大型壓塊活性炭生產(chǎn)線運行實踐與討論

趙 媛

(大同煤業(yè)金鼎活性炭有限公司，山西 大同 037003)

活性炭具有較為發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積、良好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的吸附性能，廣泛應用于環(huán)境保護、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品制藥等領域[1，2]。盡管理論上所有的含碳材料都可以制備活性炭，但是果殼活性炭、木質(zhì)活性炭和煤基活性炭才是主要的商業(yè)活性炭產(chǎn)品[3]。

我國煤炭資源豐富，價格相對低廉，煤基活性炭還有抗磨損、易再生等優(yōu)點。煤基活性炭主要應用在水的深度凈化、煙氣脫硫脫硝等領域，目前我國煤基活性炭的產(chǎn)能已經(jīng)達到60 萬t/a[4]。

隨著GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》等國家標準的強制實施，飲用水深度凈化技術(shù)得到了廣泛應用，其中臭氧—生物活性炭技術(shù)是當前飲用水深度凈化的主要方法。根據(jù)活性炭產(chǎn)品的外觀形狀，煤基活性炭主要分為柱狀顆?；钚蕴亢推扑轭w?；钚蕴縖5，6]。壓塊破碎顆粒活性炭簡稱為“壓塊活性炭”，主要用于水深度凈化。在活性炭吸附與臭氧聯(lián)用的臭氧—生物活性炭(O3-Biological Activated Carbon，O3-BAC)水處理工藝中，壓塊活性炭表面粗糙，微生物更容易附著、生長在其表面，比柱狀活性炭更加適用于水深度凈化處理[7，8]。2012年起GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》已經(jīng)在全國強制實施，飲用水的監(jiān)測指標從原有的35項增加至106項，其中代表各種有機污染物的化學需氧量(CODMn)應小于3 mg/L[9]。O3-BAC作為理想的飲用水深度凈化技術(shù)，隨著新建、改建市政供水深度凈化工程的不斷增多，壓塊活性炭需求量逐漸增加。同煤集團金鼎活性炭有限公司煤基活性炭產(chǎn)能達到了10 萬t/a，是世界上產(chǎn)能最大的單體活性炭生產(chǎn)企業(yè)，其中壓塊活性炭生產(chǎn)線的產(chǎn)能達到了5 萬t/a，也是國內(nèi)壓塊活性炭產(chǎn)能最大的生產(chǎn)線。本文以5 萬t/a壓塊活性炭生產(chǎn)線在設備選擇、生產(chǎn)調(diào)試及運行過程中出現(xiàn)的一些問題開展討論。

1 壓塊活性炭的生產(chǎn)工藝

大同地區(qū)蘊藏的侏羅紀弱黏結(jié)性煙煤是制備壓塊活性炭的優(yōu)質(zhì)煤種。配煤工藝是生產(chǎn)壓塊活性炭的常用工藝[10，11]，配煤主要起到改善黏結(jié)性，調(diào)節(jié)活性炭孔隙和控制生產(chǎn)成本的作用。生產(chǎn)壓塊活性炭盡量不要配入添加劑/粘結(jié)劑，是利用原料煤的自身黏結(jié)性在外部的壓力作用下自成型。

同煤集團金鼎活性炭公司5 萬t/a壓塊活性炭生產(chǎn)線的工藝流程如圖1所示。原料煤經(jīng)過干燥、混合配煤及磨粉成型，再經(jīng)過破碎篩分、炭化及活化等關(guān)鍵步驟制成壓塊活性炭產(chǎn)品。其中活化料的篩下物經(jīng)過磨粉后可以制得粉狀活性炭作為壓塊活性炭生產(chǎn)線的副產(chǎn)品。

圖1 金鼎公司壓塊活性炭生產(chǎn)工藝流程

在壓塊活性炭的生產(chǎn)過程中，磨粉、壓塊成型、炭化和活化是至關(guān)重要的工藝過程，下面分別對各個工藝過程中在設備選型、生產(chǎn)實踐中的問題展開討論。

2 磨粉

壓塊活性炭對原料煤粒度要求較高，原料煤磨粉是在工業(yè)允許條件下盡可能將原料煤磨得細一些，增大煤粉的外表面積，易于成型、提高壓塊炭的強度。一般要求煤粉的細度為95%以上通過325目可達到生產(chǎn)工藝要求。壓塊成型過程中原料煤的水分也是影響成型效果的重要指標，生產(chǎn)壓塊活性炭的原料煤通常是洗選后的精煤，含水量較高，磨粉和干燥工藝應該是統(tǒng)一在一個工段內(nèi)。

5萬t/a壓塊活性炭生產(chǎn)線的干燥及磨粉工段選用的是盤式干燥機+雷蒙磨。由于壓塊活性炭大多采用配煤生產(chǎn)，在磨粉工藝之前進行配煤，易于在磨粉時將原料煤混合均勻，因此在盤式干燥機設備后、磨粉機之前對不同種類的原料煤按照壓塊活性炭的配比進行稱重，然后進入到磨粉工序。盤式干燥機利用蒸汽或者廢熱煙氣對原料煤進行干燥，但是該設備的故障率較高，在實際生產(chǎn)過程中干燥效果也比較有限。雷蒙磨優(yōu)點是煤種適應性強，生產(chǎn)噪音較小，生產(chǎn)的煤粉細度很容易達到要求。然而，雷蒙磨在規(guī)?；幕钚蕴可a(chǎn)中缺點也是非常明顯，由于單臺設備產(chǎn)能較低(2.5～3.5 t/h)，對于5 萬t/a的壓塊活性炭生產(chǎn)線所需的設備數(shù)量就較多，并且雷蒙磨不能長周期連續(xù)運行，導致煤粉供應的連續(xù)性較差。

經(jīng)過多年的發(fā)展，立式磨系統(tǒng)在磨制煤粉的細度、穩(wěn)定性等方面已經(jīng)完全滿足生產(chǎn)壓塊炭對煤粉的要求，并且配備熱風爐產(chǎn)生熱煙氣可以在磨粉過程中對物料進行干燥。立式磨單臺設備產(chǎn)能大(15～20 t/h)、規(guī)模化的活性炭生產(chǎn)中所用設備數(shù)量較少，并且立式磨占地面積較小。因此，大型的壓塊活性炭生產(chǎn)線投資運行，立式磨是較為理想的設備。

3 壓塊成型

3.1 壓塊成型工藝

壓塊成型是生產(chǎn)壓塊活性炭的關(guān)鍵工序，在成型模具內(nèi)利用外部高壓作用將煤粉壓制成塊狀。大同地區(qū)煙煤具有弱黏結(jié)性，生產(chǎn)壓塊活性炭應盡可能不要配入粘結(jié)劑或者其它添加劑，因為瀝青類的粘結(jié)劑會降低活性炭的吸附性能[8，12]。成型過程中主要利用原料煤的自成型性，這樣有助于后續(xù)的炭化和活化生產(chǎn)。

成型設備為干法輥壓造粒機系統(tǒng)，其主要由螺旋加料機、螺旋喂料機、雙輥輥壓主機、破碎機、整粒機和多級旋振篩構(gòu)成。煤粉從設備頂部加入，經(jīng)脫氣、螺旋預壓進入2個平等軋輥，軋輥相對旋轉(zhuǎn)，物料被強制送入兩輥之間，帶槽軋輥將物料咬入輥隙被強制壓縮，制成長寬高為50mm×25mm×12mm的炭塊，其中壓力的范圍在12～15 MPa。

3.2 壓塊成型生產(chǎn)實踐與討論

研究表明，煤粉壓塊成型強度與煤粉的堆積密度、粒度分布、含水量和成型壓力等均相關(guān)，在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)煤粉的堆積密度影響最為顯著。由于上一工段生產(chǎn)的煤粉在料倉內(nèi)短暫停留后就被輸送至壓塊造粒，其尚未經(jīng)過長時間的脫氣和沉積，堆積密度相對較低，僅為0.35～0.45 kg/L。但是，干法輥壓造粒機的設備定型實驗過程中，利用煤粉經(jīng)過長時間的囤積，堆積密度達到了0.70 kg/L左右。干法輥壓造粒設備的模具體積是確定的，生產(chǎn)卻是按照重量計量，實際生產(chǎn)過程較低的煤粉堆積密度會導致壓塊造粒設備產(chǎn)能低于設計值。此外，低堆積密度的煤粉間空氣含量較多，導致形成料強度較差，生產(chǎn)過程中擠壓空氣造成“放炮”現(xiàn)象嚴重，產(chǎn)生的沖擊和振動對設備具有一定的損害作用。同時，粉料中空氣含量較多，會導致成型料強度降低。壓塊機的生產(chǎn)中除了盡量增加煤粉料的靜置時間，還在粉料進入壓塊設備之前設計有脫氣裝置，提高進入壓塊機設備的粉料堆積密度，從而增加產(chǎn)能，提升成型料的強度。

實際生產(chǎn)過程中壓力在12～15 MPa較為合理，提高壓力未必能夠增加形成料的強度。一方面，較高的壓力使得煤粉顆粒彈開，造成成型塊狀料裂紋；另一方面，過高的壓力可能會導致煤粉顆?！皦簼ⅰ?，從而造成強度的降低[12]。含水量同樣具有一定的影響，將煤粉輥壓成型屬于放熱過程，含有一定的水分具有潤濕性，有利于成型，但是過高的水分使得煤粉成團，不利于成型，大同煤壓塊成型過程中水分控制在2%～5%較為合適。

4 炭化

4.1 外熱式炭化爐的應用

炭化工序是煤基生產(chǎn)活性炭過程中的重要工序之一，炭化過程基本決定了活性炭的性能。炭化屬于煤的低溫干餾過程，活性炭的炭化過程控制理論已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，通過炭化工藝控制向著無定形炭含量多、石墨化程度低的方向發(fā)展才利于制備出孔隙發(fā)達的活性炭[13]。經(jīng)過炭化后的炭化料形成了一定的初孔隙，有利于后續(xù)的活化工藝，并且炭化料的強度較壓塊破碎料會有所提高。

炭化爐設備的選擇在規(guī)模化的壓塊活性炭生產(chǎn)中尤為重要，用于活性炭生產(chǎn)的炭化爐有很多種，諸如大同當?shù)赝练ㄊ褂玫耐粮G爐、坑式爐等，還有立式炭化爐及轉(zhuǎn)爐等。其中土窯爐和坑式爐根本不具備現(xiàn)代化活性炭生產(chǎn)企業(yè)的條件，立式炭化爐產(chǎn)能較大，但是生產(chǎn)過程中的環(huán)保問題很難解決，生產(chǎn)環(huán)境較差，存在揮發(fā)性有機物(VOCs)的無組織排放和煤粉的散逸等問題。立式炭化爐多是處理塊狀原煤破碎炭的炭化，由于壓塊破碎顆粒堆積較為密實、透氣性較差，立式炭化爐并不適用于顆粒物料的炭化生產(chǎn)。

適用于壓塊破碎活性炭的炭化生產(chǎn)是回轉(zhuǎn)爐，回轉(zhuǎn)爐包括內(nèi)熱式和外熱式2種。內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)爐的工作原理是加熱介質(zhì)和被炭化的物料在一定的溫度范圍內(nèi)連續(xù)直接接觸，相互逆向流動。內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)爐的熱源來自于配套的焚燒爐或者燃燒機，通過燃燒煤炭或者燃燒機產(chǎn)生的高溫熱煙氣對壓塊破碎顆粒加熱。由于燃燒過程中需要配入過量的空氣才能保證燃料完全燃燒，并且內(nèi)熱式炭化爐的密封性能較差，所以一般內(nèi)熱式炭化爐內(nèi)的O2含量并不易控制。過高的O2含量會導致物料的過度燒蝕，不僅造成炭化料產(chǎn)量的下降，還會顯著降低炭化料的質(zhì)量。另外一個關(guān)鍵是內(nèi)熱式炭化爐內(nèi)部為砌筑耐火磚的筒體結(jié)構(gòu)，設備很難大型化，因此，內(nèi)熱式炭化爐的產(chǎn)能通常為0.5 萬t/a，并不適合規(guī)模化的活性炭生產(chǎn)。

外熱式炭化爐內(nèi)熱源和物料并非直接接觸，而是利用熱煙氣的輻射加熱物料，沒有O2的過燒問題，是完全符合炭化生產(chǎn)工藝控制過程的設備。外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐筒體內(nèi)置多個獨立的料倉，使得爐體內(nèi)的物料充填系數(shù)增大，爐體內(nèi)有效利用的炭化空間體積大幅提高，其生產(chǎn)能力是內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)炭化爐的3倍，達到了1.5 萬t/a 。經(jīng)過調(diào)試、運行及多年的連續(xù)運轉(zhuǎn)，外熱式炭化爐在生產(chǎn)的穩(wěn)定性方面已經(jīng)非常成熟。表1是對內(nèi)熱式炭化爐和外熱式炭化爐的優(yōu)缺點對比。

表1 內(nèi)熱式炭化爐及外熱式炭化爐設備的比較

外熱式炭化爐以鋼材作為筒體，內(nèi)部物料通道采用不銹鋼管，單臺設備造價較高。但其生產(chǎn)能力大、設備可以長周期連續(xù)運行，炭化得率高、產(chǎn)品質(zhì)量較好。外熱式炭化爐的熱源來自于炭化過程熱解尾氣，除了供給自身使用之外，還可以作為燃料氣通過焚燒爐產(chǎn)生的高溫煙氣供給余熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣，如圖2所示。無論從生產(chǎn)能力、產(chǎn)品質(zhì)量、能源供應，還是節(jié)能環(huán)保等方面考核，外熱式炭化爐的性價比要顯著高于內(nèi)熱式炭化爐。

圖2 焚燒法處理外熱式炭化爐尾氣

4.2 外熱式炭化爐生產(chǎn)實踐

5萬t/a壓塊活性炭生產(chǎn)線一共使用了12臺外熱式炭化爐，是外熱式炭化爐首次在我國煤基活性炭生產(chǎn)中大規(guī)模使用。由于外熱式炭化爐的熱源來自于自身的熱解尾氣，需要匹配焚燒爐，因此，在外熱式炭化爐調(diào)試、運行的初始階段，外熱式炭化爐和焚燒爐的匹配是最大的難題。

焚燒爐設計基礎數(shù)據(jù)來自于實驗室管式爐對炭化過程的模擬，壓塊成型顆粒在熱解過程中除了有CO和H2等可燃氣熱解逸出，還有一些低溫煤焦油析出。實驗室獲取的數(shù)據(jù)和工業(yè)實際生產(chǎn)存在一定的差異，煤焦油的量及熱值一般被低估，導致實際生產(chǎn)中炭化熱解氣至焚燒爐的管路設計相對較窄，煤焦油易于沉積、堵塞在管路中，造成氣路不暢。這樣，每隔1～2周就需要停爐，通入空氣或者利用熱煙氣、水蒸氣清理堵塞在管路中的焦油沉積。此外，過量的煤焦油還導致焚燒爐富裕系數(shù)降低，焚燒爐內(nèi)燃燒溫度過高，對設備安全性造成影響。對焚燒系統(tǒng)的改造過程一方面是拓寬熱解氣管路，另一方面是拆除焚燒爐內(nèi)部格子磚，擴大燃燒容積。改造后基本解決了炭化爐和焚燒爐不匹配問題。

5 活 化

活化是將炭化料已經(jīng)產(chǎn)生的初孔隙進一步發(fā)育、擴大形成更多孔隙的過程。壓塊活性炭對吸附性能的要求較高，通常選用斯列普活化爐或者多膛爐作為活化設備，5 萬t/a的生產(chǎn)線中3 萬t/a的產(chǎn)能是利用斯列普活化爐生產(chǎn)，2 萬t/a的壓塊活性炭是采用多膛爐生產(chǎn)。

5.1 多膛爐的應用

斯列普爐是我國于20世紀50年代從前蘇聯(lián)引進的活化設備，經(jīng)過國內(nèi)幾代工程技術(shù)人員的不斷改進和完善，提升了自動化生產(chǎn)水平[14，15]，但是對生產(chǎn)工藝的優(yōu)化較少。多膛爐是美國于20世紀50年代開始開發(fā)應用于活性炭的制造，可以用于活性炭的活化生產(chǎn)。在美國、歐洲和日本等國的大型活性炭企業(yè)均采用了多膛爐技術(shù)進行再生或者活化生產(chǎn)[16]。多膛爐設備的優(yōu)點非常明顯，由于是多層爐膛設計，每一層爐膛都可以認為是獨立的活化室，可以精準控制活化的溫度、活化氣氛條件，從而生產(chǎn)出理想的活性炭產(chǎn)品。在5 萬t/a的活性炭生產(chǎn)線中選用了2臺多膛爐(外徑8.0 m、16層爐膛結(jié)構(gòu)型式)，單套多膛爐設備合格壓塊活性炭的產(chǎn)能達到1 萬t/a，基本等同于6臺560型斯列普活化爐的產(chǎn)能。多膛爐的最大缺點是造價較高，但是隨著部分關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化，近些年來多膛爐的的造價顯著降低。表2是對斯列普活化爐和多膛爐的比較。

表2 斯列普活化爐和多膛爐對比

炭化料由斗式提升機提升到多膛爐頂部，由多膛爐頂部設置的2臺雙翻板喂料器喂入最上層爐膛，當總爐膛數(shù)量采取奇數(shù)取值設計時，該爐膛為“外耙層”(爐床上的物料由近中軸處向近爐壁位置移動，最終由近爐壁處的一系列落料孔掉落到下一層爐床上)，第二層爐膛為“內(nèi)耙層”(爐床上的物料由近爐壁處向近中軸位置移動，最終由近中軸處的圓環(huán)形落料孔掉落到下一層爐床)。如此“外耙層”與“內(nèi)層”交互排列，直到物料在最后一個爐層(爐子的最底層，為“外耙層”)被耙齒輸送到卸料孔卸出。多膛爐的內(nèi)部內(nèi)耙層和外耙層的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多膛爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5.2 多膛爐的生產(chǎn)實踐與討論

由于活化氣體水蒸氣與炭化料的反應是吸熱過程，理論上應該是補充熱源，多膛爐生產(chǎn)過程中是通過開啟燃燒器提供熱量，尤其在底部爐膛活化溫度高于850 ℃，國內(nèi)外的多膛爐運行經(jīng)驗是至少需要開啟底層燃燒器提供熱量，保證多膛爐的“自熱平衡”[17]。但是在實際生產(chǎn)過程中燃氣供應較為緊張，因此嘗試將底層燃燒器關(guān)閉，通入過量的空氣，通過氧化炭化料獲得熱量。這樣勢必降低了活化的得率，還可能對產(chǎn)品的指標造成一定的影響。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)碘值1 000 mg/g的壓塊活性炭產(chǎn)品，在關(guān)閉底層燃燒器的條件下其活化得率仍然高于40%，顯著高于斯列普活化爐33%的活化得率。

多膛爐對炭化料的適應性較強，在炭化爐調(diào)試改造過程中，炭化料的供應有限，部分炭化料的揮發(fā)分較高，達到了20%左右。斯列普活化爐對揮發(fā)分較高的炭化料適應性較差，過多的揮發(fā)分在斯列普活化爐產(chǎn)品道內(nèi)產(chǎn)生的低溫焦油會堵塞產(chǎn)品道，導致斯列普活化爐的生產(chǎn)能力降低。而多膛爐由于自身結(jié)構(gòu)和配套工藝并不存在此類問題，過量的揮發(fā)分通過二次燃燒室的燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣可以用于生產(chǎn)水蒸氣。

多膛爐用于活化生產(chǎn)的優(yōu)勢還包括，生產(chǎn)過程較為潔凈，無組織的VOCs排放量很小，煙氣焚燒后經(jīng)過除塵、脫硫和脫硝處理。此外，多膛爐設備自動化程度較高，一旦工藝參數(shù)調(diào)試運行穩(wěn)定，可以保持長周期運轉(zhuǎn)。與斯列普活化爐相比，生產(chǎn)中人員使用量大幅度減少且人工勞動強度較低，2套設備包括中控監(jiān)控和設備巡檢只需要5人/班即可?？傊磥淼幕钚蕴炕罨a(chǎn)中使用多膛爐是發(fā)展的趨勢。

6 結(jié) 語

綜上所述，壓塊活性炭生產(chǎn)涉及的專業(yè)領域較多，尤其是規(guī)?；纳a(chǎn)線，牽涉到設備選型、工藝控制等方面問題。實際生產(chǎn)過程中需要確保每個工段達到理想的指標才能生產(chǎn)出合格的壓塊活性炭產(chǎn)品。一個大型的壓塊活性炭生產(chǎn)線在實際運行過程中，遇到的問題遠不止文中所提到的這幾點，至少還應包括原料煤的選擇及配煤優(yōu)化、物料的中轉(zhuǎn)、儲存及安置等。壓塊活性炭生產(chǎn)線在設計階段就應該充分考慮到生產(chǎn)運行中可能出現(xiàn)的種種問題，才能減少生產(chǎn)調(diào)試中的負擔，降低反復改造、調(diào)試工藝設備產(chǎn)生的費用，盡可能提高企業(yè)的效益。

■ 節(jié)能與環(huán)保