一種新型煤基活性炭活化工藝

郭建文

(山西欣國環環保科技有限公司，山西 太原 030002)

一種新型煤基活性炭活化工藝

郭建文

(山西欣國環環保科技有限公司，山西 太原 030002)

比較和分析了目前國內成熟的活性炭活化工藝，通過活化設備、活化原理、活化時間等方面的結果分析，推薦一種新型的循環流化床活化工藝，該工藝具有經濟可行、環保達標等優點。

煤基；活性炭；活化工藝；循環流化床

引 言

煤炭是我國最主要的能源，長期以來，我國絕大部分煤炭用途較單一，大多用于動力煤、煉焦等企業。煤基活性炭是一種高附加值、高技術含量的煤炭深加工產品，由于其具有豐富的孔隙結構、良好的理化性能，廣泛用于國防、食品加工、醫藥衛生、環境保護、治理和日常生活等各個領域[1]。

目前，煤基活性炭的制造已經趨向于大型化及產業化，并且活性炭的生產技術越來越先進，以煤為原料生產活性炭的技術取得了很大進步[2]。另一方面，由于人類的生活質量逐步的提高，對所居住的生活環境要求日益提高，活性炭越來越廣泛地應用于各種領域。因此，活性炭的需求量也呈逐年上漲的趨勢，應用的領域越來越廣。需求量的增加導致活性炭企業的規模以及數量逐漸增大，有力地促進了煤基活性炭產品性能提高、產量增加、應用領域擴大。

1 生產原理及工藝介紹(見第81頁圖1)

1.1 炭化工序

炭化是把原料隔絕空氣加熱，使非碳元素減少，以生產出適合活化工序所需要的碳質材料的工序，是活化前的主要準備與基礎。炭化工序包括成型物料的炭化和炭化尾氣處理2部分。

1) 成型物料的炭化

炭化工序實際上就是物料在低溫條件下的干餾。物料在一定的低溫范圍內及隔絕空氣的條件下逐步升溫加熱，物料中的小分子物質首先揮發，然后煤及煤焦油瀝青分解和固化。物料在熱分解和熱縮聚反應過程中析出煤氣和煤焦油。

2) 炭化尾氣處理

成型物料的炭化過程產生炭化尾氣，主要成分為成型物料炭化熱分解時所產生的揮發物組分，如CO、H2、CH4、烷烴、烯烴、煤焦油等。炭化尾氣中含有少量有毒有害物質，這些氣體直接排入大氣將給周圍環境造成污染。因此，炭化尾氣需要經過處理才能直接排入大氣。

1.2 活化工序

目前，常用的活化工藝主要為氣體活化法生產煤基活性炭，采用水蒸氣、煙道氣(主要成分為CO2)或其混合氣體等含氧氣體作為活化劑，在高溫下與炭接觸發生氧化還原反應進行活化，生成一氧化碳、二氧化碳、氫氣和其他碳氫化合物氣體，通過碳的氣化反應(燒失)達到在碳粒中造孔的目的。其主要化學反應式如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

煤基活性炭的生產工藝見第81頁圖1。

圖1 煤基活性炭生產工藝流程

2 常用活化爐工藝介紹

活化設備是活性炭生產過程中的核心設備。氣體活化法生產活性炭的活化爐主要有沸騰爐、管式爐、盤式爐、耙式爐、斯列普爐、回轉活化爐等。其中，早期使用的沸騰爐、管式爐、盤式爐等，由于生產能力小、得率低、生產效率不高、產品質量不均勻、熱效率低、設備檢修周期短、勞動強度大等缺點，已逐步被淘汰。靶式爐是美國于20世紀50年代開始開發使用的，經過不斷改進，工藝技術成熟。斯列普爐是我國于20世紀50年代從前蘇聯引進的活化設備，工藝技術成熟。目前，斯列普爐是國內煤基活性炭生產企業主要采用的活化設備。2種常用活化設備比選詳見表1。

表1 2種活化設備比選

3 新型活化工藝介紹

本論文介紹一種新型的活化爐型，該活化爐基于循環流化床的工作原理，是一種高效、節能、環保的爐型。

3.1 循環流化床技術

循環流化床(CFB)燃燒技術是一項近20年發展起來的清潔煤燃燒技術，它具有燃料適應性廣、燃燒效率高、NOx排放低、負荷調節比大和負荷調節快等突出優點。循環流化床設計床溫為850 ℃～900 ℃，燃煤流化粒徑0.1 mm～0.8 mm，該工藝能夠很好地完成生產任務，并在生產過程中產生較低的NOx，具有良好的經濟效益和環境效應。3.2 新型流化態工藝

3.2.1 活化爐的工藝過程

煤顆粒經過破碎、篩分后的1 mm～5 mm由儲倉底部稱重后經由全封閉皮帶輸送機運至中間料倉，再由螺旋輸送機輸送至流化爐進料口。物料進到流化床后，由風帽導入活化氣體，氣流帶動發生流化過程，過程中發生水煤氣反應造孔。

表2 活化尾氣指標

焚燒爐采用分段低溫燃燒技術，燃料氣體與氧氣分別進料，燃氣溫度低于850 ℃。低氮燃燒技術可以將NOx的產生質量濃度控制在50 mg/m3以下。

3.2.2 技術先進性分析

1) 活化設備的先進性

流化態活化爐是一種新型的活化設備，相比較常規的耙式爐、斯列普爐等活化設備，本設備具有設備占地小、活化時間短、產品品質好等優點。

2) 活化工藝的先進性

本流化床活化爐的工藝先進性主要體現在活化料可以實現連續進料、連續出料。同時，由于活化狀態為流化態過程，在流化狀態下將極大地增加活化面積，因此，本工藝的活化時間將由常規狀態的50 h～60 h縮短為1.0 h～1.5 h，大大提高了活化效率，減少了設備的占地及投資。

3.2.3 環保先進性分析

本流化態活化爐的主要環保先進性體現在NOx的濃度控制。活化爐體的NOx控制主要采取的技術為再燃燒反應燃料的控制。再燃燒反應燃料的特性是最影響NOx生成的關鍵影響因素。活化尾氣中的H2和CO氣體燃料在諸多方面優于其他燃料，被認為是有效、可行的再燃燃料。

1) CO對NO的還原作用

CO和NO可在各種表面上進行反應，成為減少NOx的另一重要途徑。反應式見式(4)。

(4)

近年來，在FBC和CFBC燃燒中發現，CaS、CaO和Fe2O3在各種環境中具有減少NOx的催化作用。

2) H2對NO的還原作用

Glarborg(2000)[3]建立了H2和CO化學動力學模型，對再燃過程中H2和CO再燃還原NO的能力進行了研究，并與實驗數據進行對比，取得了不錯的效果。

再燃燃料射入爐膛，其在再燃區停留時間隨燃盡風射入溫度而改變。總的來說，隨著再燃區停留時間的增加，NOx降低顯著增加。但是，在實際的再燃燒試驗應用中，停留時間更受鍋爐燃燒方式和碳燃盡要求的限制，再燃區停留時間一般在0.4 s～0.7 s。總之，在再燃區合理的進料控制以及停留時間可以保證NOx濃度大大降低。

3.2.4 活性炭行業的排放標準執行情況

活性炭行業還沒有行業排放標準，只有寧夏回族自治區環境保護廳出臺了DB 64/819-2012《煤基活性炭工業大氣污染物排放標準》。目前，活性炭行業大氣污染物排放還是執行GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》以及GB 9078-1996《工業爐窯大氣污染物排放標準》。

參考2014年活性炭工業污染物排放標準(征求意見稿)中的排放標準，新建活性炭企業NOx的排放限值為300 mg/m3，執行特別排放限值地區NOx的排放限值為200 mg/m3。

本設備NOx排放濃度大大低于活性炭行業NOx排放限值的要求。

4 結論

循環流化床活化爐是一種新型的活化爐，該活化爐主體工藝利用了流化床原理，在大大縮短活化時間的同時也有效地降低了NOx的排放，是一種非常經濟、環保的活化爐型。

[1] 邢寶林,諶倫建,張傳祥,等.NaOH活化法制備煤基活性炭的研究[J].煤炭轉化,2010,33(1):69-73.

[2] 謝志剛,劉成倫.活性炭的制備及其應用進展[J].工業水處理,2005,25(7):10-12.

[3] Glarborg P，Kristensen P G，Dam-JohaIIsen K.Nitric oxide reductionby non：hydrocarbon fuels：implications for reduction wim gasifica60ngases[J].Energy&Fuels，2000，14(4)：828-838.

Novel activation process of coal-based activated carbon

GUO Jianwen

(Shanxi Xinguohuan Environmental Technology Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030002, China)

The domestic matured activation process of activated carbon is compared and analyzed. By result analysis of activation equipment, activation principle, activation time and other aspects, it is recommended a new activation process of circulating fluidized bed, which has the advantages of environmental protection, economic feasibility.

coal-based; activated carbon; activation process; circulating fluidized body

2017-06-07

郭建文，男，1977年出生，2000年畢業于太原理工大學化工工藝專業，工程師，現從事環評、驗收、風險應急等環保工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.27

TQ424.1

A

1004-7050(2017)04-0080-03

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