活性焦強度檢測實踐與探討

段 超

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

活性焦是以煤為主要原料而制備的炭材料產品，主要用于煙氣凈化領域[1，2]。其可在1套反應器內聯合脫除SO2和NOx及其它污染物[3，4]，可用于鍋爐煙氣、焦爐煙道氣、球團煙氣的凈化[5，6]，在脫硫、脫硝過程中不產生廢渣、無二次污染，且可回收硫資源[7]。至2016年以來，活性焦使用最廣泛的領域在燒結煙氣。鋼鐵企業的鐵礦石燒結煙氣量大，溫度窗口120 ℃～190 ℃，完全符合活性焦脫硫脫硝的溫度范圍[8，9]。

目前，首鋼、寶鋼、沙鋼、邯鋼等大型鋼鐵企業的燒結機煙氣已確定采用活性焦干法煙氣凈化技術，活性焦的需求量也顯著增加。活性焦產品投裝至移動床煙氣凈化裝置中，一次性初裝量較大，根據處理煙氣量的不同而異，一般初裝量為幾千噸至上萬噸。活性焦的生產主要集中在寧夏、山西及陜西部分地區。由于活性焦市場的長期向好，很多煤炭生產企業及化工企業也在考慮投建活性焦生產廠。

活性焦的檢測國標在2013年發布[10]，對于活性焦產品的規范及應用發揮了非常積極的作用。但當時的活性焦應用領域并未如今之廣泛，活性焦的使用量及產能均不高。近些年活性焦的生產工藝水平、檢測手段、應用需求均有新的發展。以下針對活性焦檢測過程中生產及應用方所關注的強度指標(如耐壓強度及耐磨強度等)，依據實驗室的檢測實踐，對比國內外活性焦檢測要求進行分析，以期為將來活性焦檢測試驗方法的修訂提供借鑒。

1 活性焦的強度指標要求

活性焦顆粒的直徑大小分為A型和B型，所謂的A型是國內通用的φ9 mm柱狀活性焦、日本所用的φ10 mm的活性焦[11]；B型活性焦即為直徑5 mm、6 mm的活性焦。活性焦產品粒徑的不同是根據不同的煙氣脫硫脫硝反應器所設計。B型活性焦是滿足板式塔反應器需求的產品，其活性焦不是密集堆砌式填裝，因此對活性焦的耐壓強度及耐磨強度的要求較低，尤其是耐壓強度，25DaN耐壓強度即可滿足要求。

活性焦技術要求見表1。

表1 活性焦技術要求

序號項目指標A型優級品一級品合格品B型1水分/%≤5≤52堆積密度/(g·L-1)570～700570～700>11.2 mm ≤5%>6.3 mm ≤10.0%3粒度 (11.2～5.6) mm ≥90.0%(6.3～3.15) mm ≥84.0%(5.6～1.4) mm ≤4.7%(3.15～1.4) mm ≤5.0%<1.4 mm ≤0.3% <1.4 mm ≤1.0%4耐磨強度≥97.0≥94.0≥96.05耐壓強度/daN≥40≥37≥30≥256著火點/℃≥420≥4207脫硫值/(mg·g-1)≥20.0≥18.0≥15.0≥20.08脫硝率/%實測不規定

國內脫硫脫硝設備多為移動床裝置，不管是WKV對流式移動床裝置還是日本住友重機或國內克硫公司的錯流式移動床，活性焦均堆砌在裝置中，需較高的耐壓強度和耐磨強度。國內以A型活性焦的需求為主，依據表1活性焦技術要求，能夠區分A型活性焦關鍵指標主要包括耐壓強度、耐磨強度和脫硫值。其中脫硫值的檢測方法較為成熟，檢測誤差也較低。活性焦耐壓強度和耐磨強度指標試驗方法，隨著活性焦煙氣凈化技術的發展，活性焦應用量的不斷增加，其檢測數據的爭議正確性也越來越頻繁。

較高的耐壓強度及耐磨強度是活性焦區別于普通活性炭的最關鍵之處，然而關于活性焦耐壓強度的測試，盡管有國家標準在設備、測試方法上的詳細規定，但不同試驗室或檢測機構測得的結果仍有差異。關于耐磨強度國標測試方法和目前國內權威的企業標準有所區別，以下根據其檢測設備及具體操作規程進行分析和討論。

2 耐壓強度的實驗測定

日本相關企業對活性焦的耐壓強度測試要求非常嚴格，日本住友重機的報告稱之為“壓壞強度”，即活性焦以發生損壞、斷裂且不能正常使用的情況作為判定條件。GB/T 30202.3—2013《脫硫脫硝用煤質顆粒活性炭試驗方法 第3部分:耐磨強度、耐壓強度》中對試樣及設備條件進行詳細的規定，但對于判定活性焦耐壓強度的標準而提出活性焦壓碎瞬間的受力值。實際上不管是瞬間受力值或活性焦的壓壞強度，均在強調說明耐壓強度不是以活性焦持續壓碎或完全壓碎條件下所得到的受力值，因此種情況下測得的耐壓強度偏高。壓碎的瞬間即活性焦已不能正常使用，因而比較符合應用實際[12]。

一些設備制造商生產的耐壓設備為自動式測試設備，即將樣品放入檢測槽內，檢測設備壓頭自動工作、測試并讀取耐壓強度數據。判定活性焦耐壓強度值的工作均由設備自動完成。由于不同設備廠家判定標準的差異，儀器作為預先設定程序的自動設備，即將耐壓強度判定權交給了相關儀器的生產企業，而非專業測試人員。

日本住友重機或日本電源開發公司作為活性焦應用最成熟的單位，擁有很多成功的煙氣凈化工程案例，其在評估活性焦關鍵耐壓指標方面值得參考，即均使用機械式、指針壓力計耐壓強度儀。在檢測過程中利用人工操作機械搖桿逐漸施壓，由人工判斷活性焦在受壓斷裂或破碎瞬間而停止機械搖桿讀取耐壓強度，而非持續施壓。國內克硫公司的企業標準明確規定了使用點動式設備測試耐壓強度，即由專業的測試人員判斷活性焦的耐壓強度。顯而易見，測試人員利用“壓壞強度”判定活性焦的耐壓強度值時，其值低于“壓碎強度”值。

為了說明利用點動式強度儀測試活性焦耐壓強度有著較理想的重復性，實驗針對同一個活性焦試樣進行盲測，測試試樣數量為20粒，活性焦樣品耐壓強度重復性實驗具體數據見表2。其中，耐壓強度大于800 N按照800 N計算，低于80 N按照80 N計算。

表2 活性焦樣品耐壓強度重復性實驗

測試序號12345678910測試1耐壓試驗/N504539365432391269800/865800/805503492測試序號11121314151617181920耐壓試驗/N444644371134406536503707759722測試序號12345678910測試2耐壓試驗/N165800/980400100466606800/807373718517測試序號11121314151617181920耐壓試驗/N248671213800/982710711800/1227675265451

計算測試1和測試2的耐壓強度平均值分別為516 N和524 N，由此可見采用點動式耐壓強度儀由人工判定活性焦的“壓壞強度”所得的耐壓強度值有著較理想的重復性。分析2組耐壓強度測試數據發現，數據有一定的離散型。測試1的最低耐壓強度為134 N，最高耐壓強度為865 N；測試2耐壓強度低至100 N，最高耐壓強度達到1 227 N。計算20粒的平均值得到最終的耐壓強度值相近，說明20粒平均值能得到很好的回歸。

由表2中耐壓強度數據可知，較多活性焦試樣的耐壓強度均超過500 N。近些年來，隨著活性焦研究、生產水平的不斷提升，活性焦產品的耐壓強度均顯著增加。依據國標所規定的5 daN～50 daN已無法滿足對耐壓強度較高的活性焦進行有效區分。筆者所在的實驗室收集全國范圍內活性焦生產企業的樣品進行測試，有相當部分的活性焦樣品耐壓強度超過500 N。如果依據國標以50 daN為上線進行計算，將無法對耐壓強度高的活性焦樣品進行有效區分。參考上海克硫公司的企業標準，如表2的計算方法將活性焦有效耐壓強度范圍在80 N～800 N較為合理。

3 耐磨強度的實驗測定

依據 GB/T 30202.3—2013《脫硫脫硝用煤質顆粒活性炭試驗方法 第3部分:耐磨強度、耐壓強度》測定活性焦的耐磨強度，所用設備內徑200 mm，有效長度70 mm，內壁有對稱擋板2塊，擋板高30 mm、長70 mm、厚度3 mm～4 mm。在克硫公司的企業標準中測定活性焦耐磨強度，規定所用設備的內徑80 mm、有效長度120 mm、壁厚3 mm，內壁有對稱的縱筋。更為重要區別是，克硫公司標準在滾筒內放置了直徑為(14.3±0.2)mm的軸承滾珠5個，此即參考了水處理活性炭強度的檢測標準。

比較國標和克硫公司的企業標準可發現，國標的內徑相對較長，活性焦顆粒裝入耐磨強度儀中多為摔打，而不是以活性焦的表層和骨架受到破壞為主，并未很好地體現顆粒磨損的應用需求。對國內典型的無煙煤、煙煤為原料生產的5組商用活性焦產品，其耐磨強度分別依據國標和克硫企業標準進行檢測，具體結果見表3。

表3 活性焦分別依據國標和克硫企標測定耐磨強度的測試結果

%

由表3可知，不管依據國標或克硫企業標準，針對不同的商用活性焦產品區分度非常明顯；尤其由對比同一樣品時依據2個不同標準檢測所測得的強度值可發現，所有的國標法測試耐磨強度均低于克硫企業標準。活性焦顆粒在直徑200 mm轉鼓內摔打時更易碎，一般同等情況下所測得的耐磨強度比克硫標準要低。因此克硫企業標準規定，耐磨強度達到98%才屬合格品，而國標規定耐磨強度達94%即已合格。

為了更好地體現活性焦的磨損應用需求，建議國標對耐磨強度的設備規范及測定方法進行修訂，才能使其更好地服務于工業應用。

4 結 語

針對活性焦的耐壓強度及耐磨強度的檢測方法，結合應用實驗對比分析了國標法與國內外代表性的企業標準之差異，建議將檢測耐壓強度改為測定“壓壞強度”，以期更能滿足及拓展活性焦在煙氣凈化等領域的實際應用。測試耐壓強度以專業人員的檢測判定較為準確，而不能以設備制造商所設定的程序為準。對比了國標法和權威的企業標準有關耐磨強度的測試方法，認為活性焦裝入直徑較大的轉鼓中主要以摔打作用為主，不利于有效判定活性焦顆粒在工業裝置中的實際磨損情況。因此，有必要對活性焦的耐磨強度測試方法國家標準進行修訂。