CN108358204B - 一种双床活性炭活化系统及活化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双床活性炭活化系统及活化方法，系统包括给料装置、燃烧床、活化床、分离器和余热锅炉。给料装置设置在燃烧床前端，燃烧床与活化床并列设置且上部连通。分离器连接在活化床与余热锅炉之间。燃烧床横截面积与活化床横截面积之比为1.28:3。燃烧床底部通入空气和水蒸汽，氧含量与水蒸汽含量比值为6％～8％。燃烧床内流化风速为1.1～2m/s。活化床底部通入空气和水蒸汽，氧含量与水蒸汽含量比值为2％～4％。活化床流化风速为0.1～0.2m/s。本发明具有能耗低、活性炭产量高、余热利用充分且设备简单、易于加工等优点。

Description

一种双床活性炭活化系统及活化方法

技术领域

本发明涉及一种双床活性炭活化系统及活化方法，属于活性炭制备领域。

背景技术

近年来，随着社会的发展，国民对环保和健康的生活环境要求越来越高。活性炭应用领域日益扩展，应用数量也不断递增。目前我国活性炭行业稳步发展，现已拥有基本独立和完整的工业体系，并成为世界上最大的活性炭生产国和出口国。

我国目前活性炭制备主要分为物理活化法和化学活化法。物理活化法是以氧化性气体(如二氧化碳、水蒸气、空气等)为活化剂对炭化料进行活化。通过活化处理使炭化料原有的闭塞孔打开、已打开的孔隙扩大，同时创造出新孔，形成更发达的孔隙结构。化学活化法是将化学活化剂按一定比例加入原料中，混合浸渍一段时间后，同步炭化和活化。由于物理法工艺流程相对简单，而且最终得到的活性炭产品比表面积高、孔隙结构发达、应用范围广，因此世界范围内的活性炭生产厂家中70％以上都采用物理法生产活性炭。

流化床活化制备活性炭的基础研究及工业应用都很活跃。流化床活化炉相对固定床能相当程度地缩短活化时间，良好气固接触有助于中孔的生成。但是，流化床活化制备活性炭也具有不足，当流化床连续生产活性炭时，流化床存在产品质量均一性差的问题，原因是固体颗粒返混严重，颗粒停留时间分较宽，各颗粒的反应程度不同。而多层流化床沿流化床的轴向可建立多个颗粒密相区，形成多个独立的串联流化床，沿床高垂直建立起浓度梯度和温度梯度，可有效地抑制气体或固体的返混。多层流化床设备存在加工复杂，能耗大等问题。因此，有必要设计研发一种结构简单，能耗小且产率较高的活性炭活化设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双床活性炭活化系统及活化方法，将两个不同流化速度的低流速鼓泡床串联，形成反应稳定、能耗小的自维持活性炭活化系统。

本发明通过以下技术方案实现：

一种双床活性炭活化系统，包括给料装置、燃烧床、活化床、分离器和余热锅炉；所述给料装置设置在所述燃烧床前端，所述燃烧床与所述活化床并列设置且所述燃烧床上部与所述活化床上部连通；所述分离器连接在所述活化床与所述余热锅炉之间，且所述分离器入口与所述活化床上部连接；所述分离器底部设有料腿与所述活化床相连；所述活化床下部设有排料管。

上述技术方案中，所述燃烧床的横截面积与所述活化床的横截面积之比为1:2～1.8:5，优选为1.28:3。

上述技术方案中，所述燃烧床底部设有燃烧床风室和燃烧风帽，所述燃烧床风室通入空气和水蒸汽，使得燃烧床内流化风速为1.1～2m/s。

上述技术方案中，所述燃烧床风室通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为6％～8％。

上述技术方案中所述活化床底部设有活化床风室和活化风帽，所述活化床风室通入空气和水蒸汽，使得活化床流化风速为0.1～0.2m/s。

上述技术方案中，所述活化床风室通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为2％～4％。

上述技术方案中，所述燃烧床中上部设置有若干个二次风口用于通入空气和/或水蒸汽。

上述技术方案中，所述活化床床压降为4～5kPa。

一种双床活性炭活化方法，使用上述的一种双床活性炭活化系统，所述方法包括：

将原料从给料装置进入燃烧床；

从燃烧床底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为6％～8％；空气和水蒸汽使得燃烧床流化风速为1.1～2m/s；

利用空气和水蒸汽作为气化剂和氧化剂，使得原料气化并部分燃烧，生成热焦的同时也产生热量使得原料继续气化燃烧维持系统运行；热焦和灰分在气化气和烟气的携带下进入活化床；

从活化床底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为2％～4％；空气和水蒸汽使得活化床流化风速为0.1～0.2m/s；

使进入活化床的热焦在空气和水蒸汽混合物作用下发生活化反应生成活性炭，活性炭从排料管排出系统；

使气化过程和活化过程产生的气化气以及燃烧产生的烟气携带着灰分进入分离器进行气固分离，分离后的气体进入余热锅炉燃烧和热利用，产生的蒸汽分别供给燃烧床和活化床。

上述技术方案中，所述原料选用兰炭；所述原料粒径为1～3mm。

本发明具有以下优点及有益效果：①采用双床结构，设备简单且高度较低，易于加工制造；燃烧床为活化床供热，不需要外部热源，用燃烧床内产生的热焦作为热载体供热②碳颗粒在双床之内流动，反应距离增加从而增加了反应时间，碳颗粒停留时间随粒径分布均匀，增加了活性炭的产率。③利用余热锅炉和空气预热器对分离器出口的烟气热量进行回收利用，提高经济性。

附图说明

图1是本发明一种双床活性炭活化系统示意图。

图中：1―燃烧床；2―给料装置；3―燃烧风帽；4―燃烧床风室；5―活化床；6―活化风帽；7―活化床风室；8―分离器；9―料腿；10―排料阀；11―贮斗；12―阀门；13―排料管；14―余热锅炉；15―补燃室；16―过热器；17―省煤器；18―空气预热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体案例进一步说明本发明的具体结构、原理和实施方式。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，一种双床活性炭活化系统，包括给料装置2、燃烧床1、活化床5、分离器8和余热锅炉14。

给料装置2设置在燃烧床1前端，燃烧床1底部设有燃烧床风室4和燃烧风帽3，燃烧床风室4通入空气和水蒸汽，通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为6％～8％。空气与水蒸汽在燃烧床风室4混合，通过燃烧风帽3布风，使得燃烧床1内流化风速为1.1～2m/s。燃烧床1中上部设置有若干个二次风口19用于通入空气和/或水蒸汽。

燃烧床1与活化床5并列设置且燃烧床1上部与活化床5上部连通。活化床5底部设有活化床风室7和活化风帽6，活化床风室7通入空气和水蒸汽，通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为2％～4％。空气与水蒸汽在活化床风室7混合，通过活化风帽6布风，使得活化床5流化风速为0.1～0.2m/s。活化床7床压降为4～5kPa。活化床5下部设有排料管13。排料管13设置在活化床5底部或者活化风帽6所在的布风板一端。排料管13设有排料阀10，用于调节排料流量。

燃烧床1横截面积与活化床5横截面积之比为1:2～1.8:5，优选为1.28:3。

分离器8连接在活化床5与余热锅炉14之间，且分离器8入口与活化床5上部连接。分离器8底部设有料腿9与活化床5相连。料腿9下方还设有贮斗11贮存分离出的灰分。贮斗11下部连接阀门12，控制灰分的排放。

余热锅炉14包括补燃室15、过热器16和省煤器17。余热锅炉14连接有空气预热器18。

一种双床活性炭活化方法，所述方法包括：

将原料从给料装置2进入燃烧床1；

从燃烧床1底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为6％～8％；空气和水蒸汽使得燃烧床1流化风速为1.1～2m/s；

利用空气和水蒸汽作为气化剂和氧化剂，使得原料气化并部分燃烧，生成热焦的同时也产生热量使得原料继续气化燃烧维持系统运行；热焦和灰分在气化气和烟气的携带下进入活化床5；

从活化床5底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为2％～4％；空气和水蒸汽使得活化床5流化风速为0.1～0.2m/s；

使进入活化床5的热焦在空气和水蒸汽混合物作用下发生活化反应生成活性炭，活性炭从排料管13排出系统；

使气化过程和活化过程产生的气化气以及燃烧产生的烟气携带着灰分进入分离器8进行气固分离，分离后的气体进入余热锅炉14在补燃室15燃烧并通过过热器16和省煤器17回收热量产生蒸汽热利用，产生的蒸汽分别供给燃烧床1和活化床7作为反应剂和流化介质。

所述原料选用兰炭；所述原料粒径为1～3mm。

其中一个实施例：

兰炭从给料装置2内持续给入，为了保证活性炭的产量为30t/d，设定兰炭的给料流量为2.5t/h，进入燃烧床1。燃烧床1内兰炭发生气化反应同时发生燃烧反应放热，为吸热的活化反应提供温度条件。气化反应和燃烧反应方程式分别如式一和式二所示，燃烧反应也能够通过气化气燃烧实现，如式三和式四所示。

C+H₂O→CO+H₂ (一)

C+H₂→CO₂ (二)

2CO+O₂→2CO₂ (三)

2H₂+O₂→2H₂O (四)

燃烧床1内流化风为水蒸汽和空气混合物，由燃烧床风室4经过燃烧风帽3通入燃烧床1。在燃烧室内还分级通入热空气，用于调整燃烧温度。为保证一定的放热量，需保证氧气占水蒸气含量的6％-8％。为保证燃烧床1内为旺盛鼓泡床流化状态，流化风速优选为1.1m/s。为保证活化反应顺利进行，燃烧床1内温度控制在900℃左右。根据给料量的热量核算，通入燃烧风室4的蒸汽空气混合物中，蒸汽流量为0.56m³/s，一次空气流量为0.7m³/s。结合优选流化风速1.1m/s，计算可得布风板面积为1.28m²。优选地，设计燃烧床1横截面宽1m,长1.28m。

兰炭在燃烧床1内部分燃烧放热后，在流化风的作用下从燃烧床1顶部吹往活化床5。活化床5内碳颗粒主要发生活化反应，亦即气化反应，该反应为吸热反应，反应方程式如式一所示。

活化床5内流化风为水蒸汽和空气的混合物，由活化床风室7通过活化风帽6通入活化床5。为保证较好的活化效果，需保证空气中氧气的占水蒸气含量的2％-4％。结合给料流量计算可得，通入活化床风室7的蒸汽空气混合物中，蒸汽流量为0.33m³/s，一次空气流量为0.3m³/s。为保证活化室5内流化风速为0.2m/s，温度为900℃。布风板面积为3m²。优选地，设计活化床5横截面宽1m,长3m。活化完成的活性炭通过布置在活化床底部的排料管13排出。活化床内通过床料高度来调节停留时间。由于活性炭完成活化的停留时间为90min左右，在开始给料90min后打开排料阀，收集活性炭。由于活化床5内风速很低，只有极细的会灰分会进入分离器8，分离器8分离出细灰通过立管9排往贮斗11。贮斗11下方的排放管上布置有阀门12，控制细灰的排放量。

分离器8净化后的烟气含有大量可燃气体CO、H₂，温度约为900℃。分离器8烟气出口通过气体管路与余热锅炉14连接，余热锅炉14含有补燃室15、过热器16和水冷系统17。烟气在补燃室15燃烧放热，将给水加热成过热水蒸气。余热锅炉14出口烟气进入空预器18，充分换热后常温空气升温成热空气。余热锅炉14蒸汽出口和空预器18热空气出口与燃烧床风室4和活化床风室7连接，作为流化风。热空气还分级送入二次风入口。

使用本发明的双床活性炭活化工艺及设备，不仅能实现经济高效地制备活性炭，保证较高的产率，而且设备高度较低，便于加工制造。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述系统包括给料装置(2)、燃烧床(1)、活化床(5)、分离器(8)和余热锅炉(14)；所述给料装置(2)设置在所述燃烧床(1)前端，所述燃烧床(1)与所述活化床(5)并列设置且所述燃烧床(1)上部与所述活化床(5)上部连通；所述燃烧床(1)底部设有燃烧床风室(4)和燃烧风帽(3)，所述燃烧床风室(4)通入空气和水蒸汽，使得燃烧床(1)内流化风速为1.1～2m/s；所述活化床(5)底部设有活化床风室(7)和活化风帽(6)，所述活化床风室(7)通入空气和水蒸汽，使得活化床(5)流化风速为0.1～0.2m/s；所述分离器(8)连接在所述活化床(5)与所述余热锅炉(14)之间，且所述分离器(8)入口与所述活化床(5)上部连接；所述分离器(8)底部设有料腿(9)与所述活化床(5)相连；所述活化床(5)下部设有排料管(13)。

2.根据权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述燃烧床(1)的横截面积与所述活化床(5)的横截面积之比为1.28:3。

3.根据权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述燃烧床风室(4)通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为6％～8％。

4.根据权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述活化床风室(7)通入的空气中氧含量与通入的水蒸汽含量比值为2％～4％。

5.根据权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述燃烧床(1)中上部设置有若干个二次风口(19)用于通入空气和/或水蒸汽。

6.根据权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述活化床(7)床压降为4～5kPa。

7.一种双床活性炭活化方法，其使用如权利要求1所述的一种双床活性炭活化系统，其特征在于，所述方法包括：

原料从给料装置(2)进入燃烧床(1)；

燃烧床(1)底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为6％～8％；空气和水蒸汽使得燃烧床(1)流化风速为1.1～2m/s；

空气和水蒸汽作为气化剂和氧化剂，使得原料部分气化部分燃烧，生成热焦的同时也产生热量使得原料继续气化燃烧维持系统运行；热焦和灰分在气化气和烟气的携带下进入活化床(5)；

活化床(5)底部通入空气和水蒸汽，其中氧含量与水蒸汽含量为2％～4％；空气和水蒸汽使得活化床(5)流化风速为0.1～0.2m/s；

进入活化床(5)的热焦在空气和水蒸汽混合物作用下发生活化反应生成活性炭，活性炭从排料管(13)排出系统；

气化过程和活化过程产生的气化气以及燃烧产生的烟气携带着灰分进入分离器(8)进行气固分离，分离后的气体进入余热锅炉(14)燃烧和热利用，产生的蒸汽分别供给燃烧床(1)和活化床(7)。

8.根据权利要求7所述的一种双床活性炭活化方法，其特征在于，所述原料选用兰炭；所述原料粒径为1～3mm。