大型壓塊活性炭生產線運行實踐與討論

趙 媛

(大同煤業金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037003)

活性炭具有較為發達的孔隙結構和較大的比表面積、良好的化學穩定性、優異的吸附性能，廣泛應用于環境保護、醫藥衛生和食品制藥等領域[1，2]。盡管理論上所有的含碳材料都可以制備活性炭，但是果殼活性炭、木質活性炭和煤基活性炭才是主要的商業活性炭產品[3]。

我國煤炭資源豐富，價格相對低廉，煤基活性炭還有抗磨損、易再生等優點。煤基活性炭主要應用在水的深度凈化、煙氣脫硫脫硝等領域，目前我國煤基活性炭的產能已經達到60 萬t/a[4]。

隨著GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》等國家標準的強制實施，飲用水深度凈化技術得到了廣泛應用，其中臭氧—生物活性炭技術是當前飲用水深度凈化的主要方法。根據活性炭產品的外觀形狀，煤基活性炭主要分為柱狀顆粒活性炭和破碎顆粒活性炭[5，6]。壓塊破碎顆粒活性炭簡稱為“壓塊活性炭”，主要用于水深度凈化。在活性炭吸附與臭氧聯用的臭氧—生物活性炭(O3-Biological Activated Carbon，O3-BAC)水處理工藝中，壓塊活性炭表面粗糙，微生物更容易附著、生長在其表面，比柱狀活性炭更加適用于水深度凈化處理[7，8]。2012年起GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》已經在全國強制實施，飲用水的監測指標從原有的35項增加至106項，其中代表各種有機污染物的化學需氧量(CODMn)應小于3 mg/L[9]。O3-BAC作為理想的飲用水深度凈化技術，隨著新建、改建市政供水深度凈化工程的不斷增多，壓塊活性炭需求量逐漸增加。同煤集團金鼎活性炭有限公司煤基活性炭產能達到了10 萬t/a，是世界上產能最大的單體活性炭生產企業，其中壓塊活性炭生產線的產能達到了5 萬t/a，也是國內壓塊活性炭產能最大的生產線。本文以5 萬t/a壓塊活性炭生產線在設備選擇、生產調試及運行過程中出現的一些問題開展討論。

1 壓塊活性炭的生產工藝

大同地區蘊藏的侏羅紀弱黏結性煙煤是制備壓塊活性炭的優質煤種。配煤工藝是生產壓塊活性炭的常用工藝[10，11]，配煤主要起到改善黏結性，調節活性炭孔隙和控制生產成本的作用。生產壓塊活性炭盡量不要配入添加劑/粘結劑，是利用原料煤的自身黏結性在外部的壓力作用下自成型。

同煤集團金鼎活性炭公司5 萬t/a壓塊活性炭生產線的工藝流程如圖1所示。原料煤經過干燥、混合配煤及磨粉成型，再經過破碎篩分、炭化及活化等關鍵步驟制成壓塊活性炭產品。其中活化料的篩下物經過磨粉后可以制得粉狀活性炭作為壓塊活性炭生產線的副產品。

圖1 金鼎公司壓塊活性炭生產工藝流程

在壓塊活性炭的生產過程中，磨粉、壓塊成型、炭化和活化是至關重要的工藝過程，下面分別對各個工藝過程中在設備選型、生產實踐中的問題展開討論。

2 磨粉

壓塊活性炭對原料煤粒度要求較高，原料煤磨粉是在工業允許條件下盡可能將原料煤磨得細一些，增大煤粉的外表面積，易于成型、提高壓塊炭的強度。一般要求煤粉的細度為95%以上通過325目可達到生產工藝要求。壓塊成型過程中原料煤的水分也是影響成型效果的重要指標，生產壓塊活性炭的原料煤通常是洗選后的精煤，含水量較高，磨粉和干燥工藝應該是統一在一個工段內。

5萬t/a壓塊活性炭生產線的干燥及磨粉工段選用的是盤式干燥機+雷蒙磨。由于壓塊活性炭大多采用配煤生產，在磨粉工藝之前進行配煤，易于在磨粉時將原料煤混合均勻，因此在盤式干燥機設備后、磨粉機之前對不同種類的原料煤按照壓塊活性炭的配比進行稱重，然后進入到磨粉工序。盤式干燥機利用蒸汽或者廢熱煙氣對原料煤進行干燥，但是該設備的故障率較高，在實際生產過程中干燥效果也比較有限。雷蒙磨優點是煤種適應性強，生產噪音較小，生產的煤粉細度很容易達到要求。然而，雷蒙磨在規模化的活性炭生產中缺點也是非常明顯，由于單臺設備產能較低(2.5～3.5 t/h)，對于5 萬t/a的壓塊活性炭生產線所需的設備數量就較多，并且雷蒙磨不能長周期連續運行，導致煤粉供應的連續性較差。

經過多年的發展，立式磨系統在磨制煤粉的細度、穩定性等方面已經完全滿足生產壓塊炭對煤粉的要求，并且配備熱風爐產生熱煙氣可以在磨粉過程中對物料進行干燥。立式磨單臺設備產能大(15～20 t/h)、規模化的活性炭生產中所用設備數量較少，并且立式磨占地面積較小。因此，大型的壓塊活性炭生產線投資運行，立式磨是較為理想的設備。

3 壓塊成型

3.1 壓塊成型工藝

壓塊成型是生產壓塊活性炭的關鍵工序，在成型模具內利用外部高壓作用將煤粉壓制成塊狀。大同地區煙煤具有弱黏結性，生產壓塊活性炭應盡可能不要配入粘結劑或者其它添加劑，因為瀝青類的粘結劑會降低活性炭的吸附性能[8，12]。成型過程中主要利用原料煤的自成型性，這樣有助于后續的炭化和活化生產。

成型設備為干法輥壓造粒機系統，其主要由螺旋加料機、螺旋喂料機、雙輥輥壓主機、破碎機、整粒機和多級旋振篩構成。煤粉從設備頂部加入，經脫氣、螺旋預壓進入2個平等軋輥，軋輥相對旋轉，物料被強制送入兩輥之間，帶槽軋輥將物料咬入輥隙被強制壓縮，制成長寬高為50mm×25mm×12mm的炭塊，其中壓力的范圍在12～15 MPa。

3.2 壓塊成型生產實踐與討論

研究表明，煤粉壓塊成型強度與煤粉的堆積密度、粒度分布、含水量和成型壓力等均相關，在實際生產過程中發現煤粉的堆積密度影響最為顯著。由于上一工段生產的煤粉在料倉內短暫停留后就被輸送至壓塊造粒，其尚未經過長時間的脫氣和沉積，堆積密度相對較低，僅為0.35～0.45 kg/L。但是，干法輥壓造粒機的設備定型實驗過程中，利用煤粉經過長時間的囤積，堆積密度達到了0.70 kg/L左右。干法輥壓造粒設備的模具體積是確定的，生產卻是按照重量計量，實際生產過程較低的煤粉堆積密度會導致壓塊造粒設備產能低于設計值。此外，低堆積密度的煤粉間空氣含量較多，導致形成料強度較差，生產過程中擠壓空氣造成“放炮”現象嚴重，產生的沖擊和振動對設備具有一定的損害作用。同時，粉料中空氣含量較多，會導致成型料強度降低。壓塊機的生產中除了盡量增加煤粉料的靜置時間，還在粉料進入壓塊設備之前設計有脫氣裝置，提高進入壓塊機設備的粉料堆積密度，從而增加產能，提升成型料的強度。

實際生產過程中壓力在12～15 MPa較為合理，提高壓力未必能夠增加形成料的強度。一方面，較高的壓力使得煤粉顆粒彈開，造成成型塊狀料裂紋；另一方面，過高的壓力可能會導致煤粉顆粒“壓潰”，從而造成強度的降低[12]。含水量同樣具有一定的影響，將煤粉輥壓成型屬于放熱過程，含有一定的水分具有潤濕性，有利于成型，但是過高的水分使得煤粉成團，不利于成型，大同煤壓塊成型過程中水分控制在2%～5%較為合適。

4 炭化

4.1 外熱式炭化爐的應用

炭化工序是煤基生產活性炭過程中的重要工序之一，炭化過程基本決定了活性炭的性能。炭化屬于煤的低溫干餾過程，活性炭的炭化過程控制理論已經發展的非常成熟，通過炭化工藝控制向著無定形炭含量多、石墨化程度低的方向發展才利于制備出孔隙發達的活性炭[13]。經過炭化后的炭化料形成了一定的初孔隙，有利于后續的活化工藝，并且炭化料的強度較壓塊破碎料會有所提高。

炭化爐設備的選擇在規模化的壓塊活性炭生產中尤為重要，用于活性炭生產的炭化爐有很多種，諸如大同當地土法使用的土窯爐、坑式爐等，還有立式炭化爐及轉爐等。其中土窯爐和坑式爐根本不具備現代化活性炭生產企業的條件，立式炭化爐產能較大，但是生產過程中的環保問題很難解決，生產環境較差，存在揮發性有機物(VOCs)的無組織排放和煤粉的散逸等問題。立式炭化爐多是處理塊狀原煤破碎炭的炭化，由于壓塊破碎顆粒堆積較為密實、透氣性較差，立式炭化爐并不適用于顆粒物料的炭化生產。

適用于壓塊破碎活性炭的炭化生產是回轉爐，回轉爐包括內熱式和外熱式2種。內熱式回轉爐的工作原理是加熱介質和被炭化的物料在一定的溫度范圍內連續直接接觸，相互逆向流動。內熱式回轉爐的熱源來自于配套的焚燒爐或者燃燒機，通過燃燒煤炭或者燃燒機產生的高溫熱煙氣對壓塊破碎顆粒加熱。由于燃燒過程中需要配入過量的空氣才能保證燃料完全燃燒，并且內熱式炭化爐的密封性能較差，所以一般內熱式炭化爐內的O2含量并不易控制。過高的O2含量會導致物料的過度燒蝕，不僅造成炭化料產量的下降，還會顯著降低炭化料的質量。另外一個關鍵是內熱式炭化爐內部為砌筑耐火磚的筒體結構，設備很難大型化，因此，內熱式炭化爐的產能通常為0.5 萬t/a，并不適合規模化的活性炭生產。

外熱式炭化爐內熱源和物料并非直接接觸，而是利用熱煙氣的輻射加熱物料，沒有O2的過燒問題，是完全符合炭化生產工藝控制過程的設備。外熱式回轉炭化爐筒體內置多個獨立的料倉，使得爐體內的物料充填系數增大，爐體內有效利用的炭化空間體積大幅提高，其生產能力是內熱式回轉炭化爐的3倍，達到了1.5 萬t/a 。經過調試、運行及多年的連續運轉，外熱式炭化爐在生產的穩定性方面已經非常成熟。表1是對內熱式炭化爐和外熱式炭化爐的優缺點對比。

表1 內熱式炭化爐及外熱式炭化爐設備的比較

外熱式炭化爐以鋼材作為筒體，內部物料通道采用不銹鋼管，單臺設備造價較高。但其生產能力大、設備可以長周期連續運行，炭化得率高、產品質量較好。外熱式炭化爐的熱源來自于炭化過程熱解尾氣，除了供給自身使用之外，還可以作為燃料氣通過焚燒爐產生的高溫煙氣供給余熱鍋爐生產水蒸氣，如圖2所示。無論從生產能力、產品質量、能源供應，還是節能環保等方面考核，外熱式炭化爐的性價比要顯著高于內熱式炭化爐。

圖2 焚燒法處理外熱式炭化爐尾氣

4.2 外熱式炭化爐生產實踐

5萬t/a壓塊活性炭生產線一共使用了12臺外熱式炭化爐，是外熱式炭化爐首次在我國煤基活性炭生產中大規模使用。由于外熱式炭化爐的熱源來自于自身的熱解尾氣，需要匹配焚燒爐，因此，在外熱式炭化爐調試、運行的初始階段，外熱式炭化爐和焚燒爐的匹配是最大的難題。

焚燒爐設計基礎數據來自于實驗室管式爐對炭化過程的模擬，壓塊成型顆粒在熱解過程中除了有CO和H2等可燃氣熱解逸出，還有一些低溫煤焦油析出。實驗室獲取的數據和工業實際生產存在一定的差異，煤焦油的量及熱值一般被低估，導致實際生產中炭化熱解氣至焚燒爐的管路設計相對較窄，煤焦油易于沉積、堵塞在管路中，造成氣路不暢。這樣，每隔1～2周就需要停爐，通入空氣或者利用熱煙氣、水蒸氣清理堵塞在管路中的焦油沉積。此外，過量的煤焦油還導致焚燒爐富裕系數降低，焚燒爐內燃燒溫度過高，對設備安全性造成影響。對焚燒系統的改造過程一方面是拓寬熱解氣管路，另一方面是拆除焚燒爐內部格子磚，擴大燃燒容積。改造后基本解決了炭化爐和焚燒爐不匹配問題。

5 活 化

活化是將炭化料已經產生的初孔隙進一步發育、擴大形成更多孔隙的過程。壓塊活性炭對吸附性能的要求較高，通常選用斯列普活化爐或者多膛爐作為活化設備，5 萬t/a的生產線中3 萬t/a的產能是利用斯列普活化爐生產，2 萬t/a的壓塊活性炭是采用多膛爐生產。

5.1 多膛爐的應用

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，經過國內幾代工程技術人員的不斷改進和完善，提升了自動化生產水平[14，15]，但是對生產工藝的優化較少。多膛爐是美國于20世紀50年代開始開發應用于活性炭的制造，可以用于活性炭的活化生產。在美國、歐洲和日本等國的大型活性炭企業均采用了多膛爐技術進行再生或者活化生產[16]。多膛爐設備的優點非常明顯，由于是多層爐膛設計，每一層爐膛都可以認為是獨立的活化室，可以精準控制活化的溫度、活化氣氛條件，從而生產出理想的活性炭產品。在5 萬t/a的活性炭生產線中選用了2臺多膛爐(外徑8.0 m、16層爐膛結構型式)，單套多膛爐設備合格壓塊活性炭的產能達到1 萬t/a，基本等同于6臺560型斯列普活化爐的產能。多膛爐的最大缺點是造價較高，但是隨著部分關鍵部件的國產化，近些年來多膛爐的的造價顯著降低。表2是對斯列普活化爐和多膛爐的比較。

表2 斯列普活化爐和多膛爐對比

炭化料由斗式提升機提升到多膛爐頂部，由多膛爐頂部設置的2臺雙翻板喂料器喂入最上層爐膛，當總爐膛數量采取奇數取值設計時，該爐膛為“外耙層”(爐床上的物料由近中軸處向近爐壁位置移動，最終由近爐壁處的一系列落料孔掉落到下一層爐床上)，第二層爐膛為“內耙層”(爐床上的物料由近爐壁處向近中軸位置移動，最終由近中軸處的圓環形落料孔掉落到下一層爐床)。如此“外耙層”與“內層”交互排列，直到物料在最后一個爐層(爐子的最底層，為“外耙層”)被耙齒輸送到卸料孔卸出。多膛爐的內部內耙層和外耙層的結構如圖3所示。

圖3 多膛爐內部結構

5.2 多膛爐的生產實踐與討論

由于活化氣體水蒸氣與炭化料的反應是吸熱過程，理論上應該是補充熱源，多膛爐生產過程中是通過開啟燃燒器提供熱量，尤其在底部爐膛活化溫度高于850 ℃，國內外的多膛爐運行經驗是至少需要開啟底層燃燒器提供熱量，保證多膛爐的“自熱平衡”[17]。但是在實際生產過程中燃氣供應較為緊張，因此嘗試將底層燃燒器關閉，通入過量的空氣，通過氧化炭化料獲得熱量。這樣勢必降低了活化的得率，還可能對產品的指標造成一定的影響。在生產過程中發現，生產碘值1 000 mg/g的壓塊活性炭產品，在關閉底層燃燒器的條件下其活化得率仍然高于40%，顯著高于斯列普活化爐33%的活化得率。

多膛爐對炭化料的適應性較強，在炭化爐調試改造過程中，炭化料的供應有限，部分炭化料的揮發分較高，達到了20%左右。斯列普活化爐對揮發分較高的炭化料適應性較差，過多的揮發分在斯列普活化爐產品道內產生的低溫焦油會堵塞產品道，導致斯列普活化爐的生產能力降低。而多膛爐由于自身結構和配套工藝并不存在此類問題，過量的揮發分通過二次燃燒室的燃燒后產生的熱煙氣可以用于生產水蒸氣。

多膛爐用于活化生產的優勢還包括，生產過程較為潔凈，無組織的VOCs排放量很小，煙氣焚燒后經過除塵、脫硫和脫硝處理。此外，多膛爐設備自動化程度較高，一旦工藝參數調試運行穩定，可以保持長周期運轉。與斯列普活化爐相比，生產中人員使用量大幅度減少且人工勞動強度較低，2套設備包括中控監控和設備巡檢只需要5人/班即可。總之，未來的活性炭活化生產中使用多膛爐是發展的趨勢。

6 結 語

綜上所述，壓塊活性炭生產涉及的專業領域較多，尤其是規模化的生產線，牽涉到設備選型、工藝控制等方面問題。實際生產過程中需要確保每個工段達到理想的指標才能生產出合格的壓塊活性炭產品。一個大型的壓塊活性炭生產線在實際運行過程中，遇到的問題遠不止文中所提到的這幾點，至少還應包括原料煤的選擇及配煤優化、物料的中轉、儲存及安置等。壓塊活性炭生產線在設計階段就應該充分考慮到生產運行中可能出現的種種問題，才能減少生產調試中的負擔，降低反復改造、調試工藝設備產生的費用，盡可能提高企業的效益。

■ 節能與環保