專利名稱：蒸汽存在下用電阻加熱活化碳的設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由含碳物質(zhì)在蒸汽存在下用電阻加熱制造活性碳，尤其是涉及改進(jìn)的電阻加熱法，該方法降低了活化能量的消耗，提高了產(chǎn)品的物料產(chǎn)率，產(chǎn)品更加均勻，并且與以前描述過(guò)的碳電阻活化法相比，減少了排入大氣的污染物。
碳的活化是一種能以多種途徑進(jìn)行的古老方法。目前，在各種活化方法中，使用的原料碳是一種含碳的物質(zhì)，其揮發(fā)物在缺乏空氣的條件下受熱后(碳化)基本上被除去，或者在該物質(zhì)中實(shí)質(zhì)上本生是沒(méi)有揮發(fā)物存在的。類別屬于前者的實(shí)例為椰子碳、木碳和瀝青焦炭。類別屬于后者的實(shí)例是揮發(fā)物量極低的無(wú)煙煤。氣化法活化是有效的，該法能極大的增大表面積，并使亞微觀孔的網(wǎng)狀物擴(kuò)大。最普通的氣化法是
這些方法必須在高溫(通常約700℃以上)下進(jìn)行，而且是吸熱反應(yīng)，因此能量是重要的。
所需的能量可以由燃燒源提供，再由通過(guò)碳的過(guò)熱蒸汽或二氧化碳將能量傳遞到碳上，或者使用碳的電阻率將能量直接供給碳。使用電阻加熱所具有的優(yōu)點(diǎn)是可向碳直接提供必需的能量，因此已做出各種努力在實(shí)際規(guī)模上發(fā)展這種方法，例如在US1，634，477;1，634，478;1，634，480;1，686，100;1，854，387;1，593，879;1，597，208;1，601，222;1，701，272;2003278和2270245中所述，然而，存在著許多的困難，阻礙了將電阻加熱制造活性碳成功的應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。這些難題包括碳的電阻率隨著碳的來(lái)源，其揮發(fā)物的含量，溫度及其它因素的變化而變化。另外的難題是蒸汽通過(guò)碳粒的分布不均勻。從而使得到的活性碳在各批號(hào)之間以及每一批號(hào)內(nèi)的參數(shù)都不一樣。如果要使一批碳的所有部分都能達(dá)到所要求的活化程度，則將導(dǎo)致能耗升高和物料產(chǎn)率降低。圍繞這些難題已經(jīng)采取過(guò)各種對(duì)策，如碳的流化作用，或利用各部分的移動(dòng)，在某些情況中包括電極本身，如US1686100;1593879和1601222中所說(shuō)明的。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)流化作用會(huì)引起顆粒間的電擊穿和參數(shù)的不一致。機(jī)械作用損壞了碳粒或球，因而降低了物料的產(chǎn)率，而且會(huì)必然提高對(duì)設(shè)備的投資費(fèi)用和維修費(fèi)用。
本發(fā)明涉及原料碳在蒸汽存在下用電阻加熱活化碳的方法，其中活化前要將原料碳予熱，由予熱器出來(lái)的可燃性氣體通過(guò)引火燈點(diǎn)燃，碳靠重力向下流入反應(yīng)器，在該反應(yīng)器內(nèi)碳將發(fā)生活化，電流流過(guò)反應(yīng)器中的碳，蒸汽通入反應(yīng)器的底部并向上流入所述反應(yīng)器，已活化的碳產(chǎn)品由反應(yīng)器底部排出，使用的原料碳含高達(dá)約25%的揮發(fā)性有機(jī)物，要保持原料的予熱溫度以使碳電阻率達(dá)到最小值，在電路內(nèi)包括安裝到予熱器上的電極，由此電流流過(guò)予熱器內(nèi)的部分碳，使用管式反應(yīng)器，其內(nèi)徑不超過(guò)原料碳顆粒最大粒徑平均值的75倍，其中粒徑平均值LS＝∑L2/∑L，L是任何給定顆粒的最大值。
本發(fā)明還涉及原料碳在蒸汽存在下用電阻加熱活化碳的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)加料斗，原料碳由加料斗通過(guò)加料斜槽進(jìn)入予熱器，予熱器包含一個(gè)氣體燃燒室，由反應(yīng)器排出的氣體在該室燃燒，所述的予熱器是由不銹鋼制成的，耐火材料的立管式反應(yīng)器，其頂點(diǎn)與予熱器的底部連接，其底部與金屬的蒸汽夾套園管形管連接，用于將來(lái)自蒸汽夾套管的蒸汽輸送到所述反應(yīng)器內(nèi)部的裝置，所述的蒸汽向上通入管式反應(yīng)器，予熱器外部的電極和蒸汽夾套管外部的電極，所述的電極與電源相連，流過(guò)電極間的電流穿過(guò)下移的碳粒，位于予熱器和氣體燃燒室上方的煙道用于排放廢氣，溫度測(cè)量裝置位于管式反應(yīng)器的內(nèi)部，和工藝過(guò)程結(jié)束時(shí)用于排出活性碳的裝置，本發(fā)明的特征在于將原料碳由一側(cè)加入予熱器以保持予熱器內(nèi)原料水平恒定的裝置，電流限定裝置對(duì)溫度信號(hào)裝置敏感，管式反應(yīng)器的頂端伸入到予熱器內(nèi)，用于排出活性碳的刀閘閥裝置和排料限定裝置。
在本發(fā)明提供的方法中，每1.4-1.8kg的原料碳使用2kg或2kg以下的蒸汽。這個(gè)數(shù)字對(duì)于1kg的成品來(lái)說(shuō)使用了約2kg的蒸汽。
作為凈化介質(zhì)使用以除去液體，空氣或其它氣體中的污染物而基本上是廢棄的活性碳，通常含有其干重約25%以下的揮發(fā)性有機(jī)物，將這種廢碳轉(zhuǎn)化成活性碳一般稱為再活化作用。因此，原料碳可以是廢碳。
此外，按照本發(fā)明，能減少活化工藝釋放的污染性氣體并且基本上可以消除任何這樣的污染性氣體向大氣排放。
附圖表明在活化氣體存在下用電阻法活化碳的設(shè)備。
本發(fā)明改進(jìn)了工藝和設(shè)備，在蒸汽存在下用電阻加熱來(lái)活化碳。
原料碳(包括顆粒狀的)可由木材，椰子或其它堅(jiān)果殼，瀝青煤，或者其它合適的碳源材料碳化獲得。它可含有從零高至約25%或更高的揮發(fā)性有機(jī)物。假如碳原料村料，如無(wú)煙煤，最初的揮發(fā)性有機(jī)物的含量低于約25%，那么就可以省去予先的碳化步驟。單個(gè)顆粒的最大尺寸(盡管沒(méi)有嚴(yán)格的限制)可處于約1-7mm范圍內(nèi)。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒小于約1mm時(shí)，易于限制蒸汽流過(guò)該物料床，當(dāng)顆粒大于7mm時(shí)，其活化程度通常比上述最佳尺寸范圍的顆?；罨牟?。
原料碳從一側(cè)加入予熱器以保持予熱器內(nèi)的原料水平恒定。這一控制有效的保持了通過(guò)該系統(tǒng)的蒸汽壓力降恒定，而且由此控制了蒸汽的流速和活化的速度，還能防止過(guò)量的蒸汽在原料上聚集，這種情況在氣體通過(guò)加料斗時(shí)會(huì)出現(xiàn)。予熱器作為一個(gè)電極使電流流過(guò)碳。
原料碳的予熱溫度最好為約600℃-約700℃，該溫度對(duì)于降低其電阻率是最佳的。換句話說(shuō)，溫度可低至550℃或高至750℃，仍可維持一個(gè)可接受的低的電阻率。予熱的部分能量來(lái)自活化過(guò)程排出的熱氣，另一部分來(lái)自碳剛好進(jìn)入活化區(qū)前流經(jīng)部分碳的電異。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，另外的熱源可由活化工藝排出的熱氣燃燒來(lái)供給。該燃燒是自燃的而且可通過(guò)控制進(jìn)入氣體燃燒室的空氣來(lái)調(diào)節(jié)以達(dá)到最佳溫度，如果需要的話，可除去原料碳的水分。這種予熱特點(diǎn)的一個(gè)重要好處(不管是否具有配備氣體燃燒室的改進(jìn)方案)是從予熱過(guò)的碳的下層部分釋放出來(lái)的揮發(fā)性物質(zhì)，沒(méi)有從該系統(tǒng)中排出，而是上升并且與下移的碳相遇時(shí)，冷凝在較冷的一部分碳上。本發(fā)明的方法有能力活化最高含約25%的揮發(fā)性有機(jī)物原料碳，并且能使許多這類物質(zhì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，我們的發(fā)明在這方面是有貢獻(xiàn)的。
碳靠著重力向下通過(guò)反應(yīng)器，反應(yīng)器的溫度保持在活化過(guò)程所必須的溫度上，該溫度最好是在約800-900℃的范圍內(nèi)。溫度的維持是靠電源功率輸入的精確控制實(shí)現(xiàn)的，該電源功率輸入可通過(guò)半導(dǎo)體整流器裝置(如硅可控整流器)依次調(diào)節(jié)，所述整流器對(duì)置于反應(yīng)器中合適位置的溫度計(jì)發(fā)出的信號(hào)是敏感的。反應(yīng)器下邊設(shè)置了蒸汽分布器，蒸汽加熱器和電極。這一特點(diǎn)為蒸汽通過(guò)碳提供了均勻的分布，同時(shí)作為熱交換器允許來(lái)自熱蒸汽加熱器和活化過(guò)的碳的熱量傳遞到輸入的蒸汽中。在這種情況下，蒸汽加熱器應(yīng)保持低于將發(fā)生物料損害的溫度以下，而將蒸汽予熱至必須的反應(yīng)溫度。每公斤干原料所用蒸汽量約為2-3kg，每公斤產(chǎn)品則為約1.4-1.8kg。同時(shí)，碳被冷到低于其引燃溫度(例如，對(duì)于瀝青煙基活性碳約為460℃)，以致于排出暴露于大氣時(shí)不存在燃燒的危險(xiǎn)。
活化過(guò)的部分冷卻的碳，通過(guò)裝有排料限制設(shè)備的刀閘閥間歇地放出。這種布置使碳靠重力排出不會(huì)使大量的蒸汽逸出。本發(fā)明由于節(jié)省了能量并減少了設(shè)備的磨損，因此增加了整個(gè)效益。例如，旋轉(zhuǎn)閥會(huì)使較多的蒸汽泄漏并具有快速磨損的缺點(diǎn)。
基于原料碳的活性碳產(chǎn)品的產(chǎn)率取決于其水分，有機(jī)揮發(fā)物的含量和其它性質(zhì)，以及所需的活性程度。按干原料質(zhì)量百分比計(jì)，典型的產(chǎn)率為65%的活性碳，其具有的碘值(A.S.T.M標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法D4607)高達(dá)約1200，四氯化碳活性(A.S.T.M標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法D3467)范圍約為60-70%。對(duì)于用于脫色的碳，通常產(chǎn)品具有的亞甲基蘭脫色力(US.Pharmacopeia XXII，Rockville，MD，1990年1月1日)約18或19。產(chǎn)品的均勻性按其參數(shù)的偏差(CV)系數(shù)來(lái)測(cè)量的，這里CV被定義為標(biāo)準(zhǔn)偏差σ與平均值μ的比值，通常以%表示，或
CV＝(σ/μ)×100%我們發(fā)現(xiàn)我們的活性碳產(chǎn)品參數(shù)具有代表性的CV為2.6%或更低，這意味著至少有95%的被測(cè)樣品參數(shù)是在其平均值5%以內(nèi)。每公斤成品所使用的蒸汽量約為1.0-2.0kg，這取決于原料和所要求的活化程度。發(fā)現(xiàn)每公斤產(chǎn)品的能量消耗約為1.50-1.75kwh。
由予熱器頂部排出的廢氣流流入絲網(wǎng)后自動(dòng)地點(diǎn)燃或由引火燈點(diǎn)燃。這一特點(diǎn)使廢氣燃燒成無(wú)害產(chǎn)物而不會(huì)使碳本身燃燒。絲網(wǎng)可在予熱器內(nèi)，或與此分開(kāi)，借助于噴管遠(yuǎn)距離進(jìn)行廢氣的燃燒。
參照附

圖1，本發(fā)明的特征將更清楚，該圖是設(shè)備10的部分圖示和部分豎直截面。原料碳11裝入加料斗12。通常加料是通過(guò)運(yùn)輸帶來(lái)完成的，而且由于包括水平控制系統(tǒng)，因此能自動(dòng)加料，盡管對(duì)于本發(fā)明的目的來(lái)說(shuō)并不重要，但是具有優(yōu)點(diǎn)。碳借助于重力由加料料斗通過(guò)加料斜槽13移動(dòng)至予熱器14。予熱器是由不銹鋼制成的，并且有電極15，通過(guò)電纜接線片與DC電源16的一個(gè)終端相連接，還可使用交流電，然而我們優(yōu)選DC，這是因?yàn)楦菀走M(jìn)行隨后的操作控制。特別是當(dāng)引入大電流時(shí)。予熱器內(nèi)最好含有一個(gè)同軸的氣體燃燒室17，該燃燒室具有一個(gè)空氣入口18和篩板19，通過(guò)該篩板氣體由反應(yīng)器20進(jìn)入。然而，這一特點(diǎn)對(duì)于我們的發(fā)明并不重要。當(dāng)它不存在時(shí)，予熱器裝有絲網(wǎng)蓋(gauze cover)21并由引火燈22燈燃，或具有將絲網(wǎng)蓋與予熱器分開(kāi)的噴管，以使燃燒在遠(yuǎn)距離處進(jìn)行。最好反應(yīng)器伸入予熱器一段距離，以便在碳進(jìn)入反應(yīng)器之前，使電流必然通過(guò)予熱器中的部分碳。這樣該部分可作為電加熱區(qū)使用。反應(yīng)器是一種非導(dǎo)電性耐火材料的園筒形管，活化反應(yīng)在其中進(jìn)行。裝有能提供信號(hào)用以控制電源功率輸入的溫度計(jì)23?；钚蕴加晒苁椒磻?yīng)器向下進(jìn)行入蒸汽加熱器24，該加熱器最好是由不銹鋼制成的，并且含有一個(gè)夾套管，它具有進(jìn)入夾套管的蒸汽入口和由夾套管進(jìn)入徑區(qū)(radius space)的蒸汽孔25。蒸汽26通過(guò)軟管27供給蒸汽加熱器，該軟管可以是橡膠的或其它合適的非傳導(dǎo)性管，并且由閥28加以控制和由儀表29計(jì)量。蒸汽加熱器由電極30與DC電源的一個(gè)終端連接。用蒸汽冷卻至其燃點(diǎn)以下溫度的活性碳，通過(guò)刀閘閥31排出，這一過(guò)程最好靠壓縮空氣由合適的計(jì)時(shí)器來(lái)操作，以便能固定間隔在短暫時(shí)間內(nèi)打開(kāi)。排出的碳進(jìn)入計(jì)量裝置32，當(dāng)?shù)堕l閥打開(kāi)時(shí)，它限制驗(yàn)收合格材料的量。計(jì)量裝置用機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置33或其它合適的裝置與刀閘閥聯(lián)接，以便它能每次準(zhǔn)時(shí)操作閥的開(kāi)啟。設(shè)置的蒸汽加熱器、計(jì)時(shí)閘閥和限量的計(jì)量裝置的整個(gè)作用在于排出已充分活化并冷卻至其燃燒溫度以下的產(chǎn)品，結(jié)果使產(chǎn)品的產(chǎn)率和能量效率都能達(dá)到最大值。正如上文所述的，反應(yīng)器中形成的并且向上流過(guò)予熱器的氣體被燃燒。燃燒產(chǎn)物由煙罩34收集后通過(guò)煙道35排出。
本發(fā)明通過(guò)下文所提供的實(shí)例會(huì)更清楚。給出的這些實(shí)施僅僅是為了說(shuō)明，不能認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在這些實(shí)施中，使用如上所述的程序。原料碳的參數(shù)示于表1。在表2給出的實(shí)施中，其予熱溫度為600°～700℃，反應(yīng)溫度為800～900℃;該表說(shuō)明每公斤產(chǎn)品所使用的蒸汽量以及產(chǎn)品的產(chǎn)率和參數(shù)。產(chǎn)品的產(chǎn)率按原料碳干重計(jì)。
表1原料 參數(shù)原料水分含量%有機(jī)揮發(fā)物%顆粒尺寸mmA、椰子碳 0-10 0-25 1-11＊B、木碳 0-100-25 1-7C、瀝青焦0-100-5 1-7D、瀝青煤0-10 0-25 1-7E、無(wú)煙煤0-10 0-10 1-7F、廢椰殼活性碳 5-15 5-25 1-11＊＊椰子碳為3-4mm厚的片狀。因此，允許其長(zhǎng)或?qū)捝晕⒏哂谄渌螤畹念w粒。
表 2實(shí)例實(shí)例序號(hào)原料蒸汽用量kg/kg產(chǎn)品產(chǎn)品產(chǎn)率%干基參數(shù)與CV＊1 A 1.6 70 I＃1200; CV＝2.6%CTC65 2.5%2 B 1.8 65 I＃1000 2.6%MB 18 2.6%3 C 1.6 70 I＃1200 2.3%CTC60 2.4%4 D 1.8 60 I＃1200 2.5%CTC60 2.5%5 E 1.7 65 I＃1200 2.5%CTC60 2.6%6 F 1.4 75 I＃1150 2.5%CTC62 2.4%＊I＃＝碘值CTC＝四氯化碳活性MB＝亞甲基蘭脫色力CV＝偏差系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種由原料碳在蒸汽存在下用電阻加熱活化碳的方法，其中(a)活化前將原料碳予熱；(b)來(lái)自予熱器的可燃性氣體由引火燈點(diǎn)燃；(c)碳靠重力向下流入碳發(fā)生活化的反應(yīng)器內(nèi)；(d)電流流過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的碳；(e)蒸汽通入反應(yīng)器的底部并向上流過(guò)所述反應(yīng)器；和(f)活化過(guò)的碳產(chǎn)品由反應(yīng)器底部排出；其特征在于(a)使用的原料碳含有高達(dá)約25%的揮發(fā)性有機(jī)物；(b)保持原料的予熱溫度以使碳的電阻率達(dá)到最低值；(c)電路中包括的電極安裝于予熱器上，從而電流流經(jīng)予熱器中的部分碳；和(d)使用管式反應(yīng)器，其內(nèi)徑不大于原料碳顆粒最大直徑平均值的75倍，其中平均值，Ls=∑L/∑L-，L是任何給定顆粒的最大直徑。
2.按照權(quán)利要求1的一種方法，其中反應(yīng)器最突出的部分伸入予熱器中。
3.按照權(quán)利要求1或2的一種方法，其中電路包括的電極允許電流流過(guò)反應(yīng)器底部的碳。
4.按照權(quán)利要求1或2的一種方法，其中反應(yīng)器的溫度約為800℃-約900℃。
5.按照權(quán)利要求或2的一種方法，其中碳粒的最大直徑約為1mm-約7mm。
6.按照權(quán)利要求1或2的一種方法，其中原料碳是廢碳。
7.按照權(quán)利要求1或2的一種方法，其中予熱溫度的范圍約為550℃-750℃。
8.按照權(quán)利要求7的一種方法，其中的溫度約為600℃-700℃。
9.按照權(quán)利要求1或2的一種方法，其中反應(yīng)器是一種非導(dǎo)電性的耐火材料制成。
10.一種適于原料碳在蒸汽存在下用電阻加熱的碳活化設(shè)備，包括一個(gè)加料斗，原料碳通過(guò)加料斜槽由加料斗進(jìn)入予熱器，該予熱器包括一個(gè)氣體燃燒室，由反應(yīng)器排出的氣體在該室內(nèi)燃燒，所述予熱器是由不銹鋼制成的，耐火材料的立管式反應(yīng)器，其頂部與予熱器的底部連接，其底部與金屬的蒸汽夾套園筒管連接，用于將來(lái)自蒸汽夾套管的蒸汽輸入到所述容器內(nèi)部的裝置，所述蒸汽向上流過(guò)管式反應(yīng)器，一根電極設(shè)置在予熱器的外部，而另一電極設(shè)置在蒸汽夾套管的外部，所述電極與電源相連，通過(guò)電極間的電流流過(guò)下移的碳粒，位于予熱器和氣體燃燒室上方的煙道用于除去廢氣，溫度測(cè)量裝置設(shè)置在管式反應(yīng)器的內(nèi)部，和在工藝過(guò)程結(jié)束時(shí)用于排出活性碳的裝置，其特征在于用于將原料碳由一側(cè)加入予熱器以保持在其內(nèi)碳量恒定的裝置，一種對(duì)溫度信號(hào)裝置敏感的電流限定裝置，伸入予熱器的管式反應(yīng)器頂端，適于活性碳排放的刀閘閥和一種放料限定裝置。
全文摘要
適于原料碳在蒸汽下用電阻加熱的碳活化設(shè)備和方法，原料碳的顆粒在預(yù)熱器內(nèi)預(yù)熱，借重力使顆粒下移進(jìn)入并通過(guò)與預(yù)熱器連接的立式反應(yīng)器，在反應(yīng)器底部引入蒸汽，它逆著下移顆粒向上流動(dòng)，電流流過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的顆粒，由反應(yīng)器底部排出活性炭，改進(jìn)包括由預(yù)加熱器的一側(cè)加入原料碳，控制電功率輸入，使反應(yīng)器伸入預(yù)熱器內(nèi)，用刀閘閥和放料限定裝置控制活性炭排放，原料碳含高達(dá)25％有機(jī)揮發(fā)物，保持預(yù)熱溫度約550℃～750℃，反應(yīng)器內(nèi)徑為顆粒平均粒徑的75倍，使電流流過(guò)預(yù)熱器中的部分顆粒。
文檔編號(hào)C01B31/08GK1065439SQ9210086
公開(kāi)日1992年10月21日 申請(qǐng)日期1992年1月4日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月4日
發(fā)明者E·M·J·蓋拉德, C·杜普萊西 申請(qǐng)人:碳活化(美國(guó))有限公司