一種新型煤基活性炭活化工藝

郭建文

(山西欣國環(huán)環(huán)?？萍加邢薰荆轿?太原 030002)

一種新型煤基活性炭活化工藝

郭建文

(山西欣國環(huán)環(huán)保科技有限公司，山西 太原 030002)

比較和分析了目前國內(nèi)成熟的活性炭活化工藝，通過活化設(shè)備、活化原理、活化時(shí)間等方面的結(jié)果分析，推薦一種新型的循環(huán)流化床活化工藝，該工藝具有經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)保達(dá)標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。

煤基；活性炭；活化工藝；循環(huán)流化床

引 言

煤炭是我國最主要的能源，長期以來，我國絕大部分煤炭用途較單一，大多用于動(dòng)力煤、煉焦等企業(yè)。煤基活性炭是一種高附加值、高技術(shù)含量的煤炭深加工產(chǎn)品，由于其具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、良好的理化性能，廣泛用于國防、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、治理和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

目前，煤基活性炭的制造已經(jīng)趨向于大型化及產(chǎn)業(yè)化，并且活性炭的生產(chǎn)技術(shù)越來越先進(jìn)，以煤為原料生產(chǎn)活性炭的技術(shù)取得了很大進(jìn)步[2]。另一方面，由于人類的生活質(zhì)量逐步的提高，對所居住的生活環(huán)境要求日益提高，活性炭越來越廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。因此，活性炭的需求量也呈逐年上漲的趨勢，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣。需求量的增加導(dǎo)致活性炭企業(yè)的規(guī)模以及數(shù)量逐漸增大，有力地促進(jìn)了煤基活性炭產(chǎn)品性能提高、產(chǎn)量增加、應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大。

1 生產(chǎn)原理及工藝介紹(見第81頁圖1)

1.1 炭化工序

炭化是把原料隔絕空氣加熱，使非碳元素減少，以生產(chǎn)出適合活化工序所需要的碳質(zhì)材料的工序，是活化前的主要準(zhǔn)備與基礎(chǔ)。炭化工序包括成型物料的炭化和炭化尾氣處理2部分。

1) 成型物料的炭化

炭化工序?qū)嶋H上就是物料在低溫條件下的干餾。物料在一定的低溫范圍內(nèi)及隔絕空氣的條件下逐步升溫加熱，物料中的小分子物質(zhì)首先揮發(fā)，然后煤及煤焦油瀝青分解和固化。物料在熱分解和熱縮聚反應(yīng)過程中析出煤氣和煤焦油。

2) 炭化尾氣處理

成型物料的炭化過程產(chǎn)生炭化尾氣，主要成分為成型物料炭化熱分解時(shí)所產(chǎn)生的揮發(fā)物組分，如CO、H2、CH4、烷烴、烯烴、煤焦油等。炭化尾氣中含有少量有毒有害物質(zhì)，這些氣體直接排入大氣將給周圍環(huán)境造成污染。因此，炭化尾氣需要經(jīng)過處理才能直接排入大氣。

1.2 活化工序

目前，常用的活化工藝主要為氣體活化法生產(chǎn)煤基活性炭，采用水蒸氣、煙道氣(主要成分為CO2)或其混合氣體等含氧氣體作為活化劑，在高溫下與炭接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)行活化，生成一氧化碳、二氧化碳、氫氣和其他碳?xì)浠衔餁怏w，通過碳的氣化反應(yīng)(燒失)達(dá)到在碳粒中造孔的目的。其主要化學(xué)反應(yīng)式如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

煤基活性炭的生產(chǎn)工藝見第81頁圖1。

圖1 煤基活性炭生產(chǎn)工藝流程

2 常用活化爐工藝介紹

活化設(shè)備是活性炭生產(chǎn)過程中的核心設(shè)備。氣體活化法生產(chǎn)活性炭的活化爐主要有沸騰爐、管式爐、盤式爐、耙式爐、斯列普爐、回轉(zhuǎn)活化爐等。其中，早期使用的沸騰爐、管式爐、盤式爐等，由于生產(chǎn)能力小、得率低、生產(chǎn)效率不高、產(chǎn)品質(zhì)量不均勻、熱效率低、設(shè)備檢修周期短、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)，已逐步被淘汰。靶式爐是美國于20世紀(jì)50年代開始開發(fā)使用的，經(jīng)過不斷改進(jìn)，工藝技術(shù)成熟。斯列普爐是我國于20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的活化設(shè)備，工藝技術(shù)成熟。目前，斯列普爐是國內(nèi)煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)主要采用的活化設(shè)備。2種常用活化設(shè)備比選詳見表1。

表1 2種活化設(shè)備比選

3 新型活化工藝介紹

本論文介紹一種新型的活化爐型，該活化爐基于循環(huán)流化床的工作原理，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的爐型。

3.1 循環(huán)流化床技術(shù)

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)是一項(xiàng)近20年發(fā)展起來的清潔煤燃燒技術(shù)，它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、NOx排放低、負(fù)荷調(diào)節(jié)比大和負(fù)荷調(diào)節(jié)快等突出優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)流化床設(shè)計(jì)床溫為850 ℃～900 ℃，燃煤流化粒徑0.1 mm～0.8 mm，該工藝能夠很好地完成生產(chǎn)任務(wù)，并在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較低的NOx，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效應(yīng)。3.2 新型流化態(tài)工藝

3.2.1 活化爐的工藝過程

煤顆粒經(jīng)過破碎、篩分后的1 mm～5 mm由儲(chǔ)倉底部稱重后經(jīng)由全封閉皮帶輸送機(jī)運(yùn)至中間料倉，再由螺旋輸送機(jī)輸送至流化爐進(jìn)料口。物料進(jìn)到流化床后，由風(fēng)帽導(dǎo)入活化氣體，氣流帶動(dòng)發(fā)生流化過程，過程中發(fā)生水煤氣反應(yīng)造孔。

表2 活化尾氣指標(biāo)

焚燒爐采用分段低溫燃燒技術(shù)，燃料氣體與氧氣分別進(jìn)料，燃?xì)鉁囟鹊陀?50 ℃。低氮燃燒技術(shù)可以將NOx的產(chǎn)生質(zhì)量濃度控制在50 mg/m3以下。

3.2.2 技術(shù)先進(jìn)性分析

1) 活化設(shè)備的先進(jìn)性

流化態(tài)活化爐是一種新型的活化設(shè)備，相比較常規(guī)的耙式爐、斯列普爐等活化設(shè)備，本設(shè)備具有設(shè)備占地小、活化時(shí)間短、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)。

2) 活化工藝的先進(jìn)性

本流化床活化爐的工藝先進(jìn)性主要體現(xiàn)在活化料可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料。同時(shí)，由于活化狀態(tài)為流化態(tài)過程，在流化狀態(tài)下將極大地增加活化面積，因此，本工藝的活化時(shí)間將由常規(guī)狀態(tài)的50 h～60 h縮短為1.0 h～1.5 h，大大提高了活化效率，減少了設(shè)備的占地及投資。

3.2.3 環(huán)保先進(jìn)性分析

本流化態(tài)活化爐的主要環(huán)保先進(jìn)性體現(xiàn)在NOx的濃度控制?；罨癄t體的NOx控制主要采取的技術(shù)為再燃燒反應(yīng)燃料的控制。再燃燒反應(yīng)燃料的特性是最影響NOx生成的關(guān)鍵影響因素?；罨矚庵械腍2和CO氣體燃料在諸多方面優(yōu)于其他燃料，被認(rèn)為是有效、可行的再燃燃料。

1) CO對NO的還原作用

CO和NO可在各種表面上進(jìn)行反應(yīng)，成為減少NOx的另一重要途徑。反應(yīng)式見式(4)。

(4)

近年來，在FBC和CFBC燃燒中發(fā)現(xiàn)，CaS、CaO和Fe2O3在各種環(huán)境中具有減少NOx的催化作用。

2) H2對NO的還原作用

Glarborg(2000)[3]建立了H2和CO化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型，對再燃過程中H2和CO再燃還原NO的能力進(jìn)行了研究，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，取得了不錯(cuò)的效果。

再燃燃料射入爐膛，其在再燃區(qū)停留時(shí)間隨燃盡風(fēng)射入溫度而改變?？偟膩碚f，隨著再燃區(qū)停留時(shí)間的增加，NOx降低顯著增加。但是，在實(shí)際的再燃燒試驗(yàn)應(yīng)用中，停留時(shí)間更受鍋爐燃燒方式和碳燃盡要求的限制，再燃區(qū)停留時(shí)間一般在0.4 s～0.7 s。總之，在再燃區(qū)合理的進(jìn)料控制以及停留時(shí)間可以保證NOx濃度大大降低。

3.2.4 活性炭行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況

活性炭行業(yè)還沒有行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，只有寧夏回族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)廳出臺(tái)了DB 64/819-2012《煤基活性炭工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。目前，活性炭行業(yè)大氣污染物排放還是執(zhí)行GB 16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》以及GB 9078-1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。

參考2014年活性炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)中的排放標(biāo)準(zhǔn)，新建活性炭企業(yè)NOx的排放限值為300 mg/m3，執(zhí)行特別排放限值地區(qū)NOx的排放限值為200 mg/m3。

本設(shè)備NOx排放濃度大大低于活性炭行業(yè)NOx排放限值的要求。

4 結(jié)論

循環(huán)流化床活化爐是一種新型的活化爐，該活化爐主體工藝?yán)昧肆骰苍?，在大大縮短活化時(shí)間的同時(shí)也有效地降低了NOx的排放，是一種非常經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的活化爐型。

[1] 邢寶林,諶倫建,張傳祥,等.NaOH活化法制備煤基活性炭的研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2010,33(1):69-73.

[2] 謝志剛,劉成倫.活性炭的制備及其應(yīng)用進(jìn)展[J].工業(yè)水處理,2005,25(7):10-12.

[3] Glarborg P，Kristensen P G，Dam-JohaIIsen K.Nitric oxide reductionby non：hydrocarbon fuels：implications for reduction wim gasifica60ngases[J].Energy&Fuels，2000，14(4)：828-838.

Novel activation process of coal-based activated carbon

GUO Jianwen

(Shanxi Xinguohuan Environmental Technology Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030002, China)

The domestic matured activation process of activated carbon is compared and analyzed. By result analysis of activation equipment, activation principle, activation time and other aspects, it is recommended a new activation process of circulating fluidized bed, which has the advantages of environmental protection, economic feasibility.

coal-based; activated carbon; activation process; circulating fluidized body

2017-06-07

郭建文，男，1977年出生，2000年畢業(yè)于太原理工大學(xué)化工工藝專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事環(huán)評(píng)、驗(yàn)收、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急等環(huán)保工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.27

TQ424.1

A

1004-7050(2017)04-0080-03

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