外熱式炭化爐制備柱狀活性炭炭化料的應用實踐

王 娟

1 概述

目前國內外以無煙煤、煙煤和褐煤為原料生產活性炭的企業(yè)基本采用氣體活化法，主要生產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根據(jù)產品形態(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，合適的孔隙結構，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、空分設備、噴漆車間等領域。

圖1 柱狀活性炭生產工藝流程

炭化是活性炭生產的第一道熱處理工序，煤基柱狀活性炭的生產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)。

2 炭化料理論影響因素

本文主要對制備煤基活性炭過程中的炭化設備、工藝參數(shù)及生產過程中的其它影響因素進行了探索。

2.1 炭化設備

用于生產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、回轉炭化爐等，目前國內煤基活性炭生產中使用普遍的是回轉炭化爐，主要分為內熱式和外熱式兩種。

外熱式回轉炭化爐工作原理：炭化爐筒體內置多個獨立料管，爐內的物料和炭化分解產物在每個獨立的料管內是并流運行。在炭化爐的高溫出料端，物料與炭化分解產物分開，炭化分解產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蒸汽。

表1 炭化設備比選

通過上表分析，外熱式炭化爐生產能力大，熱效率高，我公司依據(jù)其優(yōu)缺點最終選用外熱式回轉炭化爐生產柱狀活性炭，總爐長21 m，爐體安裝傾斜角3.3°。

2.2 炭化爐工藝參數(shù)

2.2.1 炭化溫度

炭化溫度直接影響炭化料及成品質量。炭化溫度過低焦油物質溢出至顆粒表面形成油顆粒或球狀顆粒，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，生產操作中控制的是炭化爐的中部溫度。根據(jù)生產經(jīng)驗，繪制如下溫度曲線作為生產指導。

圖2 炭化爐控制溫度與最終溫度曲線關系

以我公司生產大顆粒柱狀炭化料為例，在控制一定投料量、轉爐速度的條件下，不同轉爐溫度生產制得炭化料及后續(xù)活化產品質量的比較（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量的影響

活性炭的質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%。活性炭的灰分存在兩大害處：第一使活性炭結構受到影響，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)分的產品容易引起自燃現(xiàn)象。

（3）耐壓強度要求不低于200 N。煤質硬度越高，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、爐子的轉速、爐體的傾斜角等各方面因素。物料在爐內的運動速度按公式

式中：Vm-物料在爐內運轉速度，m/min

D-爐直徑，

n-轉速，r/min

β-爐體傾斜角

α-物料自燃堆積角，炭素原料為45°～50°物料在爐內時間

由上述可知，調節(jié)爐子轉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，如果轉速太快，料條在爐內停留時間較短，要在短時間內大量逸出揮發(fā)分，料條膨脹、破損，炭化料的強度下降，外觀差，產率低；如果轉速太慢，則降低設備效率，產量低。表3在一定投料量，爐溫控制在540℃～580℃的條件下，不同轉爐轉速的生產比較。

表3 不同轉速制得炭化料情況

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構，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。

2.3 加料量

加大加料量，可以提高產量。如果加料量太大，爐內層厚，炭化不均勻;炭化料揮發(fā)分含量高，活化過程容易結塊，堵塞管道，產品質量也會下降。正常條件下，單臺處理量為1.5 t/h，根據(jù)實際生產情況，加料量也適當調節(jié)變化。

2.4 爐尾抽力

炭化過程產生的大量揮發(fā)分物質主要靠引風機及時排出，使爐內形成負壓，減少爐內揮發(fā)分的二次分解。爐尾抽力過低，熱氣流不能很好地通過轉爐，炭化爐局部高溫，爐頭容易燒紅，發(fā)生熱腐蝕。其次，產生的揮發(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)實際生產情況一般控制在-10 Pa～-50 Pa。

3 炭化料實踐影響因素

3.1 耐火材料

炭火爐內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。

3.2 揮發(fā)分管道管徑

炭化分解產物經(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，由于生產過程中會有揮發(fā)分、焦油粘結物附在管道壁，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。

3.3 冷卻器

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，其次物料冷卻器內部容易堵料、內漏，影響連續(xù)生產。現(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。

3.4 密封材料

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。

4 結語

本文主要探究了我公司生產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)生產條件，生產出質量最佳，產量最優(yōu)的活性炭炭化料，增加企業(yè)經(jīng)濟收入。