王 娟
目前國內(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),機械強度高,能經(jīng)受高溫、高壓作用,不易破碎灰,使用壽命長等特點。其工藝技術(shù)比較成熟,工藝流程如圖1所示,廣泛應用于氣體處理、污水處理、脫硫脫硝、溶劑回收、制氮機、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行活化,因此炭化過程是一個極其重要的環(huán)節(jié)。
本文主要對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行了探索。
用于生產(chǎn)活性炭的炭化爐有多種,如立式移動床窯爐、炕式爐、蜂房式爐、耙式爐、回轉(zhuǎn)炭化爐等,目前國內(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)置多個獨立料管,爐內(nèi)的物料和炭化分解產(chǎn)物在每個獨立的料管內(nèi)是并流運行。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)物進入焚燒爐進行燃燒,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)缺點最終選用外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐生產(chǎn)柱狀活性炭,總爐長21 m,爐體安裝傾斜角3.3°。
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?;蚯驙铑w粒,炭化不徹底,水容量低,強度低,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,繪制如下溫度曲線作為生產(chǎn)指導。
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),廠家針對指標為強度和揮發(fā)分。
表2 不同炭化溫度對炭質(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性能。我公司炭化料指標如下:
(1)灰分的含量要求不高于20%?;钚蕴康幕曳执嬖趦纱蠛μ帲旱谝皇够钚蕴拷Y(jié)構(gòu)受到影響,強度下降;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)耐壓強度要求不低于200 N。煤質(zhì)硬度越高,反應性越差,活化程度越慢。
由表2可以看出,炭化的溫度越高,炭化料強度越大,所得的活性炭強度也越大,但是活性炭碘值不是最高。因此,為了平衡各項參數(shù),我公司炭化溫度一般控制在540℃~580℃。
2.2.2 炭化時間
物料在炭化爐的停留時間取決于爐子的長度、爐子的轉(zhuǎn)速、爐體的傾斜角等各方面因素。物料在爐內(nèi)的運動速度按公式
式中:Vm-物料在爐內(nèi)運轉(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)時間
由上述可知,調(diào)節(jié)爐子轉(zhuǎn)速直接影響炭化時間。造粒機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)停留時間較短,要在短時間內(nèi)大量逸出揮發(fā)分,料條膨脹、破損,炭化料的強度下降,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,低溫長時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械強度。高溫短時間炭化起相反作用。
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)量也會下降。正常條件下,單臺處理量為1.5 t/h,根據(jù)實際生產(chǎn)情況,加料量也適當調(diào)節(jié)變化。
炭化過程產(chǎn)生的大量揮發(fā)分物質(zhì)主要靠引風機及時排出,使爐內(nèi)形成負壓,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)實際生產(chǎn)情況一般控制在-10 Pa~-50 Pa。
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)過長時間高溫灼燒,耐火磚會塌陷。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,可以快速修補窯爐,提高壽命和作業(yè)率。
炭化分解產(chǎn)物經(jīng)過揮發(fā)分管道進入焚燒爐,前期揮發(fā)分管道的直徑為0.8 m,由于生產(chǎn)過程中會有揮發(fā)分、焦油粘結(jié)物附在管道壁,時間越長,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。
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階段,先進入物料冷卻器,再進入滾筒冷卻器,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)?,F(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。
前期炭化爐爐頭、爐尾用盤干進行密封,不耐高溫,容易松動,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。
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的控制及理論、實踐因素的影響,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)濟收入。