一种热解炉和耙式炉联合制备活性炭的系统及方法与流程

本发明属于活性炭制备技术领域，具体而言，涉及一种以煤、生活垃圾、废弃生物质、城市生活污泥为原料的热解炉和耙式炉联合制备活性炭的系统及方法。

背景技术：

我国的生物质资源非常丰富，每年产生大约6.5亿吨农业秸秆，加上薪柴及林业废弃物等，折合能量4.6亿吨标准煤，预计到2050年将增加到9.04亿吨，相当于6亿多吨标准煤。我国每年的森林耗材达到2.1亿立方米，折合1.2亿吨标准煤的能量。另外，全国城市物料年产量已超过1.5亿吨，到2020年年产量将达2.1亿吨，垃圾中的有机质含量平均约为40％，年产1.5亿吨的城市垃圾中，被丢弃的可再生资源价值高达250亿元。这些资源若未经治理直接焚烧、排放入水体、堆积必将造成资源浪费，以及空气、土壤、地表水和地下水等环境污染和人类生存环境的恶化。

然而若将生物质、垃圾、废旧轮胎、废旧有机物、有机污泥等为原料，经碳化之后可以生产出油、气和固体碳，部分替代煤、油、天然气等资源。但是，为了确保经济效益，仍然需要开发出对生物质、垃圾、废旧轮胎、废旧有机物、有机污泥等含炭物热解相合适的工艺路线。

含碳的物质在几百摄氏度的温度下经过炭化，再活化可制备活性炭。然而，目前制备活性炭的系统存在制备活性炭前段热解过程管道堵塞、粉尘重等问题，还存在制备活性炭装置能耗高、热量损失严重、制备活性炭品质差的问题，且在生产过程中会产生有毒有害气体。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种将热解炉和耙式炉联合，以煤、生活垃圾、废弃生物质、城市生活污泥为原料，制备活性炭的系统及方法，解决了热解过程中出现管道堵塞、粉尘重、热解效果差的问题，整个系统能耗低、热损少，杜绝有毒有害气体的产生。

本发明的目的之一是提供一种热解炉和耙式炉联合制备活性炭的系统，包括：预处理装置、热解炉、耙式炉和净化分离器；

所述预处理装置包括物料入口和热解原料出口；

所述热解炉包括热解原料入口、残炭出口、热解油气出口、燃烧器和可旋转的盛放盘，所述燃烧器包括燃气入口和烟气出口，所述燃烧器位于所述热解炉的上部，所述盛放盘位于所述热解炉的底部；

所述耙式炉包括残炭入口、气体入口和活性炭出口；

所述净化分离器包括烟气入口和二氧化碳出口；

所述预处理装置的热解原料出口连接所述热解炉的热解原料入口，所述热解炉的残炭出口连接所述耙式炉的残炭入口，所述燃烧器的烟气出口连接所述净化分离器的烟气入口，所述净化分离器的二氧化碳出口连接所述耙式炉的气体入口。

热解炉用于物料的热解，热解原料进入热解炉后均匀铺设在盛放盘上，热解原料相对于盛放盘静止，热解原料在热解炉中的时间可控。

优选的，所述预处理装置包括：筛选机、磁选机和破碎机中的一项或多项。筛选机对物料进行筛选，可以得到含有大量有机物的原料。磁选机用于磁选筛选后剩下有机物中的金属。破碎机用于将磁选后的有机物破碎成片状、块状和或粉状的热解原料。根据物料的不同，预处理装置可以选择筛选机、磁选机和破碎机中的一项或多项。

进一步的，本发明的系统还包括油气分离器，所述油气分离器包括热解油气入口、热解气出口和热解油出口，所述热解炉的热解油气出口连接所述油气分离器的热解油气入口，所述油气分离器的热解气出口连接所述燃烧器的燃气入口。

进一步的，本发明的制备活性炭的系统包括加热器，所述加热器包括气体入口和气体出口，所述净化分离器的二氧化碳出口连接所述加热器的气体入口，所述加热器的气体出口连接所述耙式炉的气体入口。

本发明的另一目的是提供一种利用上述的系统制备活性炭的方法，包括以下步骤：

A、将物料进行预处理，获得热解原料；

B、将所述热解原料送入所述热解炉进行热解处理，获得残炭和热解油气；

C、将所述残炭送入所述耙式炉，所述净化分离器从燃烧器产生的烟气中分离出二氧化碳，将所述二氧化碳送入耙式炉对所述残炭进行活化，获得活性炭。

作为优选的方案，所述步骤A中的预处理包括：对物料进行筛选，获得有机物原料。

作为本发明优选的方案，所述步骤A中的预处理包括：对物料进行磁选，磁选出物料中的金属。

进一步的，所述步骤A中的预处理包括：对物料进行破碎，获得热解原料。

优选的，本发明的方法所述步骤C中将所述二氧化碳送入加热器进行加热，将加热后的二氧化碳送入所述耙式炉。

优选的，本发明的方法还包括步骤：将所述热解油气送入所述油气分离器进行分离，获得热解气和热解油，将所述热解气送入所述热解炉的燃烧器燃烧。

本发明热解炉和耙式炉联合制备活性炭的系统及方法，解决了制备活性炭前段热解过程中管道堵塞、粉尘重、热解效果差的问题；解决了制备活性炭装置能耗高、热量损失严重、制备活性炭品质差的问题；整个工艺简单，易操作，能够确保操作的稳定性；分离烟气中二氧化碳作为活化剂，整个系统杜绝有毒有害气体产生；将分离获得的热解气作为燃料供给燃烧器，实现热量自供。

附图说明

图1是本发明实施例的系统示意图；

图2是发明实施例制备活性炭方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

发明人发现，通过采用内部设置蓄热式辐射管的物料热解炉与现有的耙式炉直接进行联用制备活性炭，而无需对现有的耙式炉进行改造，即可将物料热解炉中产生的热的残炭送至耙式炉进行活化产生活性炭。以从烟气中分离出来的二氧化碳为活化剂，制得的活性炭比表面积小，孔分布相对较宽。

如图1所示，一方面，本发明实施例提供一种热解炉和耙式炉联合制备活性炭的系统，包括：预处理装置100、热解炉200、净化分离器300、加热器400、耙式炉500和油气分离器600。

预处理装置100用于对送入的物料进行预处理，以获得满足热解所需的热解原料。预处理装置100包括物料入口101和热解原料出口102。

预处理装置100可包括：筛选机、磁选机和破碎机中的一项或多项。筛选机对物料进行筛选，可以得到含有大量有机物的原料。磁选机用于磁选筛选后剩下有机物中的金属。破碎机用于将磁选后的有机物破碎成片状、块状和或粉状的热解原料。根据物料的不同，预处理装置可以选择筛选机、磁选机和破碎机中的一项或多项。

热解炉200包括热解原料入口201、残炭出口202、热解油气出口203、燃烧器204和可旋转的盛放盘205。预处理装置的热解原料出口102连接热解炉的热解原料入口201。热解原料入口201设置在热解炉200的顶部。

较传统的使用气体热载体或固体热载体作为热解热源的热解反应装置相比，本发明实施例的热解炉不需要设置预热单元和载体分离单元，可以极大简化热解和活化反应工艺流程，从而显著降低装置的故障率。

多个热解油气出口203设置在热解炉200的顶部。根据热解油气的产量可以单独开启某个或多个热解油气出口，实现产油气过程中热解炉炉膛压力的稳定。整个热解炉采用水封，热解炉热解原料入口采用两级星型阀密封，确保整个炉膛内物料在无氧气氛下进行热解，同时使得热解气在整个炉膛内的停留时间超过3s，避免产生二噁英类物质。

燃烧器204包括燃气入口206和烟气出口207。燃烧器204位于热解炉200的上部，以便对热解原料进行加热。热解油气出口203竖直方向上位于燃烧器204的上方。燃烧器204包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管。每个蓄热式辐射管内部燃烧气氛与所述热解炉炉膛内的热解气氛完全隔开，确保了热解油气具有较高的热值，同时有效抑制了有毒有害气体的产生。

由于热解炉200中采用蓄热式辐射管为热解过程提供热源，可以通过调整通入蓄热式辐射管的燃气的流量来实现对热解过程的精确控温，并且该蓄热式辐射管可以通过在两端实现快速换向和蓄热式燃烧，保证热解炉中温度场的均匀性，从而可以显著提高热解效率。

盛放盘205位于热解炉200的底部。盛放盘205用于盛放热解原料，旋转的盛放盘可保证热解原料的均匀受热。热解原料在热解过程中，相对盛放盘静止不动，避免飞灰的产生。

本发明实施例的热解炉可解决使用其他热解装置时部分固体物流化随热解气进入管道和除尘系统导致堵塞和粉尘重的问题，同时解决了固体的流失会带走部分热量，导致热损失严重的问题。以往的热解装置，固体在热解装置中的停留时间难控制，导致部分残炭还未彻底热解就从出料口排出，残炭中会存在较多的焦油，而焦油的存在为后续残炭活化增加难度，降低活性炭的比表面积。本发明实施例的热解炉不存在这些问题。

净化分离器300包括烟气入口301和二氧化碳出口302，燃烧器的烟气出口207连接净化分离器烟气入口301。净化分离器300用于将烟气中的二氧化碳分离出来，用于活化反应。

加热器400包括气体入口401和气体出口402，净化分离器二氧化碳出口302连接加热器气体入口401。加热器400用于气体的预热，使气体达到耙式炉活化所需反应温度。从而大大提高热利用率，从而降低能耗。

耙式炉500包括残炭入口501、气体入口502和活性炭出口503。热解炉残炭出口202连接耙式炉残炭入口501，加热器气体出口402连接耙式炉气体入口502。耙式炉500可将残炭进行活化处理，从而获得活性炭。发明人发现，通过将热解炉中产生的热的残炭直接热送至耙式炉顶部与活化剂逆流接触反应，不仅能够确保耙式炉直接制备活性炭，而且可以显著提高能量利用率，并且有利于该制备活性炭系统的稳定性。

油气分离器600包括热解油气入口601、热解气出口602和热解油出口603。热解炉热解油气出口203连接油气分离器热解油气入口601，油气分离器热解气出口602连接燃烧器燃气入口206。热解产生的热解油气混合物，通过油气分离获得热解气燃烧可为热解炉热解提供热量。

如图2所示，另一方面，本发明实施例提供一种利用上述的系统制备活性炭的方法，包括以下步骤：

1、预处理：将物料经过预处理后得到热解原料。

上述预处理包括以下一项或多项：

a)将物料送至所述筛选机，得到含有大量有机物的原料；

b)将筛选后的含有大量有机物的原料送入磁选机中，筛选有机物中的金属；

c)将磁选后的含有大量有机物的原料送入破碎机中，可将磁选后的有机物破碎成粒径不大于50mm片状、块状或粉状的可满足热解要求的原料。

2、装入原料：将热解原料送入热解炉中，热解原料均匀布料在盛放盘上，料层厚度为50-300mm。

3、置换及气密性检测：确保整个制备活性炭系统内部阀门开启，各个设备相通，向系统一端通入一定量氮气或水蒸气，将整个系统进行置换，排掉系统内空气，关上放气阀，确保整个系统的气密性良好。

4、热解：将热解原料在热解炉进行热解处理，获得残炭和热解油气。

5、油气分离：将热解油气送入油气分离器进行分离，获得热解气和热解油，将热解气送入热解炉的燃烧器燃烧。

6、净化分离：将热解炉燃烧器产生的烟气送入净化分离器，先对烟气进行净化，对净化后的烟气进行二氧化碳和其他气体(主要含氮气)的分离，得到纯度在95％以上的二氧化碳气体；将得到的其他气体(主要含氮气)送入储气罐备用，既可作为惰性气体用于各密封段进行气封隔离，又可作为炉膛和管道吹扫用置换气。

7、气体加热：将分离得到的二氧化碳气体通入加热器中，将二氧化碳气体温度提高到600～950℃，达到耙式炉活化反应所需的温度。

8、制备活性炭：将残炭和加热后的二氧化碳送入耙式炉，对残炭进行活化，获得活性炭。

实施例1

以新疆地区煤为原料，利用热解炉和耙式炉联合制备活性炭系统进行活性炭制备，步骤如下：

(1)将约10吨煤料进行破碎处理，获得粒径2-5mm的煤粒；

(2)将破碎的物料送入热解炉进行热解，物料均匀布料在盛放盘上，料层厚度为60mm；得到的残炭温度为550℃，热解油气温度为600℃，产生的残炭送入耙式炉；

(3)将热解产生的热解油气送入油气分离器，获得热解气和热解油；

(4)将热解气送入燃烧器中进行燃烧；

(5)将燃烧器燃烧的烟气送入净化分离装置中，对烟气进行脱硝，净化后的烟气送入气体分离装置进行二氧化碳和其他气体(主要含氮气)的分离，得到纯度大于98％的二氧化碳气化。

(6)将分离得到的二氧化碳气体通入加热器，加热后的二氧化碳气体温度为800℃左右，送入耙式炉中。

(7)将在步骤(6)中获得的二氧化碳与步骤(2)获得的残炭在耙式炉逆向接触反应制得活性炭，耙式炉反应温度控制在830±20℃；

本发明所述工艺方法可长期平稳操作，所得到的上述物料制得活性炭产物的产率和主要性质见表1。

表1

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。