CN112758926A - 一种自供热连续式制备活性炭的装置及方法 - Google Patents

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CN112758926A CN202110110174.3A CN202110110174A CN112758926A CN 112758926 A CN112758926 A CN 112758926A CN 202110110174 A CN202110110174 A CN 202110110174A CN 112758926 A CN112758926 A CN 112758926A
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徐江陵
马仁贵
王道洋
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Abstract

本发明公开了一种自供热连续式制备活性炭的装置及方法，包括热反应炉，热反应炉顶部设有双密封进料机构，底部设有出料机构，内部设有若干层落料机构，落料机构包括若干根转轴，以及设于每根转轴上翻转板，以及用于驱动转轴的驱动件，相邻层落料机构之间均竖向设有两排折流板，两排折流板之间形成落料区，每排折流板由若干块呈内低外高倾斜且间隙布置的折流板组成，非最底层的落料机构上在其中一排折流板的外侧位置均形成有通气口，且相邻层落料机构上的通气口位置交错；热反应炉底部设有进气口，用于通入高温热解气，热反应炉顶部设有出气口，用于排出低温热解气。解决了现有活性炭制备工艺存在的效率低、活化气流通不畅、热能损失大等缺陷。

Description

一种自供热连续式制备活性炭的装置及方法
技术领域
本发明涉及活性炭制备技术领域，具体涉及一种自供热连续式制备活性炭的装置及方法。
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。
目前，制备活性炭的设备分为间歇式和连续式两种。中国专利文献(申请号201310306054.6，申请日2013.07.20)公开了一种连续式制备活性炭的一体化装置及方法，其存在以下缺陷：①每个反应器只能间歇式生产活性炭，每批次生产活性炭需要开炉取炭再重新装料，整个装置至少需要三个反应器，表面上实现了连续生产，实际上生产活性炭的效率低；②反应器每次开炉取炭前需要排出热解气防止热解气泄漏，装料后需要排出空气确保热解气品质，人力成本高，控制难度大；③每次装料时打开反应器会有热能损失。总之，该发明装置不能实现一体化连续生产，自动化生产能力差，生产效率低，热能损失大。另外，中国专利文献(申请号201810856146.4，申请日2018.07.31)公开了一种低消耗连续式清洁生产活性炭装置及方法，其存在以下缺陷：①物料堆积太厚，活化气流通不畅，装置底部通入的活化气很难到达顶部；②该装置底部通入高温活化气提供物料反应的热能，物料反应分为热解阶段和活化阶段，由于活化阶段排出了部分高温活化气，使进入热解阶段的活化气含量减少，能源利用率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自供热连续式制备活性炭的装置及方法，其解决了现有活性炭制备工艺存在的效率低、活化气流通不畅、热能损失大等缺陷。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种自供热连续式制备活性炭的装置，包括热反应炉，所述热反应炉顶部设有双密封进料机构，热反应炉底部设有出料机构，热反应炉内设有若干层落料机构，所述落料机构包括若干根水平间隔布置的转轴，以及设于每根转轴上翻转板，以及用于驱动转轴转动的驱动件，相邻层落料机构之间均竖向设有两排折流板，两排折流板之间形成落料区，每排折流板由若干块呈内低外高倾斜且间隙布置的折流板组成，非最底层的落料机构上在其中一排折流板的外侧位置均形成有通气口，且相邻层落料机构上的通气口位置交错；
所述热反应炉的底部侧边设有进气口，用于通入高温热解气，热反应炉的顶部设有出气口，用于排出低温热解气。
进一步改进在于，所述翻转板位于转轴的中间位置，所述两排折流板恰好与翻转板的两端头位置对应。
进一步改进在于，所述转轴的两端均伸出热反应炉的炉壁，所述驱动件由传动带和减速电机组成，所述传动带套在转轴位于炉壁外侧的端部，传动带使同一落料机构内所有转轴联动，所述减速电机输出端与传动带连接。
进一步改进在于，所述折流板与竖直面的倾斜夹角为0-90°。
进一步改进在于，所述进气口连通于热反应炉内最底层落料机构上其中一排折流板的外侧空间。
进一步改进在于，所述双密封进料机构包括无氧仓、上料斗、第一插板阀和第二插板阀，所述无氧仓与热反应炉顶部连通，无氧仓侧边设有抽空气口，所述上料斗设于无氧仓顶部，所述第一插板阀设于上料斗与无氧仓之间，所述第二插板阀设于无氧仓与热反应炉之间。
进一步改进在于，所述热反应炉的顶部还形成有焦油吸附仓，所述焦油吸附仓底部与热反应炉顶部连通，焦油吸附仓顶部与无氧仓底部连通，焦油吸附仓内设有搅拌器，所述出气口设于焦油吸附仓的侧边。
进一步改进在于，所述出料机构包括冷却器、下料仓和水冷螺旋输送机，所述冷却器连通于热反应炉底端，所述下料仓位于冷却器下方，所述水冷螺旋输送机连接于下料仓的底部。
进一步改进在于，所述冷却器包括进水管、出水管、电机、驱动轮以及两个旋转接头、旋转托盘、圆盘以及若干根冷却管，所述冷却管间隔布置在两个圆盘之间，所述两个圆盘的外侧分别活动连接在旋转托盘上，两个旋转接头分别连接在两个旋转托盘外侧，所述进水管和出水管分别连接在两个旋转接头上，且进水管和出水管之间通过所有冷却管连通，所述驱动轮设于电机输出端，两个圆盘的其中一个带有齿轮，所述驱动轮与该圆盘上的齿轮啮合连接。
一种自供热连续式制备活性炭的方法，其利用上述装置，步骤包括：
将制备活性炭的物料从热反应炉顶部投入，启动各层落料机构中的驱动件，带动翻转板转动，使物料由上往下逐层下落；同时，通过外部燃烧器将高温热解气从热反应炉底部进气口通入，热解气从各层落料区其中一侧边的折流板缝隙内吹入，再从另一侧边的折流板缝隙吹出，吹出后经通气口向上流动，以此类推形成由下往上的S型流动轨迹；
物料由每层落料区下落时，每层料堆底部的物料落到下一层料堆上部，由此与流动的热解气直接充分接触；
在热反应炉内由上往下依次形成干燥区、热解区和活化区，物料先在干燥区和热解区内发生热解反应，产生热解气和半焦，热解气由出气口排出后，一部分热解气经进气口回到热反应炉内作为活化剂，另一部分热解气进入燃烧器作为燃气，半焦向下流动进入活化区，在活化剂的作用下不断丰富半焦微孔和中孔结构，最终生成活性炭，活性炭从热反应炉底部经冷却后排出。
本发明的有益效果在于：
(1)炭化反应和活化反应在一个装置内进行，省去开炉、冷却、取炭过程，实现了活性炭的一体化连续生产，减小了热能损失；
(2)高温下生物质反应产生热解气，一部分热解气回到炉内作为活化剂，另一部分进入燃烧器作为燃气，无需外部供热，实现了系统自供热，节约能源；
(3)热解气从各层落料区的侧边吹入或吹出，而绝大部分热解气向上输送时不经过落料区，由此可避免流通不畅的问题；
(4)落料时，每层的料堆底部物料落到下一层的料堆上部，与流动的热解气直接充分接触，提高了物料的换热效果和反应效率，料堆均匀受热，提高了活性炭的成品率。
附图说明
图1为自供热连续式制备活性炭的装置内部结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为图1中的B-B剖视图；
图4为图1中的C-C剖视图；
图5为图1中的D-D剖视图；
图6为冷却器的结构示意图；
图7为带齿轮的圆盘结构示意图；
图中：1、热反应炉；2、转轴；3、翻转板；4、驱动件；5、折流板；6、落料区；7、通气口；8、进气口；9、出气口；10、无氧仓；11、上料斗；12、第一插板阀；13、第二插板阀；14、抽空气口；15、焦油吸附仓；16、搅拌器；17、冷却器；171、进水管；172、出水管；173、电机；174、驱动轮；175、旋转接头；176、旋转托盘；177、圆盘；178、冷却管；18、下料仓；19、水冷螺旋输送机。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
结合图1至图7所示，一种自供热连续式制备活性炭的装置，包括热反应炉1，热反应炉1顶部设有双密封进料机构，用于投放制备活性炭的原料，热反应炉1底部设有出料机构，用于排出生成的活性炭，热反应炉1内设有若干层落料机构，落料机构包括若干根水平间隔布置的转轴2，以及设于每根转轴2上翻转板3，以及用于驱动转轴2转动的驱动件4，转轴2与热反应炉1炉壁活动搭接，可进行转动；相邻层落料机构之间均竖向设有两排折流板5，两排折流板5之间形成落料区6，每排折流板5由若干块呈内低外高倾斜且间隙布置的折流板5组成，非最底层的落料机构上在其中一排折流板5的外侧位置均形成有通气口7(最底层的落料机构上不设通气口7，参照图5)，且相邻层落料机构上的通气口7位置交错(参照图3和图4，即在不同侧交替设置)；热反应炉1的底部侧边设有进气口8，用于通入高温热解气，热反应炉1的顶部设有出气口9，用于排出低温热解气。
本发明中，翻转板3位于转轴2的中间位置，两排折流板5恰好与翻转板3的两端头位置对应，即折流板5位于翻转板3的两端头位置正上方，这样翻转板3恰好作为落料区6的整个下料区域，有利于落料。
本发明中，转轴2的两端均伸出热反应炉1的炉壁，驱动件4由传动带和减速电机组成，传动带套在转轴2位于炉壁外侧的端部，传动带使同一落料机构内所有转轴2联动，减速电机输出端与传动带连接。减速电机带动传动带转动，从而带动所有转轴2以及翻转板3翻转，当翻转板3翻转至水平角度时，停止下料，当翻转板3翻转至倾斜或者竖直角度时，物料下落，并且在下料过程中，由于翻转板3的搅动作用，使得每层的料堆底部物料落到下一层的料堆上部，与流动的热解气直接充分接触，提高了物料的换热效果和反应效率，料堆均匀受热，提高了活性炭的成品率。
本发明中，折流板5与竖直面的倾斜夹角为0-90°，优选的为15-25°，角度不易过大或过小，折流板5在保证正常通气前提下，可避免物料从折流板5缝隙内漏出；另外，折流板5内侧朝下的倾斜设计，可让热解气斜向下吹向物料，有助于热解气与物料的充分接触。
本发明中，进气口8连通于热反应炉1内最底层落料机构上其中一排折流板5的外侧空间，进入热反应炉1内的热解气先穿过折流板5进入该层落料区6内。
本发明中，双密封进料机构包括无氧仓10、上料斗11、第一插板阀12和第二插板阀13，无氧仓10与热反应炉1顶部连通，无氧仓10侧边设有抽空气口14，上料斗11设于无氧仓10顶部，第一插板阀12设于上料斗11与无氧仓10之间，第二插板阀13设于无氧仓10与热反应炉1之间。在投料时，先同时关闭第一插板阀12和第二插板阀13，对无氧仓10进行抽空气，将物料投入到上料斗11内，再打开第一插板阀12，使得物料快速下落到无氧仓10内，再关闭第一插板阀12，打开第二插板阀13，使物料下落进入热反应炉1内。双密封进料机构可实现密封进料，防止过多氧气进入炉内。
本发明中，热反应炉1的顶部还形成有焦油吸附仓15，焦油吸附仓15底部与热反应炉1顶部连通，焦油吸附仓15顶部与无氧仓10底部连通，焦油吸附仓15内设有搅拌器16，出气口9设于焦油吸附仓15的侧边。在物料热解过程中，会产生一定量的焦油，焦油在300℃以下开始凝结析出，而在300℃以上以气态存在，热反应炉1内温度大于300℃，因此产生的焦油会以气态形式向上流动进入焦油吸附仓15内，焦油吸附仓15内温度较低(100-150℃)，焦油被物料冷凝吸附后进入炉内参与反应，经多次重整后焦油被去除并完全裂解成小分子热解气及半焦，热解气排出，半焦下落继续参与反应，由此可保证设备的清洁生产。
本发明中，出料机构包括冷却器17、下料仓18和水冷螺旋输送机19，冷却器17连通于热反应炉1底端，下料仓18位于冷却器17下方，水冷螺旋输送机19连接于下料仓18的底部。生产形成的活性炭下落经过冷却器17，被冷却后进入下料仓18，最后由水冷螺旋输送机19排出。
本发明中，冷却器17包括进水管171、出水管172、电机173、驱动轮174以及两个旋转接头175、旋转托盘176、圆盘177以及若干根冷却管178，冷却管178间隔布置在两个圆盘177之间，两个圆盘177的外侧分别活动连接在旋转托盘176上，两个旋转接头175分别连接在两个旋转托盘176外侧，进水管171和出水管172分别连接在两个旋转接头175上，且进水管171和出水管172之间通过所有冷却管178连通，驱动轮174设于电机173输出端，两个圆盘177的其中一个带有齿轮，驱动轮174与该圆盘177上的齿轮啮合连接。在活性炭下落过程中，会从冷却管178之间的间隙内下落，冷却管178内通冷却液或者低温热解气，从而实现活性炭的冷却，并且通过电机173带动圆盘177转动，从而带动所有冷却管178转动，这样使得物料不会堆积而堵塞间隙通道。
本发明还提供了一种自供热连续式制备活性炭的方法，其利用上述装置，步骤包括：
将制备活性炭的生物质物料从热反应炉1顶部投入，启动各层落料机构中的驱动件4，带动翻转板3转动，使物料由上往下逐层下落；同时，通过外部燃烧器(图中未示出)将高温热解气从热反应炉1底部进气口8通入，热解气从各层落料区6其中一侧边的折流板5缝隙内吹入，再从另一侧边的折流板5缝隙吹出，吹出后经通气口7向上流动，以此类推形成由下往上的S型流动轨迹；
物料由每层落料区6下落时，每层料堆底部的物料落到下一层料堆上部，由此与流动的热解气直接充分接触；
在热反应炉1内由上往下温度升高，依次形成干燥区、热解区和活化区，物料先在干燥区和热解区内发生热解反应，产生热解气和半焦，热解气由出气口9排出后，一部分热解气经进气口8回到热反应炉1内作为活化剂，另一部分热解气进入燃烧器作为燃气，半焦向下流动进入活化区，在活化剂的作用下不断丰富半焦微孔和中孔结构，最终生成活性炭，活性炭从热反应炉1底部经冷却后排出。
需要说明的是，在加工过程中，需要控制热反应炉1内区域温度，例如无氧仓10内为常温(25℃)，焦油吸附仓15内为100-150℃，热反应炉1内为300-900℃，且由下往上各层落料区6内的温度逐层降低。为了控制温度，可调节热解气的流量及流速，或者控制物料反应时间。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自供热连续式制备活性炭的装置，包括热反应炉(1)，其特征在于：所述热反应炉(1)顶部设有双密封进料机构，热反应炉(1)底部设有出料机构，热反应炉(1)内设有若干层落料机构，所述落料机构包括若干根水平间隔布置的转轴(2)，以及设于每根转轴(2)上翻转板(3)，以及用于驱动转轴(2)转动的驱动件(4)，相邻层落料机构之间均竖向设有两排折流板(5)，两排折流板(5)之间形成落料区(6)，每排折流板(5)由若干块呈内低外高倾斜且间隙布置的折流板(5)组成，非最底层的落料机构上在其中一排折流板(5)的外侧位置均形成有通气口(7)，且相邻层落料机构上的通气口(7)位置交错；
所述热反应炉(1)的底部侧边设有进气口(8)，用于通入高温热解气，热反应炉(1)的顶部设有出气口(9)，用于排出低温热解气。
2.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述翻转板(3)位于转轴(2)的中间位置，所述两排折流板(5)恰好与翻转板(3)的两端头位置对应。
3.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述转轴(2)的两端均伸出热反应炉(1)的炉壁，所述驱动件(4)由传动带和减速电机组成，所述传动带套在转轴(2)位于炉壁外侧的端部，传动带使同一落料机构内所有转轴(2)联动，所述减速电机输出端与传动带连接。
4.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述折流板(5)与竖直面的倾斜夹角为0-90°。
5.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述进气口(8)连通于热反应炉(1)内最底层落料机构上其中一排折流板(5)的外侧空间。
6.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述双密封进料机构包括无氧仓(10)、上料斗(11)、第一插板阀(12)和第二插板阀(13)，所述无氧仓(10)与热反应炉(1)顶部连通，无氧仓(10)侧边设有抽空气口(14)，所述上料斗(11)设于无氧仓(10)顶部，所述第一插板阀(12)设于上料斗(11)与无氧仓(10)之间，所述第二插板阀(13)设于无氧仓(10)与热反应炉(1)之间。
7.根据权利要求6所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述热反应炉(1)的顶部还形成有焦油吸附仓(15)，所述焦油吸附仓(15)底部与热反应炉(1)顶部连通，焦油吸附仓(15)顶部与无氧仓(10)底部连通，焦油吸附仓(15)内设有搅拌器(16)，所述出气口(9)设于焦油吸附仓(15)的侧边。
8.根据权利要求1所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述出料机构包括冷却器(17)、下料仓(18)和水冷螺旋输送机(19)，所述冷却器(17)连通于热反应炉(1)底端，所述下料仓(18)位于冷却器(17)下方，所述水冷螺旋输送机(19)连接于下料仓(18)的底部。
9.根据权利要求8所述的一种自供热连续式制备活性炭的装置，其特征在于：所述冷却器(17)包括进水管(171)、出水管(172)、电机(173)、驱动轮(174)以及两个旋转接头(175)、旋转托盘(176)、圆盘(177)以及若干根冷却管(178)，所述冷却管(178)间隔布置在两个圆盘(177)之间，所述两个圆盘(177)的外侧分别活动连接在旋转托盘(176)上，两个旋转接头(175)分别连接在两个旋转托盘(176)外侧，所述进水管(171)和出水管(172)分别连接在两个旋转接头(175)上，且进水管(171)和出水管(172)之间通过所有冷却管(178)连通，所述驱动轮(174)设于电机(173)输出端，两个圆盘(177)的其中一个带有齿轮，所述驱动轮(174)与该圆盘(177)上的齿轮啮合连接。
10.一种自供热连续式制备活性炭的方法，其利用权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于：步骤包括
将制备活性炭的物料从热反应炉(1)顶部投入，启动各层落料机构中的驱动件(4)，带动翻转板(3)转动，使物料由上往下逐层下落；同时，将高温热解气从热反应炉(1)底部进气口(8)通入，热解气从各层落料区(6)其中一侧边的折流板(5)缝隙内吹入，再从另一侧边的折流板(5)缝隙吹出，吹出后经通气口(7)向上流动，以此类推形成由下往上的S型流动轨迹；
物料由每层落料区(6)下落时，每层料堆底部的物料落到下一层料堆上部，由此与流动的热解气直接充分接触；
在热反应炉(1)内由上往下依次形成干燥区、热解区和活化区，物料先在干燥区和热解区内发生热解反应，产生热解气和半焦，热解气由出气口(9)排出后，一部分热解气经进气口(8)回到热反应炉(1)内作为活化剂，另一部分热解气进入燃烧器作为燃气，半焦向下流动进入活化区，在活化剂的作用下不断丰富半焦微孔和中孔结构，最终生成活性炭，活性炭从热反应炉(1)底部经冷却后排出。
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