高淑敏 王鳳偉 鄧 靖

廣州市怡森環(huán)保設(shè)備有限公司

活性碳吸附床著火情況分析

高淑敏 王鳳偉 鄧 靖

廣州市怡森環(huán)保設(shè)備有限公司

性活碳吸附床在吸附和脫附過程中存在偶發(fā)著火的情況,一旦出現(xiàn)著火,輕則損毀活性碳及其吸附裝置,重則連帶引燃、引爆其他裝置,造成嚴(yán)重?fù)p失,弄清楚在什么情況下會發(fā)生著火進(jìn)而采取有效措施避免著火產(chǎn)生，是值得深入探討的，并為更好的在實(shí)際應(yīng)用中提供安全的解決方案。

活性碳；吸附床；著火；情況分析

1 前言

目前活性碳吸附裝置廣泛使用在有機(jī)廢氣凈化治理、危險(xiǎn)廢棄物管理以及其它的含有有機(jī)物存儲設(shè)備中如汽油罐。我們知道有機(jī)溶劑蒸汽被吸附在活性碳上是一個(gè)放熱過程，在一定條件下，釋放的吸附熱量可能升高到引起活性碳或有機(jī)溶劑發(fā)生自燃的水平進(jìn)而導(dǎo)致活性碳吸附床著火。雖然活性炭床的著火不經(jīng)常發(fā)生，但是如果安全措施不能有效貫徹實(shí)施，也會給使用者帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。為了清楚活性碳吸附床在何種情況發(fā)生著火，用三種不同溶劑在不同使用條件下測試活性炭床出現(xiàn)著火的狀況的實(shí)驗(yàn),弄清楚發(fā)生著火的不同場合、條件。

2 活性碳發(fā)生著火及燃燒的實(shí)驗(yàn)調(diào)查

有機(jī)溶劑吸附在活性碳時(shí)釋放熱量稱為放熱反應(yīng)，此外某些反應(yīng)性化合物一旦吸附在活性碳上則在活性碳表面發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)或聚合反應(yīng)，這種反應(yīng)也是放熱的，而且放熱量與普通的吸附放熱量相比呈指數(shù)遞增，當(dāng)氧化放熱反應(yīng)所釋放熱量不能迅速散熱，溫度就可能在床體內(nèi)升高到活性碳和吸在活性碳上的溶劑起燃的溫度。

根據(jù)文獻(xiàn)檢索收集到的使用活性碳吸附裝置發(fā)生著火的資料很少。尤其是我們國家比較多使用活性碳吸附裝置也是最近十幾二十年，根據(jù)我們公司自己的經(jīng)驗(yàn)和我們了解到的客戶使用其他公司類似裝置的情況，顯示活性碳床著火是使用吸附床和包括再生式活性碳吸附系統(tǒng)處理有機(jī)溶劑時(shí)出現(xiàn)的情況?；钚蕴济摳皆偕到y(tǒng)是大型的有機(jī)廢氣凈化設(shè)備，處理的風(fēng)量從10000到100000m3/h不等,活性碳的再生就是現(xiàn)場不從設(shè)備中卸下活性碳而直接再生。盡管活性碳吸附系統(tǒng)及含活性碳再生系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上不同，但活性碳在吸附過程中一旦遇到含有某些有機(jī)物質(zhì)的氣體時(shí)，都容易引起著火。這些活性化學(xué)物質(zhì)在許多有機(jī)溶劑中都包含如酮類、醛類和有機(jī)酸類。

Naujokas指導(dǎo)了一系列實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn),用于評估不同工業(yè)用有機(jī)化合物在活性碳上吸附情況。第一組實(shí)驗(yàn)測試單獨(dú)類有機(jī)溶劑在新的活性碳吸附時(shí)的反應(yīng)。將新的活性碳吸附裝置的溫度設(shè)置在1250C，并且在活性碳床外部實(shí)施了隔熱方法及加熱方法保溫。首先，將含有一定濃度的有機(jī)溶劑的氮?dú)鈿饬魍ㄟ^吸附飽和的活性碳床，出來的氣體溫度及成分未發(fā)現(xiàn)變化。然后，將含有機(jī)溶劑氮?dú)鈿饬鞲臑楹袡C(jī)溶劑空氣氣流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仍然使用相同濃度的有機(jī)溶劑氣流進(jìn)入吸附飽和的活性碳床，由于活性碳沒有了吸附能力，氣流出口可以檢測到溫度變化及氣流中產(chǎn)生的CO和CO2濃度變化，說明吸附床內(nèi)有燃燒發(fā)生。采用不同溶劑品種,把氮?dú)饬鞲臑榭諝饬骱?可以檢測到部分有機(jī)溶劑品種有CO產(chǎn)生及活性炭床溫度升高，部分品種沒有CO產(chǎn)生及活性炭床溫度升高兩種狀況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)有22種有機(jī)化合物在1250C條件下發(fā)生氧化反應(yīng)，在此條件下，酮類、醛類和有機(jī)酸類有機(jī)溶劑都顯示了極高的化學(xué)反應(yīng)速率。同樣實(shí)驗(yàn)條件但將溫度調(diào)整到1000C時(shí)，有10種有機(jī)物質(zhì)顯現(xiàn)氧化反應(yīng)。在1000C的情況下，酮類及有機(jī)酸類的氧化反應(yīng)能力急劇降低，但是醛類的氧化反應(yīng)速率仍然很高，與在1250C的情況類似。

第二組實(shí)驗(yàn)：讓活性碳床在吸附甲乙酮處于飽和狀態(tài)時(shí)，將床體溫度設(shè)定為400C,一旦活性碳床處于吸附飽和時(shí)，就將通過吸附床體的氣流停止。但有微弱氣流從床體上部通入為活性碳床提供少量氧氣。這時(shí)活性碳床的溫度變化和氧化反應(yīng)產(chǎn)物都可以檢測到，當(dāng)進(jìn)入床體的氣流速度為0.2cm/s時(shí)，可以觀察到CO,CO2急劇產(chǎn)生，檢測到濃度從0ppm到8000ppm和6000ppm之間，當(dāng)進(jìn)風(fēng)氣流的速率為0.35cm/s時(shí)，未發(fā)現(xiàn)活性碳的熱點(diǎn)及CO,CO2，表明帶走的對流熱量大于熱量產(chǎn)生的速率。當(dāng)沒有進(jìn)風(fēng)發(fā)生時(shí)，熱點(diǎn)沒有擴(kuò)散，表明沒有足夠的空氣或者氧氣進(jìn)行氧化。實(shí)驗(yàn)用的相對濕度為60-65%的潮濕空氣時(shí)，熱點(diǎn)的產(chǎn)生會比使用干空氣時(shí)晚幾小時(shí)。

第三組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加大進(jìn)風(fēng)速度通過熱點(diǎn)，且熱點(diǎn)溫度夠高，熱點(diǎn)將導(dǎo)致活性碳床的燃燒。在一組實(shí)驗(yàn)中，采用0.02-0.10m/s的風(fēng)速通過2000C的熱點(diǎn)時(shí)，此時(shí)活性碳床吸附飽和甲基乙基酮，在6分鐘內(nèi)，熱點(diǎn)溫度上升至3760C,最終導(dǎo)致活性碳床燃燒。同樣情況發(fā)生在0.50m/s流速通過160-300C0C的活性炭床。

同樣的測試方法，實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)用于不同材質(zhì)的活性碳的氧化反應(yīng)也不同，椰殼類的活性碳比煤質(zhì)活性碳更加易燃。使用一定時(shí)間的活性碳也比新活性碳更易燃，實(shí)驗(yàn)表明丙酮的氧化反應(yīng)發(fā)生概率在使用過的活性碳上大于新活性炭，同樣的情況用甲乙酮上也一樣。

3 脫附再生裝置活性碳床著火特性

Smisek和Cerry研究了使用含有再生裝置的活性碳吸附床著火情況，當(dāng)含有酮類，醛類或類似化合物時(shí)。發(fā)現(xiàn)在吸附設(shè)備發(fā)生著火的情況大多是由于生產(chǎn)情況安排停機(jī)或機(jī)械故障關(guān)閉后發(fā)生。停機(jī)一段時(shí)間后，吸附系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí)發(fā)生著火狀況，調(diào)查者把這種著火情況歸于活性碳自發(fā)的氧化反應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)沒有在完全冷卻的狀態(tài)下停機(jī)，或者由于未關(guān)閉死的閥門扔滲入少量空氣進(jìn)入活性碳床，這些氣流卻足以引起氧化反應(yīng)所需。而且由于氧化產(chǎn)生的熱量散發(fā)較慢，在活性碳床的某個(gè)局部位置可能會引起活性碳的自燃。調(diào)查研究表明：活性碳吸附床在關(guān)機(jī)前將溫度下降到400C以下,著火現(xiàn)象就能避免。在我公司實(shí)際的使用中，由于當(dāng)時(shí)不了解活性炭床的著火條件，也發(fā)生了上述的情況，后續(xù)處理時(shí)采用了安全溫度設(shè)施避免了再次發(fā)生。

4 丙酮在活性碳吸附時(shí)氧化反應(yīng)

針對丙酮、甲酮吸附在活性碳上發(fā)生的氧化反應(yīng)及氧化反應(yīng)對活性碳影響的研究，所用活性碳時(shí)市面上可以買到的椰殼活性碳，研究者發(fā)現(xiàn)在溫度達(dá)到800C時(shí)，吸附在活性碳上的丙酮迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，當(dāng)丙酮氧化反應(yīng)釋放的熱量沒有及時(shí)消散，就會使活性碳床達(dá)到著火溫度，在風(fēng)量小的情況下，自燃開始只在部分區(qū)域，如有大量空氣氧氣進(jìn)入時(shí)會火勢迅速蔓延。在小風(fēng)量的情況下，氧化產(chǎn)生的熱量大于氣流帶走的熱量，會導(dǎo)致活性碳床溫度增加，進(jìn)一步加速氧化反應(yīng)速率。

研究表明，盡管有大量空氣進(jìn)入冷卻活性碳床，但活性碳有盲點(diǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致局部溫度也可能上升。盲點(diǎn)（是指活性碳只有少量空氣通過或者沒有空氣通過）。盲點(diǎn)可能由于氣流分配不均造成，也可能是活性碳破碎。（活性碳破碎在活性碳吸附+脫附再生系統(tǒng)，由于循環(huán)脫附再生，可能導(dǎo)致活性碳破碎，在部分區(qū)域?qū)е骂w粒，粉塵堆積）。

5 防止環(huán)己酮再生時(shí)的活性碳床著火和退化

Takenchi調(diào)查活性碳吸附環(huán)己酮（一種酮類物質(zhì)）時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)和氧化反應(yīng)導(dǎo)致活性碳燃燒情況，發(fā)現(xiàn)活性碳吸附的環(huán)己酮是發(fā)生氧化反應(yīng)造成活性碳床著火的最大原因。調(diào)查顯示，避免使用老化的活性碳能有效阻止活性碳床著火（使用了2年的活性碳的氧化反應(yīng)發(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新的活性碳），及時(shí)清理活性碳的灰塵，增加進(jìn)風(fēng)口的濕度，都能減少著火的風(fēng)險(xiǎn)。（一定濕度的空氣能避免活性碳床的過熱，相對濕度5%是最有效的防止著火的濕度）。

6 甲乙酮和環(huán)己酮在活性碳上的氧化反應(yīng)

用木質(zhì)的、軟煤、硬煤制成的三種活性碳上觀察甲乙酮、環(huán)己酮的氧化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)這兩種酮類有機(jī)化合物在有氧狀態(tài)下，即使是吸附狀態(tài)在活性碳的表面也會氧化反應(yīng)。溫度反應(yīng)、活性碳的種類和含不同灰份對氧化反應(yīng)的影響程度也進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)：1)為減少活性碳的表面氧化，活性碳吸附溫度的控制比活性碳的種類更重要；2）對于甲乙酮、環(huán)己酮等有機(jī)溶劑吸附溫度最好不要超過300C，因?yàn)檫@些酮類的氧化反應(yīng)速率在超過300C時(shí)就會呈現(xiàn)指數(shù)型急劇上升；3）需要至少有超過0.2m/s風(fēng)速氣流來通過活性碳帶走吸附氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；4）灰分高的活性碳氧化速率超過未處理過的活性碳。

7 關(guān)于活性碳吸附發(fā)生自燃和著火結(jié)論

⑴活性碳吸附過程是放熱的，從活性碳吸附過程的釋放熱量與流量、濃度、相對濕度和特定有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)相關(guān)；

⑵特別是當(dāng)氣流中含有特定的高濃度化合物時(shí)，活性碳吸附和氧化反應(yīng)會釋放大量熱量，根據(jù)以往的文獻(xiàn)報(bào)告，是由于這些活性碳床處理了含有含氧烴類有機(jī)化合物，引起著火的其他類化合物包括酮類、醛類、部分有機(jī)酸（如丙酸、丁酸）和有機(jī)硫有機(jī)化物（硫醇等；

⑶活性碳吸附床溫度能夠達(dá)到自燃溫度，在特定條件下，活性碳吸附可以釋放足夠的熱量達(dá)到其自燃并引燃整個(gè)活性碳吸附床；

⑷活性碳吸附時(shí)燃點(diǎn)與活性碳品種及條件相關(guān)，活性碳燃點(diǎn)在300-6000C范圍不等；

⑸活性碳吸附床著火通過活性炭床體導(dǎo)熱散熱很少，主要可以通過有效對流散熱而避免；

⑹活性碳吸附床因吸附和氧化放熱有局部熱點(diǎn)產(chǎn)生，如果熱量能不能通過對流散熱帶走，或者因氣流在活性碳表面產(chǎn)生勾留會導(dǎo)致熱量不平衡；

⑺活性碳吸附床著火源于吸附的局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到所吸附的有機(jī)物燃點(diǎn)或者局部缺氧狀態(tài)得到緩解后發(fā)生。

[1]《carbon bed fire and use of carbon canisters for Air Emis?sion Control on Fixed-Roof Tank》Danise Housley,Robert A Zerbo?nia.