一種用水蒸氣活化法制活性炭的立式活化爐設(shè)計(jì)

蔣應(yīng)梯，潘 炘，王 進(jìn)，張文福，于海霞，莊曉偉

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一種用水蒸氣活化法制活性炭的立式活化爐設(shè)計(jì)

蔣應(yīng)梯，潘 炘，王 進(jìn)，張文福，于海霞，莊曉偉

（浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江省森林資源生物與化學(xué)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310023）

為了開發(fā)新型高效的水蒸氣活化法制活性炭的活化設(shè)備，選擇高鋁耐火磚和耐高溫、耐腐蝕的310S不銹鋼為主要材料，設(shè)計(jì)一種機(jī)械自動(dòng)勻速加料和出料的立式活化爐，在該活化爐的活化段四周設(shè)置冷爐預(yù)熱用燃?xì)鉄欤诨罨癄t中安裝多層活化圓盤和刮料耙葉，在活化圓盤上設(shè)置環(huán)形蒸汽管，并在蒸汽管上均勻開設(shè)小孔，使水蒸氣與炭料均勻接觸，利用活化爐的高溫預(yù)熱水蒸氣，確保水蒸氣與炭料的活化反應(yīng)均勻高效。該活化爐具有占地面積小、自動(dòng)連續(xù)加料和出料、活化產(chǎn)量較高的優(yōu)點(diǎn)。

活化爐；煙道氣；活性炭；水蒸氣活化法

水蒸氣活化法制活性炭的基本原理是在高溫下炭與水蒸氣進(jìn)行活化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣、一氧化碳、二氧化碳，使炭顆粒產(chǎn)生發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)?；罨癄t的作用就是提供高溫條件下炭與水蒸氣發(fā)生活化反應(yīng)的場所，對活化爐的要求就是維持活化區(qū)的高溫狀態(tài)，活化蒸汽和炭料在活化區(qū)較均勻分布，活化面積較大，活化均勻，活化效果好，并能實(shí)現(xiàn)連續(xù)機(jī)械化加料和出料。目前，利用水蒸氣活化法制備活性炭的活化爐主要有回轉(zhuǎn)式活化爐和立式活化爐兩種[1]。回轉(zhuǎn)式活化爐的特點(diǎn)是原料從臥式爐身的一端加入，隨著爐身的旋轉(zhuǎn)，物料從低處被提升到高處落下，緩慢向另一端移動(dòng)，料層厚度不均勻而導(dǎo)致活化不均勻，活化蒸汽與炭料的接觸面積較小，活化效果欠佳[3-4]。立式的斯列普活化爐存在著以下缺點(diǎn)：有左右2個(gè)蒸汽預(yù)熱半爐，在活化操作時(shí)需要進(jìn)行2個(gè)蒸汽預(yù)熱半爐的用氣與預(yù)熱狀態(tài)切換，操作較麻煩，技術(shù)要求較高；爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)投資大，維修麻煩[6]；有的立式活化爐用電作加熱能源，僅適用于小型試驗(yàn)爐[7]；立管式活化爐存在蒸汽分布不均勻，活化管易破裂損壞[10-13]。因此，需要一種活化蒸汽與炭料的接觸面積較大、活化效果好、操作方便的活化設(shè)備。本文闡述了一種用水蒸氣活化法制活性炭的立式活化爐的設(shè)計(jì)思路及其可行性，以探索開發(fā)新型高效立式活化爐的可能性。

1 立式活化爐的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立式活化爐主要由加料裝置、物料傳輸機(jī)構(gòu)、物料承載機(jī)構(gòu)、活化蒸汽預(yù)熱與分布機(jī)構(gòu)和出料裝置5個(gè)部分所組成。立式圓柱形活化爐的筒體內(nèi)徑為2 ~ 3 m，高5 ~ 8 m，筒體由高鋁耐火磚內(nèi)層和普通粘土磚外層及石棉板隔熱層所構(gòu)成，活化爐從上到下分為干燥段、補(bǔ)充炭化段和活化段，在筒體內(nèi)間隔適當(dāng)距離設(shè)置若干層交替排列的大小活化圓盤?；罨癄t的結(jié)構(gòu)如圖1所示，A-A橫截面的剖視圖如圖2所示，B-B橫截面的剖視圖如圖3所示?；罨瘓A盤由耐高溫的310S不銹鋼板、隔熱層和耐火層疊加而成，在不銹鋼板的上下兩面襯墊耐高溫的隔熱層，在上面的隔熱層上鋪設(shè)耐火層。310S不銹鋼板厚5 ~ 6 mm，用10 mm的石棉板做隔熱層，耐火層材料為高鋁耐火磚。在活化爐中下部每個(gè)活化圓盤的耐火層中埋設(shè)多圈公稱直徑為25.4 mm的環(huán)形蒸汽管，其材質(zhì)為310S不銹鋼，在環(huán)形蒸汽管的炭料接觸面一側(cè)均勻開設(shè)直徑3 mm的小孔，使活化蒸汽在活化室的分布較均勻，活化蒸汽與炭料均勻接觸，活化反應(yīng)較充分；活化蒸汽在耐火層中預(yù)熱后才與炭料發(fā)生活化反應(yīng)，反應(yīng)速度更快，效果更好。在活化爐的活化段四周設(shè)置12個(gè)燃?xì)鉄?，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫燃燒氣依次流過活化爐中的各個(gè)活化室，以加熱活化圓盤上的炭料；在活化爐頂部的另一側(cè)設(shè)置活化尾氣排出口，活化過程產(chǎn)生的活化尾氣與燃燒氣混合后從此排出口引導(dǎo)到余熱利用設(shè)備進(jìn)行熱能回收后排至煙囪。

圖1 活化爐立面剖視結(jié)構(gòu)

Figure 1 Facade profile structure of activating furnace

圖2 A-A橫截面的剖視

Figure 2 The cross section of A-A

圖3 B-B橫截面的剖視

Figure 3 The cross section of B-B

2 立式活化爐的詳細(xì)設(shè)計(jì)

水蒸氣活化法制活性炭的活化溫度為850 ~ 900℃，所以要求活化爐殼體內(nèi)層和活化圓盤必須耐高溫、耐氧化，因此，活化爐殼體內(nèi)層用高鋁耐火磚砌筑，外層用普通粘土磚砌筑，內(nèi)外層之間設(shè)置30 mm厚的石棉板隔熱層；活化圓盤由耐高溫的支承板和隔熱材料及耐火層疊加而成。310S不銹鋼為鉻鎳奧氏體，其化學(xué)組成為0Cr25Ni20，具有很好的抗氧化、耐高溫和耐腐蝕性能，最高使用溫度可達(dá)1 200℃?；罨癄t的主要部件如活化圓盤支撐板、刮料耙葉及其驅(qū)動(dòng)軸的材料擬選擇抗氧化、耐高溫的310S不銹鋼。在活化爐運(yùn)行中要求刮料耙葉旋轉(zhuǎn)時(shí)將炭料向活化圓盤的中心或外緣刮推，擬將每片刮料耙葉與其連接桿設(shè)計(jì)成45°角或135°角。大小活化圓盤交替排列，在活化爐殼體上設(shè)置可拆卸的維修門，可通過維修門進(jìn)行刮料耙葉的安裝或拆卸，用螺栓將刮料耙葉固定桿安裝在刮料耙葉驅(qū)動(dòng)軸上。刮料耙葉驅(qū)動(dòng)軸焊接固定在滾動(dòng)軸承上，用調(diào)速電機(jī)及減速機(jī)通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)刮料耙葉作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，調(diào)速電機(jī)所用電源為電壓380 V，電機(jī)功率為7.5 KW，調(diào)速范圍為125 ~ 1 250 r·min-1，減速機(jī)的減速比為50，刮料耙葉的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為2.5 ~ 25 r·min-1。在安裝活化爐時(shí)，殼體外層與內(nèi)層之間設(shè)置保溫材料，以減少爐體的散熱。設(shè)計(jì)活化圓盤的厚度為0.15 m，相鄰兩層活化圓盤的間距為0.30 m，最頂層活化圓盤距頂蓋0.30 m，這樣具有20層活化圓盤的活化爐，其筒體高約6 m，設(shè)計(jì)活化爐支柱高1.5 m，則活化爐總高度約為7.5 m。

3 立式活化爐的活化能力分析

立式活化爐的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為2.0 m時(shí)，設(shè)置20層活化圓盤，大小活化圓盤各10層，大活化圓盤直徑為2.0 m，中心落料口直徑0為0.18 m；小活化圓盤直徑設(shè)計(jì)為1.8 m，驅(qū)動(dòng)軸直徑0為0.08 m，則活化圓盤的堆料面積為：

＝3.14/4×[10×(－0)2＋10×(－0)2]＝3.14/4×10×[（2.0－0.18）2＋(1.8－0.08)2］＝49.23（m2）。

當(dāng)活化圓盤上均布的活化料層厚度為0.05 m時(shí)，則活化爐各活化圓盤上的活化料總體積量為：49.23×0.05＝2.46 m3。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，活化原料為椰殼炭等果殼炭化料，顆粒度為3 ~ 10 mm，其堆積比重約350 kg·m-3，均布在活化爐各活化圓盤上的炭料總質(zhì)量約為：2.46×350＝861（kg）。

根據(jù)果殼炭制活性炭的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通常蒸汽活化法需要的活化時(shí)間約為4 ~ 6 h，設(shè)計(jì)時(shí)取5 h，則活化爐的活化產(chǎn)量為：861÷5＝172（kg·h-1）。

24 h的活化產(chǎn)量為：172×24＝4 128（kg），即約4.13 t，每年生產(chǎn)時(shí)間按330 d計(jì)算，則活化爐的每年活化產(chǎn)量為：4.13×330＝1 363（t）。

同樣，按照上述計(jì)算原理，內(nèi)徑2.5 m和3.0 m、爐高均為7.5 m、都設(shè)置20層活化圓盤、大小活化圓盤各10層的立式活化爐，其設(shè)計(jì)每日（24 h）活化產(chǎn)量分別為6.80 t和10.12 t，每年活化產(chǎn)量分別為2 244 t和3 340 t。

4 活化爐的操作與運(yùn)行

活化爐的操作運(yùn)行主要通過調(diào)節(jié)控制加料速度、活化爐溫和出料速度，達(dá)到調(diào)節(jié)控制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的目的，活化爐調(diào)控示意圖如圖4所示。

圖4 活化爐調(diào)控示意圖

Figure 4 Schematic diagram of activation furnace

當(dāng)冷爐升溫時(shí)，在各個(gè)燃?xì)鉄焱ㄈ細(xì)馊紵a(chǎn)生的高溫?zé)煹罋庾韵峦弦来瘟鬟^活化爐中各個(gè)大小活化圓盤所在的活化室，以升高爐溫，當(dāng)活化爐的中下部活化室溫度達(dá)到500℃左右時(shí)，通過加料斗和加料螺旋將加熱用顆粒木炭添加到活化爐頂層的大活化圓盤上，并開啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器，通過傳動(dòng)鏈條驅(qū)動(dòng)刮料耙葉旋轉(zhuǎn)，將顆粒木炭加到各層活化圓盤上，當(dāng)各層活化圓盤鋪滿顆粒木炭時(shí)停止加料，適當(dāng)調(diào)大燃?xì)鉄斓目諝饬?，使顆粒木炭在空氣作用下燃燒以加快活化圓盤及其活化室的升溫速度。經(jīng)過3 ~ 4 d即72 ~ 96 h的緩慢加熱，當(dāng)活化爐的中下部活化室溫度達(dá)到850℃左右時(shí)，通過加料斗和加料螺旋將待活化的炭料添加到活化爐頂層的大活化圓盤上，重啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器，大活化圓盤上的炭料就被刮料耙葉刮推著向中心移動(dòng)，并經(jīng)中心落料口掉落到下一層的小活化圓盤上，然后被刮料耙葉推著向活化圓盤外緣移動(dòng)并掉落到下一層的大活化圓盤上，依此類推，直至全部完成炭料對加熱用木炭的置換，活化爐就從室溫狀態(tài)經(jīng)3 ~ 4 d緩慢加熱升溫階段轉(zhuǎn)入正?；罨A段的850 ~ 900℃，經(jīng)活化圓盤耐火層預(yù)熱后的活化蒸汽從環(huán)形蒸汽管均布噴出，與炭料進(jìn)行活化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w，這些可燃?xì)怏w在經(jīng)燃?xì)鉄炜諝夤芡ㄈ氲目諝庾饔孟氯紵约訜峄罨?，維持所需要的活化溫度。如活化過程產(chǎn)生的可燃?xì)怏w燃燒熱量不能維持設(shè)定的活化溫度，則在燃?xì)鉄焱ㄈ脒m量燃?xì)?，讓其燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煹罋庾韵峦弦来瘟鬟^活化爐中各個(gè)大小活化圓盤所在的活化室，對其進(jìn)行補(bǔ)充加熱以維持所需要的活化溫度。在底層活化圓盤上完成活化的炭料被刮料耙葉刮推到中心出料口，落到夾套式活化料冷卻桶中經(jīng)冷卻后用螺旋出料器進(jìn)行出料。活化過程中產(chǎn)生的活化尾氣與加熱煙道氣混合后經(jīng)設(shè)置在活化爐頂部的煙道氣排出口引導(dǎo)到余熱利用設(shè)備進(jìn)行熱能回收后通過煙囪排放大氣。

5 討論

活化爐的主體以耐高溫的310S不銹鋼為材料，強(qiáng)度高，不易損壞，使用壽命長；多圈環(huán)形活化蒸汽管埋入高溫的活化圓盤中，讓蒸汽得到預(yù)熱后才均勻噴出與炭料進(jìn)行活化反應(yīng)，活化反應(yīng)較均勻，反應(yīng)速度較快，活化效果較好；可通過調(diào)節(jié)加料螺旋轉(zhuǎn)速來控制加料速度和調(diào)整刮料耙葉驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制出料速度，以控制炭料在活化爐中的活化時(shí)間，從而調(diào)整活性炭產(chǎn)品的吸附性能及活化產(chǎn)量，活化爐的調(diào)控性較強(qiáng)；利用炭與水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和一氧化碳等可燃?xì)怏w在活化室燃燒的熱能，維持活化所需要的溫度，能耗較低；通過加料螺旋添加原料和刮料耙葉的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行出料，實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化?；罨癄t為圓柱形立式結(jié)構(gòu)，占地面積較小，可節(jié)省車間面積。缺點(diǎn)是耐高溫310S不銹鋼價(jià)格較高。

6 結(jié)論

（1）該活化爐在活化圓盤中設(shè)置環(huán)形蒸汽管，使活化蒸汽得到預(yù)熱后均布噴出，蒸汽的溫度較高，與炭料活化反應(yīng)速度較快，反應(yīng)較均勻，產(chǎn)品的吸附性能較均勻；可根據(jù)所得活化料的吸附量調(diào)整刮料耙葉轉(zhuǎn)速和加料螺旋轉(zhuǎn)速，以獲得符合要求的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，活化爐的操作調(diào)控性能良好。

（2）該活化爐占地面積小，實(shí)現(xiàn)連續(xù)機(jī)械化勻速加料，機(jī)械出料，自動(dòng)化程度高，對活化料的承載面積較大，活化產(chǎn)量較大，如內(nèi)徑2 ~ 3 m，高7.5 m的活化爐，每24 h的設(shè)計(jì)活化產(chǎn)量為4.13 ~ 10.12 t。

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Design of A Vertical Activating Furnace for Activated Carbon Production by Steam Activation Method

JIANG Ying-ti，PANG Xin，WANG Jin，ZHANG Wen-fu，YU Hai-xia，ZHUANG Xiao-wei

（Zhejiang Provincial Key Laboratory for Bio-chemical Utilization of Forestry Resources, Zhejiang Academy of Forestry, Hangzhou 310023, China）

High alumina refractory bricks, high temperature resistant and corrosion resistant 310S stainless steel were selected for design of a vertical furnace of production of activated carbon with water steam activation and automatic and constant speed feeding and discharging. The gas burners for preheating furnace were set around the activation section in the activating furnace. The annular steam pipe is set on the disc for carbon activating, and small holes could evenly open on the steam pipe to make the steam and the carbon material contact evenly and make use of the heat of the activation furnace to preheat the steam to ensure the activation of the steam and the raw materials to be uniform and efficient. The activating furnace has the advantages of small floor area; automatic and continuous feeding and discharging and higher activated carbon yield.

activating furnace; flue gas; activated carbon; steam activation method

10.3969/j.issn.1001-3776.2019.01.014

S785；TQ351

A

1001-3776（2019）01-0081-05

2018-04-08；

2018-11-01

浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018C02015）

蔣應(yīng)梯，副研究員，從事林產(chǎn)化工工藝與設(shè)備研發(fā)；E-mail:411423484@qq.com。

莊曉偉，博士，副研究員，從事林產(chǎn)化學(xué)和竹木材加工研究；E-mail:13443238@qq.com。