煤基活性炭生產(chǎn)用回轉(zhuǎn)式炭化爐生產(chǎn)工藝探討

王麗　馬典松

摘要：活性炭的吸附性能主要依靠的是其豐富的空隙結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積。而初步空隙的形成是在活性炭生產(chǎn)過程的炭化過程。通過優(yōu)化控制炭化溫度、加料量、轉(zhuǎn)速、炭化抽力，可使炭化料強(qiáng)度達(dá)到97%，揮發(fā)分達(dá)到8%，比表面積達(dá)到220m3/g。

關(guān)鍵詞：活性炭；炭化

引言

活性炭作為一種優(yōu)良的多孔吸附劑和催化劑載體，用途極為廣泛[1，2]。自問世100多年來，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于化工、冶金、石化、醫(yī)藥、食品、輕工、兵工等領(lǐng)域[3]。

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于生活環(huán)境及生活用水的質(zhì)量關(guān)注程度越來越高。而活性炭作為一種節(jié)能環(huán)保、吸附性能好的吸附材料，在液相吸附和氣相吸附方面得到廣泛應(yīng)用。活性炭的吸附性能主要靠的是空隙，而空隙的初步形成就是炭化過程。

一、炭化爐設(shè)備種類簡介

目前用于生產(chǎn)炭化料的設(shè)備種類很多，諸如立式移動(dòng)床窯爐、坑式爐、蜂房式爐、耙式爐、回轉(zhuǎn)炭化爐等，而回轉(zhuǎn)炭化爐是目前國內(nèi)外煤基活性炭生產(chǎn)中使用最廣泛的炭化設(shè)備，根據(jù)加熱方式的不同可以分為外熱式和內(nèi)熱式兩種。目前，國內(nèi)炭化工藝大多采用的是內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)炭化爐。

二、炭化原理

炭化是活性炭制造過程中的主要熱處理工序之一，炭化過程中大部分非炭元素—?dú)浜脱跻蛟系母邷胤纸馐紫纫詺怏w形式被排除，而獲釋的元素碳原子則組合成通稱為基本石墨微晶的有序結(jié)晶生成物。

嚴(yán)格的說，炭化應(yīng)是在隔絕空氣的條件下進(jìn)行。炭化是指在低溫下（500℃左右）煤及煤瀝青的熱分解、固化以及煤焦油中低分子物質(zhì)的揮發(fā)，主要有三個(gè)階段：①干燥階段：溫度在120℃以下，原料煤釋放出外在水分和內(nèi)在水分，此時(shí)原料煤的外形無變化；②開始熱解階段：120-130℃原料煤開始發(fā)生分解釋放出熱解水，形成氣態(tài)產(chǎn)物（如CO2，CO，H2S等），并有微量焦油析出；③炭化階段：溫度在300-550℃原料煤大量析出揮發(fā)分，炭化過程析出的焦油和煤氣產(chǎn)物幾乎全部在此階段產(chǎn)生。

三、炭化生產(chǎn)工藝

（一）炭化工藝流程

1、物料流程：成型顆粒經(jīng)運(yùn)輸機(jī)提升直接加入回轉(zhuǎn)爐的加料室內(nèi)，借助重力作用落入滾筒內(nèi)，沿著滾筒內(nèi)螺旋運(yùn)動(dòng)被帶到抄板上，靠筒體的坡度和轉(zhuǎn)動(dòng)物料由爐尾向爐頭方向移動(dòng)。物料首先經(jīng)過溫度為200℃的預(yù)熱干燥階段，進(jìn)入300-550℃的炭化階段，在這個(gè)過程中，炭粒與熱氣流接觸而進(jìn)行炭化，排出水分及揮發(fā)分，最后經(jīng)卸料口卸出。

2、氣體流程：爐尾尾氣在燃燒室中燃燒后，一部分尾氣返回到爐頭，進(jìn)入滾筒與逆流而來的炭粒直接接觸進(jìn)行炭化；另外一部分進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行換熱，換熱后的煙道氣從煙筒排出。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽部分送到活化工序和換熱站，部分返回爐頭與尾氣混合后進(jìn)入炭化爐。

（二）炭化溫度

炭化溫度直接影響炭化料的孔隙結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。溫度過低炭化產(chǎn)物無法形成足夠的機(jī)械強(qiáng)度，溫度過高則會(huì)促使炭化產(chǎn)物中的石墨微晶有序變化，減少微晶之間的空隙，影響活化造孔過程。

利用寧夏太西無煙煤生產(chǎn)活性炭，將無煙煤加熱，其炭化產(chǎn)物中易石墨化成分占主導(dǎo)地位，無煙煤對(duì)炭化終溫非常敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)就開始收縮，結(jié)果造成在炭化初始階段形成的微孔容積大幅度降低。

炭化溫度對(duì)炭化料初始孔隙的形成影響很大，按照炭化過程中溫度的影響，寧夏太西無煙煤的炭化料炭化溫度工藝應(yīng)控制為：爐尾（入料口）300-350℃；爐頭（出料口）550-650℃；物料在爐內(nèi)的有效停留時(shí)間為30-40min，即物料的升溫速度應(yīng)控制在15-20℃/min范圍內(nèi)。高升溫速率能使物料析出更多的焦油和煤氣，降低炭化料產(chǎn)率。降低升溫速率時(shí)，物料在低溫區(qū)受熱時(shí)間長，熱解反應(yīng)的選擇性較強(qiáng)，初期熱解使物料分子中較弱的鍵斷開，發(fā)生了平行的和順序的熱縮聚反應(yīng)，形成具有較高熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，從而減少高溫?zé)峤馕龀鑫锏膿]發(fā)分產(chǎn)率，獲得更高揮發(fā)份的固體炭化產(chǎn)物（即炭化料）。

（三）炭化加料量。炭化生產(chǎn)過程中，加料量的控制是影響炭化料揮發(fā)分、強(qiáng)度以及產(chǎn)量和產(chǎn)率的重要因素。炭化加料量太大，會(huì)造成物料與爐體接觸的頻次減少，熱量不能在短時(shí)間內(nèi)輻射到料堆內(nèi)部，最終影響炭化料的質(zhì)量。同時(shí)料量過大，會(huì)使過多煙氣在焚燒室內(nèi)燃燒，造成熱量積聚，影響余熱鍋爐的使用壽命。加料量太小一方面不適合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原理，另一方面煙氣過少會(huì)改變炭化工藝，使得無法操作。適當(dāng)控制炭化爐的料量是保證炭化料質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。

（四）炭化爐轉(zhuǎn)速。炭化爐轉(zhuǎn)速的控制是影響炭化料揮發(fā)分、強(qiáng)度以及產(chǎn)量和產(chǎn)率的又一重要因素。炭化爐轉(zhuǎn)速快，則產(chǎn)量大、揮發(fā)分高，但是如果只一味追求產(chǎn)量，轉(zhuǎn)速過快，則會(huì)導(dǎo)致炭化料碎料多、強(qiáng)度低，不但造成大量的浪費(fèi)，使得后續(xù)活化產(chǎn)率低下，最終影響活性炭產(chǎn)品的使用性能。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為確保炭化料質(zhì)量，必須控制好炭化爐轉(zhuǎn)速。不同爐型需要不同的工藝參數(shù)，這需要在生產(chǎn)中根據(jù)實(shí)際而定。

（五）炭化抽力。在環(huán)境保護(hù)壓力越來越大的情況下，炭化生產(chǎn)工藝控制過程中，炭化抽力的控制顯得尤為重要。抽力過大會(huì)使燃燒不充分，造成煙氣浪費(fèi)的同時(shí)，也會(huì)使炭化爐煙囪冒黑煙，最終導(dǎo)致環(huán)保不達(dá)標(biāo)。

經(jīng)過長期的生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，利用寧夏太西無煙煤的生產(chǎn)過程，炭化抽力一般控制在-（20-40）Pa最合適。

四、結(jié)語

活性炭的吸附性能主要依靠的是其豐富的空隙結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積。而初步空隙的形成是在活性炭生產(chǎn)過程的炭化過程。通過優(yōu)化控制炭化溫度、加料量、轉(zhuǎn)速、炭化抽力，可使炭化料強(qiáng)度達(dá)到97%，揮發(fā)分達(dá)到8-10%，同時(shí)炭化料比表面積最高能夠達(dá)到220m3/g。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴偉娣，孫康.我國活性炭技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀及發(fā)展需求分析[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2010，3（44）：40～44.

[2]孫仲超，張文輝等.壓力對(duì)太西無煙煤制活性炭的炭化和活化過程的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，3（30）： 353～357.

[3]李艷芳，梁大明等.國內(nèi)外活性炭應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)分析[J].潔凈煤技術(shù)，2009，15（1）：5～8.