煤基活性炭生產用回轉式炭化爐生產工藝探討

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構及巨大的比表面積。而初步空隙的形成是在活性炭生產過程的炭化過程。通過優化控制炭化溫度、加料量、轉速、炭化抽力，可使炭化料強度達到97%，揮發分達到8%，比表面積達到220m3/g。

關鍵詞：活性炭；炭化

引言

活性炭作為一種優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，其應用領域日益擴展，產品廣泛應用于化工、冶金、石化、醫藥、食品、輕工、兵工等領域[3]。

隨著生活水平的提高，人們對于生活環境及生活用水的質量關注程度越來越高。而活性炭作為一種節能環保、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用?；钚蕴康奈叫阅苤饕康氖强障?，而空隙的初步形成就是炭化過程。

一、炭化爐設備種類簡介

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

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—氫和氧因原料的高溫分解首先以氣體形式被排除，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晶生成物。

嚴格的說，炭化應是在隔絕空氣的條件下進行。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的揮發，主要有三個階段：①干燥階段：溫度在120℃以下，原料煤釋放出外在水分和內在水分，此時原料煤的外形無變化；②開始熱解階段：120-130℃原料煤開始發生分解釋放出熱解水，形成氣態產物（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分，炭化過程析出的焦油和煤氣產物幾乎全部在此階段產生。

三、炭化生產工藝

（一）炭化工藝流程

1、物料流程：成型顆粒經運輸機提升直接加入回轉爐的加料室內，借助重力作用落入滾筒內，沿著滾筒內螺旋運動被帶到抄板上，靠筒體的坡度和轉動物料由爐尾向爐頭方向移動。物料首先經過溫度為200℃的預熱干燥階段，進入300-550℃的炭化階段，在這個過程中，炭粒與熱氣流接觸而進行炭化，排出水分及揮發分，最后經卸料口卸出。

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，進入滾筒與逆流而來的炭粒直接接觸進行炭化；另外一部分進入余熱鍋爐進行換熱，換熱后的煙道氣從煙筒排出。余熱鍋爐產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入炭化爐。

（二）炭化溫度

炭化溫度直接影響炭化料的孔隙結構和強度。溫度過低炭化產物無法形成足夠的機械強度，溫度過高則會促使炭化產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活性炭，將無煙煤加熱，其炭化產物中易石墨化成分占主導地位，無煙煤對炭化終溫非常敏感，當溫度升高時就開始收縮，結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控制為：爐尾（入料口）300-350℃；爐頭（出料口）550-650℃；物料在爐內的有效停留時間為30-40min，即物料的升溫速度應控制在15-20℃/min范圍內。高升溫速率能使物料析出更多的焦油和煤氣，降低炭化料產率。降低升溫速率時，物料在低溫區受熱時間長，熱解反應的選擇性較強，初期熱解使物料分子中較弱的鍵斷開，發生了平行的和順序的熱縮聚反應，形成具有較高熱穩定性的結構，從而減少高溫熱解析出物的揮發分產率，獲得更高揮發份的固體炭化產物（即炭化料）。

（三）炭化加料量。炭化生產過程中，加料量的控制是影響炭化料揮發分、強度以及產量和產率的重要因素。炭化加料量太大，會造成物料與爐體接觸的頻次減少，熱量不能在短時間內輻射到料堆內部，最終影響炭化料的質量。同時料量過大，會使過多煙氣在焚燒室內燃燒，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濟運行的原理，另一方面煙氣過少會改變炭化工藝，使得無法操作。適當控制炭化爐的料量是保證炭化料質量的關鍵步驟。

（四）炭化爐轉速。炭化爐轉速的控制是影響炭化料揮發分、強度以及產量和產率的又一重要因素。炭化爐轉速快，則產量大、揮發分高，但是如果只一味追求產量，轉速過快，則會導致炭化料碎料多、強度低，不但造成大量的浪費，使得后續活化產率低下，最終影響活性炭產品的使用性能。因此，在實際生產過程中，為確保炭化料質量，必須控制好炭化爐轉速。不同爐型需要不同的工藝參數，這需要在生產中根據實際而定。

（五）炭化抽力。在環境保護壓力越來越大的情況下，炭化生產工藝控制過程中，炭化抽力的控制顯得尤為重要。抽力過大會使燃燒不充分，造成煙氣浪費的同時，也會使炭化爐煙囪冒黑煙，最終導致環保不達標。

經過長期的生產發現，利用寧夏太西無煙煤的生產過程，炭化抽力一般控制在-（20-40）Pa最合適。

四、結語

活性炭的吸附性能主要依靠的是其豐富的空隙結構及巨大的比表面積。而初步空隙的形成是在活性炭生產過程的炭化過程。通過優化控制炭化溫度、加料量、轉速、炭化抽力，可使炭化料強度達到97%，揮發分達到8-10%，同時炭化料比表面積最高能夠達到220m3/g。

參考文獻：

[1]戴偉娣，孫康.我國活性炭技術標準研究現狀及發展需求分析[J].生物質化學工程，2010，3（44）：40～44.

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

[3]李艷芳，梁大明等.國內外活性炭應用發展趨勢分析[J].潔凈煤技術，2009，15（1）：5～8.