CN108483445B - 一种循环床活性炭活化系统 - Google Patents
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Abstract
一种循环床活性炭活化系统，包括循环床反应装置、进料装置、第一分离器、余热锅炉和换热床。第一分离器连接在循环床反应装置上部出口与余热锅炉之间，第一分离器下方设有料腿，料腿下部设置有回料阀回料阀一侧并列设置有分选室，且回料阀底部与分选室连通。分选室上部设有放灰管与换热床相连。换热床内设置有若干个竖直布置的隔板，将换热床内部分隔成多室换热床。换热床内靠近出口一侧设置有换热器。换热床顶部设置有换热床分离器。循环床反应装置内流化风速为4～5m/s。本发明采用快速流态化技术，增强了气固之间接触、传热传质，提高了活性炭产率，且装置结构简单，成本低；同时对于烟气余热，高温活性炭显热进行充分回收利用，提高了经济性。
Description
技术领域
本发明公开了一种循环床活性炭活化设备，属于流化床应用技术领域。
背景技术
活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有比表面积大、孔隙结构发达、吸附效率高、化学稳定性好等优点。由于其较好的物理和化学吸附特性，活性炭被广泛应用于水处理、烟气处理、石油化工、食品、医药乃至航天航空领域，已成为国民经济发展和国防建设过程中的重要功能材料。近年来，随着我国对环保行业的日益重视，活性炭的市场需求大幅增长。截止到2017年，我国活性炭的生产量和出口量均已达到世界第一。
然而，与日益增长的活性炭市场不匹配的是我国相对落后的活性炭活化技术。我国目前工业上应用于活性炭的生产的活化设备主要有三种：回转窑、斯列普炉和耙式炉(美国)。耙式炉是目前最先进的活化设备，机械化、自动化程度高，但是设备投资大，物料在炉内存在一定的磨损和粉化，在生产粒度小或粉状活性炭时所呈现的问题尤为突出。斯列普炉结构复杂，建设周期长，开停炉困难，难以实现机械化、大型化生产。回转活化炉能耗大，单台设备生产能力小，工艺调节控制困难，产品质量不稳定。这三种活化设备中，水蒸汽与碳颗粒都以气固接触不充分，因此水蒸汽利用率低，汽耗量大，活性炭完成活化过程所需的停留时间长，与此同时，为保证一定的产量，相应的设备体积往往很大，结构复杂。回转炉的停留时间大概为10小时，斯列普炉约为23小时，耙式炉相对较少，约为5小时。另一方面，流化床设备具有生产能力大、结构简单、造价低、固体颗粒与流体均匀接触、传质和传热效率高、可以处理颗粒或粉末原料等特点。这些特点使得流化床活化设备比耙式炉、斯列普炉和回转活化炉等活化方式具有明显优势。
现有的流化床制备活性炭设备目前主要采用鼓泡床的流化形式。单层鼓泡床中碳颗粒的停留时间随粒径有很大差异，因此活性炭的产率较低，质量不稳定。在此基础上改造的多层鼓泡床虽然满足了不同粒径的碳颗粒的停留时间大致相同的条件，保证了一定的活性炭质量，但是设备设计加工复杂，成本较高。类似的，美国还生产了一种以较细的惰性粒子为循环物质的鼓泡床，使不同粒径粒子的颗粒停留时间大致相同，约为90分钟，但是产物仍然由从鼓泡床底部排出，停留时间仍可以进一步缩短。因此，自主设计研发一种经济高效的活性炭活化设备，对于满足我国日益增长的活性炭市场、增强我国综合实力有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种循环床活性炭活化系统，利用快速流态化循环床反应装置传热传质效率高、反应速度快，以及旋风分离器分离效率高的优点，缩短了活性炭活化设备的反应时间，提高了产能以及经济性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种循环床活性炭活化系统，其特征在于，所述系统包括循环床反应装置、进料装置、第一分离器、余热锅炉和换热床；所述循环床反应装置底部设置有布风装置和一次风室；所述进料装置设置在所述循环床反应装置下部一侧；所述第一分离器连接在所述循环床反应装置上部出口与所述余热锅炉之间，所述第一分离器下方设有料腿，所述料腿下部设置有分选室，所述分选室一侧并列设置有底部与所述分选室连通的回料阀，所述分选室与所述回料阀之间形成类U形阀；所述回料阀与所述循环床反应装置下部设有回料管连通；所述分选室上部设有放灰管与所述换热床相连，所述分选室底部设置有分选风管，所述回料阀底部设置有松动风管。
上述技术方案中，所述换热床内设置有竖直布置的隔板，将所述换热床内部分隔成多室换热床。
上述技术方案中，所述换热床内的隔板设置若干个。
上述技术方案中，所述换热床内靠近出口一侧设置有换热器，所述换热器选用水冷式换热器。
上述技术方案中，所述换热床顶部设置有换热床分离器。
上述技术方案中，所述循环床反应装置底部的一次风室通入空气和/水蒸汽作为气化剂和流化风，并通过布风装置布风使得循环床反应装置内流化风速为4～5m/s，呈快速流态化流型。
上述技术方案中，所述循环床反应装置中上部设置有若干个二次风口用于通入气化剂。
上述技术方案中，所述气化剂为热空气与水蒸汽混合物，其中氧含量与水蒸汽含量比值为8％～10％。
上述技术方案中，所述系统还包括第二分离器，所述第二分离器连接在所述第一分离器和所述余热锅炉之间。
上述技术方案中，所述余热锅炉包括补燃室、过热器和省煤器。
本发明具有以下优点及有益效果：①由于采用了快速流态化技术，加强了气固之间的接触和传热传质效率，蒸汽利用率高，活性炭产量高，设备简单，结构紧凑，加工成本低；②通过循环来控制碳颗粒的停留时间，不同粒径的停留时间大致相同，而且和传统设备相比，停留时间大大减少，活性炭产率高，且质量稳定；③利用余热锅炉对烟气热量进行燃烧回收，加热产生活化反应所需的水蒸汽，提高经济性；④利用多室鼓泡换热床对高温活性炭进行冷却，增加活性炭流动行程从而增加气固换热时间，实现气固充分换热；⑤利用蒸汽做流化介质，提高能量利用率；⑥多室鼓泡换热床末级加装水冷式换热器，对活性炭进行进一步冷却，同时将给水加热送入余热锅炉省煤器中，提高能量利用率，提高该工艺的经济性。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种实施方式的循环床活性炭活化系统示意图。
图2是本发明所涉及的另一种实施方式的循环床活性炭活化系统示意图。
图3是本发明所涉及的不同实施方式的分选室与回料阀布置俯视示意图。
图中：1―循环床反应装置；2―进料装置；3―布风装置；4―一次风室；5―第一分离器；6―料腿；7―回料阀；8―放灰管阀门；9―换热床；10―换热床风帽；11―换热床风室；12―隔板；13―换热器；14―换热床排渣管；15―换热床分离器；16―除尘器；17―第二分离器；18―余热锅炉；19―补燃室；20―过热器；21―省煤器；22―空气预热器；23―二次风口；24―分选室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程做进一步说明。
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和图2所示，一种循环床活性炭活化系统，包括循环床反应装置1、进料装置2、第一分离器5、余热锅炉18和换热床9。
进料装置2设置在循环床反应装置1下部前侧。循环床反应装置1底部设置有布风装置3和一次风室4，循环床反应装置1底部的一次风室4通入空气和/水蒸汽作为气化剂和流化风，并通过布风装置3布风使得循环床反应装置1内流化风速为4～5m/s，呈快速流态化流型。循环床反应装置1中上部设置有若干个二次风口23用于通入气化剂，气化剂为热空气与水蒸汽混合物，其中氧含量与水蒸汽含量比值为8％～10％。
第一分离器5连接在循环床反应装置1上部出口与余热锅炉18之间，第一分离器5下方设有料腿6，料腿6下部设置有分选室24，分选室24一侧并列设置有回料阀7，且回料阀7底部与分选室24连通。回料阀7和分选室24形成了类同于U形阀的结构，回料阀7底部设置有松动风管。回料阀7上部与循环床反应装置1下部设有回料管连通，回料管设置在与分选室24相对的一侧。分选室24上部设有放灰管与换热床9相连。放灰管上设置有放灰管阀门8，用于控制和调节从分选室24往换热床9输送物料的流量。分选室24底部设置有分选风管。松动风管和分选风管能够通入来自余热锅炉的水蒸汽作为松动风或者分选风。分选室24侧面呈上宽下窄的梯形，使得通入分选风时分选室24上部流速小，下部流速大。
料腿6、分选室24和回料阀7有多种不同布置的实施方式。如图1所示，分选室24和回料阀7在料腿6和循环床反应装置1之间离循环床反应装置1由远到近依次布置。此时，料腿6有两种设置方式，一种如图3a所示，料腿6通入分选室24，另一种如图3b所示，料腿6设置在分选室24的侧面且与回料阀7相对。图2是另一种实施方式，此时分选室24和回料阀7在料腿6和循环床反应装置1之间的相同距离位置上沿纵深方向布置，图3是其中一种布置的俯视图示意图，料腿6也有多种设置方式。
系统还包括第二分离器17，第二分离器17连接在第一分离器5和余热锅炉18之间。第一分离器5和第二分离器17均选用旋风分离器。
换热床9底部从下到上依次设置有换热床风室11和换热床风帽10。换热床9内设置有竖直布置的隔板12，将换热床9内部分隔成多室换热床。隔板12设置在换热床风帽10的换热床9内上部空间。隔板12设置若干个。换热床9远离放灰管一侧的下部设置有换热床排渣管14。换热床9内靠近出口一侧设置有换热器13，换热器13选用水冷式换热器。当换热床9设置有隔板12把换热床9分隔成多室时，换热器13设置在最靠近换热床排渣管14的室内。换热床9顶部设置有换热床分离器15，换热床分离器15的落料管与换热床9连接。换热床分离器15的烟气出口连接有除尘器16，除尘器16与余热锅炉18连接。
余热锅炉18包括补燃室19、过热器20和省煤器21。余热锅炉18连接有空气预热器22。
本发明所述循环床活性炭活化系统选用兰炭为原料，原料粒径1～3mm，水蒸汽为气化剂，发生煤气化反应，从而形成多孔结构的碳颗粒，即为所需的活性炭。这个反应的化学式如式一所示。
C+H2O→CO+H2 (一)
由于该反应是吸热反应，需要一定的反应温度，因此在循环床反应装置内通入一定量的氧气，使部分碳燃烧放热，为气化反应供热。这个反应的化学式如式二所示。
C+O2→CO (二)
其中一个实施例：
设定该设备的产量为30t/d活性炭。以兰炭为原料。兰炭以0.8kg/s的给料速率从循环床反应装置1的进料装置2输入，将水蒸汽和空气作为流化气体从一次风室4的布风装置3中通入，流化风速控制在4～5m/s,水蒸汽流量为1.36kg/s。在循环床反应装置1内分级通入二次风，二次风中氧气占通入水蒸汽的比例为8％-10％，兰炭在循环床反应装置1内进行活化反应，温度约为900℃。
循环床反应装置1出口的气固混合物进入第一分离器5，气固混合物中的大部分固体即活性炭被分离进入料腿6，落入分选室24，分选室24下部与回料阀7连通。固体从分选室24进入回料阀7。系统启动状态时，由于活性炭活化时间约90min，因此此时分选室24只是作为连通通道，物料从料腿6进入分选室24和回料阀7，通过回料管回到循环床反应装置1。在开始给料90min后打开放灰管阀门8，并从分选室24底部通入分选风，分选室24侧面呈上宽下窄的梯形，使得分选室24上部气速小，下部气速大。由于成品活性炭空隙率大，易被分选风吹起，能够从分选室24上部出口进入排灰管，而没有活化完全的活性炭和灰分则在分选风筛选下，进入回料阀，并在松动风的作用下，回到循环床反应装置1。系统连续运行状态下，放灰管阀门8保持常开状态。
第一分离器5分离后的烟气进入第二分离器17，提高分离效率。
第二分离器17分离后的烟气中含有大量CO和H2，输送到余热锅炉18补燃室19中燃烧，余热锅炉内有省煤器21、过热器20，利用烟气中可燃气体燃烧放出的热量及高温烟气本身的热量将给水加热成蒸汽后输送到一次风室4、回料阀7、分选室24和换热床9中。
余热锅炉18排出的烟气排入空气预热器22，空气预热器22将常温空气加热后通入循环床反应装置1内作为一次风和二次风。
从料腿6内落下的已经完成活化的高温碳颗粒(约900℃)通过回料阀7排入换热床9进行冷却。换热室内设置隔板12，增加活性炭颗粒流动路程，从而延长换热时间。换热床9以水蒸汽作为流化风，水蒸汽从多换热床风室11中通入，经过换热床分离器15后进入除尘器16，除尘后的水蒸汽通入一次风室4作为循环床反应装置1的流化风。
换热床9内置水冷式换热器13来进一步降低活性炭温度。冷却水经过换热器13换热后作为给水输入余热锅炉18省煤器21。
活性炭经过换热床9冷却后温度降低至100℃左右后，经换热床排渣管14排出后可作为产品装箱。
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 (10)
1.一种循环床活性炭活化系统，其特征在于，所述系统包括循环床反应装置(1)、进料装置(2)、第一分离器(5)、余热锅炉(18)和换热床(9)；所述循环床反应装置(1)底部设置有布风装置(3)和一次风室(4)；所述进料装置(2)设置在所述循环床反应装置(1)下部一侧；所述第一分离器(5)连接在所述循环床反应装置(1)上部出口与所述余热锅炉(18)之间，所述第一分离器(5)下方设有料腿(6)，所述料腿(6)下部设置有分选室(24)，所述分选室(24)一侧并列设置有底部与所述分选室(24)连通的回料阀(7)；所述回料阀(7)与所述循环床反应装置(1)设有回料管连通；所述分选室(24)上部设有放灰管与所述换热床(9)相连，所述分选室(24)底部设置有分选风管。
2.根据权利要求1所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述换热床(9)内设置有竖直布置的隔板(12)，将所述换热床(9)内部分隔成多室换热床。
3.根据权利要求2所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述换热床(9)内的隔板(12)设置若干个。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述换热床(9)内靠近出口一侧设置有换热器(13)，所述换热器(13)选用水冷式换热器。
5.根据权利要求4所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述换热床(9)顶部设置有换热床分离器(15)。
6.根据权利要求1所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述循环床反应装置(1)底部的一次风室(4)通入空气和水蒸汽作为气化剂和流化风，并通过布风装置(3)布风使得循环床反应装置(1)内流化风速为4～5m/s。
7.根据权利要求1所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述循环床反应装置(1)中上部设置有若干个二次风口(23)用于通入气化剂。
8.根据权利要求7所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述气化剂为热空气与水蒸汽混合物，其中氧含量与水蒸汽含量比值为8％～10％。
9.根据权利要求1所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述系统还包括第二分离器(17)，所述第二分离器(17)连接在所述第一分离器(5)和所述余热锅炉(18)之间。
10.根据权利要求1所述的一种循环床活性炭活化系统，其特征在于：所述余热锅炉(18)包括补燃室(19)、过热器(20)和省煤器(21)。
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