CN212404018U - 煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，所述系统包括：依次连接的流化床反应炉、气固分离装置、燃气炉和余热回收装置；流化床反应炉的炉膛分为上段的活化区和下段的炭化区，活化区设有多级蒸汽管和第一燃料风管，炭化区设有气化风管；燃气炉设有第二燃料风管；余热回收装置内设有过热器和省煤器，过热器的过热蒸汽出口与多级蒸汽管连接；省煤器内的水经烟气加热形成蒸汽进入汽包进行汽水分离，分离出的水回流至省煤器，汽水分离后的蒸汽进入过热器继续被烟气加热。本实用新型将炭化阶段和活化阶段合二为一，简化煤/生物质活性炭制备工艺，为煤/生物质低成本制取活性炭提供一条有效技术途径。
Description
技术领域
本实用新型涉及煤/生物质清洁利用技术领域，具体涉及一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统。
背景技术
活性炭因其比表面积大、孔隙发达、吸附能力强等特性被广泛应用于众多领域中，例如烟气污染物吸附处理、生活污水净化、难降解工业废水处理及土壤污染控制等。
现有的活性炭制备方法大部分是以煤或生物质为原料，通过粉碎、加粘合剂，挤压成型后再经过炭化、活化及改性等一系列工序而成，工艺流程复杂，反应设备较多，占地面积较大，且炭化过程需要通过燃烧天然气或燃料油来提供热量，因此能耗和成本较高，制约了活性炭的工业应用。
煤/生物质炭具有含碳量高、比表面积大、孔隙发达及机械强度高等特点，同时我国煤/生物质资源丰富且可再生，因此，以煤/生物质为原料制备煤/生物质活性炭具有较大应用前景。
目前煤/生物质制炭通常是炭化阶段和活化阶段分开，一般以块料或成型燃料为原料且采用固定床或回转窑反应器(如公开号为CN108203093A、CN110819363A的专利技术等)，其工序较复杂，成本较高，且大型化较困难。
实用新型内容
针对本领域存在的不足之处，本实用新型提供了一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，以煤和/或生物质粉料颗粒为原料，采用流化床反应器，将炭化阶段和活化阶段合二为一，从而简化煤/生物质活性炭制备工艺，且容易实现大型化生产，为煤/生物质低成本制取活性炭提供一条有效技术途径。
一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，其特征在于，包括：依次连接的流化床反应炉、气固分离装置、燃气炉和余热回收装置；
所述流化床反应炉的炉膛分为上段的活化区和下段的炭化区，所述活化区设有多级蒸汽管和第一燃料风管，所述炭化区设有气化风管；
所述燃气炉设有第二燃料风管；
所述余热回收装置内设有过热器和省煤器，所述过热器的过热蒸汽出口与多级蒸汽管连接；
所述省煤器内的水经烟气加热形成蒸汽进入汽包进行汽水分离，分离出的水回流至省煤器，汽水分离后的蒸汽进入过热器继续被烟气加热。
本实用新型通过结构优化，在一套系统里同时实现煤/生物质原料的炭化和活化，大大简化了生产工艺。本实用新型通过活化区设置的第一燃料风管向活化区内送入适量空气，让炭化区产生的高温气化气继续燃烧放热，保持活化区的温度在750-900℃，保证炭化颗粒的高效活化。
作为优选，所述余热回收装置内还设有气化空气预热器和燃尽空气预热器；
所述气化空气预热器内的空气经烟气加热后分别通过第一燃料风管和气化风管流至活化区和炭化区；
所述燃尽空气预热器内的空气经烟气加热后通过第二燃料风管流至燃气炉。
进一步优选，所述过热器、省煤器、气化空气预热器和燃尽空气预热器自上而下依次设于余热回收装置内。
过热器、省煤器与燃气炉燃烧产生的高温烟气换热后形成过热蒸汽，输送至活化区与炭化炉产生的炭化颗粒进行反应，生成活性炭。气化空气预热器、燃尽空气预热器与高温烟气换热后形成高温空气，气化空气预热器出来的高温空气作为流化床炭化区的气化风和活化区的燃料风，燃尽空气预热器出来的高温空气作为燃气炉的燃料风。由于较高温度空气送入流化床反应炉的炭化区，有助于入炉煤/生物质燃料的干燥和炭化，可处理水分含量达60％左右的煤/生物质原料。
本实用新型中所述省煤器与汽包连接。省煤器可有效地利用高温烟气的热量，将温水加热成饱和蒸汽在汽包中进行汽水分离，分离出的饱和水重新送入省煤器加热，饱和蒸汽则送入过热器形成过热蒸汽。过热蒸汽为炭化颗粒的活化反应提供活化剂，多余部分则可直接外供使用。
作为优选，本实用新型中多级蒸汽管包括若干组蒸汽管，沿活化区自下而上间隔布置，进行分层送汽，使过热蒸汽与炭化颗粒充分接触，实现炭化颗粒的高效活化。进一步优选，所述蒸汽管包括2～20组。
作为优选，所述过热蒸汽的温度为200～250℃。
作为优选，所述气固分离装置的固体料出口与活性炭冷却器连接，可以冷却高温活性炭颗粒。
作为优选，所述气固分离装置包括串联的两级旋风分离器。
一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的方法，使用所述的煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，包括：
1)煤和/或生物质原料与气化风管输送的空风在炭化区内于750-900℃发生部分气化反应，产生的气化气和炭化颗粒进入活化区；
2)所述气化气在活化区内与第一燃料风管输送的空风进一步燃烧放热，保持活化区的温度在750-900℃；所述炭化颗粒在活化区内与多级蒸汽管送入的过热蒸汽进行活化反应，生成活性炭颗粒；
3)从流化床反应炉出来的气化气与活性炭颗粒在气固分离装置中分离得到活性炭颗粒，气化气进入燃气炉与第二燃料风管输送的空风燃烧，产生的烟气进入余热回收装置进行换热。
步骤1)中，通过气化反应释放热量，为炭化反应和活化反应提供有效的温度环境。
步骤3)中，燃气炉内燃烧产生的烟气具有高温，可进行预热回收利用。
作为优选，所述余热回收装置内还设有气化空气预热器和燃尽空气预热器；
所述气化空气预热器内的空气经烟气加热至400-450℃后分别通过第一燃料风管和气化风管流至活化区和炭化区；
所述燃尽空气预热器内的空气经烟气加热至150-250℃后通过第二燃料风管流至燃气炉。
本实用新型与现有技术相比，主要优点包括：
(1)本实用新型将活性炭制备的两个关键过程(炭化和活化)集中在一套装置里进行，通过部分气化反应释放热量和气化气，为炭化反应和活化反应提供有效的温度环境和活化气氛，避免了额外提供热源，从而大大降低了能耗和生产成本，提高了煤/生物质活性炭的经济效益。
(2)现有工艺往往需要额外通入氮气作为保护气以维持回转窑等反应器内低氧状态，产生的热解气体有效组分浓度低，无法直接使用，且需要设置专用的设备如焚烧炉对这些气体进行处理。而本实用新型的炭化过程采用部分气化方法，煤/生物质原料过量、空气不足，整个过程处于近乎无氧状态且无需额外加入其它惰性气体，所得燃气热值较高，且燃气燃烧产生的热量通过余热回收装置可获得品质较高的过热蒸汽。该蒸汽可作为活化剂供给流化床活化区，多余则可外供用于工业生产，从而提高了煤/生物质资源的利用效率，大大降低了生产成本。
附图说明
图1为实施例1的煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统结构和连接关系示意图；
图中：1、流化床反应炉；2、炭化区；3、过渡段；4、活化区；5、一级旋风分离器；6、二级旋风分离器；7、活性炭冷却器；8、燃气炉；9、余热回收装置；10、过热器；11、省煤器；12、气化空气预热器；13、燃尽空气预热器；14、汽包；15、多级蒸汽管；16、第一燃料风管；17、气化管；18、第二燃料风管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
如图1所述，煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，包括：
流化床反应炉1、气固分离装置5,6、活性炭冷却器7、燃气炉8、余热回收装置9及汽包14。
流化床反应炉1炉膛分为上段的活化区4、下段的炭化区2和中段的过渡段3三部分，活化区4设有多级蒸汽管15、第一燃料风管16，炭化区2设有气化风管17。
多级蒸汽管15包括若干组蒸汽管，沿着活化区4内燃气流动方向(自下而上)间隔布置，多级蒸汽管15的蒸汽管数量可根据活化区4的实际尺寸进行布置，例如活化区4多级蒸汽管15包括5～10组蒸汽管。
气固分离装置包括串联的一级旋风分离器5和二级旋风分离器6。活化区4的出口与一级旋风分离器5的进口连接，一级旋风分离器5的出风口与二级旋风分离器6的进风口连接，使得高温燃气与活性炭颗粒的气固混合气连续经过两次气固分离。两级旋风分离器5,6排料口下端设有活性炭冷却器7，可以冷却高温活性炭颗粒。
燃气炉8设有第二燃料风管18。二级旋风分离器6的出风口与燃气炉8连接，高温燃气(气化气)通入燃气炉8内并发生燃烧，产生高温烟气。
从燃气炉8排出的烟气进入余热回收装置9。余热回收装置9内自上而下依次布置有过热器10、省煤器11、气化空气预热器12、燃尽空气预热器13。
省煤器11与高温烟气换热后将温水加热成饱和蒸汽在汽包14中进行汽水分离，分离出的饱和水重新送入省煤器11加热，饱和蒸汽则送入过热器10与高温烟气进一步换热形成过热蒸汽，为活化区4的炭化颗粒的活化反应提供活化剂，多余部分则可直接外供使用。
气化空气预热器12与炭化区2、活化区4分别通过气化风管17、第一燃料风管16进行连接，常温空气经过气化空气预热器12与高温烟气换热后形成高温空气，作为炭化区2的气化风和活化区4的燃料风。该结构设置可以有效地利用高温烟气的热量。
燃尽空气预热器13采用第二燃料风管18与燃气炉8连接，通过该结构设置可以有效地利用高温烟气的热量，常温空气在燃尽空气预热器13内与烟气换热后形成150-250℃高温空气，作为燃气炉8的燃料风。
工艺流程：
外部常温空气经气化空气预热器12加热到400-450℃后作为气化风，送入流化床反应炉1炭化区2内。
流化床反应炉1炭化区2内给入煤和/或生物质，生物质可以选秸秆、木屑及坚果壳等。气化风与给入炭化区2内的煤/生物质发生部分气化反应，反应温度为750～900℃，反应产生高温气化气和炭化颗粒，高温气化气携带着炭化颗粒经过活化区4时与多级蒸汽管15输送的过热蒸汽、气化气中的CO2组分进行活化反应，产生活性炭颗粒。通过活化区4设置的第一燃料风管16向活化区4内送入少量空气，让少量高温气化气燃烧放热，使活化区4的温度保持在750-900℃。活性炭颗粒分别经过一级旋风分离器5、二级旋风分离器6时被分离下来再通过活性炭冷却器7冷却后作为活性炭产品使用。
外部常温空气在燃尽空气预热器13内与高温烟气换热后，加热到150-250℃，作为燃气炉8的燃料风。从二级旋风分离器6出来的高温气化气进入燃气炉8内与燃料风发生燃烧，产生高温烟气。
外部温水在省煤器11内与高温烟气换热后形成饱和蒸汽在汽包14中进行汽水分离，分离出的饱和水重新送入省煤器11加热，饱和蒸汽则送入过热器10与高温烟气换热形成过热蒸汽，为活化区4的炭化颗粒的活化反应提供活化剂，多余部分则可直接外供使用。
从余热回收装置9排出的烟气则输送到烟气处理系统进行深度净化处理。
应用例1
使用实施例1的煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，煤和/或生物质给料量为20t/h，在流化床反应炉1炭化区2内与来自气化空气预热器12的400℃高温气化风发生部分气化反应，反应温度800℃左右，反应产生高温气化气、炭化颗粒及少量细灰颗粒。高温气化气携带着的炭化颗粒经过活化区4时与多级蒸汽管15输送的210℃的过热蒸汽、气化气中的体积含量13％CO2进行活化反应，产生活性炭。通过活化区4设置的空气管16向活化区4内送入少量空气，让少量高温气化气燃烧放热，使活化区4的温度维持在850℃左右。活化后的炭颗粒随高温气化气经一级旋风分离器5、二级旋风分离器6分离下来并经过活性炭冷却器7冷却，活性炭颗粒产量为2t/h。所产的活化炭颗粒可作为吸附剂用于烟气污染物吸附处理、生活污水净化及工业废水处理等。从二级旋风分离器6出来的高温煤气进入燃气炉8内与来自燃尽空气预热器13的燃料风发生燃烧，燃烧温度900℃左右。过热器10与燃气炉8产生的烟气进行换热，产生210℃的过热蒸汽，为活化区4提供活化剂，多余部分直接外供使用。
此外应理解，在阅读了本实用新型的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统，其特征在于，包括：依次连接的流化床反应炉、气固分离装置、燃气炉和余热回收装置；
所述流化床反应炉的炉膛分为上段的活化区和下段的炭化区，所述活化区设有多级蒸汽管和第一燃料风管，所述炭化区设有气化风管；
所述燃气炉设有第二燃料风管；
所述余热回收装置内设有过热器和省煤器，所述过热器的过热蒸汽出口与多级蒸汽管连接；
所述省煤器内的水经烟气加热形成蒸汽进入汽包进行汽水分离，分离出的水回流至省煤器，汽水分离后的蒸汽进入过热器继续被烟气加热。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述余热回收装置内还设有气化空气预热器和燃尽空气预热器；
所述气化空气预热器内的空气经烟气加热后分别通过第一燃料风管和气化风管流至活化区和炭化区；
所述燃尽空气预热器内的空气经烟气加热后通过第二燃料风管流至燃气炉。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述过热器、省煤器、气化空气预热器和燃尽空气预热器自上而下依次设于余热回收装置内。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多级蒸汽管包括若干组蒸汽管，沿活化区自下而上间隔布置。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气固分离装置的固体料出口与活性炭冷却器连接。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，所述气固分离装置包括串联的两级旋风分离器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112029518A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-04 | 浙江大学 | 煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统及方法 |
| CN115676828A (zh) * | 2021-07-28 | 2023-02-03 | 中国科学院工程热物理研究所 | 活性炭制备装置和方法 |
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2020
- 2020-09-15 CN CN202022020076.4U patent/CN212404018U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112029518A (zh) * | 2020-09-15 | 2020-12-04 | 浙江大学 | 煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统及方法 |
| CN112029518B (zh) * | 2020-09-15 | 2024-10-25 | 浙江大学 | 煤/生物质炭化、活化一体化制备活性炭的系统及方法 |
| CN115676828A (zh) * | 2021-07-28 | 2023-02-03 | 中国科学院工程热物理研究所 | 活性炭制备装置和方法 |
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