CN104310393A - 一种连续化生产活性炭的装置及利用该装置制备活性炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续化生产活性炭的装置及利用该装置制备活性炭的方法。一种连续化生产活性炭的装置，包括活化反应器，其特征在于：所述活化反应器为竖直设置的管状反应器，所述活化反应器沿其轴向方向由顶部至底部划分为预热段、低温活化段、中温活化段、高温活化段和冷却段。利用本发明所述装置制备活性炭，所制得的活性炭收率高、表面积大、孔隙率高、孔径分布宽；活化反应器分段控制，通过调控不同段的工况条件，可以方便地调控产品的参数(比表面积、孔径分布和孔容)。

Description

一种连续化生产活性炭的装置及利用该装置制备活性炭的方法

技术领域

本发明涉及一种连续化生产活性炭的装置及利用该装置制备活性炭的方法。

背景技术

活性炭是一种具有特殊微晶结构、孔隙发达、比表面积巨大、吸附能力强的一种碳材料。它作为一种优良的吸附剂广泛应用于食品、化工、石油、纺织、冶金、轻工、造纸、印染等工业部门，已经医药、环保、国防等诸多领域。活性炭按物理形态可以分为粉末活性炭、颗粒活性炭和活性碳纤维等。活性炭的物理形态通常决定于制备活性炭的前体和活化工艺。与颗粒活性炭和活性碳纤维相比，粉末活性炭的优点是价格低廉，缺点是结构疏松、机械强度低、堆密度低，使用过程中粉尘污染严重，回收再生困难。

聚合物薄膜具有较高的碳含量，是优良的制造活性炭的前体，且通过控制生产工艺，可以得到片状活性炭。鉴于聚合物薄膜无论从物理形态到化学组成与通常的制备活性炭前体如煤、农林废弃物等具有很大的区别，因此需要开发新型的制备工艺和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续化生产活性炭的装置，该装置尤其适用于由聚合物薄膜制造片状活性炭。

一种连续化生产活性炭的装置，包括活化反应器，其特征在于：所述活化反应器为竖直设置的管状反应器，所述活化反应器沿其轴向方向由顶部至底部划分为预热段、低温活化段、中温活化段、高温活化段和冷却段，

所述预热段，为用于对位于该区域内原料进行干燥、不熔化处理、炭化处理的区域；

所述低温活化段，为用于来自预热段的物料与富氧气体反应的区域，至少一个富氧气体产生装置通过向低温活化段供给富氧气体而与低温活化段相连通；

所述中温活化段，为用于来自低温活化段的物料与水蒸气、或水蒸气和二氧化碳气体反应的区域；至少一个水蒸气产生装置通过向中温活化段供给水蒸气而与中温活化段相连通；至少一个二氧化碳气体产生装置通过向中温活化段供给二氧化碳气体而与中温活化段相连通；

所述高温活化段，为用于来自中温活化段的物料与二氧化碳气体反应的区域；至少一个二氧化碳气体产生装置通过向高温活化段供给二氧化碳气体而与高温活化段304相连通；

所述冷却段，为用于对位于该区域内的物料进行冷却的区域；

加热装置，所述加热装置用于加热预热段、低温活化段、中温活化段、高温活化段，使各个反应段达到预设的反应温度。

本发明所述生产装置包括用于连接各个设备单元的管道及管道连接元件；用于控制管道开启及流量的阀门；用于输送液体的泵及用于输送气体的空压机；用于测量、显示液体或气体流量的测量装置及显示装置，上述装置的安装及设置为本领域的现有技术。

上述技术方案中，干燥、不熔化处理和炭化处理均可在所述预热段内进行，通过调整该区域的温度，控制反应条件使其到达干燥、不熔化处理和炭化处理所需的条件。

上述技术方案中，物料在所述中温活化段进行活化时，活化气体可为水蒸气或活化气体为水蒸气与二氧化碳气体的混合气。

上述技术方案中，所述加热装置用于加热预热段、低温活化段、中温活化段、高温活化段，使各个反应段达到各个反应段需要的预设反应温度。本领域的熟练技术人员可以在现有技术中进行选择及安装。

上述技术方案中，来自二氧化碳气体产生装置的二氧化碳气体用于供给中温活化段及高温活化段中所需的二氧化碳。

本发明所述生产装置包括进料装置和出料装置，所述进料装置，用于控制原料进入活化反应器的速率和量；所述出料装置，用于控制物料排出活化反应器的速率和量。本发明所述进料和出料装置可以控制物料在活化反应器中的停留时间及向下移动的速率，进而控制物料在各个反应段的停留时间。

本发明所述进料装置和出料装置的选择为本领域的现有技术，其达到控制物料进料和出料的量和速率即可，本领域的熟练技术人员可以在现有技术中进行选择及安装。

进一步地，本发明所述生产装置在进料装置上部设有加料仓，用于供给原料；在生产装底部设有用于接收来自出料装置的产物的容器，如储存桶、储存槽等。

本发明所述生产装置包括至少一个用于释放于预热段(301)产生的烟道气而与预热段(301)相连通的管道，所述管道另一端连接气液分离器装置。

本发明所述生产装置所述二氧化碳气体产生装置包括二氧化碳气体分离装置，该装置通过接收来自气液分离器装置的气体而与气液分离装置相连。

于预热段产生的烟道气经管道进入气液分离器装置，其中焦油由烟道气中分离出去，产生的气体料流优选送至二氧化碳气体分离装置，分离获得二氧化碳气体和驰放气(主要为一氧化碳和氢气)，该驰放气可用做燃料。所述二氧化碳气体分离装置优选为二氧化碳气体分离膜组件，所述二氧化碳气体分离膜可商业购得，也可通过现有技术公开的方法制得。

本发明所述生产装置所述富氧气体产生装置由气体净化装置和氧气气体分离装置组成，空气依次经过气体净化装置和氧气气体分离装置产生富氧气体。所述氧气气体分离装置优选为氧气气体分离膜组件，所述氧气气体分离膜可商业购得，也可通过现有技术公开的方法制得。富氧气体优选为氧气含量高于30％的气体。所述气体净化装置用于净化空气，除去空气中的固体颗粒与水份。

本发明所述生产装置所述水蒸气产生装置通过接收来自用于冷却冷却段的冷却水而与冷却水源连接。

本发明所述生产装置所述冷却段所处反应器管壁处设有冷却套，冷却水经过位于反应器管壁和冷却套间的空腔。冷却水经过空腔时与冷却段的产物换热，随后进入水蒸气产生装置，经加热产生水蒸气。

本发明的另一目的是提供利用上述装置制备活性炭的方法

一种制备活性炭的方法，包括下述步骤：

将原料加入至活化反应器中，利用进料装置和出料装置控制物料在活化反应器中预热段、低温活化段、中温活化段、高温活化段和冷却段的停留时间；

开启加热装置，使活化反应器中各个反应段达到预设的反应温度；

开启富氧气体产生装置、水蒸气产生装置、二氧化碳气体产生装置及冷却水，并控制其流量，使其达到预设的流量。

进一步地，所述方法优选下述反应条件：

所述干燥处理条件为：在180～450℃的温度下进行干燥处理，处理时间至少为5min；

不熔化处理条件为：处理温度为180～450℃，时间为5min～6h；

所述炭化处理条件为：炭化温度为500～700℃，惰性气体流速为50～200mL/min下，炭化时间0.1～3h；

所述各个活化段的处理条件为：活化温度为500～1000℃，惰性气体流速为50～200mL/min，活化时间为0.5～6h。

本发明的有益效果为：利用本发明所述装置制备活性炭，所制得的活性炭收率高、表面积大、孔隙率高、孔径分布宽；活化反应器分段控制，通过调控不同段的工况条件，可以方便地调控产品的参数(比表面积、孔径分布和孔容)。氧气由空气经气体分离膜组件分离后制取；水在进入水蒸气发生器前，首先经过与活化反应器冷却段充分换热，可以节约能源。焦油和烟道气经过气液分离器分离，烟道气中的CO₂通过膜分离返回到CO₂活化段，可以有效降低碳排放，驰放气中含有氢气和CO，可以作为民用燃料使用。

附图说明

图1为一种连续化生产活性炭的装置的示意图，

附图标记如下：1、加料仓，2、进料装置，3、活化反应器，4、出料装置，5、产品储槽，6、氧气气体分离膜组件，7、蒸汽发生器，8、气液分离器，9、二氧化碳气体分离膜组件，10、气体净化器，301、预热段，302、低温活化段，303、中温活化段，304、高温活化段，305、冷却段。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1

如图1所示，一种连续化生产活性炭的装置，包括活化反应器3，活化反应器3的上方设有加料仓1和进料控制装置2；活化反应器3的底部设有出料口和出料装置4，出料装置4的下方设有产品储槽5；所述装置包括加热装置，所述加热装置用于加热预热段301、低温活化段302、中温活化段303、高温活化段304，使各个反应段达到预设的反应温度。

所述活化反应器3为竖直设置的管状反应器，所述活化反应器3沿其轴向方向由顶部至底部划分为预热段301、低温活化段302、中温活化段303、高温活化段304和冷却段305，

所述预热段301，为用于对位于该区域内原料进行干燥、不熔化处理、炭化处理的区域；该预热段301位于活化反应器3最上端，在活化反应器3的上壁连接有用于通烟道气的管道，该管道连接气液分离器8；烟道气经气液分离器8分离，气体料流通过气液分离器8上方管道进入二氧化碳气体分离膜组件9进行气体分离，分离后驰放气主要为氢气及一氧化碳用于民用燃料，分离出的二氧化碳通过管道可进入中温活化段303和高温活化段304。

所述低温活化段302，为用于来自预热段301的物料与富氧气体反应的区域，富氧气体产生装置通过向低温活化段302供给富氧气体而与低温活化段302相连通；所述富氧气体产生装置由气体净化器10和氧气气体分离膜组件6组成，空气依次经过气体净化器10和氧气气体分离膜组件6产生氧气，产生的氧气通过管道输送至低温活化段302。

所述中温活化段303，为用于来自低温活化段302的物料与水蒸气、或水蒸气和二氧化碳气体反应的区域；蒸汽发生器7通过向中温活化段303供给水蒸气而与中温活化段303相连通；二氧化碳气体分离膜组件9通过向中温活化段304供给二氧化碳气体而与中温活化段304相连通，经二氧化碳气体分离膜组件9处理产生的二氧化碳气体可通过管道进入中温活化段303。

所述高温活化段304，为用于来自中温活化段303的物料与二氧化碳气体反应的区域；二氧化碳气体分离膜组件9通过向高温活化段304供给二氧化碳气体而与高温活化段304相连通；经二氧化碳气体分离膜组件9处理产生的二氧化碳气体可通过管道进入高温活化段304。

所述冷却段305，为用于对位于该区域内的物料进行冷却的区域；所述冷却段305所处反应器管壁外侧设有冷却套，冷却水经过位于反应器管壁和冷却套间的空腔。所述蒸汽发生器7接收来自反应器管壁和冷却套间的空腔间的冷却水，该冷却水在蒸汽发生器7中加热为水蒸气后通过管道进入中温活化段303。

所述生产装置包括用于连接各个设备单元的管道及管道连接元件；用于控制管道开启及流量的阀门；用于输送液体的泵及用于输送气体的空压机；用于测量、显示液体或气体流量的测量装置及显示装置。

应用例1

一种制备活性炭的方法，包括下述步骤：

将聚酰亚胺薄膜边角料剪切粉碎至100mm以下通过加料仓1加入至活化反应器3中，控制进料装置2和出料装置4使得物料在活化反应器3中停留，开启加热装置，使活化反应器3中各个反应段达到预设的反应温度；开启富氧气体产生装置、水蒸气产生装置、二氧化碳气体产生装置及冷却水，并控制其流量，使其达到预设的流量。

具体条件如下：

物料于活化反应器3中的总停留时间为2h；

干燥处理条件为：在180℃的温度下进行干燥处理，处理时间为5min；

不熔化处理条件为：处理温度为300℃，时间为5min；

炭化处理条件为：炭化温度为500℃，炭化时间10min；

低温活化段处理条件为：500℃进行氧气活化，氧气流量为100ml/min，时间为10mim；

中温活化段处理条件为：850℃进行水蒸气活化，水蒸气流量为100ml/min，时间为30mim；

高温活化段处理条件为：900℃进行二氧化碳活化，二氧化碳流量为200ml/min，时间为50mim。

冷却段处理条件为：循环水冷却10min。

应用例2

操作方式如应用例1，具体条件如下：

物料于活化反应器3中的总停留时间为3h；

干燥和不熔化处理条件为：在300℃的温度下进行干燥和不熔化处理，处理总时间为10min；

炭化处理条件为：炭化温度为500℃，炭化时间20min；

低温活化段处理条件为：500℃进行含氧量为50％的富氧气体活化，富氧气体流量为100ml/min，时间为20mim；

中温活化段处理条件为：800℃进行水蒸气活化，水蒸气流量为100ml/min，时间为40mim；

高温活化段处理条件为：900℃进行二氧化碳活化，二氧化碳流量为200ml/min，时间为80mim。

冷却段处理条件为：循环水冷却10min。

表一活性炭的微观结构表征

将应用例1和2的样品分别与聚四氟乙烯和导电碳黑以质量比80:10:10分散于少量无水乙醇中搅拌使之混合均匀，所得浆料干燥后，在压片机上压成片状，再用打孔器将炭片裁成直径为1cm圆片。将所得圆片和镍丝集流体置于两片泡沫镍之间制作成超级电容器电极。利用电化学工作站CHI660D测试材料组装的电容器的电化学性能，测试方法包括循环伏安法。Land系统测试恒流充放电。测试采用三电极体系：制备的炭电极为工作电极，Pt电极为对电极，汞/氧化汞电极为参比电极。电解质为6molL^-1的KOH溶液。循环伏安曲线在-0.9～-0.1V的电压范围内进行测试，Land系统测试的电压范围为-0.9～-0.1V。循环伏安测试表明，材料具有良好的双电层特性。其中应用例1和2所得产品的质量比电容可达分别为178Fg^-1和183Fg^-1。

将实施例应用例2的样品分别与聚四氟乙烯和导电碳黑以质量比80:10:10分散于少量无水乙醇中搅拌使之混合均匀，所得浆料干燥后，在压片机上压成片状，组装成锂离子电池。对组装的模拟电池进行充放电测试，测试条件：0.2A恒流从开路电压至0.005V之间充放电。首次放电容量为163Ah/g。

Claims (9)

1.一种连续化生产活性炭的装置，包括活化反应器(3)，其特征在于：所述活化反应器(3)为竖直设置的管状反应器，所述活化反应器(3)沿其轴向方向由顶部至底部划分为预热段(301)、低温活化段(302)、中温活化段(303)、高温活化段(304)和冷却段(305)，

所述预热段(301)，为用于对位于该区域内原料进行干燥、不熔化处理、炭化处理的区域；

所述低温活化段(302)，为用于来自预热段(301)的物料与富氧气体反应的区域，至少一个富氧气体产生装置通过向低温活化段(302)供给富氧气体而与低温活化段(302)相连通；

所述中温活化段(303)，为用于来自低温活化段(302)的物料与水蒸气、或水蒸气和二氧化碳气体反应的区域；至少一个水蒸气产生装置通过向中温活化段(303)供给水蒸气而与中温活化段(303)相连通；至少一个二氧化碳气体产生装置通过向中温活化段(304)供给二氧化碳气体而与中温活化段(304)相连通；

所述高温活化段(304)，为用于来自中温活化段(303)的物料与二氧化碳气体反应的区域；至少一个二氧化碳气体产生装置通过向高温活化段(304)供给二氧化碳气体而与高温活化段(304)相连通；

所述冷却段(305)，为用于对位于该区域内的物料进行冷却的区域；

加热装置，所述加热装置用于加热预热段(301)、低温活化段(302)、中温活化段(303)、高温活化段(304)，使各个反应段达到预设的反应温度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置包括进料装置(2)和出料装置(4)，

所述进料装置，用于控制原料进入活化反应器(3)的速率和量；

所述出料装置，用于控制物料排出活化反应器(3)的速率和量。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置包括至少一个用于释放于预热段(301)产生的烟道气而与预热段(301)相连通的管道，所述管道另一端连接气液分离器装置。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述富氧气体产生装置由气体净化装置和氧气气体分离装置组成，空气依次经过气体净化装置和氧气气体分离装置产生富氧气体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述水蒸气产生装置通过接收来自用于冷却冷却段的冷却水而与冷却水源连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：二氧化碳气体产生装置包括二氧化碳气体分离装置，该装置通过接收来自气液分离器装置的气体而与气液分离装置相连。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述冷却段(305)所处反应器管壁处设有冷却套，冷却水经过位于反应器管壁和冷却套间的空腔。

8.一种利用权利要求1所述装置制备活性炭的方法，其特征在于：包括下述步骤：

将原料加入至活化反应器(3)中，利用进料装置(2)和出料装置(4)控制物料在活化反应器(3)中预热段(301)、低温活化段(302)、中温活化段(303)、高温活化段(304)和冷却段(305)的停留时间；

开启加热装置，使活化反应器(3)中各个反应段达到预设的反应温度；

开启富氧气体产生装置、水蒸气产生装置、二氧化碳气体产生装置及冷却水，并控制其流量，使其达到预设的流量。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述各个反应段的反应条件为：

所述干燥处理条件为：在180～450℃的温度下进行干燥处理，处理时间至少为5min；

不熔化处理条件为：处理温度为180～450℃，时间为5min～6h；

所述炭化处理条件为：炭化温度为500～700℃，炭化时间0.1～3h；

所述各个活化段的处理条件为：活化温度为500～1000℃，惰性气体流速为50～200mL/min，活化时间为0.5～6h。