專利名稱：蒸汽存在下用電阻加熱活化碳的設備與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由含碳物質在蒸汽存在下用電阻加熱制造活性碳，尤其是涉及改進的電阻加熱法，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，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，或者在該物質中實質上本生是沒有揮發(fā)物存在的。類別屬于前者的實例為椰子碳、木碳和瀝青焦炭。類別屬于后者的實例是揮發(fā)物量極低的無煙煤。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)下進行，而且是吸熱反應，因此能量是重要的。
所需的能量可以由燃燒源提供，再由通過碳的過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)點是可向碳直接提供必需的能量，因此已做出各種努力在實際規(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碳粒的分布不均勻。從而使得到的活性碳在各批號之間以及每一批號內的參數(shù)都不一樣。如果要使一批碳的所有部分都能達到所要求的活化程度，則將導致能耗升高和物料產(chǎn)率降低。圍繞這些難題已經(jīng)采取過各種對策，如碳的流化作用，或利用各部分的移動，在某些情況中包括電極本身，如US1686100;1593879和1601222中所說明的。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)流化作用會引起顆粒間的電擊穿和參數(shù)的不一致。機械作用損壞了碳?；蚯?，因而降低了物料的產(chǎn)率，而且會必然提高對設備的投資費用和維修費用。
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，由予熱器出來的可燃性氣體通過引火燈點燃，碳靠重力向下流入反應器，在該反應器內碳將發(fā)生活化，電流流過反應器中的碳，蒸汽通入反應器的底部并向上流入所述反應器，已活化的碳產(chǎn)品由反應器底部排出，使用的原料碳含高達約25%的揮發(fā)性有機物，要保持原料的予熱溫度以使碳電阻率達到最小值，在電路內包括安裝到予熱器上的電極，由此電流流過予熱器內的部分碳，使用管式反應器，其內徑不超過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備，該設備包括一個加料斗，原料碳由加料斗通過加料斜槽進入予熱器，予熱器包含一個氣體燃燒室，由反應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器，其頂點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，用于將來自蒸汽夾套管的蒸汽輸送到所述反應器內部的裝置，所述的蒸汽向上通入管式反應器，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，流過電極間的電流穿過下移的碳粒，位于予熱器和氣體燃燒室上方的煙道用于排放廢氣，溫度測量裝置位于管式反應器的內部，和工藝過程結束時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加入予熱器以保持予熱器內原料水平恒定的裝置，電流限定裝置對溫度信號裝置敏感，管式反應器的頂端伸入到予熱器內，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。這個數(shù)字對于1kg的成品來說使用了約2kg的蒸汽。
作為凈化介質使用以除去液體，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)性有機物，將這種廢碳轉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備。
本發(fā)明改進了工藝和設備，在蒸汽存在下用電阻加熱來活化碳。
原料碳(包括顆粒狀的)可由木材，椰子或其它堅果殼，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)性有機物。假如碳原料村料，如無煙煤，最初的揮發(fā)性有機物的含量低于約25%，那么就可以省去予先的碳化步驟。單個顆粒的最大尺寸(盡管沒有嚴格的限制)可處于約1-7mm范圍內。我們發(fā)現(xiàn)當顆粒小于約1mm時，易于限制蒸汽流過該物料床，當顆粒大于7mm時，其活化程度通常比上述最佳尺寸范圍的顆粒活化的差。
原料碳從一側加入予熱器以保持予熱器內的原料水平恒定。這一控制有效的保持了通過該系統(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，還能防止過量的蒸汽在原料上聚集，這種情況在氣體通過加料斗時會出現(xiàn)。予熱器作為一個電極使電流流過碳。
原料碳的予熱溫度最好為約600℃-約700℃，該溫度對于降低其電阻率是最佳的。換句話說，溫度可低至550℃或高至750℃，仍可維持一個可接受的低的電阻率。予熱的部分能量來自活化過程排出的熱氣，另一部分來自碳剛好進入活化區(qū)前流經(jīng)部分碳的電異。在本發(fā)明的另一實施例中，另外的熱源可由活化工藝排出的熱氣燃燒來供給。該燃燒是自燃的而且可通過控制進入氣體燃燒室的空氣來調節(jié)以達到最佳溫度，如果需要的話，可除去原料碳的水分。這種予熱特點的一個重要好處(不管是否具有配備氣體燃燒室的改進方案)是從予熱過的碳的下層部分釋放出來的揮發(fā)性物質，沒有從該系統(tǒng)中排出，而是上升并且與下移的碳相遇時，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)性有機物原料碳，并且能使許多這類物質轉化成產(chǎn)品，我們的發(fā)明在這方面是有貢獻的。
碳靠著重力向下通過反應器，反應器的溫度保持在活化過程所必須的溫度上，該溫度最好是在約800-900℃的范圍內。溫度的維持是靠電源功率輸入的精確控制實現(xiàn)的，該電源功率輸入可通過半導體整流器裝置(如硅可控整流器)依次調節(jié)，所述整流器對置于反應器中合適位置的溫度計發(fā)出的信號是敏感的。反應器下邊設置了蒸汽分布器，蒸汽加熱器和電極。這一特點為蒸汽通過碳提供了均勻的分布，同時作為熱交換器允許來自熱蒸汽加熱器和活化過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，碳被冷到低于其引燃溫度(例如，對于瀝青煙基活性碳約為460℃)，以致于排出暴露于大氣時不存在燃燒的危險。
活化過的部分冷卻的碳，通過裝有排料限制設備的刀閘閥間歇地放出。這種布置使碳靠重力排出不會使大量的蒸汽逸出。本發(fā)明由于節(jié)省了能量并減少了設備的磨損，因此增加了整個效益。例如，旋轉閥會使較多的蒸汽泄漏并具有快速磨損的缺點。
基于原料碳的活性碳產(chǎn)品的產(chǎn)率取決于其水分，有機揮發(fā)物的含量和其它性質，以及所需的活性程度。按干原料質量百分比計，典型的產(chǎn)率為65%的活性碳，其具有的碘值(A.S.T.M標準檢驗方法D4607)高達約1200，四氯化碳活性(A.S.T.M標準檢驗法D3467)范圍約為60-70%。對于用于脫色的碳，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)來測量的，這里CV被定義為標準偏差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%的被測樣品參數(shù)是在其平均值5%以內。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)后自動地點燃或由引火燈點燃。這一特點使廢氣燃燒成無害產(chǎn)物而不會使碳本身燃燒。絲網(wǎng)可在予熱器內，或與此分開，借助于噴管遠距離進行廢氣的燃燒。
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。通常加料是通過運輸帶來完成的，而且由于包括水平控制系統(tǒng)，因此能自動加料，盡管對于本發(fā)明的目的來說并不重要，但是具有優(yōu)點。碳借助于重力由加料料斗通過加料斜槽13移動至予熱器14。予熱器是由不銹鋼制成的，并且有電極15，通過電纜接線片與DC電源16的一個終端相連接，還可使用交流電，然而我們優(yōu)選DC，這是因為更容易進行隨后的操作控制。特別是當引入大電流時。予熱器內最好含有一個同軸的氣體燃燒室17，該燃燒室具有一個空氣入口18和篩板19，通過該篩板氣體由反應器20進入。然而，這一特點對于我們的發(fā)明并不重要。當它不存在時，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)蓋與予熱器分開的噴管，以使燃燒在遠距離處進行。最好反應器伸入予熱器一段距離，以便在碳進入反應器之前，使電流必然通過予熱器中的部分碳。這樣該部分可作為電加熱區(qū)使用。反應器是一種非導電性耐火材料的園筒形管，活化反應在其中進行。裝有能提供信號用以控制電源功率輸入的溫度計23?；钚蕴加晒苁椒磻飨蛳逻M行入蒸汽加熱器24，該加熱器最好是由不銹鋼制成的，并且含有一個夾套管，它具有進入夾套管的蒸汽入口和由夾套管進入徑區(qū)(radius space)的蒸汽孔25。蒸汽26通過軟管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性管，并且由閥28加以控制和由儀表29計量。蒸汽加熱器由電極30與DC電源的一個終端連接。用蒸汽冷卻至其燃點以下溫度的活性碳，通過刀閘閥31排出，這一過程最好靠壓縮空氣由合適的計時器來操作，以便能固定間隔在短暫時間內打開。排出的碳進入計量裝置32，當?shù)堕l閥打開時，它限制驗收合格材料的量。計量裝置用機械聯(lián)動裝置33或其它合適的裝置與刀閘閥聯(lián)接，以便它能每次準時操作閥的開啟。設置的蒸汽加熱器、計時閘閥和限量的計量裝置的整個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，結果使產(chǎn)品的產(chǎn)率和能量效率都能達到最大值。正如上文所述的，反應器中形成的并且向上流過予熱器的氣體被燃燒。燃燒產(chǎn)物由煙罩34收集后通過煙道35排出。
本發(fā)明通過下文所提供的實例會更清楚。給出的這些實施僅僅是為了說明，不能認為是對本發(fā)明的限制。在這些實施中，使用如上所述的程序。原料碳的參數(shù)示于表1。在表2給出的實施中，其予熱溫度為600°～700℃，反應溫度為800～900℃;該表說明每公斤產(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。
表1原料 參數(shù)原料水分含量%有機揮發(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，允許其長或寬稍微高于其它形狀的顆粒。
表 2實例實例序號原料蒸汽用量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)來自予熱器的可燃性氣體由引火燈點燃；(c)碳靠重力向下流入碳發(fā)生活化的反應器內；(d)電流流過反應器內的碳；(e)蒸汽通入反應器的底部并向上流過所述反應器；和(f)活化過的碳產(chǎn)品由反應器底部排出；其特征在于(a)使用的原料碳含有高達約25%的揮發(fā)性有機物；(b)保持原料的予熱溫度以使碳的電阻率達到最低值；(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)使用管式反應器，其內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.按照權利要求1的一種方法，其中反應器最突出的部分伸入予熱器中。
3.按照權利要求1或2的一種方法，其中電路包括的電極允許電流流過反應器底部的碳。
4.按照權利要求1或2的一種方法，其中反應器的溫度約為800℃-約900℃。
5.按照權利要求或2的一種方法，其中碳粒的最大直徑約為1mm-約7mm。
6.按照權利要求1或2的一種方法，其中原料碳是廢碳。
7.按照權利要求1或2的一種方法，其中予熱溫度的范圍約為550℃-750℃。
8.按照權利要求7的一種方法，其中的溫度約為600℃-700℃。
9.按照權利要求1或2的一種方法，其中反應器是一種非導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備，包括一個加料斗，原料碳通過加料斜槽由加料斗進入予熱器，該予熱器包括一個氣體燃燒室，由反應器排出的氣體在該室內燃燒，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，用于將來自蒸汽夾套管的蒸汽輸入到所述容器內部的裝置，所述蒸汽向上流過管式反應器，一根電極設置在予熱器的外部，而另一電極設置在蒸汽夾套管的外部，所述電極與電源相連，通過電極間的電流流過下移的碳粒，位于予熱器和氣體燃燒室上方的煙道用于除去廢氣，溫度測量裝置設置在管式反應器的內部，和在工藝過程結束時用于排出活性碳的裝置，其特征在于用于將原料碳由一側加入予熱器以保持在其內碳量恒定的裝置，一種對溫度信號裝置敏感的電流限定裝置，伸入予熱器的管式反應器頂端，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備和方法，原料碳的顆粒在預熱器內預熱，借重力使顆粒下移進入并通過與預熱器連接的立式反應器，在反應器底部引入蒸汽，它逆著下移顆粒向上流動，電流流過反應器內的顆粒，由反應器底部排出活性炭，改進包括由預加熱器的一側加入原料碳，控制電功率輸入，使反應器伸入預熱器內，用刀閘閥和放料限定裝置控制活性炭排放，原料碳含高達25％有機揮發(fā)物，保持預熱溫度約550℃～750℃，反應器內徑為顆粒平均粒徑的75倍，使電流流過預熱器中的部分顆粒。
文檔編號C01B31/08GK1065439SQ9210086
公開日1992年10月21日 申請日期1992年1月4日 優(yōu)先權日1991年1月4日
發(fā)明者E·M·J·蓋拉德, C·杜普萊西 申請人:碳活化(美國)有限公司