一種用水蒸氣活化法制活性炭的立式活化爐設計

蔣應梯，潘 炘，王 進，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計

蔣應梯，潘 炘，王 進，張文福，于海霞，莊曉偉

（浙江省林業科學研究院，浙江省森林資源生物與化學利用重點實驗室， 浙江 杭州 310023）

為了開發新型高效的水蒸氣活化法制活性炭的活化設備，選擇高鋁耐火磚和耐高溫、耐腐蝕的310S不銹鋼為主要材料，設計一種機械自動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置冷爐預熱用燃氣燒嘴，在活化爐中安裝多層活化圓盤和刮料耙葉，在活化圓盤上設置環形蒸汽管，并在蒸汽管上均勻開設小孔，使水蒸氣與炭料均勻接觸，利用活化爐的高溫預熱水蒸氣，確保水蒸氣與炭料的活化反應均勻高效。該活化爐具有占地面積小、自動連續加料和出料、活化產量較高的優點。

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行活化反應產生氫氣、一氧化碳、二氧化碳，使炭顆粒產生發達的孔隙結構。活化爐的作用就是提供高溫條件下炭與水蒸氣發生活化反應的場所，對活化爐的要求就是維持活化區的高溫狀態，活化蒸汽和炭料在活化區較均勻分布，活化面積較大，活化均勻，活化效果好，并能實現連續機械化加料和出料。目前，利用水蒸氣活化法制備活性炭的活化爐主要有回轉式活化爐和立式活化爐兩種[1]。回轉式活化爐的特點是原料從臥式爐身的一端加入，隨著爐身的旋轉，物料從低處被提升到高處落下，緩慢向另一端移動，料層厚度不均勻而導致活化不均勻，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：有左右2個蒸汽預熱半爐，在活化操作時需要進行2個蒸汽預熱半爐的用氣與預熱狀態切換，操作較麻煩，技術要求較高；爐結構復雜，建設投資大，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計思路及其可行性，以探索開發新型高效立式活化爐的可能性。

1 立式活化爐的總體結構設計

立式活化爐主要由加料裝置、物料傳輸機構、物料承載機構、活化蒸汽預熱與分布機構和出料裝置5個部分所組成。立式圓柱形活化爐的筒體內徑為2 ~ 3 m，高5 ~ 8 m，筒體由高鋁耐火磚內層和普通粘土磚外層及石棉板隔熱層所構成，活化爐從上到下分為干燥段、補充炭化段和活化段，在筒體內間隔適當距離設置若干層交替排列的大小活化圓盤。活化爐的結構如圖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。活化圓盤由耐高溫的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活化圓盤的耐火層中埋設多圈公稱直徑為25.4 mm的環形蒸汽管，其材質為310S不銹鋼，在環形蒸汽管的炭料接觸面一側均勻開設直徑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，活化反應較充分；活化蒸汽在耐火層中預熱后才與炭料發生活化反應，反應速度更快，效果更好。在活化爐的活化段四周設置12個燃氣燒嘴，燃氣燃燒產生的高溫燃燒氣依次流過活化爐中的各個活化室，以加熱活化圓盤上的炭料；在活化爐頂部的另一側設置活化尾氣排出口，活化過程產生的活化尾氣與燃燒氣混合后從此排出口引導到余熱利用設備進行熱能回收后排至煙囪。

圖1 活化爐立面剖視結構

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 立式活化爐的詳細設計

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層和活化圓盤必須耐高溫、耐氧化，因此，活化爐殼體內層用高鋁耐火磚砌筑，外層用普通粘土磚砌筑，內外層之間設置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1 200℃。活化爐的主要部件如活化圓盤支撐板、刮料耙葉及其驅動軸的材料擬選擇抗氧化、耐高溫的310S不銹鋼。在活化爐運行中要求刮料耙葉旋轉時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計成45°角或135°角。大小活化圓盤交替排列，在活化爐殼體上設置可拆卸的維修門，可通過維修門進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動軸上。刮料耙葉驅動軸焊接固定在滾動軸承上，用調速電機及減速機通過鏈傳動驅動刮料耙葉作回轉運動，調速電機所用電源為電壓380 V，電機功率為7.5 KW，調速范圍為125 ~ 1 250 r·min-1，減速機的減速比為50，刮料耙葉的轉速調節范圍為2.5 ~ 25 r·min-1。在安裝活化爐時，殼體外層與內層之間設置保溫材料，以減少爐體的散熱。設計活化圓盤的厚度為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，設計活化爐支柱高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

立式活化爐的內徑設計為2.0 m時，設置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；小活化圓盤直徑設計為1.8 m，驅動軸直徑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）。

當活化圓盤上均布的活化料層厚度為0.05 m時，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。

根據生產經驗，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量約為：2.46×350＝861（kg）。

根據果殼炭制活性炭的生產經驗，通常蒸汽活化法需要的活化時間約為4 ~ 6 h，設計時取5 h，則活化爐的活化產量為：861÷5＝172（kg·h-1）。

24 h的活化產量為：172×24＝4 128（kg），即約4.13 t，每年生產時間按330 d計算，則活化爐的每年活化產量為：4.13×330＝1 363（t）。

同樣，按照上述計算原理，內徑2.5 m和3.0 m、爐高均為7.5 m、都設置20層活化圓盤、大小活化圓盤各10層的立式活化爐，其設計每日（24 h）活化產量分別為6.80 t和10.12 t，每年活化產量分別為2 244 t和3 340 t。

4 活化爐的操作與運行

活化爐的操作運行主要通過調節控制加料速度、活化爐溫和出料速度，達到調節控制產品質量和產量的目的，活化爐調控示意圖如圖4所示。

圖4 活化爐調控示意圖

Figure 4 Schematic diagram of activation furnace

當冷爐升溫時，在各個燃氣燒嘴通燃氣燃燒，所產生的高溫煙道氣自下往上依次流過活化爐中各個大小活化圓盤所在的活化室，以升高爐溫，當活化爐的中下部活化室溫度達到500℃左右時，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，并開啟驅動電機與減速器，通過傳動鏈條驅動刮料耙葉旋轉，將顆粒木炭加到各層活化圓盤上，當各層活化圓盤鋪滿顆粒木炭時停止加料，適當調大燃氣燒嘴的空氣量，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。經過3 ~ 4 d即72 ~ 96 h的緩慢加熱，當活化爐的中下部活化室溫度達到850℃左右時，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，重啟驅動電機與減速器，大活化圓盤上的炭料就被刮料耙葉刮推著向中心移動，并經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經3 ~ 4 d緩慢加熱升溫階段轉入正常活化階段的850 ~ 900℃，經活化圓盤耐火層預熱后的活化蒸汽從環形蒸汽管均布噴出，與炭料進行活化反應產生氫氣、一氧化碳等可燃氣體，這些可燃氣體在經燃氣燒嘴空氣管通入的空氣作用下燃燒以加熱活化室，維持所需要的活化溫度。如活化過程產生的可燃氣體燃燒熱量不能維持設定的活化溫度，則在燃氣燒嘴通入適量燃氣，讓其燃燒產生的高溫煙道氣自下往上依次流過活化爐中各個大小活化圓盤所在的活化室，對其進行補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冷卻后用螺旋出料器進行出料。活化過程中產生的活化尾氣與加熱煙道氣混合后經設置在活化爐頂部的煙道氣排出口引導到余熱利用設備進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，強度高，不易損壞，使用壽命長；多圈環形活化蒸汽管埋入高溫的活化圓盤中，讓蒸汽得到預熱后才均勻噴出與炭料進行活化反應，活化反應較均勻，反應速度較快，活化效果較好；可通過調節加料螺旋轉速來控制加料速度和調整刮料耙葉驅動電機轉速來控制出料速度，以控制炭料在活化爐中的活化時間，從而調整活性炭產品的吸附性能及活化產量，活化爐的調控性較強；利用炭與水蒸氣反應產生的氫氣和一氧化碳等可燃氣體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進行出料，實現操作自動化。活化爐為圓柱形立式結構，占地面積較小，可節省車間面積。缺點是耐高溫310S不銹鋼價格較高。

6 結論

（1）該活化爐在活化圓盤中設置環形蒸汽管，使活化蒸汽得到預熱后均布噴出，蒸汽的溫度較高，與炭料活化反應速度較快，反應較均勻，產品的吸附性能較均勻；可根據所得活化料的吸附量調整刮料耙葉轉速和加料螺旋轉速，以獲得符合要求的產品質量和產量，活化爐的操作調控性能良好。

（2）該活化爐占地面積小，實現連續機械化勻速加料，機械出料，自動化程度高，對活化料的承載面積較大，活化產量較大，如內徑2 ~ 3 m，高7.5 m的活化爐，每24 h的設計活化產量為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

浙江省重點研發計劃項目（2018C02015）

蔣應梯，副研究員，從事林產化工工藝與設備研發；E-mail:411423484@qq.com。

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