斯利普活化爐生產活性炭的工作原理（活性炭生產設備之一）

引言：斯利普爐生產活性炭

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

在19世紀初，通過蒸汽和二氧化碳進行活化而制得活性炭的反應被發現，大吸附性的活性炭終于誕生。在起初一段時間內，活性炭被軍隊壟斷，完全用于防毒面具及凈化水源等，直到一戰結束后，活性炭的擴大生產使得民用活性炭成為了可能。

1966年太原開創斯列普活化法廠，隨后中國陸續開設數以百計的斯列普活化爐廠。此爐為蘇聯發明的活性炭生產爐，用于將碳化后的焦粒，利用水蒸氣和少量二氧化碳進一步鑿孔，增大孔隙率，進而大幅提升比表面積，成為具有極優異吸附性能的活性炭。

工藝原理：

1.1.涉及反應

主升溫反應：⑴ C(s) +O2(g)CO2(g) ; ΔH＜0

主降溫反應：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：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，涉及過程都會比較復雜，需要有針對地進行各步分過程分析以及總過程綜合分析。

煤炭是一種天然有機高分子化合物，其多孔多縫隙的特點使其天然具有比表面積大、吸附性強的特點。且隨著煤質由煙煤逐漸向無煙煤轉化，孔隙率隨之增多，比表面積也逐漸加大。利用此類特性，可以通過干餾，將煤炭的揮發分去除，氫氧等基團脫落，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200-400。而活化的主要目的在于將碳化后的焦粒，進一步去除揮發分，提高碳含量，同時通過水煤氣反應人工造孔，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階段循環交替進行，主要原理如下：

1.2.1.干餾過程：

將煤炭加熱至800℃以上高溫：1.進行補充碳化，將碳化料孔隙中殘余吸附的揮發分徹底趕出并點燃，輔助升溫；2.焦炭本身的氫氧等非碳基團繼續氧化脫落，使得碳含量繼續升高；3.焦炭外層的碳也會參與燃燒，本身被氧化為二氧化碳，從而放出熱量輔助升溫，同時將過量氧氣消耗，防止內層碳被過量氧氣反應掉。

同時各反應過程中還會產生大量水煤氣，可以燃燒輔助升溫。

巴斯在研究過程中發現，如果干餾溫度過高，反而可能降低孔隙率，從而降低焦粒的吸附性。

1.2.2.造孔過程：

20世紀初正式使用活性炭設備生產活性炭時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，通入高壓二氧化碳，發生C(s) +CO2(g)2CO (g) ; ΔH＞0反應，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，通入高壓水蒸氣，發生C(s) +H2O(g)CO(g) +H2(g) ; ΔH＞0反應，從而“擊穿”焦粒，大幅增加孔隙率，提高比表面積。

同時，干餾及造孔過程中，還會產生大量二氧化碳，可以與碳化料反應輔助造孔。

1.3.尾氣

1.3.1.主要產物

活化爐中主要包括兩個過程：高溫干餾及蒸汽降溫。主要發生反應為1.1中六大反應。根據勒夏特列原理，反應產物應為所有反應物及產物的混合物。改變溫度或壓強等外界條件，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等可燃氣體，也包含CO2、H2O等完全反應產物，同時還包括少量O2等助燃氣體，以及大量N2。

將尾氣通過焚燒爐或者變脫塔，將其中的可燃及有毒的煤氣等可燃氣體氧化為二氧化碳和水蒸氣，從煙囪排入大氣即可。燃燒產生熱量可供余熱鍋爐回收利用。大量生成的氫氣及空氣經過反應后剩余氮氣，理論上可進行配比進行合成氨和制取化肥及合成硝銨炸藥生產。大量生成的水煤氣理論上可以進行配比進行合成甲醇生產。

1.3.2.有毒產物

1.3.2.1.有機副產品

碳化料中仍含有3%左右的揮發分，包括碳化時干餾過程及水煤氣反應過程中產生的酚類、芳香烴類及其他有毒可燃氣體，在活化升溫過程中會進入尾氣中。這部分尾氣需要在焚燒爐中進行燃燒徹底去除，產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

①“S-R”（有機硫）H2S

②“S”（無機硫或反應產生硫單質）+O2SO2

③H2S + 3/2O2H2O +SO2

上述三大反應為尾氣中硫分的主要來源，因為煤炭來源于植物尸體，其中蛋白質所含硫元素大量進入煤炭分子中，目前科技手段尚無法完全去除，所以高溫干餾過程中，仍會產生大量的硫單質（黃煙）及含硫尾氣（二氧化硫及硫化氫等），如果直接排入大氣，會直接導致酸雨及霧霾，故需要進行脫除。

（其中硫化氫生成原理我根據所學知識并不能得出準確結論，故和中國礦業大學的一個讀研的朋友進行闡述我的有機硫帶氫脫落機理猜測后，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氧制取石膏，將廢液過濾凈化后，重復利用其中淡水。

1.3.2.3.含氮物質

①“N-R”（有機氮）NOx （主要）

②N2 + O22NO （少量）；NO + O2NOx

③N2 + 3H22NH3 （微量） ；NH3 + O2NOx

上述三大反應過程為尾氣中氮分的主要來源，因為煤炭來源于植物尸體，其中蛋白質所含氮元素大量進入煤炭分子中，目前科技手段尚無法完全去除，所以高溫干餾過程中，仍會產生大量的氮氧化物（如劇毒二氧化氮、四氧化二氮等），如果直接排入大氣，會直接導致酸雨及霧霾，故需要進行脫除。

（其中②過程為近些年發現的在局部高溫高壓下，空氣中氮氣會與氧氣結合成一氧化氮，進而氧化為有毒氮氧化物，是機動車尾氣氮氧化物主要來源，在斯列普活化爐中，滿足高溫和局部氣體渦流導致高壓條件，故會少量發生。

③過程應為合成氨工業主反應，需要催化劑，但在生產過程中，的確有在爐體及重復利用的脫硫液中聞到濃重氨味，故猜測該合成氨反應可能在爐體局部微量發生。不排除煉焦生產中洗焦過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，除自來水廠進行深度凈化水體外不進行廢液處理。

斯列普活化爐工藝原理

1.4.1烘爐

斯列普活化爐的生產工藝分為烘爐和正式生產。其中烘爐階段主要任務是將活化爐溫度提升至可供生產的合適高溫。在此過程中，爐壁和爐體經過高溫烘烤，充分干燥，并且已經適應了高溫環境，防止了后續可能發生的不適應高溫及溫度不均一而造成爐體坍塌的危險。

在高溫生產型化工領悟，高爐烘爐是重中之重。要在盡可能短的時間內升溫成功而正式投產，但同時需要保證從下往上各點依次平穩升溫，因為如果出現較大波動和溫度不均一情況，可能導致爐體損壞，從而降低其使用壽命。

在此過程中，需要綜合考慮如季節、風力、各輔助設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間內，安全無異常地正式投產。可以說，烘爐過程時間短、無正常產品產出，卻是整個活化爐生產工藝中重要的一步。