外熱式炭化爐制備柱狀活性炭炭化料的應(yīng)用實(shí)踐

王 娟

1 概述

目前國(guó)內(nèi)外以無煙煤、煙煤和褐煤為原料生產(chǎn)活性炭的企業(yè)基本采用氣體活化法，主要生產(chǎn)工藝流程可分為原煤破碎活性炭、成型活性炭和粉末活性炭三種，其中成型活性炭生產(chǎn)根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)的不同可分為柱狀、壓塊及球狀活性炭三種工藝。在不同的生產(chǎn)工藝流程中，一般包括備煤、成型、炭化、活化、成品處理五個(gè)過程。

煤基柱狀活性炭外觀呈黑色圓柱狀顆粒，具有很大的比表面積，合適的孔隙結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高，能經(jīng)受高溫、高壓作用，不易破碎灰，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其工藝技術(shù)比較成熟，工藝流程如圖1所示，廣泛應(yīng)用于氣體處理、污水處理、脫硫脫硝、溶劑回收、制氮機(jī)、空分設(shè)備、噴漆車間等領(lǐng)域。

圖1 柱狀活性炭生產(chǎn)工藝流程

炭化是活性炭生產(chǎn)的第一道熱處理工序，煤基柱狀活性炭的生產(chǎn)是由煤粉和粘合劑及水按一定比例混合后壓伸成型，這種顆粒中含有一定的揮發(fā)分和水，不能直接加入斯列普活化爐進(jìn)行活化，因此炭化過程是一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。

2 炭化料理論影響因素

本文主要對(duì)制備煤基活性炭過程中的炭化設(shè)備、工藝參數(shù)及生產(chǎn)過程中的其它影響因素進(jìn)行了探索。

2.1 炭化設(shè)備

用于生產(chǎn)活性炭的炭化爐有多種，如立式移動(dòng)床窯爐、炕式爐、蜂房式爐、耙式爐、回轉(zhuǎn)炭化爐等，目前國(guó)內(nèi)煤基活性炭生產(chǎn)中使用普遍的是回轉(zhuǎn)炭化爐，主要分為內(nèi)熱式和外熱式兩種。

外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐工作原理：炭化爐筒體內(nèi)置多個(gè)獨(dú)立料管，爐內(nèi)的物料和炭化分解產(chǎn)物在每個(gè)獨(dú)立的料管內(nèi)是并流運(yùn)行。在炭化爐的高溫出料端，物料與炭化分解產(chǎn)物分開，炭化分解產(chǎn)物進(jìn)入焚燒爐進(jìn)行燃燒，焚燒后的煙氣一部分又返回炭化爐間接加熱物料，作為炭化熱力來源，一部分進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)蒸汽。

表1 炭化設(shè)備比選

通過上表分析，外熱式炭化爐生產(chǎn)能力大，熱效率高，我公司依據(jù)其優(yōu)缺點(diǎn)最終選用外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐生產(chǎn)柱狀活性炭，總爐長(zhǎng)21 m，爐體安裝傾斜角3.3°。

2.2 炭化爐工藝參數(shù)

2.2.1 炭化溫度

炭化溫度直接影響炭化料及成品質(zhì)量。炭化溫度過低焦油物質(zhì)溢出至顆粒表面形成油顆粒或球狀顆粒，炭化不徹底，水容量低，強(qiáng)度低，后續(xù)活化揮發(fā)分高，堵塞活化料道；炭化溫度過高，炭化料內(nèi)部過于致密，影響成品強(qiáng)度及吸附性能。

炭化爐溫度一般是指轉(zhuǎn)爐的中部溫度，但中部溫度并不是炭化最終溫度，最終溫度是指出料口溫度，生產(chǎn)操作中控制的是炭化爐的中部溫度。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，繪制如下溫度曲線作為生產(chǎn)指導(dǎo)。

圖2 炭化爐控制溫度與最終溫度曲線關(guān)系

以我公司生產(chǎn)大顆粒柱狀炭化料為例，在控制一定投料量、轉(zhuǎn)爐速度的條件下，不同轉(zhuǎn)爐溫度生產(chǎn)制得炭化料及后續(xù)活化產(chǎn)品質(zhì)量的比較（見表2），廠家針對(duì)指標(biāo)為強(qiáng)度和揮發(fā)分。

表2 不同炭化溫度對(duì)炭質(zhì)量的影響

活性炭的質(zhì)量一定程度取決于煤的組分及某些物理化學(xué)性能。我公司炭化料指標(biāo)如下：

（1）灰分的含量要求不高于20%。活性炭的灰分存在兩大害處：第一使活性炭結(jié)構(gòu)受到影響，強(qiáng)度下降；第二使活性炭的吸附性能降低。因此在原料選擇上也要選灰分低的原煤。

（2）揮發(fā)分含量要求在7%～10%。揮發(fā)分的存在對(duì)形成炭顆粒內(nèi)部的初步孔隙是有好處的，有利于縮短活化時(shí)間，提高活化效率，但是揮發(fā)分的產(chǎn)品容易引起自燃現(xiàn)象。

（3）耐壓強(qiáng)度要求不低于200 N。煤質(zhì)硬度越高，反應(yīng)性越差，活化程度越慢。

由表2可以看出，炭化的溫度越高，炭化料強(qiáng)度越大，所得的活性炭強(qiáng)度也越大，但是活性炭碘值不是最高。因此，為了平衡各項(xiàng)參數(shù)，我公司炭化溫度一般控制在540℃～580℃。

2.2.2 炭化時(shí)間

物料在炭化爐的停留時(shí)間取決于爐子的長(zhǎng)度、爐子的轉(zhuǎn)速、爐體的傾斜角等各方面因素。物料在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度按公式

式中：Vm-物料在爐內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，m/min

D-爐直徑，

n-轉(zhuǎn)速，r/min

β-爐體傾斜角

α-物料自燃堆積角，炭素原料為45°～50°物料在爐內(nèi)時(shí)間

由上述可知，調(diào)節(jié)爐子轉(zhuǎn)速直接影響炭化時(shí)間。造粒機(jī)出來的生料條含有水分、揮發(fā)分和煤焦油，如果轉(zhuǎn)速太快，料條在爐內(nèi)停留時(shí)間較短，要在短時(shí)間內(nèi)大量逸出揮發(fā)分，料條膨脹、破損，炭化料的強(qiáng)度下降，外觀差，產(chǎn)率低；如果轉(zhuǎn)速太慢，則降低設(shè)備效率，產(chǎn)量低。表3在一定投料量，爐溫控制在540℃～580℃的條件下，不同轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)比較。

表3 不同轉(zhuǎn)速制得炭化料情況

上述數(shù)據(jù)表明，低溫長(zhǎng)時(shí)間炭化有利于顆粒中揮發(fā)分的逸出，炭顆粒收縮均勻，形成均勻的初步孔隙結(jié)構(gòu)，有利于提高炭顆粒的機(jī)械強(qiáng)度。高溫短時(shí)間炭化起相反作用。

2.3 加料量

加大加料量，可以提高產(chǎn)量。如果加料量太大，爐內(nèi)層厚，炭化不均勻;炭化料揮發(fā)分含量高，活化過程容易結(jié)塊，堵塞管道，產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)下降。正常條件下，單臺(tái)處理量為1.5 t/h，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，加料量也適當(dāng)調(diào)節(jié)變化。

2.4 爐尾抽力

炭化過程產(chǎn)生的大量揮發(fā)分物質(zhì)主要靠引風(fēng)機(jī)及時(shí)排出，使?fàn)t內(nèi)形成負(fù)壓，減少爐內(nèi)揮發(fā)分的二次分解。爐尾抽力過低，熱氣流不能很好地通過轉(zhuǎn)爐，炭化爐局部高溫，爐頭容易燒紅，發(fā)生熱腐蝕。其次，產(chǎn)生的揮發(fā)物不能及時(shí)排出，炭顆粒出現(xiàn)油狀顆粒。爐尾抽力過大，爐內(nèi)熱氣流被抽走，難以維持炭化爐溫度，煙道也容易堵塞。我公司根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況一般控制在-10 Pa～-50 Pa。

3 炭化料實(shí)踐影響因素

3.1 耐火材料

炭火爐內(nèi)壁附有一層耐火材料，即耐火磚。我單位炭化爐前期使用傳統(tǒng)耐火磚，由骨料和細(xì)粉與一定的一種或多種粘合劑組成的混合料經(jīng)過壓制成型、燒結(jié)制作而成，砌筑在爐壁，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫灼燒，耐火磚會(huì)塌陷。目前改用為耐火澆注料，它可以按照施工要求，加適量液體，混拌均勻，經(jīng)成型、干燥和低溫烘烤，即可竣工使用。和傳統(tǒng)耐火磚相比，提高了施工效率，可以快速修補(bǔ)窯爐，提高壽命和作業(yè)率。

3.2 揮發(fā)分管道管徑

炭化分解產(chǎn)物經(jīng)過揮發(fā)分管道進(jìn)入焚燒爐，前期揮發(fā)分管道的直徑為0.8 m，由于生產(chǎn)過程中會(huì)有揮發(fā)分、焦油粘結(jié)物附在管道壁，時(shí)間越長(zhǎng)，附著物越多，不利于氣體的流通，現(xiàn)將管道直徑改為1.2 m。

3.3 冷卻器

炭化料從爐子直接輸出，物料溫度高，燒毀皮帶，物料必須冷卻再輸送。前期物料降溫是兩個(gè)階段，先進(jìn)入物料冷卻器，再進(jìn)入滾筒冷卻器，出料溫度為80℃～90℃，冷卻效果一般，其次物料冷卻器內(nèi)部容易堵料、內(nèi)漏，影響連續(xù)生產(chǎn)。現(xiàn)將滾筒冷卻器加大，取除物料冷卻器，出料溫度為35℃～40℃，效果明顯增加。

3.4 密封材料

前期炭化爐爐頭、爐尾用盤干進(jìn)行密封，不耐高溫，容易松動(dòng)，現(xiàn)用石墨塊替代，密封性更好，承受的高溫也提高了，更牢固。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要探究了我公司生產(chǎn)柱狀活性炭過程中工藝指標(biāo)的控制及理論、實(shí)踐因素的影響，最終找到最佳工業(yè)生產(chǎn)條件，生產(chǎn)出質(zhì)量最佳，產(chǎn)量最優(yōu)的活性炭炭化料，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收入。