一種熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭的系統及方法與流程

本發明屬于活性炭制備技術領域，具體而言，涉及一種以煤、生活垃圾、廢棄生物質、城市生活污泥為原料的熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭的系統及方法。

背景技術：

我國的生物質資源非常豐富，每年產生大約6.5億噸農業秸稈，加上薪柴及林業廢棄物等，折合能量4.6億噸標準煤，預計到2050年將增加到9.04億噸，相當于6億多噸標準煤。我國每年的森林耗材達到2.1億立方米，折合1.2億噸標準煤的能量。另外，全國城市物料年產量已超過1.5億噸，到2020年年產量將達2.1億噸，垃圾中的有機質含量平均約為40％，年產1.5億噸的城市垃圾中，被丟棄的可再生資源價值高達250億元。這些資源若未經治理直接焚燒、排放入水體、堆積必將造成資源浪費，以及空氣、土壤、地表水和地下水等環境污染和人類生存環境的惡化。

然而若將生物質、垃圾、廢舊輪胎、廢舊有機物、有機污泥等為原料，經碳化之后可以生產出油、氣和固體碳，部分替代煤、油、天然氣等資源。但是，為了確保經濟效益，仍然需要開發出對生物質、垃圾、廢舊輪胎、廢舊有機物、有機污泥等含炭物熱解相合適的工藝路線。

含碳的物質在幾百攝氏度的溫度下經過炭化，再活化可制備活性炭。然而，目前制備活性炭的系統存在制備活性炭前段熱解過程管道堵塞、粉塵重等問題，還存在制備活性炭裝置能耗高、熱量損失嚴重、制備活性炭品質差的問題，且在生產過程中會產生有毒有害氣體。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提出一種將熱解爐和耙式爐聯合，以煤、生活垃圾、廢棄生物質、城市生活污泥為原料，制備活性炭的系統及方法，解決了熱解過程中出現管道堵塞、粉塵重、熱解效果差的問題，整個系統能耗低、熱損少，杜絕有毒有害氣體的產生。

本發明的目的之一是提供一種熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭的系統，包括：預處理裝置、熱解爐、耙式爐和凈化分離器；

所述預處理裝置包括物料入口和熱解原料出口；

所述熱解爐包括熱解原料入口、殘炭出口、熱解油氣出口、燃燒器和可旋轉的盛放盤，所述燃燒器包括燃氣入口和煙氣出口，所述燃燒器位于所述熱解爐的上部，所述盛放盤位于所述熱解爐的底部；

所述耙式爐包括殘炭入口、氣體入口和活性炭出口；

所述凈化分離器包括煙氣入口和二氧化碳出口；

所述預處理裝置的熱解原料出口連接所述熱解爐的熱解原料入口，所述熱解爐的殘炭出口連接所述耙式爐的殘炭入口，所述燃燒器的煙氣出口連接所述凈化分離器的煙氣入口，所述凈化分離器的二氧化碳出口連接所述耙式爐的氣體入口。

熱解爐用于物料的熱解，熱解原料進入熱解爐后均勻鋪設在盛放盤上，熱解原料相對于盛放盤靜止，熱解原料在熱解爐中的時間可控。

優選的，所述預處理裝置包括：篩選機、磁選機和破碎機中的一項或多項。篩選機對物料進行篩選，可以得到含有大量有機物的原料。磁選機用于磁選篩選后剩下有機物中的金屬。破碎機用于將磁選后的有機物破碎成片狀、塊狀和或粉狀的熱解原料。根據物料的不同，預處理裝置可以選擇篩選機、磁選機和破碎機中的一項或多項。

進一步的，本發明的系統還包括油氣分離器，所述油氣分離器包括熱解油氣入口、熱解氣出口和熱解油出口，所述熱解爐的熱解油氣出口連接所述油氣分離器的熱解油氣入口，所述油氣分離器的熱解氣出口連接所述燃燒器的燃氣入口。

進一步的，本發明的制備活性炭的系統包括加熱器，所述加熱器包括氣體入口和氣體出口，所述凈化分離器的二氧化碳出口連接所述加熱器的氣體入口，所述加熱器的氣體出口連接所述耙式爐的氣體入口。

本發明的另一目的是提供一種利用上述的系統制備活性炭的方法，包括以下步驟：

A、將物料進行預處理，獲得熱解原料；

B、將所述熱解原料送入所述熱解爐進行熱解處理，獲得殘炭和熱解油氣；

C、將所述殘炭送入所述耙式爐，所述凈化分離器從燃燒器產生的煙氣中分離出二氧化碳，將所述二氧化碳送入耙式爐對所述殘炭進行活化，獲得活性炭。

作為優選的方案，所述步驟A中的預處理包括：對物料進行篩選，獲得有機物原料。

作為本發明優選的方案，所述步驟A中的預處理包括：對物料進行磁選，磁選出物料中的金屬。

進一步的，所述步驟A中的預處理包括：對物料進行破碎，獲得熱解原料。

優選的，本發明的方法所述步驟C中將所述二氧化碳送入加熱器進行加熱，將加熱后的二氧化碳送入所述耙式爐。

優選的，本發明的方法還包括步驟：將所述熱解油氣送入所述油氣分離器進行分離，獲得熱解氣和熱解油，將所述熱解氣送入所述熱解爐的燃燒器燃燒。

本發明熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭的系統及方法，解決了制備活性炭前段熱解過程中管道堵塞、粉塵重、熱解效果差的問題；解決了制備活性炭裝置能耗高、熱量損失嚴重、制備活性炭品質差的問題；整個工藝簡單，易操作，能夠確保操作的穩定性；分離煙氣中二氧化碳作為活化劑，整個系統杜絕有毒有害氣體產生；將分離獲得的熱解氣作為燃料供給燃燒器，實現熱量自供。

附圖說明

圖1是本發明實施例的系統示意圖；

圖2是發明實施例制備活性炭方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。

發明人發現，通過采用內部設置蓄熱式輻射管的物料熱解爐與現有的耙式爐直接進行聯用制備活性炭，而無需對現有的耙式爐進行改造，即可將物料熱解爐中產生的熱的殘炭送至耙式爐進行活化產生活性炭。以從煙氣中分離出來的二氧化碳為活化劑，制得的活性炭比表面積小，孔分布相對較寬。

如圖1所示，一方面，本發明實施例提供一種熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭的系統，包括：預處理裝置100、熱解爐200、凈化分離器300、加熱器400、耙式爐500和油氣分離器600。

預處理裝置100用于對送入的物料進行預處理，以獲得滿足熱解所需的熱解原料。預處理裝置100包括物料入口101和熱解原料出口102。

預處理裝置100可包括：篩選機、磁選機和破碎機中的一項或多項。篩選機對物料進行篩選，可以得到含有大量有機物的原料。磁選機用于磁選篩選后剩下有機物中的金屬。破碎機用于將磁選后的有機物破碎成片狀、塊狀和或粉狀的熱解原料。根據物料的不同，預處理裝置可以選擇篩選機、磁選機和破碎機中的一項或多項。

熱解爐200包括熱解原料入口201、殘炭出口202、熱解油氣出口203、燃燒器204和可旋轉的盛放盤205。預處理裝置的熱解原料出口102連接熱解爐的熱解原料入口201。熱解原料入口201設置在熱解爐200的頂部。

較傳統的使用氣體熱載體或固體熱載體作為熱解熱源的熱解反應裝置相比，本發明實施例的熱解爐不需要設置預熱單元和載體分離單元，可以極大簡化熱解和活化反應工藝流程，從而顯著降低裝置的故障率。

多個熱解油氣出口203設置在熱解爐200的頂部。根據熱解油氣的產量可以單獨開啟某個或多個熱解油氣出口，實現產油氣過程中熱解爐爐膛壓力的穩定。整個熱解爐采用水封，熱解爐熱解原料入口采用兩級星型閥密封，確保整個爐膛內物料在無氧氣氛下進行熱解，同時使得熱解氣在整個爐膛內的停留時間超過3s，避免產生二噁英類物質。

燃燒器204包括燃氣入口206和煙氣出口207。燃燒器204位于熱解爐200的上部，以便對熱解原料進行加熱。熱解油氣出口203豎直方向上位于燃燒器204的上方。燃燒器204包括多個平行并且均勻分布的蓄熱式輻射管。每個蓄熱式輻射管內部燃燒氣氛與所述熱解爐爐膛內的熱解氣氛完全隔開，確保了熱解油氣具有較高的熱值，同時有效抑制了有毒有害氣體的產生。

由于熱解爐200中采用蓄熱式輻射管為熱解過程提供熱源，可以通過調整通入蓄熱式輻射管的燃氣的流量來實現對熱解過程的精確控溫，并且該蓄熱式輻射管可以通過在兩端實現快速換向和蓄熱式燃燒，保證熱解爐中溫度場的均勻性，從而可以顯著提高熱解效率。

盛放盤205位于熱解爐200的底部。盛放盤205用于盛放熱解原料，旋轉的盛放盤可保證熱解原料的均勻受熱。熱解原料在熱解過程中，相對盛放盤靜止不動，避免飛灰的產生。

本發明實施例的熱解爐可解決使用其他熱解裝置時部分固體物流化隨熱解氣進入管道和除塵系統導致堵塞和粉塵重的問題，同時解決了固體的流失會帶走部分熱量，導致熱損失嚴重的問題。以往的熱解裝置，固體在熱解裝置中的停留時間難控制，導致部分殘炭還未徹底熱解就從出料口排出，殘炭中會存在較多的焦油，而焦油的存在為后續殘炭活化增加難度，降低活性炭的比表面積。本發明實施例的熱解爐不存在這些問題。

凈化分離器300包括煙氣入口301和二氧化碳出口302，燃燒器的煙氣出口207連接凈化分離器煙氣入口301。凈化分離器300用于將煙氣中的二氧化碳分離出來，用于活化反應。

加熱器400包括氣體入口401和氣體出口402，凈化分離器二氧化碳出口302連接加熱器氣體入口401。加熱器400用于氣體的預熱，使氣體達到耙式爐活化所需反應溫度。從而大大提高熱利用率，從而降低能耗。

耙式爐500包括殘炭入口501、氣體入口502和活性炭出口503。熱解爐殘炭出口202連接耙式爐殘炭入口501，加熱器氣體出口402連接耙式爐氣體入口502。耙式爐500可將殘炭進行活化處理，從而獲得活性炭。發明人發現，通過將熱解爐中產生的熱的殘炭直接熱送至耙式爐頂部與活化劑逆流接觸反應，不僅能夠確保耙式爐直接制備活性炭，而且可以顯著提高能量利用率，并且有利于該制備活性炭系統的穩定性。

油氣分離器600包括熱解油氣入口601、熱解氣出口602和熱解油出口603。熱解爐熱解油氣出口203連接油氣分離器熱解油氣入口601，油氣分離器熱解氣出口602連接燃燒器燃氣入口206。熱解產生的熱解油氣混合物，通過油氣分離獲得熱解氣燃燒可為熱解爐熱解提供熱量。

如圖2所示，另一方面，本發明實施例提供一種利用上述的系統制備活性炭的方法，包括以下步驟：

1、預處理：將物料經過預處理后得到熱解原料。

上述預處理包括以下一項或多項：

a)將物料送至所述篩選機，得到含有大量有機物的原料；

b)將篩選后的含有大量有機物的原料送入磁選機中，篩選有機物中的金屬；

c)將磁選后的含有大量有機物的原料送入破碎機中，可將磁選后的有機物破碎成粒徑不大于50mm片狀、塊狀或粉狀的可滿足熱解要求的原料。

2、裝入原料：將熱解原料送入熱解爐中，熱解原料均勻布料在盛放盤上，料層厚度為50-300mm。

3、置換及氣密性檢測：確保整個制備活性炭系統內部閥門開啟，各個設備相通，向系統一端通入一定量氮氣或水蒸氣，將整個系統進行置換，排掉系統內空氣，關上放氣閥，確保整個系統的氣密性良好。

4、熱解：將熱解原料在熱解爐進行熱解處理，獲得殘炭和熱解油氣。

5、油氣分離：將熱解油氣送入油氣分離器進行分離，獲得熱解氣和熱解油，將熱解氣送入熱解爐的燃燒器燃燒。

6、凈化分離：將熱解爐燃燒器產生的煙氣送入凈化分離器，先對煙氣進行凈化，對凈化后的煙氣進行二氧化碳和其他氣體(主要含氮氣)的分離，得到純度在95％以上的二氧化碳氣體；將得到的其他氣體(主要含氮氣)送入儲氣罐備用，既可作為惰性氣體用于各密封段進行氣封隔離，又可作為爐膛和管道吹掃用置換氣。

7、氣體加熱：將分離得到的二氧化碳氣體通入加熱器中，將二氧化碳氣體溫度提高到600～950℃，達到耙式爐活化反應所需的溫度。

8、制備活性炭：將殘炭和加熱后的二氧化碳送入耙式爐，對殘炭進行活化，獲得活性炭。

實施例1

以新疆地區煤為原料，利用熱解爐和耙式爐聯合制備活性炭系統進行活性炭制備，步驟如下：

(1)將約10噸煤料進行破碎處理，獲得粒徑2-5mm的煤粒；

(2)將破碎的物料送入熱解爐進行熱解，物料均勻布料在盛放盤上，料層厚度為60mm；得到的殘炭溫度為550℃，熱解油氣溫度為600℃，產生的殘炭送入耙式爐；

(3)將熱解產生的熱解油氣送入油氣分離器，獲得熱解氣和熱解油；

(4)將熱解氣送入燃燒器中進行燃燒；

(5)將燃燒器燃燒的煙氣送入凈化分離裝置中，對煙氣進行脫硝，凈化后的煙氣送入氣體分離裝置進行二氧化碳和其他氣體(主要含氮氣)的分離，得到純度大于98％的二氧化碳氣化。

(6)將分離得到的二氧化碳氣體通入加熱器，加熱后的二氧化碳氣體溫度為800℃左右，送入耙式爐中。

(7)將在步驟(6)中獲得的二氧化碳與步驟(2)獲得的殘炭在耙式爐逆向接觸反應制得活性炭，耙式爐反應溫度控制在830±20℃；

本發明所述工藝方法可長期平穩操作，所得到的上述物料制得活性炭產物的產率和主要性質見表1。

表1

需要說明的是，以上參照附圖所描述的各個實施例僅用以說明本發明而非限制本發明的范圍，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的范圍之內。此外，除上下文另有所指外，以單數形式出現的詞包括復數形式，反之亦然。另外，除非特別說明，那么任何實施例的全部或一部分可結合任何其它實施例的全部或一部分來使用。