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,造成嚴重損失,弄清楚在什么情況下會發(fā)生著火進而采取有效措施避免著火產(chǎn)生，是值得深入探討的，并為更好的在實際應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廢氣凈化治理、危險廢棄物管理以及其它的含有有機物存儲設備中如汽油罐。我們知道有機溶劑蒸汽被吸附在活性碳上是一個放熱過程，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溶劑發(fā)生自燃的水平進而導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施，也會給使用者帶來巨大風險。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)著火的狀況的實驗,弄清楚發(fā)生著火的不同場合、條件。

2 活性碳發(fā)生著火及燃燒的實驗調查

有機溶劑吸附在活性碳時釋放熱量稱為放熱反應，此外某些反應性化合物一旦吸附在活性碳上則在活性碳表面發(fā)生化學氧化反應或聚合反應，這種反應也是放熱的，而且放熱量與普通的吸附放熱量相比呈指數(shù)遞增，當氧化放熱反應所釋放熱量不能迅速散熱，溫度就可能在床體內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)處理有機溶劑時出現(xiàn)的情況。活性碳脫附再生系統(tǒng)是大型的有機廢氣凈化設備，處理的風量從10000到100000m3/h不等,活性碳的再生就是現(xiàn)場不從設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)在設計上不同，但活性碳在吸附過程中一旦遇到含有某些有機物質的氣體時，都容易引起著火。這些活性化學物質在許多有機溶劑中都包含如酮類、醛類和有機酸類。

Naujokas指導了一系列實驗室實驗,用于評估不同工業(yè)用有機化合物在活性碳上吸附情況。第一組實驗測試單獨類有機溶劑在新的活性碳吸附時的反應。將新的活性碳吸附裝置的溫度設置在1250C，并且在活性碳床外部實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溶劑的氮氣氣流通過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，將含有機溶劑氮氣氣流改為含有機溶劑空氣氣流進行實驗，仍然使用相同濃度的有機溶劑氣流進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，說明吸附床內有燃燒發(fā)生。采用不同溶劑品種,把氮氣流改為空氣流后,可以檢測到部分有機溶劑品種有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)實驗有22種有機化合物在1250C條件下發(fā)生氧化反應，在此條件下，酮類、醛類和有機酸類有機溶劑都顯示了極高的化學反應速率。同樣實驗條件但將溫度調整到1000C時，有10種有機物質顯現(xiàn)氧化反應。在1000C的情況下，酮類及有機酸類的氧化反應能力急劇降低，但是醛類的氧化反應速率仍然很高，與在1250C的情況類似。

第二組實驗：讓活性碳床在吸附甲乙酮處于飽和狀態(tài)時，將床體溫度設定為400C,一旦活性碳床處于吸附飽和時，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。這時活性碳床的溫度變化和氧化反應產(chǎn)物都可以檢測到，當進入床體的氣流速度為0.2cm/s時，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，當進風氣流的速率為0.35cm/s時，未發(fā)現(xiàn)活性碳的熱點及CO,CO2，表明帶走的對流熱量大于熱量產(chǎn)生的速率。當沒有進風發(fā)生時，熱點沒有擴散，表明沒有足夠的空氣或者氧氣進行氧化。實驗用的相對濕度為60-65%的潮濕空氣時，熱點的產(chǎn)生會比使用干空氣時晚幾小時。

第三組實驗發(fā)現(xiàn)：當加大進風速度通過熱點，且熱點溫度夠高，熱點將導致活性碳床的燃燒。在一組實驗中，采用0.02-0.10m/s的風速通過2000C的熱點時，此時活性碳床吸附飽和甲基乙基酮，在6分鐘內，熱點溫度上升至3760C,最終導致活性碳床燃燒。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，實驗者發(fā)現(xiàn)用于不同材質的活性碳的氧化反應也不同，椰殼類的活性碳比煤質活性碳更加易燃。使用一定時間的活性碳也比新活性碳更易燃，實驗表明丙酮的氧化反應發(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，當含有酮類，醛類或類似化合物時。發(fā)現(xiàn)在吸附設備發(fā)生著火的情況大多是由于生產(chǎn)情況安排停機或機械故障關閉后發(fā)生。停機一段時間后，吸附系統(tǒng)重新啟動時發(fā)生著火狀況，調查者把這種著火情況歸于活性碳自發(fā)的氧化反應，當系統(tǒng)沒有在完全冷卻的狀態(tài)下停機，或者由于未關閉死的閥門扔滲入少量空氣進入活性碳床，這些氣流卻足以引起氧化反應所需。而且由于氧化產(chǎn)生的熱量散發(fā)較慢，在活性碳床的某個局部位置可能會引起活性碳的自燃。調查研究表明：活性碳吸附床在關機前將溫度下降到400C以下,著火現(xiàn)象就能避免。在我公司實際的使用中，由于當時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)處理時采用了安全溫度設施避免了再次發(fā)生。

4 丙酮在活性碳吸附時氧化反應

針對丙酮、甲酮吸附在活性碳上發(fā)生的氧化反應及氧化反應對活性碳影響的研究，所用活性碳時市面上可以買到的椰殼活性碳，研究者發(fā)現(xiàn)在溫度達到800C時，吸附在活性碳上的丙酮迅速發(fā)生氧化反應，當丙酮氧化反應釋放的熱量沒有及時消散，就會使活性碳床達到著火溫度，在風量小的情況下，自燃開始只在部分區(qū)域，如有大量空氣氧氣進入時會火勢迅速蔓延。在小風量的情況下，氧化產(chǎn)生的熱量大于氣流帶走的熱量，會導致活性碳床溫度增加，進一步加速氧化反應速率。

研究表明，盡管有大量空氣進入冷卻活性碳床，但活性碳有盲點現(xiàn)象，導致局部溫度也可能上升。盲點（是指活性碳只有少量空氣通過或者沒有空氣通過）。盲點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，可能導致活性碳破碎，在部分區(qū)域導致顆粒，粉塵堆積）。

5 防止環(huán)己酮再生時的活性碳床著火和退化

Takenchi調查活性碳吸附環(huán)己酮（一種酮類物質）時發(fā)生氧化反應和氧化反應導致活性碳燃燒情況，發(fā)現(xiàn)活性碳吸附的環(huán)己酮是發(fā)生氧化反應造成活性碳床著火的最大原因。調查顯示，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發(fā)生率遠遠大于新的活性碳），及時清理活性碳的灰塵，增加進風口的濕度，都能減少著火的風險。（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

用木質的、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，發(fā)現(xiàn)這兩種酮類有機化合物在有氧狀態(tài)下，即使是吸附狀態(tài)在活性碳的表面也會氧化反應。溫度反應、活性碳的種類和含不同灰份對氧化反應的影響程度也進行了調查，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)己酮等有機溶劑吸附溫度最好不要超過300C，因為這些酮類的氧化反應速率在超過300C時就會呈現(xiàn)指數(shù)型急劇上升；3）需要至少有超過0.2m/s風速氣流來通過活性碳帶走吸附氧化反應產(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 關于活性碳吸附發(fā)生自燃和著火結論

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物發(fā)生氧化反應相關；

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

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

⑷活性碳吸附時燃點與活性碳品種及條件相關，活性碳燃點在300-6000C范圍不等；

⑸活性碳吸附床著火通過活性炭床體導熱散熱很少，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)生勾留會導致熱量不平衡；

⑺活性碳吸附床著火源于吸附的局部熱點溫度達到所吸附的有機物燃點或者局部缺氧狀態(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.