新型內(nèi)熱式活化爐系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙 創(chuàng)，王志雄

(1.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安 710038；2.西安中聚能環(huán)研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710038)

活性炭是一種優(yōu)良的吸附材料，其物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)型材料，廣泛用于食品、制藥及環(huán)保領(lǐng)域[1，2]。制備活性炭的方法包括物理法和化學(xué)法等?；瘜W(xué)活化法是通過(guò)將化學(xué)試劑(ZnCl2或KOH)嵌入炭顆粒內(nèi)部，經(jīng)歷一系列的交聯(lián)縮聚反應(yīng)形成微孔。物理活化先將原料在500℃ 炭化，然后用H2O 或CO2等氣體在800℃以上進(jìn)行活化[2]。物理活化法所需的活化溫度一般較化學(xué)活化法高，且停留時(shí)間也更長(zhǎng)，因此，耗能較大，成本高。盡管有這些缺點(diǎn)，物理活化法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用仍然十分廣泛，原因在于其制得的活性炭無(wú)需過(guò)多的后處理步驟，而化學(xué)活化法制得的活性炭需要除去殘留活化劑。

生產(chǎn)活性炭的裝置目前主要包含有內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯、外熱式回轉(zhuǎn)窯、耙式爐和斯列普活化爐，其中，內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用最為廣泛，在生產(chǎn)過(guò)程中，活化爐需要大量的水蒸氣參與反應(yīng)，內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯因?yàn)榧夹g(shù)難度小、投資低而被廣泛應(yīng)用，但是該系統(tǒng)存在產(chǎn)量低、碘值相對(duì)較低的問(wèn)題，提高質(zhì)量和產(chǎn)量是其亟待解決的問(wèn)題。

1 內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)窯

回轉(zhuǎn)活化爐主要由爐頭、回轉(zhuǎn)筒體、傳動(dòng)部件、爐尾、出料裝置、蒸汽供應(yīng)管道等所組成。隨著回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)爐外不斷地向爐內(nèi)供應(yīng)一次空氣，二次空氣從回轉(zhuǎn)爐體徑向方向不斷向爐內(nèi)供應(yīng)。因此，炭化料始終在活化爐的下部向活化爐的尾部移動(dòng)，下部通入的水蒸氣和爐內(nèi)炭化料的接觸面增加，使得爐內(nèi)的炭化料和水蒸氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)活性炭。

在此活化過(guò)程中，炭和水蒸氣放出的CO和H2上升到爐內(nèi)上層，和外部空氣中的氧氣反應(yīng)，生成CO2和H2O并放熱，提高爐內(nèi)的活化溫度。同時(shí)在余熱鍋爐內(nèi)補(bǔ)充一定的空氣，保持一定的停留時(shí)間，充分燃燒煙氣中的可燃?xì)猓⑦M(jìn)行余熱回收，從而達(dá)到降低能耗的目的。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

該生產(chǎn)裝置由西安中聚能環(huán)研究設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)，在新疆哈密落地生產(chǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

煤基活性炭行業(yè)尾氣執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為DB64/T 819—2012，該標(biāo)準(zhǔn)要求比較低，環(huán)評(píng)報(bào)告執(zhí)行GB 13271—2014標(biāo)準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)未明確提出煙氣CO排放值。參考加熱爐煙氣排放要求，本文選用排放值150～250mg/m3進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)確定

(1)系統(tǒng)原料。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以原煤為活化原料，原煤粒徑范圍為8～20mm，原煤的工業(yè)分析具體見表1。

表1 原煤工業(yè)分析

(2)活化指標(biāo)。采用空氣作為助燃劑，水蒸氣作為活化劑，活化段溫度為800～950℃，物料停留12～15h，活性炭設(shè)計(jì)產(chǎn)量為5～6t/d，具體活性炭指標(biāo)見表2。

表2 活性炭質(zhì)量指標(biāo)

3 活化系統(tǒng)流程

原料煤用自卸車將物料堆積在料廠，采用鏟斗車將物料送入窯前原料斗，通過(guò)星型給料機(jī)將物料送到活化爐內(nèi)，通過(guò)一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)供風(fēng)，一次風(fēng)機(jī)主要用于提溫，二次風(fēng)機(jī)主要用于提升中段后溫度。

原煤在前段完成熱解反應(yīng)，一次風(fēng)機(jī)空氣與可燃?xì)膺M(jìn)行燃燒，使轉(zhuǎn)窯前段逐漸升溫至950～1 100℃，中段通入過(guò)熱水蒸氣，高溫半焦和水蒸氣產(chǎn)生活化反應(yīng)生成活性焦，伴隨著活性焦發(fā)生吸熱反應(yīng)，活化反應(yīng)產(chǎn)生H2和CO。二次風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)將中段的可燃?xì)馊紵?，提升中段后的溫度，物料溫度高?00℃，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了進(jìn)入余熱鍋爐的可燃?xì)夂?。反?yīng)生成的活性炭隔絕空氣冷卻至80℃以內(nèi)，經(jīng)出料口進(jìn)入輸送帶，然后送至篩分工段。

活化過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣溫度約為800℃，煙氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱軟化水，產(chǎn)生蒸汽作為活化劑回到轉(zhuǎn)窯內(nèi)，經(jīng)過(guò)余熱鍋爐后尾氣溫度約為400℃，蒸汽作為活化劑進(jìn)入旋轉(zhuǎn)窯參與反應(yīng)，煙氣再進(jìn)省煤器和布袋除塵器，然后進(jìn)入脫硫塔進(jìn)行脫硫，煙氣達(dá)標(biāo)高位煙囪排放?；罨a(chǎn)系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 活化生產(chǎn)系統(tǒng)流程

4 新型內(nèi)熱式活化系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

4.1 鼓風(fēng)技術(shù)特點(diǎn)

采用非傳統(tǒng)的通空氣方式，傳統(tǒng)靠單一風(fēng)機(jī)給窯頭送料，前段溫度逐步升到950～1 000℃，同時(shí)通入蒸汽，發(fā)生活化反應(yīng)(水煤氣反應(yīng)和消碳反應(yīng))產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，但氧氣在前半段消耗完，后半段溫度逐步降低，達(dá)不到活化溫度，因此碘值較低。該系統(tǒng)采用二次供風(fēng)，可提高后半段溫度，較大提高產(chǎn)品的品質(zhì)，增加了產(chǎn)量。窯爐各點(diǎn)溫度見圖2，橫坐標(biāo)中5個(gè)點(diǎn)代表距離進(jìn)料端的2.5m，6m，10m，13m，16m等處。

圖2 窯內(nèi)各點(diǎn)溫度

4.2 焚燒余熱一體鍋爐

對(duì)原有鍋爐進(jìn)行調(diào)整，增加二次鼓風(fēng)機(jī)后，尾氣溫度在800℃以上，給鍋爐內(nèi)增加補(bǔ)燃風(fēng)機(jī)，將尾氣中的可燃?xì)夥贌蓛?，既環(huán)保，又能增加蒸汽產(chǎn)量，CO含量按照加熱爐標(biāo)準(zhǔn)可以控制在250mg/m3以內(nèi)。富產(chǎn)的蒸汽壓力高，可達(dá)到3.83MPa的飽和蒸汽。如果規(guī)模大，富余的高壓蒸汽可以用于發(fā)電或外供等。傳統(tǒng)可燃?xì)獠蝗紵?，生產(chǎn)環(huán)境有安全隱患。

4.3 采用非傳統(tǒng)的水蒸氣通入方式

隨著回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)一次風(fēng)機(jī)不斷鼓風(fēng)提溫，出口風(fēng)管安裝在窯爐端面中心點(diǎn)以下(斜向下)，二次風(fēng)機(jī)提高窯爐中后段溫度，出口風(fēng)管安裝在窯爐端面中心點(diǎn)以上(斜向上)。從回轉(zhuǎn)爐的徑向方向不斷送入蒸汽，蒸汽管沿回轉(zhuǎn)窯均勻分布(30圈)，每圈有8個(gè)進(jìn)口，正常窯爐供應(yīng)的蒸汽壓力0.4～0.6MPa(飽和蒸汽)，經(jīng)減壓為過(guò)熱蒸汽。上述布置使炭化料在下部與通入的水蒸氣接觸，使得爐內(nèi)的炭化料和水蒸氣在高溫下發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)活性炭。蒸汽管分布見圖3。

圖3 局部蒸汽管分布

4.4 維護(hù)簡(jiǎn)單

該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)爐型，在外圍工藝方面，增加了些設(shè)備，其他幾乎沒(méi)有變化。但給窯內(nèi)通蒸汽的管道長(zhǎng)期處于高溫，窯內(nèi)有H2、CO、H2S、SO2、焦粉及煤粉，導(dǎo)致蒸汽管道腐蝕，蒸汽管道2～3個(gè)月計(jì)劃重新?lián)Q一批。

4.5 生產(chǎn)環(huán)境改善

設(shè)備密封性好，從進(jìn)料到出料均是密閉的，改善了以往活性炭廠出料粉塵大、工作環(huán)境差的現(xiàn)象，減少環(huán)境污染。

5 產(chǎn)品質(zhì)量比對(duì)

從表3可以看出，兩種爐型對(duì)產(chǎn)品影響較大，新型內(nèi)熱式活化爐產(chǎn)品碘值及亞甲基藍(lán)值高，市場(chǎng)需求量大。同時(shí)，新工藝產(chǎn)品質(zhì)量高，相比傳統(tǒng)工藝，提升50%的產(chǎn)量。對(duì)于整體系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品質(zhì)量好，產(chǎn)量高，能降低生產(chǎn)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

表3 同爐型的產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

(1)新型內(nèi)熱式活化爐采用新工藝，提高了窯內(nèi)后半段活化溫度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)采用焚燒余熱一體鍋爐，將可燃物焚燒，不但達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，更加節(jié)能。同時(shí)，還改變了目前活性炭企業(yè)粉塵大、工作環(huán)境差的現(xiàn)狀。