一种活性炭生产方法及生产装置与流程

本发明涉及活性炭加工制造领域，特别涉及一种活性炭生产方法及生产装置。

背景技术：

活性炭是一种具有高度发达孔隙结构和高比表面积(通常在800～1500m2/g之间)的优良炭质吸附剂，已广泛应用于环保、化工、食品和军工等诸多领域。用于生产活性炭的原材料有木材、农作物剩余等生物质和含碳元素物料。生产工艺按照活化剂不同分为化学法、物理法和化学-物理联合法。比表面积超过800m2/g的碳都可称为活性炭，比表面积在800～1500m2/g之间称为普通活性炭，比表面积大于2000m2/g称为超级活性炭。超级活性炭需要采用特殊活化工艺(超级活化工艺)，把碳化料进行非常充分的活化才能获得。超级活性炭在超级双电层电容器电极材料、催化剂载体、气体分离、氢气和天然气储存和诸多高技术领域中有着广阔的应用前景。

在大气污染治理、水源污染治理领域均离不开活性炭这种“万能吸附剂”。环保事业的发展，必然引领活性炭市场的大幅度增长。

环境治理首先是固体废弃物的环保处置，因为固废是大气、水源、土壤污染的根源。而固体废弃物的污染来源主要是有机物污染和重金属污染，用热解技术消除固体废弃物的有机物污染属性，相对于焚烧而言是业内公认最科学、有效、环保的工业技术。随着热解工业化技术的普遍采用，热解炭(活性炭)的产量将会快速增加，热解炭的综合利用将会快速提上工业生产和环保业的议事日程。

目前，制备活性炭的主要工艺方法有化学活化法和物理活化法两种。

化学活化法中，其活化剂分酸性和碱性两种。酸性活化剂主要是氯化锌和磷酸，存在设备腐蚀、工艺流程长(后续产品需要多级洗涤和烘干)及环境污染等问题，在普通活性炭产品生产中属于被限制使用工艺方法。碱性活化剂主要有koh、naoh和k2co3等碱金属化合物，其中以koh活化效果最好。除同样存在上述问题外，在生产过程中有单质钾溢出引发燃烧和爆炸的安全隐患。超级活性炭的工业化生产基本以氢氧化钾为活化剂。给超级活性炭生产带来了巨大的安全隐患、很高的生产成本和环保压力。

物理活化法生产过程中，是以碳化料为原料，以h2o、co2和空气为活化剂，以碳化原料自身的燃烧产生的热量为能源将原料加热，从而生成活性炭。由于物理活化工艺流程短，生产过程环保，所以是国家倡导使用的活性炭工艺技术。

但是，在采用目前的生产设备和/或生产方法进行物理活化法生产过程中，仍然存在许多不足。例如，中国发明专利说明书于2009年7月8日公开了一种“外加热立式活性炭活化炉”(公开号cn101475166a，申请号200910009778.8)，其包括：

在内筒和炉墙之间设有外筒，该外筒的下端通过传动齿轮与减速机、电机连接；外筒的外侧面与炉墙之间设有加热通道，外筒的上部和下部被炉墙封闭，加热通道经烟道管与排气管连通；所述加热板分为外筒加热板和内筒加热板，外筒加热板和内筒加热板分别固定在外筒的内侧面和内筒的外侧面上，沿轴向依次交错布置；所述抄板分为外筒抄板和内筒抄板，外筒抄板和内筒抄板分别用铰链安装在外筒加热板和内筒加热板的下侧面上，外筒抄板和内筒抄板分别在外筒加热板和内筒加热板的下侧面上呈螺旋分布；所述分气管深入到内筒加热板的下侧，分气通孔分布在内筒加热板下侧的分气管管壁上；内筒在对应燃烧室的侧壁上开有出气口。

上述外加热立式活性炭活化炉至少存在以下问题：

首先，活化炉的进出料口并不具备阻隔空气(特别是氧气)的功能，不可避免地导致物料与氧接触，从而增大烧失，降低产品得率；其次，活化炉整个活化过程采用一体式加热，在活化之前的步骤与活化步骤都采用一样的温度，从而导致活化过程温度、活化程度、产品特性等难以精准控制，活化效率低且产品收率也较低。

再例如，中国发明专利说明书于2007年3月7日公开了一种“外热、内热双功能活性碳生产装置”(公告号cn2876067y，申请号200620070838.9)，其包括：

炉体、活化炉、进料系统、炉内配风系统、无压蒸汽发生器、炉体内分上、下两个腔室，上腔体为炉膛，下腔室为燃烧室，活化炉穿过炉堂，其两端旋转连接在炉体上，燃烧室内设有可燃气体喷嘴；在活化炉内设有蒸汽和空气分布系统，所述活化炉炉体旋转时，其炉腔内前部为物料碳化区，后部为物料活化区，在炉体的物料活化区和物料碳化区内均设有蒸汽分布系统和空气分布系统，位于物料活化区的空气分布系统与物料活化区连通，位于物料碳化区的空气分布系统与物料碳化区隔断连接；位于物料碳化区的蒸汽分布系统与物料碳化区连通，位于物料活化区的蒸汽分布系统与物料活化区隔断连接。

上述外热、内热双功能活性碳生产装置至少存在以下问题：

首先，该活性碳生产装置是利用空气中的氧气与活化炉筒体内的高温水煤气混合燃烧，产生大量热能，从而补给活化过程中的热能需求，但是，该过程中同样还是无法避免物料与气体(可燃气体和氧气)直接接触，同样会增大烧失，降低产品得率；其次，该活性碳生产装置中，是通过控制蒸汽分布系统、空气分布系统的蒸汽和空气(氧气)的供给量，来调节控制温度，这样的方式只是有利于对加热时间长短的控制，而很难做到对温度的精确控制，所以，仍然无法对活化过程温度、活化程度、产品特性等进行精准控制，从而导致活化效率低且产品收率也较低。

另外，热解炭是有机物、生物质经高温热解而来，其中夹杂有比例较高的无机物(灰分)，同时，其中燃点低的挥发分含量也非常低，难以引燃。所以，目前的物理活化工艺(鉴于环保和成本原因，碳化料采用化学法活化不在考虑范围内)难以实现充分活化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种活性炭生产方法及生产装置，以解决现有物理活化法生产活性炭过程中存在至少一个问题。

本发明的技术方案是：

一种活性炭生产方法，包括如下步骤：

步骤一、颗粒炭化料经过进料装置隔绝空气后，送入密闭式活化炉前段，在第一预定温度下进行预热、烘干和深度炭化处理；

步骤二、经过所述步骤一处理后的所述颗粒炭化料，随着活化炉的转动进入活化炉后段的活化段，与所述活化段中喷射出来的活化剂在第二预定温度下进行预定时间的活化反应，得到活化料和活化尾气；

步骤三、活化反应完成后的所述活化料从活化炉的出料端进入冷却装置进行冷却至100℃以下得到活性炭产品。

可选的，所述颗粒炭化料的粒径为1mm～5mm，长度为3mm～15mm，水分含量不高于15％。

可选的，所述步骤一和步骤二均采用间接加热方式供热，且分别供热。

可选的，所述间接加热完后的烟气经烟气余热锅炉回收热量，产生蒸汽作为所述活化剂。

可选的，所述活化尾气经冷凝、除尘净化后，所述活化尾气的不凝气体为所述活化炉供热。

可选的，所述预热、烘干和深度炭化处理步骤的温度为400℃～800℃；和/或，所述活化段的温度为800℃～1200℃，活化反应时间为30～150分钟。

本发明还提供了一种活性炭生产装置，包括活化炉，所述活化炉的进料端设置有用于隔绝空气的进料装置，其出料端设置有用于隔绝空气的出料装置；

所述活性炭生产装置还包括：

活化炉驱动装置，用于驱动所述活化炉绕自身轴线转动；并行设置于所述活化炉外侧的第一加热部和第二加热部，所述第一加热部用于提供对颗粒炭化料进行烘干和预加热的第一预定温度，所述第二加热部用于提供对所述颗粒炭化料进行活化的第二预定温度；

所述活化炉内设置有活化剂喷嘴，所述活化剂喷嘴位于所述第二加热部的有效加热区域内。

可选的，所述活化炉还包括固定设置于所述活化炉内壁上的导流板，所述导流板呈螺旋状分布；

和/或，所述进料装置和出料装置上均设置有用于隔绝空气的螺旋锁风机构。

可选的，所述的活性炭生产装置还包括第一回收装置，所述第一回收装置包括：

烟气余热锅炉，进气口通过管道分别与所述第一加热部和第二加热部连通，用于将所述第一加热部和/或第二加热部产生的尾气进行处理，并将回收的热量重新输送至所述第二加热部的有效加热区域内的所述活化炉内；

蒸汽罐，进气口与所述烟气余热锅炉出气口连接，所述蒸汽罐的出气口通过管道连通至所述活化炉；

烟气排空口，设置在所述烟气余热锅炉上，用于将处理后的尾气进行排放。

可选的，所述的活性炭生产装置还包括第二回收装置，所述第二回收装置包括：

与所述活化炉依次连接的喷淋塔和冷凝器，用于将所述活化炉中产生的尾气进行处理，

风机，进气口与所述冷凝器连接，出气口与所述第一加热部和/或第二加热部连接，用于将处理后的尾气重新输送所述第一加热部和/或第二加热部。

发明效果：

本发明的活性炭生产方法及生产装置，物料能够在活化炉密闭内腔中，按照预定速度从活化炉的进料端输送至出料端，且输送过程中在第一加热部进行烘干和预加热，在第二加热部进行活化，由于活化过程中几乎没有氧存在，能够减少烧失，提高了产品得率；并且，采用分段加热方式，在前段炭化料表面及内部孔隙中的可挥发性物质在高温无氧条件下挥发溢出，将炭化料的不定型炭暴露出来，使其进入后段活化段时便于发生活化反应，减少了蒸汽用量和活化时间，提高效率；进一步，本发明的活性炭生产方法及生产装置能够通对过活化剂用量、活化温度和活化时间的控制有效调整产品性能。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明活性炭生产装置的结构示意图；

图2是本发明活性炭生产装置中第二回收装置的结构示意图；

图3是本发明活性炭生产方法的生产流程图；

其中，1-活化炉，12-转动托轮，2-进料装置，3-出料装置，41-第一加热部，42-第二加热部，43-气体燃烧嘴，51-烟气余热锅炉，52-蒸汽罐，53-烟气排空口，6-第二回收装置，61-喷淋塔，62-风机，63-一级冷凝器，64-二级冷凝器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1至图3对本发明活性炭生产方法及生产装置做进一步详细说明。

本发明提供了一种活性炭生产装置，可以包括活化炉1、进料装置2、出料装置3、活化炉加热部(或加热装置)以及活化剂喷洒装置等。

活化炉1可以根据需要选择为多种适合的结构；本实施例中，优选活化炉1采用图1中所示的卧式结构；具体地，活化炉1内部形成有密闭内腔，在活化炉1两端端部具有分别与密闭内腔连通进料端和出料端，以及活化炉驱动装置。活化炉驱动装置用于驱动活化炉1绕自身轴线转动，以带动从进料端进入密闭内腔的物料按照预定速度输送至出料端。其中，预定速度可以根据活化炉1的长度、物料量、活化剂类型、活化温度等因素来进行适合的选择。

进料装置2设置在活化炉1的进料端，用于对进料端进行密封，隔绝空气，且将物料从进料端加入；出料装置3设置在活化炉1的出料端，用于对出料端进行密封，隔绝空气，且将物料从所述出料端导出。

活化炉加热装置同样可以根据需要选择为多种适合的已知结构；本实施例中，加热装置可以包括炉腔、气体燃烧嘴以及燃气管道等部件，炉腔将活化炉1包裹在其中，多个气体燃烧嘴均匀设置在炉腔中以对活化炉1进行加热。

本发明的活化炉加热装置分为结构相同的第一加热部41和第二加热部42。

第一加热部41包裹设置在活化炉1外侧，用于对位于其有效加热区域内的活化炉1进行加热，且提供用于对进入该有效加热区域内物料进行烘干和预加热的第一预定温度。其中，有效加热区域指的是第一加热部41包裹活化炉1时直接覆盖的区域。

第二加热部42包裹设置在活化炉1外侧，且沿进料端向出料端方向(图1中从左到右的方向)与第一加热部41并列，用于对位于其有效加热区域(解释同上)内的活化炉1进行加热，且提供用于对物料进行活化的第二预定温度。

另外，第一预定温度可以根据物料种类、数量等等进行适合的选择，本实施例中，优选物料为颗粒炭化料，是各种如果壳、木屑、木材、轮胎、塑料、衍生燃料等含碳废弃物的热解炭化料，此时优选第一预定温度范围是400°～800°。第二预定温度大于第一预定温度，除了要考虑上述因素外，还需要考虑活化剂的类型的因素，本实施例中，优选第二预定温度范围在800°～1200°。进一步，基于这些条件，预测活化反应时间为30～150分钟，再结合活化炉长度等因素得到上述输送物料时的预定速度。

活化剂喷洒装置同样可以根据需要选择为多种适合的已知结构，可以包括活化剂存储装置、喷洒装置等，喷洒装置的活化剂喷嘴设置在活化炉1的密闭内腔中，且位于第二加热部42的有效加热区域内，用于受控地(手动控制或智能控制)向流经有效加热区域的物料喷洒预定的活化剂；其中，活化剂优选包括水蒸汽、co2等。

本发明的活性炭生产装置中，活化炉1内部为密闭内腔，使得活化过程中几乎没有氧存在，能够减少烧失，提高了产品得率，降低了生产成本。并且，采用分段加热方式，在前段炭化料表面及内部孔隙中的可挥发性物质在高温无氧条件下挥发溢出，将炭化料的不定型炭暴露出来，使其进入后段活化段时便于与水蒸汽、co2等活化气体发生活化反应，减少了蒸汽用量和活化时间，提高效率。综上，基于本发明的上述结构，本发明的活性炭生产装置(以及活性炭生产方法)能够通对过活化剂用量、活化温度和活化时间的控制有效调整产品性能。

进一步，本发明的活性炭生产装置生产时，无需使用酸或碱等化学试剂，且生产过程中无工业废水排放，减少环境污染，同时，没有酸洗等其它工序，简化了生产工艺，提高了设备的使用寿命，减少了生产的故障率，降低了生产成本。

本发明的活性炭生产装置中，要实现驱动活化炉1绕自身轴线转动，以带动从进料端进入密闭内腔的物料按照预定速度输送至出料端，可以设置成多种适合的结构；本实施例中，优选在活化炉1还包括导流板11；导流板11固定设置在活化炉1内壁上，且沿进料端向出料端方向呈螺旋状分布。

需要说明的是，活化炉驱动装置可以包括转动托轮12和驱动电机(未示出)；转动托轮12数量可以为多个，均匀分布，用于从外侧支撑活化炉1，使得驱动活化炉1能够绕自身轴线转动；而驱动电机用于受控地驱动活化炉1在转动托轮12上转动，具体地，可以在活化炉1外围设置环状的齿条，驱动电机的输出端通过齿轮驱动该齿条以带动活化炉1转动；再或者，活化炉1的可以具有中心转轴，在中心转轴一端端部设置齿轮，驱动电机的输出端再通过齿轮配合带动活化炉1转动，等等。

本发明的活性炭生产装置中，在活化炉1的驱动电机转动时，在导流板11作用下，使得送入的物料在活化炉1的筒体内匀速向前推进，且由于驱动电机的转速可调，从而达到控制活化时间的目的。

本发明的活性炭生产装置中，还可以包括第一回收装置，用于将第一加热部41和/或(即可以同时回收两个加热部的尾气或者仅回收其中一个)第二加热部42产生的尾气进行处理，并将回收的热量重新输送至第二加热部42的有效加热区域内的活化炉1内。

具体地，第一回收装置可以包括烟气余热锅炉51、蒸汽罐52以及连接管道。烟气余热锅炉51可以根据需要选择为多种已知的余热锅炉，其进气口通过管道分别与第一加热部41和(即同时回收两个加热部的尾气，其他回收方式的结构不再赘述)第二加热部42连通，用于对第一加热部41和第二加热部42产生的尾气进行处理，同时，尾气能够将烟气余热锅炉51内部的水进行加热，产生高温蒸气，起到回收余热的目的。蒸汽罐52的进气口与烟气余热锅炉51出气口连接，烟气余热锅炉51产生高温蒸气能够存储在蒸汽罐52中，蒸汽罐52的出气口再通过管道连通至活化炉1，从而将高温蒸气输送至第二加热部的有效加热区域内的活化炉1中，为活化提供辅助热源，起到节约能源、降低生产成本的目的。

进一步，第一回收装置还包括烟气排空口53，设置在烟气余热锅炉51上，用于将处理后的尾气进行排放。由于燃料均为洁净的煤气或液化气等气体，所以加热部的烟气经烟气余热锅炉51利用余热，其温度降至120℃以下，烟气成分为co2和h2o，不会污染环境，可达标直接排放。生产过程中的噪音≤60bd，不会对环境造成污染。整个工艺过程只有循环冷却水循环利用，没有其他工业废水产生。

本发明的活性炭生产装置中，还可以包括第二回收装置，用于将活化炉1中产生的尾气进行处理，再将回收的热量重新输送至第二加热部42的有效加热区域内的活化炉1内。

具体地，第二回收装置包括与活化炉1依次连接的喷淋塔61和冷凝器，用于对活化炉1中产生的尾气进行净化处理；还可以包括风机62，风机62的进气口与冷凝器连接，出气口与第一加热部41和/或第二加热部42连接，用于将处理后的尾气(干净的气体)重新输送第一加热部41和/或第二加热部42进行燃烧，为活化提供辅助热源，同样起到节约能源、降低生产成本的目的。进一步，冷凝器包括依次连接的一级冷凝器63和二级冷凝器64，以提高尾气处理效率，对应地，是二级冷凝器64与风机62连接。

进一步，本发明的活性炭生产装置中，出料装置3为设置有带间壁式冷却器的螺旋出料器，冷却过程中可将活化料的热量进行回收利用，从而降低系统的能耗，降低活化成本；冷却后的活化料经由出料口进入粉磨装置，磨成合格的粉料包装即得超级活性炭产品。并且，出料装置3的出料口处设置有螺旋锁风机构，螺旋锁风机构可以采用已知的适合的结构，能够在出料过程中避免外界空气的进入，使炉内为缺氧环境，从而使得炭的烧失率得以控制，产品得率高。

进料装置2可以采用已知的多种适合的结构，例如可以包括料仓、振动给料机、皮带输送机、螺旋进料器和星型卸料阀等；同样，进料装置2的进料口也可以设置螺旋锁风机构，能够在进料过程中避免外界空气的进入，使炉内为缺氧环境，从而使得炭的烧失率得以控制，产品得率高。

本发明提供的活性炭生产方法可以包括如下步骤：

步骤一，颗粒炭化料经过进料装置隔绝空气后，送入密闭式活化炉前段，在第一预定温度下进行预热、烘干和深度炭化处理。其中，颗粒炭化料为具有含碳废弃物的热解炭化料，选自果壳、木屑、木材、轮胎、塑料以及布料中的至少一种；并且，优选颗粒炭化料的粒径为1mm～5mm，长度为3mm～15mm，水分含量不高于15％。

步骤二，经过步骤一处理后的所述颗粒炭化料，随着活化炉的转动进入活化炉后段的活化段，与活化段中喷射出来的活化剂在第二预定温度下进行预定时间的活化反应，得到活化料和活化尾气。其中，活化剂优选为水蒸汽，水蒸汽的温度为120℃～180℃，压力为0.35～0.7mpa。

步骤三，活化反应完成后的活化料从活化炉的出料端进入冷却装置进行冷却至100℃以下得到活性炭产品。

另外，上述步骤一和步骤二均采用间接加热方式供热，且分别供热，活化炉内的氧气浓度不高于1％。并且，间接加热完后的烟气经余热锅炉回收热量，产生蒸汽作为活化剂。

本发明的活性炭生产装置生产过程中，可以控制入炉炭化料的粒度大小，从而保证物料在炉内活化过程中只有外部少量炭烧失，而颗粒内部的炭则需通过蒸汽、co2等气体渗入达到造孔目的，产品得率高达40％以上；采用适合的粒度大小的炭化料，环境温度较高，使得活化程度可操控性强，所需活性时间较短(100-150分钟)，因此炭颗粒表面已经深度活化的活性炭层得以较多的保留，从而确保活性炭的优良品质和较高的得率；相比更小的粉料，全部暴露于高温活化气体中，其烧失率将高，产品得率只有25％左右。

而经过特殊设计的活化炉筒体长度和筒内壁上的导流板以及导流板间的间距，使得物料在筒体内的行走按照一定的线路和速度，活化时间可调，活化程度均匀可控，使得超级活性炭得以产生。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。