活性炭再生新型工藝設(shè)備的研制

羅碧輝，聶 欣，占 戈

杭州電子科技大學(xué)，浙江杭州 310018

1 概述

活性炭吸附工藝作為一種性能優(yōu)異的深度水處理工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)水處理工藝，該工藝能有效地去除水中污染物，并能使水突變活性大為降低，保證飲用水的安全。因此越來(lái)越多的水廠采用活性炭吸附工藝，但該工藝的投入較高，且活性炭?jī)r(jià)格昂貴。若引入活性炭再生技術(shù)的話，不僅能大力推廣活性炭水處理技術(shù)，更能促進(jìn)發(fā)展水資源節(jié)約型循環(huán)經(jīng)濟(jì)，為我國(guó)水資源的合理開發(fā)利用做出重大的貢獻(xiàn)。

活性炭再生技術(shù)是指在不破壞活性炭的原有結(jié)構(gòu)前提下，采用物理、化學(xué)或生物化學(xué)等方法使其活性成分重新活化達(dá)到重復(fù)使用目的的操作和方法。目前，活性炭再生工藝技術(shù)主要有：熱再生法[2]、溶劑再生法[3]、電化學(xué)再生法[4]、超臨界流體再生[5]、微波輻照再生法[6]、濕式氧化再生法[7]等。這些方法各有其特點(diǎn)和使用范圍。而在水處理的應(yīng)用中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機(jī)物，且吸附周期長(zhǎng)，因此目前大部分水處理活性炭再生工藝采用熱再生法。

熱再生法是目前工藝最為成熟，工業(yè)應(yīng)用最多的活性炭再生方法。其主要原理是活性炭在加熱的條件下，使被吸附的有機(jī)物按性質(zhì)不用分別被解析、碳化和氧化。熱再生法一般具有對(duì)吸附質(zhì)基本無(wú)選擇性、通用性能好、再生效率高和再生時(shí)間短等的優(yōu)點(diǎn)。但也存在一些需要妥善解決的問(wèn)題，如炭粒相互粘結(jié)、燒結(jié)成塊并造成局部起火或堵塞通道，甚至導(dǎo)致運(yùn)行癱瘓的現(xiàn)象。因此如何改進(jìn)和發(fā)展新型熱再生工藝，在保持其高再生效率的同時(shí)減少炭損耗和能耗，提高再生炭吸附性能是目前活性炭熱再生工藝研究的重點(diǎn)所在。

電熱再生技術(shù)作為一種新型活性炭再生技術(shù)，同時(shí)采用了熱化學(xué)方法和電化學(xué)方法原理對(duì)活性炭進(jìn)行再生，并且具有高再生效率、較低的炭損耗和較低的再生能耗等優(yōu)點(diǎn)，因此具有更為良好的應(yīng)用性能和開發(fā)前景。

2 電熱再生技術(shù)的主要原理

電熱再生技術(shù)主要利用活性炭顆粒流通過(guò)導(dǎo)電極板間通道，將流動(dòng)的活性炭作為導(dǎo)體，直接通電產(chǎn)生焦耳熱，從而獲得高溫加熱再生的效果。此外，由于爐內(nèi)產(chǎn)生的紫外線能使炭粒間隙內(nèi)有限空氣中的氧部分地轉(zhuǎn)化為臭氧，形成局部活化氛圍，從而能夠加速有機(jī)物的解析，達(dá)到加速活性炭再生，改善再生炭性能的目的。

3 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介及試驗(yàn)樣品分析

3.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

活性炭再生試驗(yàn)裝置基于電熱再生技術(shù)，將爐體設(shè)計(jì)為三段式。其系統(tǒng)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要分為四個(gè)部分：給料器、爐體、電源以及溫度采集裝置。

再生爐爐體外層由耐火磚組成，兩側(cè)交替布置有三對(duì)石墨電極板和剛玉絕緣板。另外，熱電偶布置在每段絕緣板通道中部，用于顯示每段電極板加熱后活性炭的溫度。再生爐電源系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)立的直流穩(wěn)壓電源所組成，每個(gè)電源均用于單獨(dú)控制一對(duì)石墨電極板之間的電壓或者電流，其優(yōu)點(diǎn)是采用直流的方式比變頻更加穩(wěn)定地調(diào)節(jié)電壓。熱電偶在三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量出來(lái)的溫度通過(guò)數(shù)據(jù)采集器顯示在電腦上，可及時(shí)地反映溫度變化。爐膛底部設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)閥用于控制爐內(nèi)活性炭的流量。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，并綜合考慮再生效率、炭損耗和能源消耗等因素，該裝置設(shè)計(jì)活性炭再生量為75kg/h，主要針對(duì)3 萬(wàn)立方米/日處理能力的小型水廠。

3.2 試驗(yàn)樣品分析

試驗(yàn)樣品采用北京第九水廠使用過(guò)的飽和炭，該炭的新炭是由寧夏華輝活性炭股份有限公司生產(chǎn)的Y15 型柱狀活性炭，該炭以太西無(wú)煙煤為主要原料，廠方提供其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 Y15 型柱狀活性炭性質(zhì)(廠方提供)

經(jīng)測(cè)量，新炭和飽和炭的主要性質(zhì)參數(shù)如表2 所示。

表2 新炭和飽和炭的主要性質(zhì)參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 再生裝置中活性炭各種參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響

由于活性炭電熱再生爐是直接利用活性炭本身作為加熱的載體，因此再生爐內(nèi)活性炭的各種參數(shù)直接關(guān)系到再生效果。在再生爐中，再生工藝過(guò)程有四個(gè)可變操作參數(shù)以及一個(gè)可變樣品性質(zhì)參數(shù)：電壓、電流、溫度、炭粒移動(dòng)線速度以及飽和炭初始含水量等。

由于顆粒狀活性炭在含水量大的狀態(tài)下，再生能耗較大，因此，在樣品進(jìn)行試驗(yàn)前先經(jīng)曬干處理，蒸發(fā)掉大量水分，而查閱文獻(xiàn)可知，當(dāng)飽和活性炭含水量在5%以下時(shí)，最符合再生工藝要求，能源損耗經(jīng)濟(jì)合理。

如果將干燥后的飽和活性炭自然填充爐體內(nèi)，其電阻值相當(dāng)大。但是通過(guò)試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭粒處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，活性炭的動(dòng)態(tài)電阻值隨著線移動(dòng)速度的增大而近似呈線性下降?？紤]到活性炭吸附能力的恢復(fù)主要取決于活化時(shí)間與炭粒平均溫度，我們需要選擇合適的移動(dòng)線速度。通過(guò)各項(xiàng)綜合考慮和多次反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，選定活性炭移動(dòng)線速度為3.6mm/s。

4.2 再生溫度對(duì)再生效果的影響

為了獲取盡可能不破壞活性炭微孔的最高溫度，且能使被吸附物的易于解吸。本工藝裝置經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，為了檢驗(yàn)再生效果，我們?cè)囼?yàn)時(shí)選用了碘值、與表征微孔直徑相當(dāng)于10A 的孔隙表面積作為主要鑒定指標(biāo)。

當(dāng)再生溫度為850℃時(shí)，再生炭的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最好，其碘值恢復(fù)率達(dá)新炭的98%。在700℃～850℃時(shí)，碘值隨溫度的升高而增大，超過(guò)850℃后就逐漸減小，說(shuō)明過(guò)高的溫度影響活性炭的吸附能力，不適合作為再生溫度。

4.3 保溫時(shí)間對(duì)再生效果的影響

由上一節(jié)分析結(jié)果可知，保持850℃的控溫時(shí)間，對(duì)于活性炭顆粒中的吸附有機(jī)物的解吸和微孔恢復(fù)有著積極意義，但溫控時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也會(huì)造成炭燒損率增加，并使微孔局部受損、中孔增加，只有正?？刂破浔販乜貢r(shí)間，才能既獲得良好的再生效果，又減少不必要的燒損。

根據(jù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，我們得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)然保溫時(shí)間在56s 左右時(shí)(即控制炭的移動(dòng)線速度在3.6mm/s 左右)，可以獲得具有最佳再生效果的再生炭，此時(shí)飽和炭的再生率達(dá)到了98.6%，再根據(jù)爐膛加熱段總長(zhǎng)，可以推斷出此時(shí)再生爐的再生時(shí)間約為13.9min。

4.4 冷卻方式對(duì)再生效果的影響

關(guān)于冷卻方式，我們進(jìn)行了在貧氧條件下(氮?dú)夥諊?進(jìn)行自然冷卻的方法和在爐膛出口經(jīng)過(guò)水急冷兩種方式對(duì)再生炭碘值的影響。通過(guò)自然冷卻方式所收集的再生炭再生效果相對(duì)較好，而水急冷導(dǎo)致同一再生溫度下再生炭的碘值普遍下降約70mg/g～100mg/g，占總值（按新炭1051 計(jì)）的7%～10%，這與Culp 等人的研究結(jié)論相吻合。

4.5 本裝置再生效果及能耗評(píng)估

由于活性炭再生損耗占總運(yùn)行成本的30%～45%，因此我們必須特別重視再生收率。活性炭再生損耗主要包括運(yùn)輸過(guò)程損耗、干燥過(guò)程損耗、再生爐內(nèi)灼燒損耗以及再生炭收集損耗等四個(gè)部分。通過(guò)測(cè)定再生炭與初始新炭的質(zhì)量變化來(lái)確定活性炭再生損耗率（簡(jiǎn)稱炭損耗率）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1.8t新炭生成的飽和活性炭經(jīng)再生后質(zhì)量損失約為43kg，損耗為2.39%。此外根據(jù)各試驗(yàn)參數(shù)可計(jì)算得：整個(gè)再生爐的熱效率為90.5%，且整個(gè)再生系統(tǒng)的能耗大概為1 373 大卡/kg。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目以電熱再生原理為依據(jù)設(shè)計(jì)了一整套新型活性炭再生工藝流程，并搭建了整套設(shè)備，就其工藝參數(shù)和工藝性能展開了一系列試驗(yàn)研究，最終獲得其最佳操作參數(shù)以及工藝性能。本項(xiàng)目所研制的活性炭再生裝置實(shí)用性能良好，能夠很好的滿足我國(guó)現(xiàn)有小型水廠的活性炭連續(xù)再生要求，可以直接在水處理行業(yè)推廣應(yīng)用。

[1]張?zhí)旖?活性炭在我國(guó)飲用水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2009，43(2)：54-60.

[2]岳宗豪，鄭經(jīng)堂，曲降偉，逯秀.活性炭再生技術(shù)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工，2009，38(11)：1667-1670.

[3]翁元聲，活性炭再生及新技術(shù)研究[J].給水排水，2004，30(1)：86-91.

[4]張會(huì)平，傅志鴻.活性炭的電化學(xué)再生機(jī)理[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，39(1)：79-83.

[5]臧志清，周端美.超臨界態(tài)二氧化碳再生活性炭法治理甲苯廢氣[J].環(huán)境科學(xué)研究，1998，11(5)：61-64.

[6]劉靖，史可玉，孫曉芳，沈瑤，劉遠(yuǎn)，張俊新，劉恒明，劉長(zhǎng)發(fā).活性炭微波再生方法研究[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2010，29(2)：1-4.

[7]袁號(hào)，陳元彩，何北海.催化濕式氧化法處理桉木CTMP模擬廢水[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009(1)：162-165.