多段爐，多段爐又稱為多膛爐，因其內(nèi)部有耙齒用于動(dòng)層，我在活性炭行業(yè)內(nèi)又稱其為耙式爐。這是歐美、日本等地的主流活化爐模式。于1950年開始應(yīng)用于活性炭的生產(chǎn)，設(shè)備幾乎都是由美國Nichols公司說計(jì)生產(chǎn)的。通常這是一種外熱式的移動(dòng)床反應(yīng)裝置，外壁為鋼制圓簡形。內(nèi)壁由耐火磚砌成，中央為由耐火磚砌成的數(shù)段爐床(多為4~12段)。#中心有可旋轉(zhuǎn)的耐高溫鋼軸，在軸兩側(cè)有耙臂，臂下有若干耙齒起到攪排作用。通常層床板上耙齒使物料往中心移動(dòng)，從中心部的開口落人票二層床板，而第二層的耙齒方向與層相反，因此物料將被推向外招落入第三層床板上，依此類推直至底層爐板，由卸料裝置卸出從而得到終產(chǎn)品,
多段爐是目前的活化設(shè)備，活化溫度、活化時(shí)間、氣體通入等參數(shù)可以較為方便地控制，燃料單耗成本相對較低，運(yùn)行成本低

物理法的基本工藝過程
物理法制造活性炭的基本工藝流程是粉狀活性發(fā)生產(chǎn)流程，圖3-2(b)是無定形活性炭和成型活性炭生產(chǎn)流程(。
由此可看出，物理法活性炭生產(chǎn)工藝大致包括以下主要工段，原料處理工段、活化工段、后處理工段和成品工段。
二、物理法工藝過程及相應(yīng)生產(chǎn)裝置
1.原料預(yù)處理工段
由于制備活性炭的原料種類很多，有木質(zhì)原料、煤質(zhì)原料、人造材料和工業(yè)廢料等，不同原料有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，包括不同的粒徑、粒徑分布和灰分、揮發(fā)分含量等，因此針對不同原料也需要進(jìn)行不同的預(yù)處理。
預(yù)處理的目的有三個(gè)，是可以使得原料的外觀和粒度較適合炭化、活化設(shè)備，并滿足使用者對產(chǎn)品的要求;第二是可以除去大部分對活化反應(yīng)和產(chǎn)品性能不利的雜質(zhì);第三是可以盡可能減小原料發(fā)生石墨化的趨勢，從而有利于得到吸附性能優(yōu)良的活性炭產(chǎn)品。
為得到合適粒度的原料并除去雜質(zhì)，可采用破碎、篩分、揚(yáng)析和除鐵等工藝過程，并根據(jù)不同原料的特性選用相應(yīng)的礦石、糧食或者飼料加工設(shè)備。以爆作為原料時(shí)宜選擇特定煤層的原煤或經(jīng)過洗煤處理的煤。特別需要指出的是

通過控制溫度來控制活性炭產(chǎn)品的孔隙分布，從而制備具有不同用途的活性炭產(chǎn)品。一般而言，水蒸氣活化法的活化溫度控制在800~950℃.煙道氣活化的溫度控制在900~950℃，空氣活化的溫度控制在600℃左右。此外，對于不同的原料，活化溫度的影響也有區(qū)別。例如有研究發(fā)現(xiàn)，以泥發(fā)為原料生產(chǎn)活性炭時(shí)，較高的活化溫度(1040℃)反而有利于提高微孔含量，低溫卻有利于中大孔的形成[28]。因此在生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)原料、所制備活性炭的用途以及所采用的活化劑來確定活化溫度。
.活化時(shí)間
在活化條件下，氣體活化按照造孔一擴(kuò)孔步驟進(jìn)行，即先開始在炭化料肉部形成大量的微孔，相鄰碳微晶之間原本閉塞的微孔也被打開，從而使活性發(fā)比表面積增大，吸附能力增強(qiáng)，而隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，碳微晶層面上的碳開始被消耗，使微孔變大、塌陷，直到相鄰微孔之間的孔壁被完全燒蝕形成中大孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致活性炭比表面積降低。由于反應(yīng)速率隨溫度變化而變化，不同原料的活化難易程度也不一樣，因此若活化溫度較低或者原料活化反應(yīng)性較差時(shí)，活化時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長，反之亦然。
例如以煤為原料，水蒸氣為活化氣體，活化溫度為900℃，水蒸氣流量為
1.2kg/(kg.h)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明活化時(shí)間在2~5h范圍內(nèi)所得到的活性炭碘吸

物理法制備技術(shù)與裝置
隨時(shí)間的延長先升高后降低，活化時(shí)間為3h時(shí)可得到具有大碘吸附容量的活性炭產(chǎn)品，
活化氣體流量
活化氣體流量增加則反應(yīng)速率增加，但當(dāng)活化劑流速達(dá)到一定值后，反應(yīng)速率將為一常數(shù)而不再增加，當(dāng)流速較低時(shí)，所制得的活性炭微孔容積大，而流速高時(shí)微孔容積反而減小，這是由于高流速使炭的外表面燒蝕產(chǎn)生不均勻活化，從而使微孔容積降低，Manochs等在以松木為原料制備活性炭的過程中發(fā)現(xiàn)水蒸氣流量這一因素對活性炭表面化學(xué)性質(zhì)和形貌有十分重要的影響，可以通過控制水蒸氣的流量控制孔徑和微孔率[10)。
原料中灰分含量
據(jù)研究表明，堿金屬、鐵、銅等氧化物和碳酸鹽在水蒸氣活化過程中可起到催化作用，因此在活化物料中加入少許此類物質(zhì)可以加快活化反應(yīng)速率。例如國內(nèi)有專利采用Ca為催化劑，使水蒸氣與碳反應(yīng)的活化能由185kJ/mol下降到164~169kJ/mol，所得活性炭孔徑分布集中于5~10nm，表3-4為幾種無機(jī)鹽在1000℃下對水蒸氣與石墨反應(yīng)速率的影響[12]。
表3-4 無機(jī)鹽對水蒸氣與石墨反應(yīng)速率的影響
處理?xiàng)l件 灰分 相對氣化速度
無 0.005 1
0.1mol/L Ni( NOs ) 2
0.1molL Fe ( NO3 )2
0.1mol/L Co(NOa):
0.14
0.14
0.14321827
0.02moI/LNHaNO3 Q03 22
注，水蒸氣流量為0.52X10-mol/s,
另據(jù)Holmes和Emmett的研究表明，原料中所含的無機(jī)雜質(zhì)在活化過程中常促進(jìn)孔隙由小變大，而且在0.7~1.0的相對壓力范圍內(nèi)吸附等溫線的斜率有所增加，說明中大孔的比率增加了3)，這與前文提到的金屬在活化過程中的催化作用相吻合。
原料炭化溫度
炭化料的活化反應(yīng)活性與其揮發(fā)分的含量密切相關(guān)，而揮發(fā)分的含量又由炭化溫度決定。圖3-1給出了炭化溫度對碳與CO?的反應(yīng)活性，可以看出當(dāng)炭化溫度為600℃左右時(shí)所得到的炭化料顯示出高的反應(yīng)活性、若炭化溫度進(jìn)一步升高則反應(yīng)活性明顯下降。此外還有研究發(fā)現(xiàn)碳材料隨著加工溫度的升高，基本微品有增大的趨勢，生產(chǎn)實(shí)踐也表明炭化溫度升高則活化過程所需的溫度也相應(yīng)提高，但石油焦是例外，因?yàn)樵谳^高溫度下石油焦容易發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，形成大面積的石墨晶體結(jié)構(gòu)，難以形成豐富的孔除結(jié)構(gòu)，因此用普通氣體活化法很難得到吸附性能優(yōu)良的活性炭產(chǎn)品，Bouchelta等以棗核為原料制

混合氣體活化法
在活性炭的實(shí)際生產(chǎn)過程中常使用的活化氣體是以CO2、HO和O,為主要成分的煙道氣。H:O與碳的吸熱反應(yīng)可有效防止碳與O:反應(yīng)時(shí)溫度急膜升高而產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，反過來碳與0:的反應(yīng)又可以維持活化溫度，因此只要混合氣體里各成分比例合適，便可以有效地穩(wěn)定活化溫度，使活化反應(yīng)均勻進(jìn)行。此外也有觀點(diǎn)認(rèn)為原料中含有不同的活化位點(diǎn)，這些活化位點(diǎn)對于不同的活化氣體的反應(yīng)活性也不一樣，有的更易與水蒸氣反應(yīng)，有的更易與 CO:反應(yīng)，因此采用混合氣體更有利于制備活性炭。但值得注意的是有研究表明原料中若鉀含量較高則會(huì)在含氧的混合氣體中發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)而不是活化，這是因?yàn)榘ㄢ浽趦?nèi)的一些金屬化合物對于氣體活化有催化加速作用。
超臨界活化法
超臨界水是指氣壓和溫度達(dá)到一定值時(shí)，因高溫而膨脹的水的密度和因高壓而被壓縮的水蒸氣的密度正好相同時(shí)的水。此時(shí)液態(tài)水和氣態(tài)水沒有區(qū)別，完全交融在一起，成為一種新的呈現(xiàn)高壓高溫狀態(tài)的液體。超臨界水具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性和廣泛的融合能力。西班牙學(xué)者Salvador等用超臨界狀態(tài)水(T。374℃，p.=22.1MPa)取代水蒸氣對木炭、煤、果殼等原料進(jìn)行了活化處理，發(fā)現(xiàn)超臨界水的活化效果優(yōu)于水蒸氣，例如反應(yīng)速率提升，活化更均勻[4)。然而超臨界水與碳反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)選擇性及造孔機(jī)理等到目前為止均未有深入的研究，蔡瓊等以酚醛樹脂為原料，對比了超臨界水和水蒸氣活化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超臨界水活化利于中孔的大量形成，而水蒸氣則利于微
為提高產(chǎn)品得率、降低生產(chǎn)過程中的能源消耗并同時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量，中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所活性炭研究室開發(fā)出了原料熱解自活化的新工藝，該工藝的基本原理是在密閉反應(yīng)容器中，原料在高溫下熱解產(chǎn)生出大量氣體、這些氣體即可作為活化反應(yīng)的氣體、同時(shí)由于體系的壓力增高，椰殼觸織細(xì)胞內(nèi)的氣體強(qiáng)制逸出時(shí)、會(huì)對椰殼組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定沖擊，這種沖擊作用可以改善椰殼組織結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)高溫自活化時(shí)活性炭微孔的形成與發(fā)展。
該工藝與傳統(tǒng)工藝制備的活性炭性能比較如表3-1所示。
表31新工藝與通常的活化工藝比較
新鼎方法 工藝過程 活化時(shí)間h 能耗 活化劑消耗 氣、液相污染
化工藝 熱馨自話 活性炭 椰夾一熱解一 工藝簡便 4 低 無活化劑 無氣、液污染
物理法工藝活化一活性炭椰殼一炭化一工藝復(fù)雜8消耗大量水蒸氣、煙道氣等氣體活化劑粉塵污染
曝殼一炭化一 消耗數(shù)信的
化學(xué)法工藝粉種一與活化劑混合一活化一工藝復(fù)雜6低鋅、氫氧化鉀磷酸、氯化氣、液橙污染大
洗滌一活性炭
劉雪梅等以椰殼為原料、采用熱解活化法于900℃下密閉處理4h后制備了活性炭，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所制的活性炭比表面積為994m2/g，微孔容積為
0.43cm’/g、微孔率達(dá)到85%、平均孔徑為2nm，該活性炭碘吸附值為1295mg/g、亞甲基藍(lán)吸附值為135mg/g、亦說明其孔徑分布以微孔為主之后劉雪梅等又進(jìn)一步延長活化時(shí)間至8h、雖然得率降為9.4%，但活性炭比表面積達(dá)到1723m/g、微孔容積為0.68cm/g、碘吸附值與亞甲基藍(lán)吸附值分別達(dá)到了1628mg/g和375mg/g、均優(yōu)于市售凈水用活性炭，作者認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理是在密閉空間中、物料發(fā)生熱解反應(yīng)生成大量的CO、H.O.H、