CN114260005A - 一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法和装置。针对电阻率很高的饱和活性炭，一味提高加载高压电，会击穿和烧毁活性炭。本发明给流动的颗粒活性炭通电并引发电弧，通过活性炭导电焦耳热和电弧放热双重效果来高效加热活性炭，实现高温热再生，适用于连续性流程工业，还大幅降低能量耗散；提出的电压公式可根据目标升温值直接计算得到需输入的对应电压，且在计算出的电压作用下，能准确使活性炭达到目标升温值，从而给活性炭的高温热再生提供了一种准确高效的途径，而且通过电压公式计算电压时，可根据质量流量进行适当调节，实现难度小；实际工业应用产生的吸附了大量物质并具有较高电阻率的活性炭，也能通过本发明技术再生。

Description

一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法和装置
技术领域
本发明属于加热技术领域，具体涉及一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法和装置。
背景技术
工业中再生活性炭常使用热再生的方式，即通过将饱和活性炭加热至高温，热解掉活性炭的吸附质，实现活性炭再生。目前对于活性炭热再生工业应用的加热为燃烧式锅炉加热，该方式对一般活性炭都适用，但在能耗方面问题严峻，加热设备庞大、能量利用率低，同时耗费一次能源并产生尾气烟尘污染环境。也有电力驱动的加热炉，利用电流通过专门电热元件产生热量，再将热量传导给活性炭，但由外向内的热量传导过程产生了大量能量浪费。
由于活性炭具有一定的导电能力，后来提出了直接电热加热再生方法，具备更加高效节能的优势，但对活性炭的电阻要求太高，使该方法的应用和发展受到限制。直接电热法是将活性炭直接接通到电路中，使电流通过活性炭本身，利用活性炭本身的电阻发热来实现自发升温。但是直接电热法需要活性炭电阻率很低，否则一定电压下的电流很小，进而通电功率很低，导致无法加热。但是实际工业中的饱和活性炭大都吸附了大量的物质，其电阻率很高。若为了提高功率而加载高压电，则可能会击穿和烧毁活性炭。因此，需要进一步优化其技术方案，克服或避免上述的缺陷，使电阻率更大的活性炭也能适用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法和装置，让颗粒活性炭持续流动，给其导通电流并引发电弧，通过导电焦耳热和电弧放热双重效果来高效加热升温活性炭并实现高温热再生。
本发明一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，具体为：使颗粒活性炭连续流过加热通道，向加热通道内的两块电极板输入直流电，直流电的电压符合电压公式
Figure BDA0003428670670000011
其中，ρ为活性炭的电阻率，c为活性炭的比热容，qm为活性炭在加热通道中的质量流量，ΔT为再生活性炭的目标升温值，dp为活性炭的等效粒径，l为两块电极板的间距，S为电极板的面积，无量纲系数η在1～5中取值，经验参数α＝xwlρm，单位为kg/s，式中x是量纲为m/s的调节参数，x在0.002m/s～0.01m/s中取值，式中w为两块电极板的正对宽度，ρm为活性炭的堆积密度，经验参数β在200m-1～800m-1中取值。颗粒活性炭在加热通道输送过程中翻滚并相互碰撞和分离，激发电子穿过势垒形成场致发射和碰撞电离，从而引发电弧，引发的电弧既利于电流导通又释放热量，降低了活性炭接入回路的电阻，使得活性炭在导电焦耳热和电弧放热共同作用下升温热解掉吸附质实现再生。
优选地，活性炭的堆积密度ρm具体测量过程如下：将活性炭分多次装入100mL量筒内，每次放入后用橡皮锤敲击量筒底部，直至活性炭的体积达到100mL而不再减少为止，再用电子秤称量出量筒内的活性炭净重，最后用活性炭净重除以100mL体积得到活性炭的堆积密度ρm。
优选地，当根据目标升温值计算得到需要输入的电压高于预设值高值(比如380V)或根据需要输入的电压计算得到输入功率超过直流电源的额定功率时，通过调低活性炭在加热通道中的质量流量qm来降低需求的电压和功率；反之，当根据目标升温值计算得到需要输入的电压低于预设值低值时，通过调高qm来增大加热活性炭的效率和产能；其中，质量流量通过下式计算qm＝vwlρm，活性炭流速v在0.0005m/s～0.02m/s中取值。因此，质量流量qm可以通过控制活性炭流速、更改两块电极板的间距l和两块电极板的正对宽度w来调节。
优选地，投入加热的颗粒活性炭等效粒径在0.5mm到10mm范围内。
优选地，投入加热的活性炭含水率在5％以下，湿润的活性炭需要先行干燥。
本发明一种引弧放电再生颗粒活性炭的装置，包括进料装置、加热通道、集料装置和可调直流电源；所述的加热通道四周用耐高温绝缘材料封闭，加热通道的两端分别连接和加热通道和集料装置；加热通道的出口处设有调节活性炭流速的控制阀门；加热通道内设有两块形状相同且平行放置的电极板，两块电极板分别连接直流电源输出端的正、负极。
优选地，两块电极板均固定在加热通道内；或者其中一块电极板固定在加热通道内，另一块电极板由侧移机构驱动，侧移机构及其上电极板由间距调节机构同步驱动；其中，侧移机构能调节两块电极板的相对面积，从而改变两块电极板的正对宽度；间距调节机构能调节两块电极板的间距。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，给流动的颗粒活性炭接通电并引发电弧，通过活性炭导电焦耳热和电弧放热双重效果来高效加热活性炭，进而实现高温热再生，适用于连续性流程工业，还大幅降低能量耗散，节能环保。进一步，本发明提出的电压公式可以根据目标升温值方便地直接反求计算得到需要输入的对应电压，且在计算出的电压作用下，能较为准确地使活性炭达到目标升温值，从而给活性炭的高温热再生提供了一种准确、高效的途径。更进一步，当根据目标升温值计算得到需要输入的电压高于预设值高值(比如380V)或根据需要输入的电压计算得到输入功率超过直流电源的额定功率时，可通过调低活性炭在加热通道中的质量流量来降低需求的电压和功率；反之，当根据目标升温值计算得到需要输入的电压低于预设值低值时，可通过调高质量流量来增大加热活性炭的效率和产能，可见，本发明提出的电压公式具有一定可调性，实现难度小。
2、本发明通过让活性炭流动来产生动态接触和分离，通电以后产生强制放电并引发电弧，大幅降低活性炭接入电路的电阻，提高导电性能，使实际工业应用产生的吸附了大量物质并具有较高电阻率的活性炭，也能通过本发明技术再生，扩大了活性炭再生应用范围，使本发明更具有工业实用性。
3、本发明的引弧放电技术解决了直接电热法中加载高压电才能导通大电阻率活性炭的不足，从而能避免大量能量浪费，甚至击穿和烧毁活性炭的情况发生。
附图说明
图1是本发明引弧放电再生颗粒活性炭的装置示意图。
图2是实施例2中实际升温随电压变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，一种引弧放电再生颗粒活性炭的装置，包括进料装置、加热通道、集料装置和可调直流电源3，加热通道四周用耐高温绝缘材料封闭，加热通道的两端分别连接和加热通道和集料装置；加热通道的出口处设有调节活性炭流速的控制阀门2；加热通道内固定有两块形状相同且平行放置的电极板1(采用平面电极板)，两块电极板1分别连接直流电源输出端的正、负极。
作为一个实例，两块电极板的间距l为0.05m，两块电极板的正对宽度(正对的有效宽度)w为0.12m，电极板的面积S为0.0036m2。
实施例2：
一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，使用实施例1中的装置来加热再生颗粒活性炭。加热通道的进口连接进料装置，加热通道的出口连接集料装置。引弧放电再生颗粒活性炭的方法，具体过程为：将颗粒活性炭烘干至含水率低于5％以后通过进料装置输入加热通道，使颗粒活性炭连续流过加热通道；向两块电极板输入直流电，直流电的电压符合电压公式
Figure BDA0003428670670000041
其中，ρ为活性炭的电阻率，c为活性炭的比热容，qm为活性炭在加热通道中的质量流量，ΔT为再生活性炭的目标升温值，dp为活性炭的等效粒径，l为两块电极板的间距，S为电极板的面积，无量纲系数η建议取值1～5，经验参数α＝xwlρm，单位为kg/s，式中x是量纲为m/s的调节参数，x建议取值0.002m/s～0.01m/s，式中w为两块电极板的正对宽度，ρm为活性炭的堆积密度，经验参数β建议取值200m-1～800m-1。颗粒活性炭在加热通道输送过程中翻滚并相互碰撞和分离，激发电子穿过势垒形成场致发射和碰撞电离，从而引发电弧，引发的电弧既利于电流导通又释放热量，大幅降低了活性炭接入回路的电阻，使静态电阻率较高的活性炭通过动态引弧放电加热，在导电焦耳热和电弧放热共同作用下迅速升温，高温热解掉吸附质从而实现再生；再生后的颗粒活性炭被集料装置收集。
下面给出一个具体实例：
活性炭的电阻率ρ为0.6Ω·m，比热容c为840J/(kg·℃)，堆积密度ρm为470kg/m3，等效粒径dp为0.002m，目标升温值ΔT为700℃，质量流量qm为0.006kg/s，η取值为2，x取值为0.00638m/s，α取值为0.018kg/s，β取值为400m-1，因此计算得到需要输入的电压为367.7V。而如果在上述参数下，改变输入的电压，则实际升温随电压变化的曲线如图2所示。
优选地，活性炭的堆积密度ρm具体测量过程如下：由于活性炭的堆积密度ρm为活性炭自然堆积下的质量与体积的比值，因此，可以采用将活性炭分多次装入100mL量筒内，每次放入后用橡皮锤轻轻敲击量筒底部，直至活性炭的体积达到100mL而不再减少为止，再用电子秤称量出量筒内的活性炭净重，最后用活性炭净重除以100mL体积得到活性炭的堆积密度ρm。虽然活性炭的堆积密度ρm测量过程只采用100mL进行测量，再加上人工操作精度受限，会有误差产生，但是可以通过系数x来调节堆积密度ρm测量误差。
下面对本发明引弧放电再生颗粒活性炭的工作机制进行进一步说明：
通电状态下的颗粒活性炭在运动过程中翻滚并相互碰撞和分离，激发电子穿过势垒形成场致发射和碰撞电离，从而引发大量电弧，引发的电弧既利于电流的导通又会释放大量热量，同时大量能量以光和热的形式释放，进一步激发导电颗粒产生光电离和热电离，促使更多电弧形成。这种强制放电效果显著提高了电流导通性能，大幅降低了活性炭接入回路的电阻，使静态电阻率较高的活性炭也能通过动态引弧放电加热。因此活性炭在导电焦耳热和电弧放热共同作用下迅速升温，高温热解掉吸附质从而实现再生。同时，实际的引弧放电效果与加载的电压电流、活性炭的运动速度、活性炭颗粒的大小以及活性炭本身电学性质有关，加载的电压电流越大、活性炭的运动速度(超过临界值以后)越小、活性炭颗粒的大小(超过临界值以后)越小、活性炭的电阻率越低，则引弧放电效果越好。其他条件一定时，当活性炭的流速变大(如要提高产能)，或者颗粒的等效粒径变大，为了能使活性炭升温至目标温度，均需要提高加载的电压，使用本发明中的电压公式
Figure BDA0003428670670000051
可以方便地得出需要输入的电压。

Claims (7)

1.一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，其特征在于：该方法具体为：使颗粒活性炭连续流过加热通道，向加热通道内的两块电极板输入直流电，直流电的电压符合电压公式
Figure FDA0003428670660000011
其中，ρ为活性炭的电阻率，c为活性炭的比热容，qm为活性炭在加热通道中的质量流量，ΔT为再生活性炭的目标升温值，dp为活性炭的等效粒径，l为两块电极板的间距，S为电极板的面积，无量纲系数η在1～5中取值，经验参数α＝xwlρm，单位为kg/s，式中x是量纲为m/s的调节参数，x在0.002m/s～0.01m/s中取值，式中w为两块电极板的正对宽度，ρm为活性炭的堆积密度，经验参数β在200m-1～800m-1中取值；颗粒活性炭在加热通道输送过程中翻滚并相互碰撞和分离，激发电子穿过势垒形成场致发射和碰撞电离，从而引发电弧，引发的电弧既利于电流导通又释放热量，降低了活性炭接入回路的电阻，使得活性炭在导电焦耳热和电弧放热共同作用下升温热解掉吸附质实现再生。
2.根据权利要求1所述一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，其特征在于：活性炭的堆积密度ρm具体测量过程如下：将活性炭分多次装入100mL量筒内，每次放入后用橡皮锤敲击量筒底部，直至活性炭的体积达到100mL而不再减少为止，再用电子秤称量出量筒内的活性炭净重，最后用活性炭净重除以100mL体积得到活性炭的堆积密度ρm。
3.根据权利要求1所述一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，其特征在于：当根据目标升温值计算得到需要输入的电压高于预设值高值或根据需要输入的电压计算得到输入功率超过直流电源的额定功率时，通过调低活性炭在加热通道中的质量流量qm来降低需求的电压和功率；反之，当根据目标升温值计算得到需要输入的电压低于预设值低值时，通过调高qm来增大加热活性炭的效率和产能；其中，质量流量通过下式计算qm＝vwlρm，活性炭流速v在0.0005m/s～0.02m/s中取值；因此，质量流量qm可以通过控制活性炭流速、更改两块电极板的间距l和两块电极板的正对宽度w来调节。
4.根据权利要求1所述一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，其特征在于：投入加热的颗粒活性炭等效粒径在0.5mm到10mm范围内。
5.根据权利要求1所述一种引弧放电再生颗粒活性炭的方法，其特征在于：投入加热的活性炭含水率在5％以下。
6.一种引弧放电再生颗粒活性炭的装置，包括加热通道，其特征在于：还包括进料装置、集料装置和可调直流电源；所述的加热通道四周用耐高温绝缘材料封闭，加热通道的两端分别连接和加热通道和集料装置；加热通道的出口处设有调节活性炭流速的控制阀门；加热通道内设有两块形状相同且平行放置的电极板，两块电极板分别连接直流电源输出端的正、负极。
7.根据权利要求6所述一种引弧放电再生颗粒活性炭的装置，其特征在于：其中一块电极板固定在加热通道内，另一块电极板由侧移机构驱动，侧移机构及其上电极板由间距调节机构同步驱动；其中，侧移机构能调节两块电极板的相对面积，从而改变两块电极板的正对宽度；间距调节机构能调节两块电极板的间距。
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