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活性炭的活化工艺与设备分类

来源:北京雁归来环保科技有限公司 | 销售热线:18710134283

“活性炭”定名之初,人们总以为它具有吸附、脱色能力是由于有了“活性”的缘故,而活性又是由化学反应和热处理而获得,把具有活性的炭叫做活性炭,把使炭活性化的过程叫做活化。

 

以后通过研究活性炭的结构得知,活性炭之所以有很强的吸附能力主要是由于它具有特殊的微晶结构,较为发达的微孔、巨大的比表面积。制造活性炭的主要工序—活化过程,就是使炭形成多孔的微晶结构,具有巨大的比表面积。

 

自从本世纪初(1909年)诞生活性炭工业开始,活性炭生产工艺与设备就分成化学法和气体法两大类。经80余年的发展,出现各种活化炉型,工艺日臻成熟,新工艺、新设备、新产品不断涌现。不过基本上绝大部分仍属两大类型,除了特种活性炭如较新品种的纤维活性炭、珠形活性炭等以外,颗粒活性炭的炭化、活化设备与粉状活性炭的生产设备是相同的。

 

一、氯化锌法活化原理

 

氯化锌和其他化学药品活化法生产活性炭的方法,简称化学法。它是将各种含碳原料与化学药品均匀地混合(或浸渍)后,在适宜的温度下,经过炭化、活化和回收化学药品、漂洗、干燥、粉碎等过程,制取活性炭的一种方法。国外常用的化学药品有氯化锌、磷酸、硫化钾和白云石(CaCO3·MgCO3),国内主要是氯化锌法,个别的也用磷酸法。

 

氯化锌法在国内直接用木屑作原料,炭化、活化工序分开或一道完成(回转炉法)均可。用氯化锌法制定型颗粒炭时,是在炭化前塑化阶段完成挤压成型的,这时氯化锌既作活化剂又起粘结剂的作用。

 

关于氯化锌的活化作用,至今还不十分清楚,现将有些见解、推论概述如下。

 

氯化锌的强脱水作用,使木质炭化温度显著降低(在150-300℃),并改变热分解进程,控制了焦油的产生,有利于孔隙开放,因焦油物质会堵塞孔隙的。氯化锌在较低温度下(200℃)会使木纤维润胀,并侵蚀到木质内部直至产生熔融混合物一解聚、塑化过程。由于ZnCl2沸点732℃、熔点263℃,故在木质炭化结束的温度下(450℃)它仍是液态存在,不阻碍碳分子的重排、容易形成炭结构,并在炭内均匀分布,以后把ZnCl回收抽出时,就形成发达微细孔。

 

氯化锌法炭得率较高,一般达40%(对绝干原料),80%碳转到活性炭中来,这是氯化锌法的一大特色。另一特色是通过调节氯化锌用量,来调节所产活性炭的孔隙结构,如生产糖用炭时固体屑与固体锌之比为1∶1.6-2,而生产药用炭时比例调为1:1.1-1.3,即ZnCl2用量大时,孔径向增加(过渡孔多)方向变动。

 

同时,氯化锌法有污染严重(大气和水体),有重金属残留影响成品用途等二大弊端,使用此法的厂家有减少的趋势。

 

二、ZnCl2法分类

 

1.间歇式土法生产

 

炭化、活化分开在土炉中完成,是为间歇式。

 

(1)平板炭化炉:所谓平板炉,即用耐火砖板铺设成平板炭化室、平板架在加热烟道上,由燃烧室燃煤或柴产生高温烟道气供热。该炉温度500-700℃,料层温度300-400℃,拌好氯化锌的锌木屑摊在炭化室里,料层厚度20-30cm,不断翻拌约30-60min完成每批料的炭化。200t/年成品产量配套炭化炉长约8m,宽2m,铺设4条烟道。

 

有的把炭化室建在活化室上面,利用活化余热来完成炭化,以减少燃耗,这就是目前采用的双层活化炉。

 

(2)炉管式活化炉:炉体长、宽、高分别为7m、2.5m和1.8m,另设一燃烧室,年产量200t/年。炉床用耐火砖隔成7个活化室(炉管),炉管上下各围绕4条烟道,由燃烧室送来高温烟道气加热活化。炉温700-800℃,料层温度500-600℃,活化需时2-2.5h,每隔15-20min翻料一次。当呈暗红色、冒蓝烟,炭疏松、乌黑即可出料。

 

双层式活化炉,在炉管上烟道之上再建造平板炭化室,炭、活化两道工序可在一个炉里完成。

 

2.连续式回转炉法

 

炭、活化一道在内热式回转炉里连续完成。

 

回转炉为卧式,内径1m,长13m。筒体用钢板制成,内衬耐火砖。在中部外套大齿轮,借以推动筒体转动。两端各有一对托轮,支承筒体重量。炉头和炉尾均有密封装置。安装的倾斜度为2°-5°。生产能力为日产活性炭1-2t。

 

回转炉为连续操作,捏和后的锌屑料,由圆盘加料器和螺旋送料器送入炉尾。物料借助筒体的转动和倾斜度缓慢地向炉头移动。在炉头设有燃烧室,燃烧原油、煤气等产生的高温烟气直接进入炉中,由炉头向炉尾流动。与物料逆流直接接触。在炭化过程中,形成带粘性的塑性物料,粘附在炉壁上,结块成痂,堵塞炉膛。为了防止堵塞,在炉内装有用链条串连好的星形刮刀,让它随着筒体的转动,不停地撞击炉壁,将粘在炉壁上的结块物料刮削下来。

 

活化好的物料称活化料,从炉头落入出料室,并定期取出,送往回收工序。废烟气从炉尾经烟道进入废气回收系统。

 

回转炉的炭、活化工艺条件为:

 

活化区物料温度500-600℃,炉头温度700-800℃,炉尾温度200-300℃。炭活化时间约40min,出料间隔时间20min。筒体转速1-3r/min。

 

三、气体法活化原理

 

气体活化法生产活性炭是先把含碳有机原料炭化,然后让气体活化剂-水蒸汽、CO2、O2(空气)等通过炽热的炭层、并与炭发生活化反应进行活化的。活化料经酸水洗精制,干燥后粉磨即制得粉状炭。不定型颗粒炭一般采用较硬的炭破碎成一定粒度活化后精制而得。定型颗粒炭是炭粉磨成细粉末加粘结剂挤压成型,再经炭、活化和整粒而得。

 

研究表明,原料炭化时已形成活性炭微晶结构的雏形,即类似石墨的基本微晶结构。微晶之间留有空隙,此时,由于焦油物质的析出和分解,这些空隙被占据或被紊乱的“无定形”炭所堵塞,结果炭化品的吸附量很小。当进行(气体法)活化时,空隙中的焦油等物质和紊乱的炭首先被除去,开放了原来闭塞的孔隙。这时基本徽晶表面暴露出来,并与活化剂作用,发生烧失。微晶烧失是不均匀的,烧失速度在同炭层平行的方向比垂直方向大,在边角上和有缺陷的位置上的碳原子即活性点上的碳同气体反应的速度较大,微晶的这种不均匀的烧失就导致新的孔隙的出现。在随后的活化过程中,孔隙不断加宽,相邻微孔之间的壁完全被烧毁而形成较大的孔隙,导致过渡孔和大孔容积的增加。总之,常用这三种过程来解释活化过程中产生孔隙的活化机理:

 

(1)原来闭塞孔的开放;

 

(2)原有孔隙的扩大,孔壁被烧失:

 

(3)某些结构经选择性活化而产生新孔。

 

孔隙的生成与炭的氧化程度有密切的关系,而炭的氧化必然要消耗炭。因此,常用烧失率来衡量炭的活化程度,调节活性炭的孔隙结构,这是气体活化法的一大特色。根据杜比宁(Dubinin)的观点,烧失率小于50%时,得到的是微孔活性炭;烧失率大于75%时,得到的是大孔活性炭;烧失率在50%-75%时,活性炭具有混合结构。

 

气体活化法炭的得率较低,但成品比较纯净。

 

在生产上采用水蒸汽、烟道气、空气等含氧气体作为活化剂,与碳反应进行活化:

 

1.水蒸汽活化

 

碳同水蒸汽的反应为:

 

C+H2O→H2+CO-131kJ

 

同碳气化的水煤气反应,此活化反应为吸热反应—冷却效应,应由外部给热,故多用过热水蒸汽。产生的可燃性反应气体(水煤气)燃烧回收热量,可以平衡供热。

 

水蒸汽活化缓慢、平稳,能获得优良活性炭,在生产上较多采用。

 

水蒸汽活化是在隔绝氧,在750-950℃的条件下完成的。氧会使炭表面烧失,降低炭的成品收率,故应尽量减少混入空气(氧)。

 

2.空气(氧)活化

 

碳同氧气反应为:

 

C+O2→CO2+386.2kJ(600℃以下)

 

2C+O2→2CO+225.6kJ(800-900℃)

 

这两个反应均为放热反应,可在较低温度下进行、两种产物CO与CO2的比值随温度的增高而增加。

 

由于反应放出大量热量,不易控制炉内的正常温度,尤其不容易避免局部过热而造成不均匀活化,烧失过多,一般不单独使用,常在空气活化剂中渗入适量的水蒸汽,利用水煤气反应的吸热作用来控制料层温度。

 

3.烟道气(CO)活化

 

碳同二氧化碳的反应为:

 

C+CO2→2CO-170.5kJ(850-1100℃)

 

此反应也是吸热反应,比水蒸汽活化温度还要高,一般也不单独使用,常掺入适量空气和水蒸汽并用。

 

4.混合气体活化

 

工业生产上很难做到用单一活化气体活化,一般采用空气与水蒸汽、烟道气与水蒸汽、烟道气和氧(空气)等混合气体进行活化或两种以上活化气体交替进行活化。

 

如上所述,用水蒸汽和空气的混合气体活化时,若混合比例适宜,可使吸热反应与放热反应相平衡,使活化温度稳定,活化均匀。另外,有的认为原料炭有各种各样活性点,有的活性点易于同水蒸汽反应、有的易于同CO2反应,采用混合气体活化,对提高活性炭成品的吸附能力是有好处的。

 

也有采用分段活化法,即先用水蒸汽在800℃下进行短时间活化,然后用空气在500-600℃下进一步活化;或先用水蒸汽在800℃活化,然后用烟道气活化,以提高脱色力。

 

四、气体活化法工艺设备分类

 

为了使活性炭的孔结构、化学结构和吸附性能适应不同工业用途,即具备不同的吸附选择性,有多种制造方法。目前我国采用的气体活化法有10余种之多。主要根据活化气体、炉型、活化反应床等分类,如焖烧炉烟道气活化法、鞍式炉水蒸汽活化法等等。现就常用的几种方法归纳列表见表2-11。

炉型 原料 产品 活化气体 反应床 主要优点 主要问题
焖烧炉 木炭(煤) 粉状炭(颗粒炭) 烟道气 固定床 炭质量可调节,较好,简单,投资省 耗燃料、活化不均匀,劳动强度大、粉尘大
土耙炉 木炭 粉状炭 水蒸汽(空气) 固定床(翻动) 不需要燃料、较简单炉型 得率低、质量不高、太原始、作坊式,污染环境
多管炉 木炭(煤) 粉状炭(颗粒炭) 水蒸汽 移动床 不需燃料,稳定,易控制,产量较大 活化不均匀,炭质量不高,过热蒸汽温度低,耐火管易损坏,投资较大
回转炉 木炭 粉状炭 烟道气 水蒸汽 移动床表面接触 连续操作,活化较均匀,适合生产气相吸附炭 设备庞大,热效率差,耗燃料,炭成品质量较低
鞍式炉 果壳炭 不定型颗粒炭 水蒸汽 烟道气 交替活化 移动床 连续生产,产量大,质量高,过热蒸汽温度高,稳定,不需外部供热 对原料要求高,造价高、技术要求高,维修费用大
沸腾炉 木屑炭 粉状炭 空气 水蒸汽 流动床 气固接触好,活化均匀,机械化占地面积小 间歇生产,易结渣影响正常操作,耗燃料
多层耙式炉 废材炭 颗粒炭 粉状炭 颗粒炭 烟道气 水蒸汽 移动床(薄层) 国外引进大型设备,活化强度大,适应多种产品,可自动化 投资大,技术要求高,操作费较高

此外,还有多管沸腾炉、外溢流式沸腾炉、旋流喷动活化炉、燧道窑活化炉、斜板式活化炉、百叶窗式活化炉、机械耙动活化炉等未列入。

 

目前活化炉正向薄层、强化活化方向发展。

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