倍；顶部的通风口的直径为主体直径的1/3-1/2；氧化塔底部斜面的角度为30度-60度。

6.如权利要求1所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于在氧化塔内设有加热排气管与氧化塔内壁间的密闭罩壳。

7.如权利要求1所述的一种碱活化制造活性炭的尾气连续处理装置，其特征在于在回收室内设置的喷淋装置为旋转式喷淋管。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述装置的碱活化制造活性炭的尾气连续处理方法，其特征在于碱活化制造活性炭产生的废气通过加热排气管连续流入氧化塔；

所述尾气处理方法的气流方向为：所述废气在从氧化塔上部进入后，向下移动，自氧化塔的下部排出氧化塔，从回收室的下部进入，从回收室的上部排出；

对将所述废气排入氧化塔内的加热排气管进行加热和保温，排气管内的温度保持在碱金属的沸点以上；

在氧化塔内利用空气将废气中的碱金属氧化成碱金属氧化物，并在气流中被冷却；

冷却后的碱金属氧化物粉体在气流的带动进入回收室，在回收室利用水喷淋溶解进行洗涤回收。

9.如权利要求8所述的尾气连续处理方法，其特征在于所述气流是由回收室上方装备的排气扇的排气形成的。

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