斯利普活化炉生产活性炭的工作原理（活性炭生产设备之一）

引言：斯利普炉生产活性炭

活性炭设备——斯利普活化炉在公元前三千余年前至十九世纪的几千年间，从古埃及到中国再到欧洲，木炭在医用及净化引用水等领域得到广泛应用。而其对于糖脱色领域的吸附能力不足又成了工业生产生活方面全方位应用的阻碍。而众科学家们不断的努力，使得活性炭的诞生成为了可能。早期的研究结果表明：煤炭干馏过程可以产生吸附性较强的焦炭；焦炭吸附性有上限，不能满足如糖脱色等工业生产需要；干馏过程中过高温度反而会降低孔隙率和比表面积，从而降低吸附性。

在19世纪初，通过蒸汽和二氧化碳进行活化而制得活性炭的反应被发现，大吸附性的活性炭终于诞生。在起初一段时间内，活性炭被军队垄断，完全用于防毒面具及净化水源等，直到一战结束后，活性炭的扩大生产使得民用活性炭成为了可能。

1966年太原开创斯列普活化法厂，随后中国陆续开设数以百计的斯列普活化炉厂。此炉为苏联发明的活性炭生产炉，用于将碳化后的焦粒，利用水蒸气和少量二氧化碳进一步凿孔，增大孔隙率，进而大幅提升比表面积，成为具有极优异吸附性能的活性炭。

工艺原理：

1.1.涉及反应

主升温反应：⑴ C(s) +O2(g)CO2(g) ; ΔH＜0

主降温反应：⑵ C(s) +H2O(g)CO(g) +H2(g) ; ΔH＞0

⑶ C(s) +CO2(g)2CO (g) ; ΔH＞0

副升温反应：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

任何一种高温化工生产，涉及过程都会比较复杂，需要有针对地进行各步分过程分析以及总过程综合分析。

煤炭是一种天然有机高分子化合物，其多孔多缝隙的特点使其天然具有比表面积大、吸附性强的特点。且随着煤质由烟煤逐渐向无烟煤转化，孔隙率随之增多，比表面积也逐渐加大。利用此类特性，可以通过干馏，将煤炭的挥发分去除，氢氧等基团脱落，碳含量增大，孔隙率增加，从而得到比表面积较大的焦炭（或烧制木炭）。木炭或焦炭已具有较高的吸附性，碘值可达200-400。而活化的主要目的在于将碳化后的焦粒，进一步去除挥发分，提高碳含量，同时通过水煤气反应人工造孔，从而制得真正意义上的高吸附率的活性炭。

各种物理活化工艺均为干馏和造孔两个阶段循环交替进行，主要原理如下：

1.2.1.干馏过程：

将煤炭加热至800℃以上高温：1.进行补充碳化，将碳化料孔隙中残余吸附的挥发分彻底赶出并点燃，辅助升温；2.焦炭本身的氢氧等非碳基团继续氧化脱落，使得碳含量继续升高；3.焦炭外层的碳也会参与燃烧，本身被氧化为二氧化碳，从而放出热量辅助升温，同时将过量氧气消耗，防止内层碳被过量氧气反应掉。

同时各反应过程中还会产生大量水煤气，可以燃烧辅助升温。

巴斯在研究过程中发现，如果干馏温度过高，反而可能降低孔隙率，从而降低焦粒的吸附性。

1.2.2.造孔过程：

20世纪初正式使用活性炭设备生产活性炭时一次采用的造孔方式为二氧化碳造孔，即在将碳化料充分加热至600℃以上时，通入高压二氧化碳，发生C(s) +CO2(g)2CO (g) ; ΔH＞0反应，从而“击穿”焦粒，大幅增加孔隙率，提高比表面积。

而活化工艺成熟后，我们一般采用蒸汽造孔法，即在将碳化料充分加热至800℃以上时，通入高压水蒸气，发生C(s) +H2O(g)CO(g) +H2(g) ; ΔH＞0反应，从而“击穿”焦粒，大幅增加孔隙率，提高比表面积。

同时，干馏及造孔过程中，还会产生大量二氧化碳，可以与碳化料反应辅助造孔。

1.3.尾气

1.3.1.主要产物

活化炉中主要包括两个过程：高温干馏及蒸汽降温。主要发生反应为1.1中六大反应。根据勒夏特列原理，反应产物应为所有反应物及产物的混合物。改变温度或压强等外界条件，只能改变混合物成分的比例，并不能使任何成分完全去除。故尾气包含CO、H2、CH4等可燃气体，也包含CO2、H2O等完全反应产物，同时还包括少量O2等助燃气体，以及大量N2。

将尾气通过焚烧炉或者变脱塔，将其中的可燃及有毒的煤气等可燃气体氧化为二氧化碳和水蒸气，从烟囱排入大气即可。燃烧产生热量可供余热锅炉回收利用。大量生成的氢气及空气经过反应后剩余氮气，理论上可进行配比进行合成氨和制取化肥及合成硝铵炸药生产。大量生成的水煤气理论上可以进行配比进行合成甲醇生产。

1.3.2.有毒产物

1.3.2.1.有机副产品

碳化料中仍含有3%左右的挥发分，包括碳化时干馏过程及水煤气反应过程中产生的酚类、芳香烃类及其他有毒可燃气体，在活化升温过程中会进入尾气中。这部分尾气需要在焚烧炉中进行燃烧彻底去除，产物二氧化碳及水蒸气等可以直接排入大气。

1.3.2.2.含硫物质

①“S-R”（有机硫）H2S

②“S”（无机硫或反应产生硫单质）+O2SO2

③H2S + 3/2O2H2O +SO2

上述三大反应为尾气中硫分的主要来源，因为煤炭来源于植物尸体，其中蛋白质所含硫元素大量进入煤炭分子中，目前科技手段尚无法完全去除，所以高温干馏过程中，仍会产生大量的硫单质（黄烟）及含硫尾气（二氧化硫及硫化氢等），如果直接排入大气，会直接导致酸雨及雾霾，故需要进行脱除。

（其中硫化氢生成原理我根据所学知识并不能得出准确结论，故和中国矿业大学的一个读研的朋友进行阐述我的有机硫带氢脱落机理猜测后，得到他的支持所以写在了这里，仅供参考。）

目前采用的脱硫技术为用氢氧化钠溶液喷淋吸收法，并将脱硫废液在污水处理厂中加入熟石灰补氧制取石膏，将废液过滤净化后，重复利用其中淡水。

1.3.2.3.含氮物质

①“N-R”（有机氮）NOx （主要）

②N2 + O22NO （少量）；NO + O2NOx

③N2 + 3H22NH3 （微量） ；NH3 + O2NOx

上述三大反应过程为尾气中氮分的主要来源，因为煤炭来源于植物尸体，其中蛋白质所含氮元素大量进入煤炭分子中，目前科技手段尚无法完全去除，所以高温干馏过程中，仍会产生大量的氮氧化物（如剧毒二氧化氮、四氧化二氮等），如果直接排入大气，会直接导致酸雨及雾霾，故需要进行脱除。

（其中②过程为近些年发现的在局部高温高压下，空气中氮气会与氧气结合成一氧化氮，进而氧化为有毒氮氧化物，是机动车尾气氮氧化物主要来源，在斯列普活化炉中，满足高温和局部气体涡流导致高压条件，故会少量发生。

③过程应为合成氨工业主反应，需要催化剂，但在生产过程中，的确有在炉体及重复利用的脱硫液中闻到浓重氨味，故猜测该合成氨反应可能在炉体局部微量发生。不排除炼焦生产中洗焦过程中吸附氨气及氨水原因，只供参考。）

目前脱氮亦采取氢氧化钠浓溶液喷淋吸收法，不影响母液酸碱度，除自来水厂进行深度净化水体外不进行废液处理。

斯列普活化炉工艺原理

1.4.1烘炉

斯列普活化炉的生产工艺分为烘炉和正式生产。其中烘炉阶段主要任务是将活化炉温度提升至可供生产的合适高温。在此过程中，炉壁和炉体经过高温烘烤，充分干燥，并且已经适应了高温环境，防止了后续可能发生的不适应高温及温度不均一而造成炉体坍塌的危险。

在高温生产型化工领悟，高炉烘炉是重中之重。要在尽可能短的时间内升温成功而正式投产，但同时需要保证从下往上各点依次平稳升温，因为如果出现较大波动和温度不均一情况，可能导致炉体损坏，从而降低其使用寿命。

在此过程中，需要综合考虑如季节、风力、各辅助设备及蒸汽等方方面面因素。合理采取各种合适手段处理所遇到的不同异常情况，保证斯列普活化炉在短时间内，安全无异常地正式投产。可以说，烘炉过程时间短、无正常产品产出，却是整个活化炉生产工艺中重要的一步。