CN105439140A - 一种活性炭制备系统及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及有机物热解及活性炭技术领域，尤其涉及一种活性炭制备系统及其制备方法。活性炭制备系统包括预处理系统、反应器、第一冷却器、第二冷却器和蒸汽过热器；反应器的物料进口与预处理系统连接，反应器的物料出口与第一冷却器连接；反应器包括依次设置的干燥单元、炭化单元和活化单元；干燥单元设有第一出气口，炭化单元设有第二出气口，活化单元设有第三进气口和第三出气口；干燥单元、炭化单元和活化单元均设有辐射加热管；第一出气口和第三出气口均与蒸汽过热器的进口连接，蒸汽过热器的出口与第三进气口连接；第二出气口与第二冷却器的进口连接。本发明的活性炭制备系统降低了系统能耗，提高了热利用率。

Description

一种活性炭制备系统及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机物热解及活性炭技术领域，尤其涉及一种活性炭制备系统及其制备方法。
背景技术
我国生物质资源丰富，每年被丢弃的可再生资源如农业秸秆、薪柴、林业废弃物以及城市垃圾等具有很高的价值。现有技术中将这些资源直接焚烧、排放入水体或堆积等均造成了资源的浪费以及环境的污染，导致了人类生存环境的恶化。如果将生物质、废旧轮胎、废旧有机物和有机无机等为原料炭化后可以生产出油、气和固体炭，以替代部分煤、油和天然气等资源。为了确保经济效益，需要开发出含碳有机物热解的合适的工艺。
现在制备活性炭的工艺中，炭化、活化过程都是在外加热式装置中进行的，在制备过程中，气体产物和大量的热能资源不能充分的利用，形成资源极大的浪费。目前物理活化法是原料适应性最广的方法，但现有物理活化法制备活性炭存在以下几个问题：(1)能耗高，由于活性炭在炭化过程中全靠优质煤燃烧提供能量，受不完全燃烧、排渣排气等因素的影响，煤燃烧提供的能量只有30-35％用于反应过程的能量吸收。(2)炭化过程中由于受热不均，升温过程复杂等因素的制约，大量产生焦油、木醋酸等液体产物，导致固体炭的回收率低，一般不足60％。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有技术中活性炭制备工艺能耗高和能量利用率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种活性炭制备系统，包括预处理系统、反应器、第一冷却器、第二冷却器和蒸汽过热器；反应器的物料进口与所述预处理系统连接，所述反应器的物料出口与所述第一冷却器连接，所述第一冷却器用于活性炭的冷却；所述反应器包括依次设置的干燥单元、炭化单元和活化单元；所述干燥单元设有第一出气口，所述炭化单元设有第二出气口，所述活化单元设有第三进气口和第三出气口；所述干燥单元、炭化单元和活化单元均设有辐射加热管；所述第一出气口和第三出气口均与所述蒸汽过热器的进口连接，所述蒸汽过热器的出口与所述第三进气口连接；所述第二出气口与所述第二冷却器的进口连接，所述第二冷却器设有液体出口和气体出口，所述液体出口与储油罐连接，所述气体出口用于冷却后不凝气的排出。
其中，所述第二出气口与所述第二冷却器之间连接有换热器，所述换热器的进口连接水源，出口连接蒸汽发生器的进口，蒸汽发生器的出口与蒸汽过热器的进口连接。
其中，所述第一冷却器为喷雾冷却器，所述换热器的出口与所述喷雾冷却器的液体进口连接，所述喷雾冷却器的出口与所述蒸汽过热器的进口连接。
其中，本发明的活性炭制备系统还包括烘干机，且所述辐射加热管为燃气辐射加热管，所述燃气辐射加热管设有燃气进口和烟气出口，所述燃气进口与所述第二冷却器的气体出口连接；所述烘干机的物料进口与所述反应器活化单元的物料出口连接；所述燃气辐射加热管的烟气出口与烘干机的气体进口连接，用于活性炭的干燥。
其中，还包括烟气冷却塔，所述烟气冷却塔的物料进口与所述第一冷却器的物料出口连接，所述烟气冷却塔的物料出口与所述烘干机的物料进口连接；所述烘干机的气体出口与所述烟气冷却塔的气体进口连接。
其中，所述烟气冷却塔的气体出口与所述烘干机的气体进口连接；所述烟气冷却塔与所述烘干机之间依次设有筛选装置和离心机，用于对经烟气冷却塔干燥后的活性炭进行筛选和离心。
本发明还提供了一种上述的活性炭制备系统的制备方法，包括以下步骤：
S1，将待处理的含碳物料进行预处理；
S2，预处理后的含碳物料通入所述反应器中使含碳物料依次通过干燥单元、炭化单元和活化单元，对含碳物料进行干燥、炭化和活化；
S3，将干燥过程中产生的水蒸气和活化过程中剩余的水蒸气通入所述蒸汽过热器，经升温后的水蒸气通入反应器的活化单元；
S4，将炭化单元产生的油气通入所述第二冷却器进行冷却，冷却得到的油直接存入所述储油罐，冷却得到的不凝气经第二冷却器的气体出口排出。
其中，本发明的活性炭制备系统的制备方法还包括步骤将步骤S4中得到的不凝气分别通入干燥单元、炭化单元和活化单元的燃烧辐射加热管的燃气进口，用于加热。
其中，在执行步骤S4前执行以下步骤：将炭化单元产生的油气通入所述换热器与水进行换热，换热后的热水依次经过所述蒸汽发生器和蒸汽过热器形成水蒸气，并将水蒸气通入所述活化单元。
其中，本发明的活性炭制备系统的制备方法还包括步骤：将所述反应器中产生的烟气通入所述烘干机中对活性炭进行干燥。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明的活性炭制备系统中干燥产生的水蒸气经蒸汽过热器加热后用于向活化单元内提供氧化性气体，炭化单元产生的油气经冷却后得到的油得以保存，同时所得到的不凝气用于反应器各个单元的加热，实现了能源的循环利用，整个系统的热利用率高。
附图说明
图1是本发明实施例活性炭制备系统的连接框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种活性炭制备系统，包括预处理系统、反应器、第一冷却器、第二冷却器和蒸汽过热器；反应器的物料进口与预处理系统连接，反应器的物料出口与第一冷却器连接，第一冷却器用于活性炭的冷却。反应器包括依次设置的干燥单元、炭化单元和活化单元；干燥单元设有第一出气口，炭化单元设有第二出气口，活化单元设有第三进气口和第三出气口；干燥单元、炭化单元和活化单元均设有辐射加热管；具体地，干燥单元的辐射加热管温度控制在80～180℃，炭化单元的辐射加热管温度控制在120～800℃，活化单元辐射加热管的温度控制在650～1100℃；炭化单元内沿布料板运动方向依次设置的辐射加热管的温度依次升高，炭化单元前端的辐射加热管的温度为120℃，炭化单元末端的辐射加热管的温度为800℃，相邻辐射加热管的温度依次增加幅度为70±20℃。第一出气口和第三出气口均与蒸汽过热器的进口连接，蒸汽过热器的出口与第三进气口连接；第二出气口与第二冷却器的进口连接，第二冷却器设有液体出口和气体出口，液体出口与储油罐连接，气体出口用于冷却后不凝气的排出。
本发明实施例提供的活性炭制备系统中干燥产生的水蒸气经蒸汽过热器加热后用于向活化单元内提供氧化性气体，活化单元内过剩的水蒸气排出后进入蒸汽过热器，经蒸汽过热器加热至600～800℃通入活化单元可以使水蒸气得到循环利用，炭化单元产生的油气经冷却后得到的油得以保存，同时所得到的不凝气可以用于该系统中反应器各个单元的加热，实现能源的循环利用，整个系统的热利用率得提高。
进一步地，第二出气口与第二冷却器之间连接有换热器，换热器的进口连接水源，出口连接蒸汽发生器的进口，蒸汽发生器的出口与蒸汽过热器的进口连接。炭化过程中产生的油气温度较高，在通入冷却器前使其通过换热器，用于水的加热，一方面为水的加热提供了热量，另一方面实现了油气的初步冷却。加热后的水通过蒸汽发生器和蒸汽过热器后形成水蒸气为活化单元提供氧化性气体。该过程中充分利用了高温油气的热量，提高了系统的热利用率。
进一步地，第一冷却器为喷雾冷却器，换热器的出口与喷雾冷却器的液体进口连接，喷雾冷却器的出口与蒸汽过热器的进口连接。采用喷雾冷却器一方面对活性炭进行冷却，另一方面活性炭冷却的同时水被加热为水蒸汽，经过蒸汽过热器通入活化单元，实现了水资源的循环利用，同时充分利用了反应器内生成的活性炭的热量。
进一步地，活性炭制备系统还包括烘干机，且辐射加热管为燃气辐射加热管；燃气辐射加热管设有燃气进口和烟气出口，燃气进口与第二冷却器的气体出口连接；烘干机的物料进口与反应器活化单元的物料出口连接；燃气辐射加热管的烟气出口与烘干机的气体进口连接，用于活性炭的干燥。燃气辐射加热管加热装置是在密封套管内燃烧，通过受热的套管表面以热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，燃烧烟气不与被加热物体接触，不会造成燃烧气氛污化或者影响产品质量，炉内气氛及加热温度便于控制和调节。燃气辐射加热管的燃料供给既可以采用不凝气，也可以采用外部燃气供应。活性炭经烘干机烘干后可以储存在储仓内，将燃气辐射加热管的烟气出口与烘干机的气体进口连接，可以将燃烧产生的高温烟气用于活性炭的干燥，利用了烟气的热量，提高了系统的热利用率。
进一步地，本发明实施例的活性炭制备系统还包括烟气冷却塔，烟气冷却塔的物料进口与第一冷却器的物料出口连接，烟气冷却塔的物料出口与烘干机的物料进口连接；烘干机的气体出口与烟气冷却塔的气体进口连接。设有烟气冷却塔可以对活性炭进一步冷却，并实现对活性炭的预干燥。烘干机干燥活性炭后烟气的温度会降低，将低温的烟气通入烟气冷却塔，实现对活性炭的冷却。充分利用了物料处理过程中产生的烟气，提高了能量利用率。具体地，烟气冷却塔的气体出口还可以与烘干机的气体进口连接；烟气冷却塔与烘干机之间可以依次设有筛选装置和离心机，用于对经烟气冷却塔干燥后的活性炭进行筛选和离心。烟气冷却塔的烟气会被活性炭加热，温度升高，温度升高后的烟气可以通入烘干机中用于活性炭的干燥，实现了烟气的循环利用，提高了系统的能量利用率。预干燥的活性炭经筛选后离心可以进一步除去活性炭中的部分水。
本发明实施例还提供了一种活性炭制备系统的制备方法，包括以下步骤：
S1，将待处理的含碳物料进行预处理；
S2，预处理后的含碳物料通入反应器中使含碳物料依次通过干燥单元、炭化单元和活化单元，对含碳物料进行干燥、炭化和活化；具体地，步骤S2中干燥温度为80～180℃，处理时间为0.5～1.5h；炭化温度控制在120～800℃，处理时间为0.5～1.5h；活化温度控制在650～1100℃，处理时间为0.5～1.5h。
S3，将干燥过程中产生的水蒸气和活化过程中剩余的水蒸气通入蒸汽过热器，经升温后的水蒸气通入反应器的活化单元；
S4，将炭化单元产生的油气通入第二冷却器进行冷却，冷却得到的油直接存入储油罐，冷却得到的不凝气经第二冷却器的气体出口排出。具体地，可以将步骤S4中得到的不凝气分别通入干燥单元、炭化单元和活化单元的燃烧辐射加热管的燃气进口，用于加热。
本发明实施例提供的制备方法中利用了干燥区内产生的蒸汽和活化单元内的剩余蒸汽，提高了能量利用率，其次将炭化区产生的油气冷却后进行回收，也提高了能量的利用率。将油气冷凝后得到的不凝气通入反应器中作为燃料，充分利用了系统中的能量，减少了活性炭制备过程中的能源消耗。
进一步地，在执行步骤S4前可以执行以下步骤：将炭化单元产生的油气通入换热器与水进行换热，换热后的热水依次经过蒸汽发生器和蒸汽过热器形成水蒸气，并将水蒸气通入活化单元。
进一步地，本发明实施例的活性炭制备方法还包括以下步骤：将反应器中产生的烟气通入烘干机中对活性炭进行干燥。具体地，还可以包括以下步骤，烘干机干燥过程中产生的烟气通入烟气冷却塔，对活性炭进行预干燥，烟气冷却塔预干燥过程完成后的烟气还可以继续通入烘干机中，对活性炭进行干燥。反应器中产生的烟气温度较高(约120～200℃)，经烘干机对活性炭干燥后，烟气的温度会降低，此时将低温的烟气通入烟气冷却塔中，正好可以对高温的活性炭(约为320～350℃)进行预干燥，同时，烟气冷却塔内的烟气由高温的活性炭加热形成高温的烟气排出烟气冷却塔，高温的烟气又可以通入烘干机中对活性炭进行干燥，实现了烟气的回收以及循环利用。
为清楚地体现本发明实施例的活性炭制备系统及制备方法的有益效果，还提供了两个具体的实施例：
对粒度为3～6mm的某地煤样处理，其主要成分包括3.12％的全水、2.04％的水、11.9％的灰分、33.42％的挥发分和52.64％的固定碳，在氮气气氛下以每小时2吨的速度连续送入活性炭制备装置中。首先煤样进入干燥单元，干燥单元的温度设定为150±30℃，煤样干燥时间1小时；干燥完成后煤样进入炭化单元，炭化单元辐射加热管的温度沿布料板的运动方向依次设为240℃、320℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃和850℃，炭化单元处理时间为45～60min，在炭化单元内煤样逐渐被热解，产生温度为350～650℃的油气进入第一冷却器进行冷却；炭化后的炭化料进入活化单元，在温度为850℃辐射加热管的加热下，炭化料温度为780℃，活化单元的处理时间为120min，炭化料跟炭化单元内蒸汽作用，制得活性炭，经进一步冷却和分选后得到活性炭。所得活性炭的产率为19.7wt％，比表面积为803m2/g，碘吸附值为622mg/g。
对粒度为2～5mm的某地生物质处理，在氮气气氛下以2.6t/h连续送入活性炭制备装置中。首先煤样进入干燥单元，干燥单元的温度设定为150±30℃，煤样干燥时间1小时；干燥完成后煤样进入炭化单元，炭化单元辐射加热管的温度沿布料板的运动方向依次设为280℃、350℃、430℃、500℃、580℃、660℃、740℃和800℃，炭化单元处理时间为60min，在炭化单元内煤样逐渐被热解，产生温度为400～650℃的混合油气进入第一冷却器进行冷却；炭化后的炭化料进入活化单元，在温度为680℃辐射加热管的加热下，炭化料温度为630℃，活化单元的处理时间为120min，炭化料跟炭化单元内蒸汽作用，制得活性炭，经进一步冷却和分选后得到活性炭。所得活性炭的产率为28.6wt％，比表面积为824m2/g，碘吸附值为641mg/g。
综上所述，本发明实施例提供的活性炭制备系统中干燥产生的水蒸气经蒸汽过热器加热后用于向活化单元内提供氧化性气体，活化单元内过剩的水蒸气排出后进入蒸汽过热器，可以得到循环利用，炭化单元产生的油气经冷却后得到的油得以保存，同时所得到的不凝气可以用于该系统中反应器各个单元的加热，实现能源的循环利用，整个系统的热利用率得提高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种活性炭制备系统，其特征在于：包括预处理系统、反应器、第一冷却器、第二冷却器和蒸汽过热器；
反应器的物料进口与所述预处理系统连接，所述反应器的物料出口与所述第一冷却器连接，所述第一冷却器用于活性炭的冷却；
所述反应器包括依次设置的干燥单元、炭化单元和活化单元；
所述干燥单元设有第一出气口，所述炭化单元设有第二出气口，所述活化单元设有第三进气口和第三出气口；
所述干燥单元、炭化单元和活化单元均设有辐射加热管；
所述第一出气口和第三出气口均与所述蒸汽过热器的进口连接，所述蒸汽过热器的出口与所述第三进气口连接；
所述第二出气口与所述第二冷却器的进口连接，所述第二冷却器设有液体出口和气体出口，所述液体出口与储油罐连接，所述气体出口用于冷却后不凝气的排出。
2.根据权利要求1所述的活性炭制备系统，其特征在于：所述第二出气口与所述第二冷却器之间连接有换热器，所述换热器的进口连接水源，出口连接蒸汽发生器的进口，蒸汽发生器的出口与蒸汽过热器的进口连接。
3.根据权利要求2所述的活性炭制备系统，其特征在于：所述第一冷却器为喷雾冷却器，所述换热器的出口与所述喷雾冷却器的液体进口连接，所述喷雾冷却器的出口与所述蒸汽过热器的进口连接。
4.根据权利要求1所述的活性炭制备系统，其特征在于：还包括烘干机，且所述辐射加热管为燃气辐射加热管；
所述燃气辐射加热管设有燃气进口和烟气出口，所述燃气进口与所述第二冷却器的气体出口连接；
所述烘干机的物料进口与所述反应器活化单元的物料出口连接；
所述燃气辐射加热管的烟气出口与所述烘干机的气体进口连接，用于活性炭的干燥。
5.根据权利要求4所述的活性炭制备系统，其特征在于：还包括烟气冷却塔，所述烟气冷却塔的物料进口与所述第一冷却器的物料出口连接，所述烟气冷却塔的物料出口与所述烘干机的物料进口连接；所述烘干机的气体出口与所述烟气冷却塔的气体进口连接。
6.根据权利要求5所述的活性炭制备系统，其特征在于：所述烟气冷却塔的气体出口与所述烘干机的气体进口连接；所述烟气冷却塔与所述烘干机之间依次设有筛选装置和离心机，用于对经烟气冷却塔干燥后的活性炭进行筛选和离心。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的活性炭制备系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将待处理的含碳物料进行预处理；
S2，预处理后的含碳物料通入所述反应器中使含碳物料依次通过干燥单元、炭化单元和活化单元，对含碳物料进行干燥、炭化和活化；
S3，将干燥过程中产生的水蒸气和活化过程中剩余的水蒸气通入所述蒸汽过热器，经升温后的水蒸气通入反应器的活化单元；
S4，将炭化单元产生的油气通入所述第二冷却器进行冷却，冷却得到的油直接存入所述储油罐，冷却得到的不凝气经第二冷却器的气体出口排出。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，将步骤S4中得到的不凝气分别通入干燥单元、炭化单元和活化单元的燃烧辐射加热管的燃气进口，用于加热。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，在执行步骤S4前执行以下步骤：将炭化单元产生的油气通入所述换热器与水进行换热，换热后的热水依次经过所述蒸汽发生器和蒸汽过热器形成水蒸气，并将水蒸气通入所述活化单元。
10.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：将所述燃烧辐射加热管中产生的烟气通入所述烘干机中对活性炭进行干燥。
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