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多段炉之相知篇—活性炭再生

2020-05-28 浦士达环保


       由于活性炭及其广泛的应用,因此活性炭作为一种可再生资源的回收命题一直被讨论。围绕活性炭应用及再生所产生的活性炭连续吸附(或脱色)&再生系统以及活性炭再生工厂规划是行业关注的热点问题,小编马不停蹄地整理了相关资料分享给大家。
 
       一、活性炭应用
 
       活性炭广泛应用于气体的净化、溶剂的回收、糖液脱色、化工浆液脱色、工业污水处理、水深度净化等领域。由于在环境保护、工业方面活性炭已被大量的使用,且效果非常显著,但因活性炭在吸附饱合后,其吸附能力减弱或者消失从而成为为废炭,然而目前我国对使用后的活性炭大部分作为危废处理,目前主要的去向是当地危废处置中心,采取工艺主要为焚烧,而焚烧处置费用不菲,这不仅仅增加了生产企业的负担,而且也不符合国家可持续发展需求,造成了极大的资源浪费。
       活性炭吸附是一个物理过程,是可逆的,因此可以采用高温蒸汽等方法将使用过的活性炭内的杂质进行脱附,并使其恢复原有活性,以达到重复使用的目的,再生后的活性炭其用途仍可连续重复使用及再生,具有明显的经济效益和环境效益。
 
       二、活性炭再生工艺选择
 
       活性炭再生是将吸附饱和的活性炭通过各种方法恢复其吸附性能,达到重复使用的目的。再生方法主要取决于活性炭的类型和活性炭吸附物质的性质。目前国内外较为成熟的再生方法有三种,即热再生法、化学再生法和生物再生法。
      (1) 热再生法
       热再生法是目前发展历史最长、应用最多、工业上最成熟的活性炭再生方法。活性炭热再生法始于 20 世纪初,当时是采用回转炉对骨炭进行再生;30 年代开始引用多层炉;40~50 年代再生炉技术已基本成熟。
       热再生法的原理是在加热条件下,使被吸附的有机物以解析、炭化、氧化的形式从活性炭基质上消除。活性炭热再生一般需要多个步骤:
       1)脱水,即通过机械物理作用将活性炭表面的水分除掉。
       2)干燥,干燥温度一般低于 100℃,主要是蒸发孔隙水,少量低沸点的有机物也会被气化。该过程需要大量的蒸发潜热,热再生过程约有 50%的能耗是在干燥过程中消耗的。
       3)在约 350℃时加热活性炭,使其中的低沸点有机物被分离。
       4)高温炭化,即在约 800℃加热活性炭,使大部分有机物分解、气化或以固定碳的形态残留下来。
       5)活化,即在 800℃~1000℃范围内加热活性炭,使残留下来的炭,被水蒸气、二氧化碳或氧气等分解。热再生的步骤根据加热炉种类的不同也稍有差别,但差别不大。
       热再生法的优点:再生率较高,可达 70%~80%;再生时间短;与化学药品再生法相比,具有很强的通用性;不产生再生废液。缺点:再生后的活性炭损失率较高,一般为5%~10%;炭表面化学结构发生改变,比表面积减小;高温再生对再生炉材料要求高,再生炉设备投资高;再生能耗成本较高;活性炭反复再生会丧失吸附性能。
      (2)化学药剂再生法
       高浓度、低沸点的有机物吸附,宜采用化学药剂再生。化学药剂再生主要分为无机药剂再生和有机药剂再生。无机药剂再生一般采用无机酸(硫酸、盐酸)或碱(氢氧化钠)等药剂使吸附质脱除。例如吸附高浓度酚的活性炭,可用氢氧化钠溶液再生,酚以酚钠盐的形式被回收;吸附重金属的活性炭,可以用盐酸溶液再生。有机溶剂再生常用的溶剂有苯、丙酮和甲醇等,适用于可逆吸附,例如吸附高浓度酚的活性炭;处理焦化厂煤气废水的活性炭,都可用有机溶剂再生。
       化学药剂再生法的优点:针对性强,设备简单,具有经济优势;可从再生液中回收有用物质;操作过程在吸附塔内进行,活性炭损失小。缺点:一般只能针对单一物质再生,通用性较差;再生率低,微孔容易堵塞,多次使用后再生率明显降低;存在再生液二次污染的问题。
      (3)生物再生法
       生物再生法与生物活性炭技术相似,活性炭吸附有机物,同时微生物对有机物进行降解,从而使活性炭得到再生。由于活性炭能够将有机物长时间吸附在其表面,所以微生物能够将一些不易降解的有机物进行降解,使活性炭再生。但对于不能被微生物降解的有机物,生物再生法的使用会受到限制。
生物再生法的优点是工艺简单,投资和运行费用都很低,对活性炭无危害作用。缺点是再生时间长,吸附率恢复缓慢,对于难生物降解的有机物不适用。
当然,现有也有一些新兴的活性炭再生方法在尝试、应用中。如:如电化学再生法、超声波再生法、催化湿式氧化再生法及超临界流体再生等。
       从技术成熟度、应用广泛程度、投资等综合因素考虑,目前最常用的还是活性炭热再生工艺,主要设备有多段炉及回转炉两种。
 
       三、活性炭连续吸附/再生联合工艺




       上图为广泛应用于糖液脱色、化工浆液脱色、废水提标排放等领域的活性炭连续吸附/再生联合工艺。
       活性炭吸附塔吸附一定时间后排出部分饱和活性炭,通过新炭槽将新鲜(或再生)活性炭吹送至吸附塔,用以补充吸附塔,完成吸附塔连续吸附;
吸附饱和活性炭排出后通过水力输送至多段炉上方废炭缓存槽,然后输送进入多段炉再生;
       再生后的活性炭落入急冷槽(用于在线式热再生技术系统)/强制夹套式冷却机(用于在线或离线式热再生技术系统),使再生活性炭冷却并脱气,之后通过吹送槽输入至吸附塔上方补炭槽中待用。
 
       四、多段炉再生工艺
 
       饱和活性炭输送至多段炉中,在多段炉中通过燃烧机精确控制再生所需的温度,通过蒸汽活化技术系统将蒸汽均匀的、适量的作用在活性炭表面上,以求达到最佳的活化效果。经多段炉再生处理后的活性炭,由再生炉下方出料后进入冷却器,冷却后的再生活性炭,可以包装装运。





       多段炉活性炭再生方法属于热再生,由下列三个工艺阶段组成:
       1)干燥阶段:在100~300℃温度下使活性炭之水分蒸发、干燥。
       2)焙干阶段:在400~600℃温度下将活性炭吸附于细孔内有机物质中之挥发分蒸发、炭化。
       3)活化阶段:在800-1000℃高温通入蒸汽,使焙干阶段有机物炭化后残留在活性炭孔隙结构中的“残碳”发生气化反应:C+H2O→CO+H2而得以“清除”,活性炭的孔结构和内表面被“清扫”干净,吸附/脱色性能恢复到与新炭接近的程度。
 
       五、多段炉和回转炉再生比较


活性炭再生设备
处理量 30吨/天
处理场景 废水颗粒碳,含水40%左右
比较项目 多段炉 回转炉
设备规格 φ3.3m*8层
 最大产能, 17T/D(干炭)
φ2.5m*18m
 最大产能,15T/D(干炭)
占地面积 40平方 230平方
再生工艺 温度:900℃
 时间:40min(水炭)
温度:900℃
 时间:60min(水炭)
天然气消耗 消耗值:5818-10467KJ/Kg活性炭 消耗值:8141-18608KJ/Kg活性炭
系统天然气 510Nm3/吨干炭 600Nm3/吨干炭
炉体功率 5.5kw 30kw
再生系统运行功率 120kw 380kw
再生损失率 5%-8% 8%-15%
人工 1-2人/班,中控室操作 3-4人/班,辅助操作
工艺可调整性 可分层设置燃烧器,可精确控制每层的温度及氧含量;
 气流逆流,梯度升温,各反应区间界面清晰。
仅能模糊控制,炉体长,燃烧器仅有头部或尾部1台,温度分布相对不均匀
使用寿命 10-20年 5-10年
设备保养 330天运行
 转动部件仅为中轴及其上安装的耙臂耙齿 其他所有耐火材均为固定式安装 在运行过程中几乎不存在耐火材料脱落、碎裂的可能性。通常只需定期检修耙齿耙臂有搅拌,无结渣情况
300天运行
 耐火砖需要定期维护、更换
 炉内温度分布不均,易结渣,需要停炉清渣后重启运行
重新升温时间 8-10小时 24-48小时
设备运行负荷 弹性大
 允许35%左右产能符合波动
允许50%产能符合波动
自清洁性 由于多段炉的耙齿跟炉床有一定的间隙,会有一部分活性炭(约2~3m3)作为“铺底料”残留在炉床上 可随炉体转动全部清理出来
 
 
       多段炉再生主要特点:
       1、活性炭再生得率≥92%;
       2、单台设备处理量可1吨-300吨/天干炭
       3、吸附性能恢复率≥饱和活性炭残余碘值的150%;
       4、占地面积小、能源消耗少;
       5、操作性能高、自动控制程度高;
       6、密封性能好:含氧可控在1%在内,微负压状态
 
       六、活性炭再生工厂规划建议


       活性炭再生工厂所收集处置的活性炭种类繁多,从类型上看主要有废水活性炭、废气活性炭、溶剂吸附活性炭、脱色活性炭等,而其中以废水活性炭及废气活性炭为主要来源。
       而废水活性炭和废气活性炭因吸附有机物容量、有机物成分、含水率等参数均不同,导致再生的工艺参数设定不同。若以同样的工艺参数设定再生两种类型活性炭,会导致活性炭烧失,损失率增加等情况出现,从而降低工厂效率和经济效益。
       而收集的废气活性炭,因应用企业多采用催化燃烧法对活性炭进行反复吹脱再生,因此饱和活性炭吸附残留的主要是高沸点有机物。高沸点的有机物的活性炭难脱附。如果不区别对待可能会引起吸附低沸点有机物的活性炭烧损严重,再生得率降低。
       因此在活性炭工厂建设上,将炭量较大的、类型相似的废炭送入多段炉再生系统进行再生;对于单批次炭量少,或者对再生炭有特殊要求的送入回转炉再生系统。这种再生工厂的规划设计,综合考虑了投资强度、占地面积、再生产能、再生效率、再生得率、运行成本、人工成本等因素,将两种炉型优势组合。





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