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颗粒活性炭柱脱色和再生系统

  众多行业中,广泛应用的活性炭产品大致分为两类:粉末活性炭(PAC)和颗粒活性炭(GAC)。通常,前者粒度小于60目,后者粒度大于40目。颗粒活性炭与粉末活性炭相比,可能价格较高,一次性投入较大,但颗粒活性炭饱和后可以借助再生炭炉对其进行再生,恢复活性炭所具有的吸附性能,从而达到多次循环利用的目的。因此,使用颗粒活性炭不仅单耗低,而且对现场环境友好,兼具yabovip206程度高的优势。

1. 应用

1.1 广泛应用于食品领域,包含气体和水的净化以及糖的脱色。如饮料、酿酒和纯净水的净化、脱色、脱氯、除臭;糖液(淀粉糖、蔗糖等)的吸附脱色等方面。
1.2 普遍应用于环境治理领域,如水处理:给水的净化,污水的深度处理;烟气净化:脱硫脱硝;挥发性有机物治理的气液固等各方面。
1.3 经常应用于化工、冶金等其它领域,包括提纯,溶剂回收等。

2. 原理

2.1 吸附原理

  颗粒活性炭利用自身较大的比表面积以及内部的孔隙结构吸附各种杂质。这种吸附剂是一类较强的通用吸附剂,基本上不存在吸附一种色素而排斥另一种色素的特异性。在去除色素方面,颗粒活性炭能够除去几乎所有进料液中的类黄酮色素,还可以有效地去除大部分酚类化合物。

2.2 活性炭的吸附过程
  在活性炭装置中,液体穿过盛装活性炭的床层,杂质被吸附在炭的表面和炭颗粒孔隙中。通过控制待除杂液体在炭层中停留的时间来达到充分除杂的目的。这些杂质一般在颗粒活性炭上吸附的非常牢固以致于热再生的温度一般都设置为900-1000 ℃。

2.3 再生原理
  所谓活性炭再生,是指用物理、化学或生物化学等方法在不破坏活性炭原有结构的前提下,将吸附于活性炭微孔的吸附质去除,恢复其吸附性能,达到重复使用的目的。

2.4 活性炭的再生方法
  活性炭的再生方法有很多,如热再生法、生物再生法、化学溶液再生法、湿式氧化再生法、超临界萃取再生法、电化学再生法、超声波再生法、微波辐照再生法等。不同的方法有不同的特点,目前,国内外普遍采用的活性炭生产和再生方法是热再生活化法,尤其广泛应用于制糖工艺,因为它具有相对较高的
应效率。用热再生活化法再生活性炭时,选用的炉型有多膛炉、卧式回转炉、流化床炉及斯列普炉,其中多膛炉应用较多。我国大型活性炭生产企业都在考虑使用多膛炉提升产品品质和规模。多膛炉的结构示意图如图1,

                 

图1 多膛炉(6层)结构示意图

    多膛炉也称多段炉,因炉膛被分成很多层(或段)而得名。多膛炉层数的确定,取决于所需要处理的物料。一般有4,6,8,10,12,15,16,17层。其中对于大型活性炭的生产企业,以15,16,17层居多。多膛炉的炉体外壳为钢制圆筒体,内衬为耐火材料或隔热材料。沿炉体垂直方向相隔一定距离设置多个水平圆形炉床。每个炉床上都有下料孔,从上往下的开孔位置分别为单数层中央开一个下料孔,双数层周边开若干个下料孔。炉体中央为一带夹套的空心转轴,其上装有耙臂,耙臂对称布置,各层间相互错开。可以根据产品的最终用途不同,分别对多膛炉的每层炉床进行温度控制,灵活地、有弹性地、“量体裁衣”地制造不同品质的活性炭产品。还可以通过调节物料在炉床上的机械移动速度来精确地控制物料在再生炉内停留的时间,从而实现物料在每个温度区间占有不同停留时间的目的,也能达到使物料在每个炉床内拥有不同停留时间的效果。

2.5 活性炭的再生过程

颗粒活性炭的再生过程包含以下几步:

 脱水,利用重力沉降的脱水机构,将湿活性炭与水分离。
 烘干,利用简单的干燥将湿饱和炭烘干。
 挥发和蒸馏,将吸附物蒸馏或碳化。
 气化,将残留于活性炭孔隙内的(软质)碳化物再氧化,即再活化或再生。
最后,将已再生完全的活性炭排入急冷槽,冷却后经吹送槽送回原吸附系统,等待新的吸附周期开始。

3. 结构介绍

  活性炭具有极为发达的内部孔隙结构和较大的比表面积,吸附能力强,能有效地吸附气体、胶态固体及有机色素等物质。颗粒活性炭在食品加工业中用途很多,包含气体和水的净化以及糖的脱色,其中90%的活性炭都用在糖精制脱色的过程中。这种颗粒活性炭有的是采用低灰分烟煤基制成的。制造过程包括最初在600℃到700℃的还原气氛中的碳化阶段,随后在900-1000℃用蒸汽活化阶段。活化过程中制造并打通了炭的孔隙结构,这将赋予活性炭颗粒本身高比表面积以及随之而产生的高吸附能力。严格控制生产活性炭的活化过程,使其孔径的尺寸分布可以得到较好调整,从而产生一系列优化后用于特殊用途的颗粒活性炭。图2为颗粒活性炭外观图,图3为颗粒活性炭孔隙结构图。
              

图2颗粒活性炭外观图


图3 颗粒活性炭内部孔隙结构图


4. 优势

  在淀粉糖行业,最成熟的精制工段往往需要活性炭和离子交换树脂的共同配合,互相弥补才能够将有机杂质分子、蛋白质及无机盐离子彻底去除。在生产工艺中应当将活性炭工序置于前,离子交换工艺置于后。只有这样,料液通过活性炭将大部分杂质,尤其是色素去除后,再经离子交换树脂的处理可以大大延长树脂的使用年限,故活性炭对于精制过程至关重要,尤其是在淀粉糖的脱色中扮演着十分重要的角色。
  颗粒活性炭吸附和再生的整个系统一般包括:吸附柱、活性炭水输送循环系统、再生炭炉、余热回收锅炉和尾气净化系统等。在生产应用过程中产生的废活性炭较多,占地面积大。如不回收活化再利用的话,不仅会对资源造成一种浪费,同时还会对环境造成二次污染。因此,无论是从经济还是环保的角度考虑,推广活性炭的再生都非常必要。
活性炭热再生法是目前应用最多,工业上最成熟的活性炭再生方法。这种再生方法是通过对活性炭进行热处理,使活性炭吸附的有机物在高温下炭化分解,最终成为气体逸出,从而使活性炭得到再生。高温热再生法在除去吸附在活性炭上有机物的同时还可以除去沉积在炭表面的无机盐,同时使炭的新微孔生成,使炭的活性得到根本性得恢复。

使用多膛炉进行热再生的优点如下:

(1) 炉内物料借助中轴带动的耙臂和耙齿缓慢、连续地翻动,通过中轴电机的调节,控制中轴的转速和相对于耙臂的耙齿角度,可以严格控制物料在炉内的停留时间从而达到控制反应时间的目的。
(2) 分层独立设置燃烧器,精确控制温度,满足多膛炉在活性炭工业上的应用
以及活化各阶段的不同需求。
(3) 精确注入活化气体,准确控制活化深度,连续进料,连续出料,产品质量均匀。
(4) 在耙齿的连续翻动作用下,增加了物料表面与活化气体的接触面积,提高了活化率和产品的质量。
(5) 采用立式结构,平面占地小,处理能力高。

  综上,热再生法具有通用性能好、再生效率高、能在短时间内完成对颗粒炭(30 min~60 min)的再生、对吸附质基本无选择性,并且没有再生废液的产生等优势。但热再生过程中有炭损失,一般为5~10%,再生的活性炭机械强度略有下降,且在热再生过程中须外加能源加热,短期投资费用较高,但长期使用,单次平均运行费用大大降低。活性炭热再生后吸附效率会有所降低,再生一定次数后丧失吸附性能。但综合考虑,将颗粒活性炭吸附系统和再生系统配套使用,同时均衡投资和运行费用,毋庸置疑,颗粒活性炭柱和再生炉装置是长期生产的最佳选择。

5. 工程案例

5.1 我公司与秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司进行了顺利合作,其中糖车间的吸附脱色系统和再生系统已经投入生产,稳步运行,效果良好。
  此项目采用热再生活化法对活性炭进行再生,炉型为多膛炉,整个再生过程在炉内就可以全部完成。再生效果好,效率高。颗粒活性炭的吸附和再生过程如图4所示。
              

图4 颗粒活性炭的吸附和再生过程

  活性炭之所以能够在再生炉中完成颗粒活性炭的全部再生过程,主要是因为通过控制再生时所发生的化学反应可以保证再生效果。再生的主要目的是为了移除颗粒活性炭内已吸附的杂质,使活性炭恢复到使用前的状况(一般颗粒活性炭因其机械特性有限,故可再生次数约为5到6次)。吸附系统将饱和活性炭送至饱和炭储槽,该饱和炭储槽即为此次再生系统的开始。湿饱和活性炭内含有不同的有机杂质,这些饱和活性炭内包含的吸附物和水分很大一部分存在于活性炭颗粒的细孔隙内。再生的第一步利用重力沉降的脱水机构,将湿活性炭与水分离。第二步利用简单的干燥将湿饱和炭烘干。第三步则将吸附物蒸馏或碳化。第四步将残留于活性炭空隙内的(软质)碳化物再氧化,即所谓的再活化或再生。最后一步则将已再生完全的活性炭排入急冷槽,冷却后经吹送槽送回原吸附系统,即再生炭储槽(图5)中,接下来等待新的吸附周期。吸附柱(图6局部)中最先先饱和的活性炭及时排入脱糖罐,经脱糖后被转移到饱和炭储槽(图7局部),等待下一个再生周期的开始。如此循环,吸附系统和再生系统配合进行,有序地完成整个脱色过程。
                  
图5 再生炭储槽现场图  

              

        图6 再生炭储槽底和吸附柱顶的现场图              图7 饱和颗粒活性炭的转移输送现场图

5.2 其它用于蔗糖脱色的颗粒活性炭设备



                  图8 蔗糖脱色的颗粒活性炭柱群

  我公司全程跟进所有项目,不断优化细节,臻于完善,一直致力于为广大客户提供优质服务的初心未曾改变。