粉末活性炭及其再生循环利用

沈善明

（上海三明蒸发干燥研究所，上海 200232）

1 概述

粉末活性炭是由木材为原料生产的活性炭中的一类，它广泛使用于合成药、精细化工等产品精制脱色后处理，以及环境保护废水处理等。粉末活性炭和无定型果壳炭及颗粒煤质活性炭一样，都能通过再生恢复它的吸附性能达到许多次反复使用。在我国很长时期以来，一直将粉末活性炭作一次性使用，每年产生数万吨的废粉末炭作垃圾处理，如精制淀粉糖的废炭还必须及时雇用车辆和人工去填埋，否则会发酵腐败变臭,严重影响环境卫生。随着燃煤价格上涨，很多废粉炭才当燃料使用。在保护绿化严禁滥砍滥伐林木断了粉末活性炭主要原材料的来源，连废木屑的身价也飞速上升，导致粉末活性炭价格几倍上涨，每吨粉末活性炭由4～5 千元暴涨到1万5千元。

因为在废粉炭中吸附了大量有机污染物，不严格合理地处理都会影响环境卫生，包括当燃料同样如此。可是废粉炭经再生后能恢复吸附性能到新炭一样的水平，所以，将废粉炭作燃料等同于在烧人民币。再生技术一方面已能使再生炭性能恢复到很高水平，另一方面选用合适的再生技术和设备，再生成本很低，所以再生技术可使废粉炭极大幅度地升值，废粉炭将会很快变得身价不凡，不再会当垃圾一样对待。

废粉炭再生循环利用，可最大限度减少废粉炭给环境产生污染，资源得到充分利用，有利于降低生产成本。废粉末活性炭再生循环利用是一项利国利民绝大好事。

2 粉末活性炭的使用情况

粉末活性炭主要用于淀粉糖、合成药和精细化工产品等精制过程的脱色处理。因粉末活性炭的吸附选择性远没有像多孔吸附剂分子筛那样专一，废炭中除了吸附色素杂物外，还吸附了包括有机产品在内的大量有机物，粉炭吸附性能越好，粉炭用量越少，精制的产品损失也越少。淀粉糖精制液中的色素分子远大于其它产品精制液中的色素分子，所以，在粉末活性炭中又分成糖炭和非糖炭，糖炭中细孔的孔径分布比非糖炭的细孔孔径要大。这两种粉末活性炭因孔径分布不一样原因，制造的方法和技术也大不一样。

在有机合成和精细化工产品精制时，待精制处理溶液中几乎已完全没有最初的合成原料所夹带的各种杂物，但淀粉糖的脱色处理液完全不同，许多淀粉原料中不能糖化的固体杂物全留在了处理液中，与粉炭混杂在一起，吸附处理后的废粉末活性炭就兼作助滤剂使用，于是，在废粉炭中混入了淀粉原料中大量的固体杂质。

在有些产品脱色精制时，除了加粉末活性炭外，为了提高过滤质量及速度还加入无机助滤剂，因为无剂助滤剂是热再生清除不了的，对于这类废粉炭必须特别注意，决不能与其它的废粉炭相混。

对再生来说，废粉末活性炭是再生的资源，所以不能作垃圾对待，要将废粉炭当做生产中的一项副产品收集和妥善保存，以免将一些不能再生的杂质混入再生炭中，严重影响再生炭的质量，败坏再生炭名声和扭曲对再生技术的看法。

由于粉末活性炭吸附精制的对像很不一样，废粉炭中混入的杂物种类和数量差别悬殊，特别是一些混入无机助滤剂的废粉炭，这涉及粉炭再生的成败，所以废粉炭的来源，处理对像物和有无无机助滤剂等必须详细记录备案。

3 废粉末活性炭的再生

由于粉末活性炭处理的有机对像物差异很大，所以，再生的方法和技术也就多种多样，各有利弊，其中要数高温水蒸汽活化方法再生最彻底，最环保和最经济。

如果一种再生方法不能彻底再生，在再生炭中留有部分有机物不能清除，则这种再生炭至少不能应用于其它产品，否则会影响其它产品的质量。其次，这部分不能清除的有机物会积累，积累到相当多时，会影响精制处理的正常运转。即使留下的已是被炭化的有机物的残炭，残炭积累到相当多时，使吸附需要的粉炭量大增，也会影响到精制吸附运转工作的经济性。再生的彻底性实际上也是再生后活性炭吸附性能恢复的好和坏，它的标准就是吸附性能是否恢复到新炭的水平。

有的再生采用在水溶液中酸硷处理方法，除了再生的彻底性外，还必然会产生大量的废水。即使也是采用热再生，则有可能在低温炭化过程的不当而产生大量未分解有机物气体而污染大气环境。

归根结底，废粉末活性炭再生的经济性涉及再生是否可行的关键，经济性还应该包括再生炭对精制吸附处理运转的经济性，如再生炭吸附性能降低而增加活性炭投加量，从而增加精制产品的损失等。废粉末活性炭热再生现在还处于起步阶段，就要看哪种再生技术的彻底性、再生对环境的影响评价和最关键的经济性来决定哪种再生技术能否生存和推广。

4 热再生前的必要予处理

任何废活性炭通过热再生装置都能使废炭得到再生[1]，使吸附在粉炭中的一切有机物质包括水分彻底清除，因粉炭的精制处理对象有机物不一样，因此处理过程中应按废粉炭中存在有机物的种类和数量作出对氧化性气体、温度和停留时间的不同安排。特别是像淀粉糖废炭和加入无机助滤剂的废粉炭更需要予以前处理安排。

4.1 淀粉糖废粉炭生物发酵前处理

如果精制处理淀粉糖的废粉炭兼作助滤剂使用的，建议在热再生之前将废粉炭进行厌氧发酵，因为在淀粉原料中夹带的大量非淀粉的有机物，如蛋白质等类物质，这些物质极大地增加了热再生的负荷，而且蛋白质等物质是不能通过高温度蒸发和分解气化的物质，在接触高温过程中热分解炭化为有机残炭，需要通过高温和氧化性气体予以气化清除。我们在许多年之前在上海市虹桥一生产大队建厌氧发酵制沼气装置，利用淀粉糖废粉炭为发酵制沼气的原料，可产生大量的沼气。作这样预处理的好处是可将淀粉原料中带来的大量有机杂物生物降解，既大幅度地降低热再生的负荷，又可得到燃料沼气。

4.2 含无机助滤剂的废粉炭沉降分离预处理

可利用无机助滤剂和粉炭的质量差异通过沉降分离的方法将无机助滤剂分开，然后才能热再生。

4.3 废粉炭的干燥脱水前处理

顾名思义热再生就是通过热能进行再生，由于再生温度高达700℃～900℃，如果废粉炭中夹带大量水分，这些水最后都被加热到700℃～900℃排放。粉炭的特征之一是又细又轻，极易被气流夹带飞扬，为加热这股水分达到700℃～900℃，自然要消耗燃料和空气助燃剂，最后产生的高温燃烧气体和水蒸汽的热气流必然还要夹持大量粉炭排出。这就是废粉炭夹带大量水分产生的危害，也是粉炭热再生和颗粒活性炭热再生之间存在的巨大差异。

当然早就有一种针对粉炭细而轻特点而开发的技术，即将废粉炭中掺加煤焦油后制成颗粒，然后利用成熟的颗粒活性炭再生技术和设备予以热再生。掺加煤焦油之前，可能也需要将废粉炭中的水分脱除，否则含水废粉炭很难混入煤焦油并制成颗粒。在废粉炭中掺加煤焦油会大幅度增加废粉炭热再生的负荷。

5 高温过热蒸汽活化再生

现有多种颗粒活性炭高温活化再生炉被公认为经济有效的再生技术设备，已广泛应用。由于粉炭细而轻无法简单地套用这些设备。如上所述，粉炭热再生和颗粒炭热再生的再生机理完全一样，需要高温度和氧化性（H2O，CO2）气体。

废粉炭从常温经历水分干燥蒸发、低沸点有机物解吸，部分有机物热分解生成物脱离和炭化、然后有机物的残炭在更高温度下与氧化性气体反应产生H2和CO气体。在有机残炭被气化时，氧化性气体使闭锁的细孔打开，接着细孔壁及活化气体通道被氧化消蚀，使细孔逐渐扩大，进一步对内部反应性强的部分炭素进行选择性氧化而逐渐形成新的细孔。由于水煤气化反应的选择性也非专一，在气化反应中不止是活化能低的有机物残炭被气化，连基质炭也会反应而烧蚀，所以，废粉炭热再生存在一定的烧蚀损失。

废粉炭中有机物炭化所留下的残炭和粉炭的基质炭，它们与氧化性气体之间的反应选择性以及与温度之间存在怎样的关系尚不清楚，有机物残炭进行气化反应时，其活化能估计稍低些，意味着应尽可能采用低的温度而增加停留时间是有利的[2]。

从氧化性气体与残炭的气化反应可知，都能产生可燃性气体 H2和CO。如果将去热再生的废粉炭进行预干燥处理，就可以节省这部分水给再生炉带来的很大的热负荷，减少加热这部分水分到700℃～900℃所需要的燃料气和助燃气，消除由此产生的高温度气体流动而引发的粉炭飞扬因素。

要将废粉炭加热到700℃～900℃高温，其燃料气体可利用氧化反应产生的H2和CO气体，从物料和热量平衡知，反应产生的燃料气足够能满足反应温度的需要。有了燃料气还必需助燃的氧气，可空气中的氧含量仅 21%，不但不能助燃还会带走热量的惰性气体。对粉炭再生来说，更大问题在于热气体流量大还会引发粉炭的飞扬，打乱再生炉要求热气体不能夹带粉炭要求。事实上富氧已普及应用在很多工业生产，富氧机已是定型工业产品，我们可以在再生装置中设一台满足助燃要求的富氧机。有了富氧，不仅可以随心所欲控制和提高再生炉温度，最大限度降低高温炉气的流量，满足高温炉气不夹带粉炭的目的，再有一个好处是炉气中惰性气体很少而大幅度提高炉气中H2和CO的浓度，有利于返回炉中作高热值燃料气体使用，使形成一个良性循环系统。

经热再生所得的再生粉末活性炭中，除了有机物被氧化分解消除外，其它无机物仍以各种形式保留在再生炭中，这些无机物存在除了会降低再生炭的吸附性能外，如果精制处理溶液呈酸性，再生炭中的无机物可能会被酸性精制溶液所溶解而严重影响精制产品的质量。无论是为了提高再生粉炭的吸附性能，还是为了使再生炭不影响精制产品的质量，再生后的再生粉炭必须进行盐酸酸洗处理、中和及水洗。一般的再生炭经盐酸酸洗后处理后，可将粉炭的吸附容量提高约5%。经酸洗、中和及水洗过的再生炭可直接去作产品精制吸附使用，也可予以干燥后使用。

基于上述的认识，废粉炭生炉我们选用多段耙式炉，虽然它存在气固接触不充分，日运转负荷不能低于1 t/d，但优点是停留时间容易控制，氧化气汽量、燃料气和助燃剂等较易控制。

多段耙式炉专利号：201110134766.5。有关废粉末活性炭热再生设备流程另文介绍。

[1] 沈善明，刘林. 医药和精细化工都需要循环经济的支持[J]. 医药工程设计，2011，32(3):21-23.

[2] 铃木基之. 颗粒活性炭的热再生[J]. 化学工学（日），1976，40(8):60-63.