CN114735700B - 一种用于活性炭水热再生的反应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于活性炭水热再生的反应系统及方法，属于能源化工及环保等技术领域。包括预处理和调配单元、反应器单元和降压分离单元，一方面，活性炭浆料在电加热棒加热之前经过三级预热，第一级与被加热的冷却水进行换热，第二级与反应器高温壁面换热，第三级与反应后的热流体换热，能够有效降低加热棒的设定温度，减少能量消耗和热损失。另一方面，在反应器内部实现了预热、加热、能量回收及利用，实现了反应器的多功能化。本发明在整个系统中活性炭再生的同时发生了超临界水气化反应，减少了出水的污染物，这对于环境保护有着重大意义，有利于活性炭水热再生工业化的推进。

Description

一种用于活性炭水热再生的反应系统及方法

技术领域

本发明属活性炭再生处理设备技术领域，具体涉及一种用于活性炭水热再生的反应系统及方法。

背景技术

活性炭具有高比表面积、吸附性能强等特点，在环境保护、工业与民用方面己被大量使用，并且取得了相当的成效。然而活性炭的大量使用会导致废水处理的成本上升，因此在工业生产中用于环保治理的木质活性炭经过一段时间的使用，吸附饱和就需要进行再生，使活性炭恢复活性，从而能够重复使用。活性炭再生，是指用物理或化学方法在不破坏活性炭原有结构的前提下，将吸附于活性炭上的吸附质予以去除，恢复其吸附性能，从而达到重复使用的目的。

目前，活性炭再生方法主要有生物再生法、湿式氧化再生法电化学再生法和加热再生法等，但生物再生法、湿式氧化再生法电化学再生法存在再生效率低、反应时间长、处理对象所受局限性较大等缺点。水热再生技术(加热再生法)是应用最多，工业上最成熟的活性炭再生方法。其中可以利用废水中的酚类、醛类等有机物在高温条件下发生气化、分解等反应，使得吸附在活性炭上的一部分有机物沸腾、气化汽化脱附，一部分有机物发生分解反应，生成小分子烃类脱附出来。但当前水热再生系统在再生过程中，外加能源加热的热量通常都会浪费，导致投资及运行费用较高，此外，其再生效率虽然相比其他技术略高，但是依旧不能达到可喜效果，严重制约了活性炭水热再生工业化应用。

因此，亟需一种处理工艺完善、能够实现热循环并提高热效率、具有经济性和环境效益的活性炭水热再生反应系统。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于活性炭水热再生的反应系统及方法，能够同时解决活性炭再生过程中的能量消耗、热损失、出水污染等问题，实现了反应器的多功能化。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于活性炭水热再生的反应系统，包括预处理和调配单元、反应器和降压分离单元；

所述预处理和调配单元，包括依次相连的除铁器、研磨泵和调配罐；

所述反应器外部设有保护壁，在反应器内设有反应空腔以及若干级换热单元，在反应空腔上设有加热器；

所述降压分离单元，包括依次连接的降压单元和分离单元；

待处理的活性炭浆料经除铁器、研磨泵和调配罐处理后实现一级预热，然后流经反应器的保护壁中进行二级预热，之后流经若干级换热单元中进行三级预热；

完成三级预热后的活性炭浆料进入反应空腔中进行反应，反应后的高温流体携带脱附后的活性炭流经若干级换热单元进行换热，然后经降压单元降压处理后再经分离单元处理完成活性炭水热再生。

调配罐就相当于一个预热器，冷流体进入后和盘管中的热流体发生一级预热，之后一级预热后的流体进入保护壁吸收壁面的热量，实现二级预热，之后再进入那些换热单元和从反应空腔里面反应完的热流体进行一个换热，相当于第三级预热完成。

优选地，保护壁的出口端与若干级换热单元顺次相连，构成反应器内部的换热通路。

进一步优选地，所述若干级换热单元为三级换热单元，包括依次相连的换热单元一、换热单元二和换热单元三，保护壁的出口端与换热单元二及换热单元一顺次相连，换热单元一的管侧出口与反应空腔连接；反应空腔的出口依次与换热单元一的壳侧入口、换热单元一的壳侧出口、换热单元二的壳侧入口、换热单元二的壳侧出口、换热单元三的壳侧入口、以及换热单元三的壳侧出口相连。

优选地，所述分离单元包括旋风分离器、静置罐、回收罐、出水罐、废液收集罐和事故罐；

旋风分离器的入口端与降压单元相连，出口包括顶部出口和底部出口，顶部出口连接气体处理系统，底部出口与静置罐的入口端相连，静置罐包括两个出口，底部出口与回收罐相连，侧面出口通过管路与出水罐的入口端相连，出水罐的出口端分为两条支路，一路通过低压变频泵与事故罐入口端相连，另一路连接废液收集罐，事故罐的出口端经管路连接至废液收集罐。

优选地，在管道除铁器前端设有给料泵，活性炭浆料通过给料泵进入管道除铁器中。

优选地，所述预处理和调配单元还包括软化水罐，软化水罐底部出口与软化水泵的入口相连，调配罐底部出口连接物料泵的入口，软化水泵的出口与物料泵的出口通过管道汇合后与反应器的保护壁相连。

优选地，所述预处理和调配单元还包括冷却水罐，冷却水罐底部的出口与冷却水泵的入口相连，冷却水泵的出口端与反应器的换热单元相连，然后通过管道连接至调配罐顶部入口，经调配罐内部的换热盘管后再次进入冷却水罐，构成水循环体系。

优选地，保护壁采用膜式壁或螺旋冷壁；反应空腔设置为一个或多个，在反应空腔中设有搅拌装置。

本发明还公开了基于上述的用于活性炭水热再生的反应系统进行活性炭再生处理的方法，包括以下步骤：

1)将待处理的活性炭浆料依次送入除铁器、研磨泵处理后送入调配罐中，与调配罐中的换热盘管进行换热，实现一级预热；

2)将一级预热后的浆料输送至反应器的保护壁中进行换热，实现二级预热；

3)二级预热后的活性炭浆料从保护壁的出口流出进入换热单元，与上一阶段反应后的流体进行换热，实现三级预热；

4)经过三级预热后的活性炭浆料由换热单元流出后进入反应腔体中，在加热器的加热处理下达到所需温度后进行反应，使活性炭中的有机物在高温高压条件下发生分解反应和气化反应而脱附，脱附后的活性炭在高温流体的携带下再次进入若干级换热单元中进行换热，高温流体温度降低；

5)降低温度后的流体进入降压单元降压，再经分离单元处理，完成活性炭的水热再生。

优选地，降压处理后的流体经旋风分离器处理，分离的气体进入气体处理系统，活性炭液相和活性炭固相一起进入静置罐，活性炭固相被静置罐处理后压入回收罐，活性炭液相通过侧面的管路进入出水罐，出水罐的液体分为两路，一路直接进入废液收集罐，另一路通过低压变频泵进入事故罐后再进入废液收集罐；

冷却水罐中的冷却水与冷却水泵的入口相连，之后经过反应器的换热单元将反应后流体进行冷却，吸热升温后的冷却水通过管道与调配罐的换热盘管连接后进行降温再次进入冷却水罐，构成循环体系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的用于活性炭水热再生的反应系统，活性炭浆料在加热器加热之前经过三级预热，第一级与被加热的冷却水进行换热，第二级与反应器保护壁的高温壁面换热，第三级与反应后的热流体换热，能够有效降低加热器的设定温度，减少能量消耗和热损失，能量和热量多级循环，实现了能量的回收和梯级利用；在整个系统中活性炭再生的同时发生了超临界水气化反应，对分离出去的液体和气体分别进行余热回收和气体回收，减少了出水的污染物，这对于环境保护有着重大意义，有利于活性炭水热再生工业化的推进，实现了系统无害化和资源化处理，绿色经济且高效。本发明的反应系统结构设计合理，能够同时解决能量消耗、热量损失和出水污染问题，整个系统实现了活性炭再生的分级、分阶段处理，同时热量多级循环，具有效率高、无害化程度高、可资源回收利用、绿色经济等多种优势，为加速活性炭再生的工业化进程、改善商业化应用提供了条件。

进一步地，预处理和调配单元还包括软化水罐和软化水泵，软化水泵的出口与物料泵的出口通过管道汇合后与反应器的保护壁相连，这种将软化水罐和软化水泵与进料路并联的结构设置，能够避免反应器壁面温度过高，同时调节软化水路的流量可以实现对壁面温度的控制。

进一步地，在分离单元中设有事故罐，事故罐可以进行温控和低压变频泵的连锁设置，能够随时监控系统从而保证系统的安全性和可靠性。

进一步地，在反应空腔中设有搅拌装置，解决了活性炭浆料含盐导致的盐沉积问题，实现了反应器的多功能化。

附图说明

图1为本发明的用于活性炭水热再生的反应系统的结构示意图。

其中：1为给料泵；2为管道除铁器；3为研磨泵；4为调配罐；5为软化水罐；6为软化水泵；7为物料泵；8为冷却水罐；9为冷却水泵；10为反应器；10-1为保护壁；10-2为加热器；10-3为反应空腔；10-4为换热单元一；10-5为换热单元二；10-6为换热单元三；11为降压单元；12为旋风分离器；13为静置罐；14为回收罐；15为出水罐；16为低压变频泵；17为废液收集罐；18为事故罐。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，一种用于活性炭水热再生的反应系统，包括预处理和调配单元、反应器10和降压分离单元，其中：

所述预处理和调配单元包括给料泵1、管道除铁器2、研磨泵3、调配罐4、软化水罐5、软化水泵6、物料泵7、冷却水罐8和冷却水泵9。

所述反应器10内部设置有保护壁10-1、加热器10-2、反应空腔10-3、换热单元一10-4、换热单元二10-5和换热单元三10-6，活性炭浆料进入反应器10首先经过保护壁10-1预热，随后进入分布于反应器10中的多级换热单元(包括换热单元二10-5、换热单元一10-4)进行换热后进入到反应器的反应空腔10-3，加热器10-2将活性炭浆料进一步加热后进行水热再生反应，再生后的活性炭通过换热单元一10-4和换热单元二10-5进行热量回用，并最终从反应器的换热单元三10-6排出。

所述降压分离单元包括降压单元11、旋风分离器12、静置罐13、回收罐14、出水罐15、低压变频泵16、废液收集罐17和事故罐18。

优选地，反应器10的保护壁10-1出口与换热单元二10-5、换热单元一10-4顺次相连，构成反应器10内部的换热通路，同时换热单元一10-4的管侧出口与反应空腔10-3连接；反应空腔10-3的出口依次与换热单元一10-4的壳侧入口、换热单元一10-4壳侧的出口、换热单元二10-5壳侧的入口、换热单元二10-6壳侧的出口、换热单元三10-6壳侧的入口、换热单元三10-6壳侧的出口相连。

优选地，保护壁10-1的形式包括但不局限于膜式壁和螺旋冷壁。

优选地，多级换热单元包括但不局限于换热单元一10-4、换热单元二10-5和换热单元三10-6。

优选地，给料泵1出口、管道除铁器2、研磨泵3顺次连接，之后与调配罐4入口相连。

优选地，软化水罐5底部的出口与软化水泵6的入口相连，之后软化水泵6的出口与调配罐4底部的出口通过管道汇合后与反应器10的保护壁10-1相连。

优选地，冷却水罐8底部的出口与冷却水泵9的入口相连，之后经过反应器10的换热单元三10-6，通过管道与调配罐4的换热盘管连接后再次进入冷却水罐8，整体构成循环体系。

优选地，反应器10的反应空腔10-3中设有搅拌装置，该搅拌装置可以包含搅拌电机、分离伞、搅拌叶片、刮刷、下压式搅拌桨等元件，同时反应空腔不限于设置一个或多个。

优选地，反应器10的换热单元三10-6上面的出口依次与降压单元11、旋风分离器12顺次相连，之后旋风分离器12底部的出口与静置罐13上部的入口相连。

优选地，旋风分离器12包括两个出口，底部出口与静置罐13上部的入口相连，顶部出口直接进入气体处理系统。

优选地，静置罐13包括两个出口，底部出口与回收罐14相连，侧面出口与出水罐15相连。

优选地，出水罐15出口分为两条分支，一路通过低压变频泵16与事故罐18相连，之后出口与废液收集罐17相连；另一路直接进入废液收集罐17。

本发明的用于活性炭水热再生的反应系统，在使用时：

吸附了有机物并含有一定量水分的活性炭浆料通过给料泵1进入管道除铁器2，有效过滤活性炭浆料中的细小铁杂质，之后进入研磨泵3，将活性炭粉碎成更小的颗粒。

被过滤和粉碎后的活性炭浆料通过调配罐4靠近轴线处的进口进入调配罐4中，与其换热盘管中被加热的冷却水进行换热，实现活性炭浆料的一级预热；软化水罐6中的软化水通过软化水泵6输送，同时预热后的活性炭浆料通过物料泵7升压后与软化管路汇合后输送到反应器10的保护壁10-1，经过保护壁10-1的过程中与高温壁面进行换热，活性炭浆料进一步升温，完成第二级预热；完成二级预热的活性炭浆料从反应器10的保护壁10-1的出口流出后依次进入换热单元二10-5、换热单元一10-4，与上一阶段反应后(当前的预热相当于是进行第二轮反应前的预热处理，和第一轮反应后的流体进行换热，整体体现的是新的反应利用旧的反应余热的创新思路)的流体进行换热，温度进一步升高，完成第三级预热。三级预热的设置能够有效降低加热器的设定温度，减少能量消耗和热损失，能量和热量多级循环，实现了能量的回收和梯级利用。

完成第三级预热后的活性炭浆料进入到反应器10的反应空腔10-3，通过分离伞分散到加热器10-2(如电加热棒)附近，温度进一步升高，达到设定温度，加热环节完成。

达到设定温度的活性炭浆料进行反应，活性炭中的有机物在高温高压条件下发生分解反应、气化反应脱附出来，反应空腔10-3的设置不限于一个或者多个，用于延长反应时间使得反应更加充分。

高温流体携带脱附后的活性炭进入换热单元一10-4、换热单元二10-5进行换热，温度降低后流入换热单元三10-6，与冷却盘管中的冷却水进一步换热降低温度后进入降压单元11、旋风分离器12，其中分离的气体进入气体处理系统，活性炭液相和活性炭固相一起进入静置罐13，活性炭固相被静置罐13中的下压式搅拌压入回收罐14，活性炭液相通过侧面的管路进入出水罐15。回收罐14中的再生活性炭通常为不被破坏的原有结构，且保持其吸附性能，再生后活性炭的理化指标达到或接近新炭标准。

出水罐15的液体分为两路，一路直接进入废液收集罐17，另一路通过低压变频泵16进入事故罐18后再进入废液收集罐17。事故罐区18可以设置温控和低压变频泵16的连锁设置，能够随时监控系统从而保证系统的安全性和可靠性。

本发明的一种用于活性炭水热再生的反应系统，包括预处理和调配单元、反应器单元和降压分离单元，一方面，活性炭浆料在电加热棒加热之前经过三级预热，第一级与被加热的冷却水进行换热，第二级与反应器高温壁面换热，第三级与反应后的热流体换热，三级预热能够有效降低加热器的设定温度，减少能量消耗和热损失。另一方面，在反应器内部实现了预热、加热、能量回收及利用，同时刮刷的设置解决了活性炭浆料含盐导致的盐沉积问题，实现了反应器的多功能化。最后，在整个系统中活性炭再生的同时发生了超临界水气化反应，减少了出水的污染物，这对于环境保护有着重大意义，有利于活性炭水热再生工业化的推进。整个系统实现了活性炭再生的分级、分阶段处理，同时热量多级循环，具有效率高、无害化程度高、可资源回收利用、绿色经济等多种优势，为加速活性炭再生的工业化进程、改善商业化应用提供了条件。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于活性炭水热再生的反应系统，其特征在于，包括预处理和调配单元、反应器（10）和降压分离单元；

所述预处理和调配单元，包括依次相连的除铁器（2）、研磨泵（3）和调配罐（4）；所述预处理和调配单元还包括软化水罐（5），软化水罐（5）底部出口与软化水泵（6）的入口相连，调配罐（4）底部出口连接物料泵（7）的入口，软化水泵（6）的出口与物料泵（7）的出口通过管道汇合后与反应器（10）的保护壁（10-1）相连；所述预处理和调配单元还包括冷却水罐（8），冷却水罐（8）底部的出口与冷却水泵（9）的入口相连，冷却水泵（9）的出口端与反应器（10）的换热单元三（10-6）相连，然后通过管道连接至调配罐（4）顶部入口，经调配罐（4）内部的换热盘管后再次进入冷却水罐（8），构成水循环体系；

所述反应器（10）外部设有保护壁（10-1），在反应器（10）内设有反应空腔（10-3）以及若干级换热单元，在反应空腔（10-3）上设有加热器（10-2）；

所述若干级换热单元为三级换热单元，包括依次相连的换热单元一（10-4）、换热单元二（10-5）和换热单元三（10-6），保护壁（10-1）的出口端与换热单元二（10-5）及换热单元一（10-4）顺次相连，换热单元一（10-4）的管侧出口与反应空腔（10-3）连接；反应空腔（10-3）的出口依次与换热单元一（10-4）的壳侧入口、换热单元一（10-4）的壳侧出口、换热单元二（10-5）的壳侧入口、换热单元二（10-5）的壳侧出口、换热单元三（10-6）的壳侧入口、以及换热单元三（10-6）的壳侧出口相连，构成反应器（10）内部的换热通路；

所述降压分离单元，包括依次连接的降压单元（11）和分离单元；

待处理的活性炭浆料经除铁器（2）、研磨泵（3）和调配罐（4）处理后实现一级预热，然后流经反应器（10）的保护壁（10-1）中进行二级预热，之后流经若干级换热单元中进行三级预热；

完成三级预热后的活性炭浆料进入反应空腔（10-3）中进行反应，反应后的高温流体携带脱附后的活性炭流经若干级换热单元进行换热，然后经降压单元（11）降压处理后再经分离单元处理完成活性炭水热再生；

所述分离单元包括旋风分离器（12）、静置罐（13）、回收罐（14）、出水罐（15）、废液收集罐（17）和事故罐（18）；

旋风分离器（12）的入口端与降压单元（11）相连，出口包括顶部出口和底部出口，顶部出口连接气体处理系统，底部出口与静置罐（13）的入口端相连，静置罐（13）包括两个出口，底部出口与回收罐（14）相连，侧面出口通过管路与出水罐（15）的入口端相连，出水罐（15）的出口端分为两条支路，一路通过低压变频泵（16）与事故罐（18）入口端相连，另一路连接废液收集罐（17），事故罐（18）的出口端经管路连接至废液收集罐（17）。

2.根据权利要求1所述的用于活性炭水热再生的反应系统，其特征在于，在管道除铁器（2）前端设有给料泵（1），活性炭浆料通过给料泵（1）进入管道除铁器（2）中。

3.根据权利要求1~2中任意一项所述的用于活性炭水热再生的反应系统，其特征在于，保护壁（10-1）采用膜式壁或螺旋冷壁；反应空腔（10-3）设置为一个或多个，在反应空腔（10-3）中设有搅拌装置。

4.基于权利要求1~3中任意一项所述的用于活性炭水热再生的反应系统进行活性炭再生处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待处理的活性炭浆料依次送入除铁器、研磨泵处理后送入调配罐（4）中，与调配罐（4）中的换热盘管进行换热，实现一级预热；

2）将一级预热后的浆料输送至反应器（10）的保护壁（10-1）中进行换热，实现二级预热；

3）二级预热后的活性炭浆料从保护壁（10-1）的出口流出进入换热单元，与上一阶段反应后的流体进行换热，实现三级预热；

4）经过三级预热后的活性炭浆料由换热单元流出后进入反应腔体（10-3）中，在加热器（10-2）的加热处理下达到所需温度后进行反应，使活性炭中的有机物在高温高压条件下发生分解反应和气化反应而脱附，脱附后的活性炭在高温流体的携带下再次进入若干级换热单元中进行换热，高温流体温度降低；

5）降低温度后的流体进入降压单元（11）降压，再经分离单元处理，完成活性炭的水热再生；

6）降压处理后的流体经旋风分离器（12）处理，分离的气体进入气体处理系统，活性炭液相和活性炭固相一起进入静置罐（13），活性炭固相被静置罐（13）处理后压入回收罐（14），活性炭液相通过侧面的管路进入出水罐（15），出水罐（15）的液体分为两路，一路直接进入废液收集罐（17），另一路通过低压变频泵（16）进入事故罐（18）后再进入废液收集罐（17）；

冷却水罐（8）中的冷却水与冷却水泵（9）的入口相连，之后经过反应器（10）的换热单元将反应后流体进行冷却，吸热升温后的冷却水通过管道与调配罐（4）的换热盘管连接后进行降温再次进入冷却水罐（8），构成循环体系。