節(jié)能減排在活性炭炭化段的實(shí)踐研究

趙 頊

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030021）

0 引 言

《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》提出了“十一五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標(biāo)。這是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重大舉措；是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇；是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式的必由之路；是維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求。

響應(yīng)國(guó)家的方針政策，我公司與國(guó)內(nèi)多家活性炭生產(chǎn)企業(yè)共同研究節(jié)能減排在活性炭生產(chǎn)線上的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)地介紹了在活性炭生產(chǎn)線中的炭化段節(jié)能減排的方法和實(shí)踐結(jié)果。

1 炭化概念及傳統(tǒng)工藝介紹

1.1 炭化概念

炭化是活性炭生產(chǎn)的第一道熱處理工序，是指在低溫下（500 ℃左右）煤及煤瀝青的熱分解、固化以及煤焦油中低分子物質(zhì)的揮發(fā)[1]。

1.2 炭化的目的

排除成型料中的揮發(fā)分及水分，提高炭顆粒強(qiáng)度，使炭顆粒形成初步孔隙。

1.3 炭化的常用設(shè)備

煤基活性炭常用設(shè)備為回轉(zhuǎn)式炭化爐。

1.4 炭化料的工藝指標(biāo)（見(jiàn)表1）

表1 炭化料的工藝指標(biāo)

1.5 炭化的典型傳統(tǒng)工藝

1.5.1 炭化的典型傳統(tǒng)工藝一（見(jiàn)圖1）。

1.5.1.1 物料流程

成型顆粒經(jīng)提升機(jī)直接加入回轉(zhuǎn)爐的加料室，靠重力落入回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，沿回轉(zhuǎn)爐內(nèi)的螺旋板帶到抄板上，靠筒體的坡度和轉(zhuǎn)動(dòng)物料由爐尾向爐頭出料口移動(dòng)。物料首先經(jīng)過(guò)溫度為200 ℃的預(yù)熱干燥階段，進(jìn)入350~550 ℃的炭化階段，在這個(gè)過(guò)程中，炭顆粒與熱氣流接觸而進(jìn)行炭化，排出水分及揮發(fā)分，同時(shí)不可避免因摩擦?xí)a(chǎn)生一些粉末料，最后經(jīng)卸料口卸出。

1.5.1.2 氣體流程

補(bǔ)燃燃料（煤、煤氣、柴油、重油）由爐頭進(jìn)入炭化爐，由于爐尾引風(fēng)機(jī)和煙囪的作用，與炭化料的水分和揮發(fā)分一起流向爐尾，經(jīng)洗滌塔去塵后進(jìn)入焦油電捕集器凈化，回收焦油，尾氣排入經(jīng)煙囪或直接排入大氣。

1.5.1.3 工藝一的缺點(diǎn)

1）一次性投資較大；2）產(chǎn)生的工業(yè)廢水中含有氰、酚等化合物，凈化處理比較困難，二次污染嚴(yán)重；3）運(yùn)行成本較高；4）焦油回收效率低；5）為保證炭化料炭化溫度，爐頭不能斷火。

分析以上工藝一得出結(jié)論，國(guó)內(nèi)活性炭行業(yè)使用此工藝尚無(wú)成功范例。

1.5.2 炭化的典型傳統(tǒng)工藝二（見(jiàn)圖2）

圖2 炭化工藝二

圖1 炭化工藝一

1.5.2.1 物料流程

物料流程同工藝流程一。

1.5.2.2 氣體流程

補(bǔ)燃燃料（煤、煤氣、柴油、重油）由爐頭進(jìn)入炭化爐，由于爐尾引風(fēng)機(jī)和煙囪的作用，與炭化料的水分和揮發(fā)分一起流向爐尾，爐尾設(shè)置焚燒室通過(guò)外加燃料提高溫度，使溫度達(dá)到尾氣燃點(diǎn)溫度，點(diǎn)燃后經(jīng)補(bǔ)充燃燒室焚燒后排入煙囪。

1.5.2.3 工藝二的優(yōu)缺點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)：投資少。

2）缺點(diǎn)：（1）運(yùn)行費(fèi)用高（主要是爐頭爐尾補(bǔ)充燃燒需人工和外加燃料）；（2）不能保證煙囪不冒黑煙；（3）能源沒(méi)有充分利用。

2 新工藝的研究探討

受新華化工廠的委托，從2000年開(kāi)始與新華相關(guān)專家共同研究炭化爐節(jié)能減排的合理方案，即余熱利用方案。

2.1 炭化工藝相關(guān)問(wèn)題的提出與分析

2.1.1 煙囪冒黑煙造成的原因

經(jīng)取樣分析證實(shí)：形成黑煙的固體物質(zhì)主要成分是碳元素，黑煙是有很多細(xì)小含碳微顆粒組成，它可在空氣中飄游很遠(yuǎn)，對(duì)人體危害很大[2]。黑煙的產(chǎn)生，是由各種燃料不完全燃燒（主要是化學(xué)不完全燃燒）碳原子在高溫條件下還原成極細(xì)的微粒（小于1 um），其顏色很黑，稱為炭黑，當(dāng)隨煙氣排出時(shí)產(chǎn)生黑煙。即解決黑煙問(wèn)題主要是研究充分燃燒問(wèn)題。

2.1.2 炭化爐尾氣黃煙的成分

成型料在炭化過(guò)程中受溫度作用，發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生大量的揮發(fā)物質(zhì)，這是一種黃色煙氣，慣稱黃煙，其主要成分是笨、萘、菲、酚、硫化氫及衍生物等有機(jī)化合物。這些物質(zhì)對(duì)生物危害極大，同時(shí)這些物質(zhì)又是有價(jià)值的化工原料，活性炭制造的粘合劑，還可以用作燃料。

2.1.3 炭化尾氣含塵量

理論的炭化工藝是不產(chǎn)生粉塵的，但實(shí)際由于炭化料在爐體中相互之間以及與爐體間長(zhǎng)達(dá)30~50 min的相互摩擦，不可避免地會(huì)產(chǎn)生粉塵，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，粉塵量很大，而且粉塵主要是煤粉，也是能量的一部分。新工藝必須考慮粉塵的收集和利用問(wèn)題，既是節(jié)能又是環(huán)保。

2.1.4 炭化料炭化過(guò)程中的能量平衡

炭化過(guò)程是把原料隔絕空氣加熱，在一定的低溫范圍內(nèi)，物料中的低分子物質(zhì)首先揮發(fā)，然后煤及煤焦油瀝青分解和固化。整個(gè)炭化過(guò)程中物料會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，其中物理變化主要是脫水、脫氣和干燥過(guò)程；化學(xué)變化主要是熱分解和熱縮聚兩類反應(yīng)。物料在熱分解和熱縮聚反應(yīng)過(guò)程中析出煤氣和煤焦油。在傳統(tǒng)工藝中，為保證炭化溫度，在爐頭通過(guò)燃燒外加燃料提供爐頭溫度，尾部為了使煙氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焚燒，兩頭外加燃料，與其矛盾的是炭化料炭化過(guò)程中排出的黃煙本身又是燃料，能否將黃煙的熱值循環(huán)利用于炭化爐，以及如何使尾部煙氣能量返回爐頭是解決這一矛盾的焦點(diǎn)。

2.1.5 尾氣余熱的利用

綜合傳統(tǒng)工藝考慮，鑒于電捕焦的不成功性，同時(shí)考慮到活性炭生產(chǎn)的活化工藝需要蒸氣，我公司與相關(guān)專家一致考慮使用焚燒加余熱蒸氣鍋爐的方式來(lái)解決余熱利用。通過(guò)綜合考慮炭化工藝問(wèn)題和傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)確定以下方案，見(jiàn)圖3。

圖3 炭化新工藝

2.2 炭化工藝新方案的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

2.2.1 尾氣返回技術(shù)

利用爐尾黃煙的能量來(lái)補(bǔ)充爐頭需要的能量，如果能實(shí)現(xiàn)，將使炭化工藝爐頭不需外加燃料補(bǔ)充能量，同時(shí)減少勞動(dòng)力[3]。

首先提出的方案是使用高溫引風(fēng)機(jī)將爐尾部分黃煙抽回爐頭，經(jīng)過(guò)爐頭設(shè)置的燃燒室蓄熱體提高爐溫，同時(shí)通過(guò)合理的少量配風(fēng)燃燒后提高炭化爐炭化溫度。經(jīng)過(guò)考察發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上現(xiàn)有高溫風(fēng)機(jī)的溫度≤250 ℃，實(shí)際情況,黃煙可能短時(shí)間達(dá)到300 ℃以上，所以高溫引風(fēng)機(jī)的方案被否定。

經(jīng)過(guò)多方研究，最后采用了噴射泵的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔夥祷兀ù思夹g(shù)同時(shí)申請(qǐng)了國(guó)家專利）。

噴射泵是利用流體流動(dòng)是能量的轉(zhuǎn)變來(lái)達(dá)到輸送的目的。利用它可輸送液體，也可輸送氣體。在化工生產(chǎn)中，常將蒸汽作為噴射泵的工作流體，利用它來(lái)抽真空，使設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)壓，因此常將它稱為蒸汽噴射泵。

圖4 噴射泵工作原理簡(jiǎn)圖

工作原理，如圖4所示，工作時(shí)水蒸汽在高壓下以很高的流速?gòu)膰娮熘袊姵觯怪車(chē)目臻g形成一定的負(fù)壓，將低壓氣體或蒸汽帶入高速的流體中，吸入的氣體與水蒸汽混合后進(jìn)入擴(kuò)大管，速率逐漸降低，靜壓力因而升高，最后經(jīng)排出口排出。利用高壓工作流體的噴射作用來(lái)輸送流體的泵由噴嘴、混合室和擴(kuò)大管等構(gòu)成。工作流體在高壓下經(jīng)過(guò)噴嘴以高速度射出時(shí)，混合室內(nèi)產(chǎn)生低壓，被輸送的流體被吸入混合室，與工作流體相混，一同進(jìn)入擴(kuò)大管；在經(jīng)過(guò)擴(kuò)大管時(shí)，流體的壓力又逐漸上升，然后排出管外。

2.2.2 焚燒爐設(shè)計(jì)

炭化爐尾氣濃度低，不易燃燒，同時(shí)由于炭化料顆粒的磨損和氣流速度的影響，煙氣中還帶有一定量的煤粉。焚燒爐設(shè)計(jì)需要考慮粉塵的收集、煙氣燃燒溫度的大小、配風(fēng)的合理、爐頭返回?zé)煔夥祷攸c(diǎn)的設(shè)計(jì)和量的分配等一系列問(wèn)題。綜合考慮，我公司確定了以下設(shè)計(jì)思路。

對(duì)尾氣中含有大量的低濃度可燃?xì)怏w和可燃固體顆粒的尾氣，采用先使用高品位燃料補(bǔ)燃，在焚燒爐內(nèi)溫度達(dá)到700~900 ℃，分段強(qiáng)制配風(fēng)，分段燃燒、蓄熱恒溫、M 型煙道回程、絕熱燃燒技術(shù)，使尾氣中的可燃?xì)怏w和固體顆粒有充足的時(shí)間與氧氣接觸、燃盡，降低污染排放，使其能量得到充分利用。大的粉塵通過(guò)擴(kuò)容減速慣性分離在焚燒爐進(jìn)口進(jìn)行首次分離。

圖5 焚燒爐

2.2.3 余熱鍋爐容量的確定

2.2.3.1 炭化爐相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

單臺(tái)炭化爐產(chǎn)量：1 t/h；單臺(tái)炭化爐得率：68%；單臺(tái)炭化爐投料量：1.47 t/h；壓伸料的質(zhì)量配比：煤粉67%，焦油30%，水3%。

2.2.3.2 炭化物料成分（如表2示）

表2 炭化物料成份

煙氣量和發(fā)熱量計(jì)算（單條線）[4]（注：煙氣量計(jì)算引用了實(shí)際煙氣量經(jīng)驗(yàn)公式，1.3為空氣過(guò)剩系數(shù)），焦油低位發(fā)熱量：（參考重油）36 836·8 kJ/kg，太西煤（洗選煤）低位發(fā)熱量：31 395 kJ/kg，總發(fā)熱量（每小時(shí)）：397×36 836.8+11.3×31 395≈1 498×104kJ/h.炭化爐散熱損失：10%，炭化料帶走的熱量損失：炭化料溫度600 ℃，炭化料比熱容：1 kJ/(kg·K)，每小時(shí)總帶走熱量：1 000×0.24×600=60×104kJ/h

焦油燃燒實(shí)際煙氣量/kg：Vy1=(0.203×1.3+0.062)×36 836.8÷1 000+2×(1.3-1)=12.6 N·m3/kg.

焦油燃燒實(shí)際總煙氣量：12.6×397=5 002.2 N·m3/h.

煤燃燒實(shí)際煙氣量/kg：Vy2=0.238×（1.112×1.3+0.054）×3 1 395×8 000÷1 000=11.2 N·m3/kg.

煤燃燒實(shí)際總煙氣量：11.2×11.3=126.56 N·m3/h.

水蒸氣容積（每千克）：V3=2.215 N·m3/kg.

水蒸氣容積：61.7×2.215=137 N·m3/h.

理論總煙氣量：

V0=5 002.2+126.56+137 ≈5 266 N·m3/h.

考慮到系統(tǒng)的不均衡性：-20%~+20%，其實(shí)際瞬時(shí)煙氣量為：5 266×1.2=6 320 N·m3/h.

經(jīng)溫度修正后煙氣量：

V=V`（273+200）/273≈10 950 m3/h

排煙溫度設(shè)定：200 ℃理論煙氣比熱：

1.38 kJ/kg·K.

排煙帶走熱量：6 616×1.38×200=185.4×104kJ/h.

200 ℃水蒸氣帶走熱量：

258.3×（686.7-20.1）=17.2×104kJ/h.

化學(xué)不完全燃燒：8%；實(shí)際有效利用熱：

（1 498 × 104-60 × 104-185.4 × 104-17.2 × 104）×（1-0.8-0.08）＝1 013×104kJ/h.

根據(jù)實(shí)際有效利用熱選擇單臺(tái)鍋爐3~4 t/h,為合理選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

活性炭炭化段新工藝在國(guó)內(nèi)多家活性炭廠通過(guò)實(shí)踐，節(jié)能顯著，焚燒徹底，煙囪不冒黑煙，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)補(bǔ)燃形式靈活，柴油、煤氣、煤粉、顆粒煤，用戶可以根據(jù)情況選擇，是目前活性炭行業(yè)理想的工藝方案。

[1] 黃振興.活性炭技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

[2] 周金保.淺析鍋爐冒黑煙的原因及控制[J]. 中國(guó)井礦鹽，2004（4）：36-38.

[3] 李貴良，趙頊，孫彥芷，等.低濃度可燃物的余熱利用方法：中國(guó)，CN200910074970.5[P].2009-12-26.

[4] 宋貴良. 鍋爐計(jì)算手冊(cè)[M]. 沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1995.