活性炭再生新型工藝設備的研制

羅碧輝，聶 欣，占 戈

杭州電子科技大學，浙江杭州 310018

1 概述

活性炭吸附工藝作為一種性能優異的深度水處理工藝，相對于傳統水處理工藝，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，且活性炭價格昂貴。若引入活性炭再生技術的話，不僅能大力推廣活性炭水處理技術，更能促進發展水資源節約型循環經濟，為我國水資源的合理開發利用做出重大的貢獻。

活性炭再生技術是指在不破壞活性炭的原有結構前提下，采用物理、化學或生物化學等方法使其活性成分重新活化達到重復使用目的的操作和方法。目前，活性炭再生工藝技術主要有：熱再生法[2]、溶劑再生法[3]、電化學再生法[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和使用范圍。而在水處理的應用中，活性炭吸附的多為熱分解型和難脫附型有機物，且吸附周期長，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，工業應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，使被吸附的有機物按性質不用分別被解析、碳化和氧化。熱再生法一般具有對吸附質基本無選擇性、通用性能好、再生效率高和再生時間短等的優點。但也存在一些需要妥善解決的問題，如炭粒相互粘結、燒結成塊并造成局部起火或堵塞通道，甚至導致運行癱瘓的現象。因此如何改進和發展新型熱再生工藝，在保持其高再生效率的同時減少炭損耗和能耗，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所在。

電熱再生技術作為一種新型活性炭再生技術，同時采用了熱化學方法和電化學方法原理對活性炭進行再生，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點，因此具有更為良好的應用性能和開發前景。

2 電熱再生技術的主要原理

電熱再生技術主要利用活性炭顆粒流通過導電極板間通道，將流動的活性炭作為導體，直接通電產生焦耳熱，從而獲得高溫加熱再生的效果。此外，由于爐內產生的紫外線能使炭粒間隙內有限空氣中的氧部分地轉化為臭氧，形成局部活化氛圍，從而能夠加速有機物的解析，達到加速活性炭再生，改善再生炭性能的目的。

3 試驗裝置簡介及試驗樣品分析

3.1 試驗裝置簡介

活性炭再生試驗裝置基于電熱再生技術，將爐體設計為三段式。其系統整個試驗系統主要分為四個部分：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，兩側交替布置有三對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。再生爐電源系統由三個獨立的直流穩壓電源所組成，每個電源均用于單獨控制一對石墨電極板之間的電壓或者電流，其優點是采用直流的方式比變頻更加穩定地調節電壓。熱電偶在三個測溫點測量出來的溫度通過數據采集器顯示在電腦上，可及時地反映溫度變化。爐膛底部設有一個調節閥用于控制爐內活性炭的流量。經過反復試驗，并綜合考慮再生效率、炭損耗和能源消耗等因素，該裝置設計活性炭再生量為75kg/h，主要針對3 萬立方米/日處理能力的小型水廠。

3.2 試驗樣品分析

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

表1 Y15 型柱狀活性炭性質(廠方提供)

經測量，新炭和飽和炭的主要性質參數如表2 所示。

表2 新炭和飽和炭的主要性質參數

4 試驗結果及其分析

4.1 再生裝置中活性炭各種參數對再生過程的影響

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，因此再生爐內活性炭的各種參數直接關系到再生效果。在再生爐中，再生工藝過程有四個可變操作參數以及一個可變樣品性質參數：電壓、電流、溫度、炭粒移動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下，再生能耗較大，因此，在樣品進行試驗前先經曬干處理，蒸發掉大量水分，而查閱文獻可知，當飽和活性炭含水量在5%以下時，最符合再生工藝要求，能源損耗經濟合理。

如果將干燥后的飽和活性炭自然填充爐體內，其電阻值相當大。但是通過試驗，我們發現當炭粒處于移動狀態時，活性炭的動態電阻值隨著線移動速度的增大而近似呈線性下降。考慮到活性炭吸附能力的恢復主要取決于活化時間與炭粒平均溫度，我們需要選擇合適的移動線速度。通過各項綜合考慮和多次反復試驗驗證，選定活性炭移動線速度為3.6mm/s。

4.2 再生溫度對再生效果的影響

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。本工藝裝置經過多次反復試驗，為了檢驗再生效果，我們試驗時選用了碘值、與表征微孔直徑相當于10A 的孔隙表面積作為主要鑒定指標。

當再生溫度為850℃時，再生炭的各項指標達到最好，其碘值恢復率達新炭的98%。在700℃～850℃時，碘值隨溫度的升高而增大，超過850℃后就逐漸減小，說明過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 保溫時間對再生效果的影響

由上一節分析結果可知，保持850℃的控溫時間，對于活性炭顆粒中的吸附有機物的解吸和微孔恢復有著積極意義，但溫控時間過長，也會造成炭燒損率增加，并使微孔局部受損、中孔增加，只有正常控制其保溫溫控時間，才能既獲得良好的再生效果，又減少不必要的燒損。

根據設計和試驗，我們得到實驗結果，當然保溫時間在56s 左右時(即控制炭的移動線速度在3.6mm/s 左右)，可以獲得具有最佳再生效果的再生炭，此時飽和炭的再生率達到了98.6%，再根據爐膛加熱段總長，可以推斷出此時再生爐的再生時間約為13.9min。

4.4 冷卻方式對再生效果的影響

關于冷卻方式，我們進行了在貧氧條件下(氮氣氛圍)進行自然冷卻的方法和在爐膛出口經過水急冷兩種方式對再生炭碘值的影響。通過自然冷卻方式所收集的再生炭再生效果相對較好，而水急冷導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）的7%～10%，這與Culp 等人的研究結論相吻合。

4.5 本裝置再生效果及能耗評估

由于活性炭再生損耗占總運行成本的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輸過程損耗、干燥過程損耗、再生爐內灼燒損耗以及再生炭收集損耗等四個部分。通過測定再生炭與初始新炭的質量變化來確定活性炭再生損耗率（簡稱炭損耗率）。實驗結果表明，1.8t新炭生成的飽和活性炭經再生后質量損失約為43kg，損耗為2.39%。此外根據各試驗參數可計算得：整個再生爐的熱效率為90.5%，且整個再生系統的能耗大概為1 373 大卡/kg。

5 結論

本項目以電熱再生原理為依據設計了一整套新型活性炭再生工藝流程，并搭建了整套設備，就其工藝參數和工藝性能展開了一系列試驗研究，最終獲得其最佳操作參數以及工藝性能。本項目所研制的活性炭再生裝置實用性能良好，能夠很好的滿足我國現有小型水廠的活性炭連續再生要求，可以直接在水處理行業推廣應用。

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