斯利普活化爐生產(chǎn)活性炭的工作原理（活性炭生產(chǎn)設(shè)備之一）

引言：斯利普爐生產(chǎn)活性炭

活性炭設(shè)備——斯利普活化爐在公元前三千余年前至十九世紀(jì)的幾千年間，從古埃及到中國(guó)再到歐洲，木炭在醫(yī)用及凈化引用水等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而其對(duì)于糖脫色領(lǐng)域的吸附能力不足又成了工業(yè)生產(chǎn)生活方面全方位應(yīng)用的阻礙。而眾科學(xué)家們不斷的努力，使得活性炭的誕生成為了可能。早期的研究結(jié)果表明：煤炭干餾過(guò)程可以產(chǎn)生吸附性較強(qiáng)的焦炭；焦炭吸附性有上限，不能滿足如糖脫色等工業(yè)生產(chǎn)需要；干餾過(guò)程中過(guò)高溫度反而會(huì)降低孔隙率和比表面積，從而降低吸附性。

在19世紀(jì)初，通過(guò)蒸汽和二氧化碳進(jìn)行活化而制得活性炭的反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，大吸附性的活性炭終于誕生。在起初一段時(shí)間內(nèi)，活性炭被軍隊(duì)壟斷，完全用于防毒面具及凈化水源等，直到一戰(zhàn)結(jié)束后，活性炭的擴(kuò)大生產(chǎn)使得民用活性炭成為了可能。

1966年太原開創(chuàng)斯列普活化法廠，隨后中國(guó)陸續(xù)開設(shè)數(shù)以百計(jì)的斯列普活化爐廠。此爐為蘇聯(lián)發(fā)明的活性炭生產(chǎn)爐，用于將碳化后的焦粒，利用水蒸氣和少量二氧化碳進(jìn)一步鑿孔，增大孔隙率，進(jìn)而大幅提升比表面積，成為具有極優(yōu)異吸附性能的活性炭。

工藝原理：

1.1.涉及反應(yīng)

主升溫反應(yīng)：⑴ C(s) +O2(g)CO2(g) ; ΔH＜0

主降溫反應(yīng)：⑵ C(s) +H2O(g)CO(g) +H2(g) ; ΔH＞0

⑶ C(s) +CO2(g)2CO (g) ; ΔH＞0

副升溫反應(yīng)：⑷ CO(g) + 1/2O2(g)CO2(g) ; ΔH＜0

⑸ H2(g) + 1/2O2(g)H2O(g) ; ΔH＜0

⑹ CH4(g) + 2O2(g)CO2(g) + 2H2O(g); ΔH＜0

1.2.活化原理

任何一種高溫化工生產(chǎn)，涉及過(guò)程都會(huì)比較復(fù)雜，需要有針對(duì)地進(jìn)行各步分過(guò)程分析以及總過(guò)程綜合分析。

煤炭是一種天然有機(jī)高分子化合物，其多孔多縫隙的特點(diǎn)使其天然具有比表面積大、吸附性強(qiáng)的特點(diǎn)。且隨著煤質(zhì)由煙煤逐漸向無(wú)煙煤轉(zhuǎn)化，孔隙率隨之增多，比表面積也逐漸加大。利用此類特性，可以通過(guò)干餾，將煤炭的揮發(fā)分去除，氫氧等基團(tuán)脫落，碳含量增大，孔隙率增加，從而得到比表面積較大的焦炭（或燒制木炭）。木炭或焦炭已具有較高的吸附性，碘值可達(dá)200-400。而活化的主要目的在于將碳化后的焦粒，進(jìn)一步去除揮發(fā)分，提高碳含量，同時(shí)通過(guò)水煤氣反應(yīng)人工造孔，從而制得真正意義上的高吸附率的活性炭。

各種物理活化工藝均為干餾和造孔兩個(gè)階段循環(huán)交替進(jìn)行，主要原理如下：

1.2.1.干餾過(guò)程：

將煤炭加熱至800℃以上高溫：1.進(jìn)行補(bǔ)充碳化，將碳化料孔隙中殘余吸附的揮發(fā)分徹底趕出并點(diǎn)燃，輔助升溫；2.焦炭本身的氫氧等非碳基團(tuán)繼續(xù)氧化脫落，使得碳含量繼續(xù)升高；3.焦炭外層的碳也會(huì)參與燃燒，本身被氧化為二氧化碳，從而放出熱量輔助升溫，同時(shí)將過(guò)量氧氣消耗，防止內(nèi)層碳被過(guò)量氧氣反應(yīng)掉。

同時(shí)各反應(yīng)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量水煤氣，可以燃燒輔助升溫。

巴斯在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果干餾溫度過(guò)高，反而可能降低孔隙率，從而降低焦粒的吸附性。

1.2.2.造孔過(guò)程：

20世紀(jì)初正式使用活性炭設(shè)備生產(chǎn)活性炭時(shí)一次采用的造孔方式為二氧化碳造孔，即在將碳化料充分加熱至600℃以上時(shí)，通入高壓二氧化碳，發(fā)生C(s) +CO2(g)2CO (g) ; ΔH＞0反應(yīng)，從而“擊穿”焦粒，大幅增加孔隙率，提高比表面積。

而活化工藝成熟后，我們一般采用蒸汽造孔法，即在將碳化料充分加熱至800℃以上時(shí)，通入高壓水蒸氣，發(fā)生C(s) +H2O(g)CO(g) +H2(g) ; ΔH＞0反應(yīng)，從而“擊穿”焦粒，大幅增加孔隙率，提高比表面積。

同時(shí)，干餾及造孔過(guò)程中，還會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，可以與碳化料反應(yīng)輔助造孔。

1.3.尾氣

1.3.1.主要產(chǎn)物

活化爐中主要包括兩個(gè)過(guò)程：高溫干餾及蒸汽降溫。主要發(fā)生反應(yīng)為1.1中六大反應(yīng)。根據(jù)勒夏特列原理，反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)為所有反應(yīng)物及產(chǎn)物的混合物。改變溫度或壓強(qiáng)等外界條件，只能改變混合物成分的比例，并不能使任何成分完全去除。故尾氣包含CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w，也包含CO2、H2O等完全反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)還包括少量O2等助燃?xì)怏w，以及大量N2。

將尾氣通過(guò)焚燒爐或者變脫塔，將其中的可燃及有毒的煤氣等可燃?xì)怏w氧化為二氧化碳和水蒸氣，從煙囪排入大氣即可。燃燒產(chǎn)生熱量可供余熱鍋爐回收利用。大量生成的氫氣及空氣經(jīng)過(guò)反應(yīng)后剩余氮?dú)猓碚撋峡蛇M(jìn)行配比進(jìn)行合成氨和制取化肥及合成硝銨炸藥生產(chǎn)。大量生成的水煤氣理論上可以進(jìn)行配比進(jìn)行合成甲醇生產(chǎn)。

1.3.2.有毒產(chǎn)物

1.3.2.1.有機(jī)副產(chǎn)品

碳化料中仍含有3%左右的揮發(fā)分，包括碳化時(shí)干餾過(guò)程及水煤氣反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的酚類、芳香烴類及其他有毒可燃?xì)怏w，在活化升溫過(guò)程中會(huì)進(jìn)入尾氣中。這部分尾氣需要在焚燒爐中進(jìn)行燃燒徹底去除，產(chǎn)物二氧化碳及水蒸氣等可以直接排入大氣。

1.3.2.2.含硫物質(zhì)

①“S-R”（有機(jī)硫）H2S

②“S”（無(wú)機(jī)硫或反應(yīng)產(chǎn)生硫單質(zhì)）+O2SO2

③H2S + 3/2O2H2O +SO2

上述三大反應(yīng)為尾氣中硫分的主要來(lái)源，因?yàn)槊禾縼?lái)源于植物尸體，其中蛋白質(zhì)所含硫元素大量進(jìn)入煤炭分子中，目前科技手段尚無(wú)法完全去除，所以高溫干餾過(guò)程中，仍會(huì)產(chǎn)生大量的硫單質(zhì)（黃煙）及含硫尾氣（二氧化硫及硫化氫等），如果直接排入大氣，會(huì)直接導(dǎo)致酸雨及霧霾，故需要進(jìn)行脫除。

（其中硫化氫生成原理我根據(jù)所學(xué)知識(shí)并不能得出準(zhǔn)確結(jié)論，故和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的一個(gè)讀研的朋友進(jìn)行闡述我的有機(jī)硫帶氫脫落機(jī)理猜測(cè)后，得到他的支持所以寫在了這里，僅供參考。）

目前采用的脫硫技術(shù)為用氫氧化鈉溶液噴淋吸收法，并將脫硫廢液在污水處理廠中加入熟石灰補(bǔ)氧制取石膏，將廢液過(guò)濾凈化后，重復(fù)利用其中淡水。

1.3.2.3.含氮物質(zhì)

①“N-R”（有機(jī)氮）NOx （主要）

②N2 + O22NO （少量）；NO + O2NOx

③N2 + 3H22NH3 （微量） ；NH3 + O2NOx

上述三大反應(yīng)過(guò)程為尾氣中氮分的主要來(lái)源，因?yàn)槊禾縼?lái)源于植物尸體，其中蛋白質(zhì)所含氮元素大量進(jìn)入煤炭分子中，目前科技手段尚無(wú)法完全去除，所以高溫干餾過(guò)程中，仍會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物（如劇毒二氧化氮、四氧化二氮等），如果直接排入大氣，會(huì)直接導(dǎo)致酸雨及霧霾，故需要進(jìn)行脫除。

（其中②過(guò)程為近些年發(fā)現(xiàn)的在局部高溫高壓下，空氣中氮?dú)鈺?huì)與氧氣結(jié)合成一氧化氮，進(jìn)而氧化為有毒氮氧化物，是機(jī)動(dòng)車尾氣氮氧化物主要來(lái)源，在斯列普活化爐中，滿足高溫和局部氣體渦流導(dǎo)致高壓條件，故會(huì)少量發(fā)生。

③過(guò)程應(yīng)為合成氨工業(yè)主反應(yīng)，需要催化劑，但在生產(chǎn)過(guò)程中，的確有在爐體及重復(fù)利用的脫硫液中聞到濃重氨味，故猜測(cè)該合成氨反應(yīng)可能在爐體局部微量發(fā)生。不排除煉焦生產(chǎn)中洗焦過(guò)程中吸附氨氣及氨水原因，只供參考。）

目前脫氮亦采取氫氧化鈉濃溶液噴淋吸收法，不影響母液酸堿度，除自來(lái)水廠進(jìn)行深度凈化水體外不進(jìn)行廢液處理。

斯列普活化爐工藝原理

1.4.1烘爐

斯列普活化爐的生產(chǎn)工藝分為烘爐和正式生產(chǎn)。其中烘爐階段主要任務(wù)是將活化爐溫度提升至可供生產(chǎn)的合適高溫。在此過(guò)程中，爐壁和爐體經(jīng)過(guò)高溫烘烤，充分干燥，并且已經(jīng)適應(yīng)了高溫環(huán)境，防止了后續(xù)可能發(fā)生的不適應(yīng)高溫及溫度不均一而造成爐體坍塌的危險(xiǎn)。

在高溫生產(chǎn)型化工領(lǐng)悟，高爐烘爐是重中之重。要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)升溫成功而正式投產(chǎn)，但同時(shí)需要保證從下往上各點(diǎn)依次平穩(wěn)升溫，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)較大波動(dòng)和溫度不均一情況，可能導(dǎo)致爐體損壞，從而降低其使用壽命。

在此過(guò)程中，需要綜合考慮如季節(jié)、風(fēng)力、各輔助設(shè)備及蒸汽等方方面面因素。合理采取各種合適手段處理所遇到的不同異常情況，保證斯列普活化爐在短時(shí)間內(nèi)，安全無(wú)異常地正式投產(chǎn)?？梢哉f(shuō)，烘爐過(guò)程時(shí)間短、無(wú)正常產(chǎn)品產(chǎn)出，卻是整個(gè)活化爐生產(chǎn)工藝中重要的一步。