一种制备活性炭的系统及方法与流程

本发明属于活性炭生产技术领域，具体而言，本发明涉及一种制备活性炭的系统及方法，特别是一种适合以芦竹、秸秆、椰壳等为原料，通过热解气化制备活性炭的系统和方法。

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。然而若将生物质为原料，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。目前已有的技术可将生物质转化为活性炭。

活性炭是一种由含炭材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳素材料。活性炭材料中有大量肉眼看不见的微孔。活性炭主要用于除去水中的污染物、脱色、过滤净化液体、气体，还用于对空气的净化处理、废气回收(如在化工行业里对气体“苯”的回收)、贵重金属的回收及提炼(比如对黄金的吸收)，室内空气中散发的污染气体甲醛、苯、氨、甲苯等挥发气体吸附作用较好。热解生物质产生的生物炭具有高度发达的孔隙结构和加多的表面负电荷，但是与活性炭的吸附能力相比差距甚远，作为活性炭使用，需要进一步活化。

然而，目前利用生物质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、热解效果差等问题，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多段炉结合制备活性炭的系统及方法，利用油气分离器处理热解炉产生的热解油气，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制备活性炭的系统，包括：热解炉、多段炉、蒸汽锅炉和油气分离器；

所述热解炉包括热解原料入口、热解炭出口、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，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；

所述多段炉包括热解炭入口、水蒸气入口和活性炭出口；

所述蒸汽锅炉包括水蒸气出口；

所述油气分离器包括热解油气入口、热解气出口和热解液出口；

所述热解炉的热解炭出口连接所述多段炉的热解炭入口，所述蒸汽锅炉的水蒸气出口连接所述多段炉的水蒸气入口，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，本发明的系统还包括破碎机，所述破碎机包括生物质入口和生物质出口，所述生物质出口连接所述热解炉的热解原料入口。

作为本发明优选的方案，所述燃烧器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。

进一步的，所述系统还包括油水分离器，所述油水分离器包括热解液入口、热解油出口和热解水出口，所述油气分离器的热解液出口连接所述油水分离器的热解液入口。

更进一步的，所述蒸汽锅炉包括燃料入口和水入口，所述油水分离器的热解油出口连接所述蒸汽锅炉的燃料入口，所述油水分离器的热解水出口连接所述蒸汽锅炉的水入口。

作为本发明优选的实施方案，该系统还包括加热器，所述加热器包括水蒸气入口和水蒸气出口，所述蒸汽锅炉的水蒸气出口连接所述加热器的水蒸气入口，所述加热器的水蒸气出口连接所述多段炉的水蒸气入口。优选的，所述加热器为蓄热式加热器。

本发明的另一目的是提供一种利用上述系统制备活性炭的方法，包括以下步骤：

A、将热解原料送入所述热解炉进行热解处理，获得热解炭和热解油气；

B、将所述热解炭送入所述多段炉，由所述蒸汽锅炉提供水蒸气，对所述热解炭进行活化，获得活性炭；

C、将所述热解油气送入所述油气分离器进行分离，获得热解气和热解液，将所述热解气送入所述热解炉的燃烧器燃烧。

作为本发明优选的方案，所述步骤A之前还包括步骤：对生物质进行破碎处理，获得热解原料。

进一步的，所述步骤C之后还包括步骤：将所述热解液送入油水分离器进行分离，获得热解油和热解水，将所述热解油送入所述蒸汽锅炉进行燃烧，将所述热解水送入所述蒸汽锅炉加热，获得水蒸气。

优选的，所述步骤B中将所述水蒸气送入加热器进行加热，将加热后的水蒸气送入所述多段炉。

本发明的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；解决了采用颗粒热载体，热解时在颗粒表面易结焦，颗粒分离困难，颗粒在床层间传递困难的问题；整个工艺简单，易操作，能够确保操作的稳定性，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；有效降低热解炭中焦油含量，从而有利于后续多段炉制备活性炭。

附图说明

图1是本发明实施例的制备活性炭的系统示意图；

图2是本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热解炉与现有的多段炉直接进行联用制备活性炭，而无需对现有的多段炉进行改造，即可将热解炉中产生的热解炭送至多段炉进行活化产生活性炭。

如图1所示，一方面，本发明实施例提供一种制备活性炭的系统，包括：破碎机100、热解炉200、油气分离器300、油水分离器400、蒸汽锅炉500、加热器600和多段炉700。

破碎机100设置在热解炉的前端，用于将生物质破碎成适合热解炉处理的块状料，从而保证热解炉正常连续运转并提高热解效率。破碎机100包括生物质入口101和生物质出口102。

热解炉200包括热解原料入口201、热解炭出口202、热解油气出口203、燃烧器204和可旋转的盛放盘205。热解原料入口201设置在热解炉200的顶部，与破碎机的生物质出口102连接。

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，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，保证生物质热解炉中温度场的均匀性，从而可以显著提高生物质热解效率。蓄热式辐射管燃烧器可将常温空气温度最高提高到450℃，同时燃烧产生的烟气温度可降至120℃以下。

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，导致部分热解炭还未彻底热解就从出料口排出，热解炭中会存在较多的焦油，而焦油的存在为后续热解炭活化增加难度，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。

油气分离器300包括热解油气入口301、热解液出口302和热解气出口303。热解炉的热解油气出口203连接油气分离器热解油气入口301，油气分离器热解气出口303连接所述燃烧器燃气入口206。油气分离器300包括间接冷却器、电捕焦油器和脱硫器等装置。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。

油水分离器400包括热解液入口401、热解油出口402和热解水出口403。油气分离器热解液出口302连接油水分离器热解液入口401。通过油水分离器400可分离得到活化反应所需的气化剂和气化所需的热源油，无需外供大量热源和水，进而可以解决现有的生物质制备活性炭系统运行费用高，工艺复杂的问题。

蒸汽锅炉500包括燃料入口501、水入口502和水蒸气出口503。油水分离器热解油出口402连接蒸汽锅炉燃料入口501，油水分离器热解水出口403连接蒸汽锅炉水入口502。蒸汽锅炉500用分离后的热解油加热热解水，加热后得到的水蒸气通过输送管道送入后段。

加热器600包括水蒸气入口601和水蒸气出口602，蒸汽锅炉水蒸气出口503连接加热器水蒸气入口601。加热器600用于提高水蒸气的温度，节约多段炉消耗的能量。本发明实施例中，加热器700为蓄热式加热器。

多段炉700包括热解炭入口701、水蒸气入口702和活性炭出口703。热解炉热解炭出口202连接多段炉热解炭入口701，加热器水蒸气出口602连接多段炉水蒸气入口702。多段炉700可将热解炭进行活化处理，从而获得活性炭。发明人发现，通过将生物质热解炉中产生的热的热解炭直接热送至多段炉顶部与水蒸气逆流接触反应，不仅能够确保多段炉直接制备活性炭，而且可以显著提高能量利用率，并且有利于该生物质制备活性炭系统的稳定性。

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

1、破碎：将生物质送入破碎机中，破碎成粒径为2-50mm的颗粒，获得热解原料。

2、装入原料：将热解原料送入热解炉中，物料均匀布料在盛放盘上，料层厚度为100-200mm。

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，获得热解炭和热解油气。

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

6、油水分离：将热解液送入油水分离器进行分离，获得热解油和热解水。

7、水蒸气制备：将分离得到的热解水和热解油送入蒸汽锅炉中，用热解油直燃装置对热解水进行加热，制得180℃的低压水蒸气。

8、水蒸气预热：将得到的水蒸气通入加热器中进行换热，将水蒸气温度提高到700～900℃，达到多段炉活化所需反应温度。

9、制备活性炭：将热解炭和加热后的水蒸气送入多段炉，对热解炭进行活化，获得活性炭。

实施例1

以生物质为原料，利用生物质制备活性炭的系统制备活性炭，步骤如下：

(1)将5吨芦竹进行破碎处理，获得粒径20mm以下热解原料；

(2)将热解原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150mm；热解得到热解炭温度约为550℃，热解油气温度约为600℃，产生的热解炭送入多段炉；

(3)将热解油气送入油气分离器中进行分离，从而获得清洁的热解气和热解液；

(4)将分离得到的热解气送入燃烧器中进行燃烧，燃烧器采用蓄热式燃烧器，可将常温空气温度最高提高到400℃，同时燃烧产生的烟气温度可降至110℃；

(5)将分离得到的热解液送入油水分离器中进行分离，分别获得热解油和热解水；

(6)将热解油和热解水送入蒸汽锅炉中，用热解油直燃为热解水供热获得水蒸气；

(7)将得到的水蒸气通入旋转预热器中进行换热，预热后的水蒸气气体温度为800℃左右，送入多段炉中；

(8)将在步骤(7)中获得的水蒸气与步骤(2)获得的热解炭在多段炉逆向接触反应制得活性炭，多段炉反应温度控制在850℃；

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

表1数据结果

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。