新型內熱式活化爐系統在生產中的應用

趙 創，王志雄

(1.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710038；2.西安中聚能環研究設計院有限公司，陜西 西安 710038)

活性炭是一種優良的吸附材料，其物理、化學性質穩定，是一種循環經濟型材料，廣泛用于食品、制藥及環保領域[1，2]。制備活性炭的方法包括物理法和化學法等。化學活化法是通過將化學試劑(ZnCl2或KOH)嵌入炭顆粒內部，經歷一系列的交聯縮聚反應形成微孔。物理活化先將原料在500℃ 炭化，然后用H2O 或CO2等氣體在800℃以上進行活化[2]。物理活化法所需的活化溫度一般較化學活化法高，且停留時間也更長，因此，耗能較大，成本高。盡管有這些缺點，物理活化法在實際生產中的應用仍然十分廣泛，原因在于其制得的活性炭無需過多的后處理步驟，而化學活化法制得的活性炭需要除去殘留活化劑。

生產活性炭的裝置目前主要包含有內熱式回轉窯、外熱式回轉窯、耙式爐和斯列普活化爐，其中，內熱式回轉窯應用最為廣泛，在生產過程中，活化爐需要大量的水蒸氣參與反應，內熱式回轉窯因為技術難度小、投資低而被廣泛應用，但是該系統存在產量低、碘值相對較低的問題，提高質量和產量是其亟待解決的問題。

1 內熱式回轉窯

回轉活化爐主要由爐頭、回轉筒體、傳動部件、爐尾、出料裝置、蒸汽供應管道等所組成。隨著回轉爐的轉動，回轉爐外不斷地向爐內供應一次空氣，二次空氣從回轉爐體徑向方向不斷向爐內供應。因此，炭化料始終在活化爐的下部向活化爐的尾部移動，下部通入的水蒸氣和爐內炭化料的接觸面增加，使得爐內的炭化料和水蒸氣在高溫下發生反應，生產活性炭。

在此活化過程中，炭和水蒸氣放出的CO和H2上升到爐內上層，和外部空氣中的氧氣反應，生成CO2和H2O并放熱，提高爐內的活化溫度。同時在余熱鍋爐內補充一定的空氣，保持一定的停留時間，充分燃燒煙氣中的可燃氣，并進行余熱回收，從而達到降低能耗的目的。

2 設計依據

該生產裝置由西安中聚能環研究設計院有限公司設計，在新疆哈密落地生產。

2.1 設計標準

煤基活性炭行業尾氣執行標準為DB64/T 819—2012，該標準要求比較低，環評報告執行GB 13271—2014標準，但是該標準未明確提出煙氣CO排放值。參考加熱爐煙氣排放要求，本文選用排放值150～250mg/m3進行系統設計。

2.2 設計參數確定

(1)系統原料。系統設計以原煤為活化原料，原煤粒徑范圍為8～20mm，原煤的工業分析具體見表1。

表1 原煤工業分析

(2)活化指標。采用空氣作為助燃劑，水蒸氣作為活化劑，活化段溫度為800～950℃，物料停留12～15h，活性炭設計產量為5～6t/d，具體活性炭指標見表2。

表2 活性炭質量指標

3 活化系統流程

原料煤用自卸車將物料堆積在料廠，采用鏟斗車將物料送入窯前原料斗，通過星型給料機將物料送到活化爐內，通過一次風機和二次風機供風，一次風機主要用于提溫，二次風機主要用于提升中段后溫度。

原煤在前段完成熱解反應，一次風機空氣與可燃氣進行燃燒，使轉窯前段逐漸升溫至950～1 100℃，中段通入過熱水蒸氣，高溫半焦和水蒸氣產生活化反應生成活性焦，伴隨著活性焦發生吸熱反應，活化反應產生H2和CO。二次風機鼓風將中段的可燃氣燃燒，提升中段后的溫度，物料溫度高于800℃，提升產品的質量，減少了進入余熱鍋爐的可燃氣含量。反應生成的活性炭隔絕空氣冷卻至80℃以內，經出料口進入輸送帶，然后送至篩分工段。

活化過程中產生的煙氣溫度約為800℃，煙氣進入余熱鍋爐加熱軟化水，產生蒸汽作為活化劑回到轉窯內，經過余熱鍋爐后尾氣溫度約為400℃，蒸汽作為活化劑進入旋轉窯參與反應，煙氣再進省煤器和布袋除塵器，然后進入脫硫塔進行脫硫，煙氣達標高位煙囪排放。活化生產系統流程見圖1。

圖1 活化生產系統流程

4 新型內熱式活化系統技術優點

4.1 鼓風技術特點

采用非傳統的通空氣方式，傳統靠單一風機給窯頭送料，前段溫度逐步升到950～1 000℃，同時通入蒸汽，發生活化反應(水煤氣反應和消碳反應)產生氫氣和一氧化碳，但氧氣在前半段消耗完，后半段溫度逐步降低，達不到活化溫度，因此碘值較低。該系統采用二次供風，可提高后半段溫度，較大提高產品的品質，增加了產量。窯爐各點溫度見圖2，橫坐標中5個點代表距離進料端的2.5m，6m，10m，13m，16m等處。

圖2 窯內各點溫度

4.2 焚燒余熱一體鍋爐

對原有鍋爐進行調整，增加二次鼓風機后，尾氣溫度在800℃以上，給鍋爐內增加補燃風機，將尾氣中的可燃氣焚燒干凈，既環保，又能增加蒸汽產量，CO含量按照加熱爐標準可以控制在250mg/m3以內。富產的蒸汽壓力高，可達到3.83MPa的飽和蒸汽。如果規模大，富余的高壓蒸汽可以用于發電或外供等。傳統可燃氣不燃燒，生產環境有安全隱患。

4.3 采用非傳統的水蒸氣通入方式

隨著回轉爐的轉動，通過一次風機不斷鼓風提溫，出口風管安裝在窯爐端面中心點以下(斜向下)，二次風機提高窯爐中后段溫度，出口風管安裝在窯爐端面中心點以上(斜向上)。從回轉爐的徑向方向不斷送入蒸汽，蒸汽管沿回轉窯均勻分布(30圈)，每圈有8個進口，正常窯爐供應的蒸汽壓力0.4～0.6MPa(飽和蒸汽)，經減壓為過熱蒸汽。上述布置使炭化料在下部與通入的水蒸氣接觸，使得爐內的炭化料和水蒸氣在高溫下發生反應，生產活性炭。蒸汽管分布見圖3。

圖3 局部蒸汽管分布

4.4 維護簡單

該系統采用傳統爐型，在外圍工藝方面，增加了些設備，其他幾乎沒有變化。但給窯內通蒸汽的管道長期處于高溫，窯內有H2、CO、H2S、SO2、焦粉及煤粉，導致蒸汽管道腐蝕，蒸汽管道2～3個月計劃重新換一批。

4.5 生產環境改善

設備密封性好，從進料到出料均是密閉的，改善了以往活性炭廠出料粉塵大、工作環境差的現象，減少環境污染。

5 產品質量比對

從表3可以看出，兩種爐型對產品影響較大，新型內熱式活化爐產品碘值及亞甲基藍值高，市場需求量大。同時，新工藝產品質量高，相比傳統工藝，提升50%的產量。對于整體系統來說，產品質量好，產量高，能降低生產成本，提高市場競爭力。

表3 同爐型的產品質量對比

6 結語

(1)新型內熱式活化爐采用新工藝，提高了窯內后半段活化溫度，提高了產品質量。

(2)采用焚燒余熱一體鍋爐，將可燃物焚燒，不但達到排放標準，更加節能。同時，還改變了目前活性炭企業粉塵大、工作環境差的現狀。