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多段炉之相知篇—大型活性炭活化

2020-05-28 浦士达环保


       一、多段炉市场应用
 
       多段炉自发明后,被誉为制造高等级活性炭产品的最佳设备,早已获得了工业规模的应用并在世界范围内得到了公认。用多段炉制造活性炭时,可在非常低的碳损失率的前提下获得最高的生产效率(生产效率可高达95%)。迄今为止全世界已累计安装了超过500台套多段炉系统(尚鼎环境迄今建设了50多台套),其中有超过200台专用于活性炭的制造及废活性炭的再生。世界著名的CALGON、NORIT和CHEMIVRON公司均广泛采用多段炉来生产活性炭、再生活性炭。
       我国活性炭制造业最早于1980年代引进一台外径较小的多段炉,多段炉和传统的活化设备斯列普活化炉相比较,其产能较大,单台设备最大产能可达10000吨/年,远超过斯列普炉2200吨/年的产能,可产生规模效益。
 
       二、多段炉活化原理及工艺
 
       多段炉既可以作为独立的炭化装置、或作为独立的活化装置,也可以根据工艺调整作为炭化及活化一体化装置。
       活化的原理:可采用多种原材料来制造活性炭或活性焦,这些原材料包括煤炭、椰子壳、木材、褐煤、焦煤等,原材料通常先经过炭化加工,之后在高温条件下进行活化处理以获得发达的网状孔隙结构,这些孔隙结构可以提供对气相或液相化学污染物具有吸附活性的“吸附位”。
       活性炭的活化加工是在高温条件下,部分固定碳与水蒸气发生如下气化反应:C+H2O→H2+CO;C+CO2→2CO。可通过控制气化反应过程来制造出符合预定性能的活性炭产品。气化反应受到以下工艺参数的影响,并且会影响到最终产品的质量:具氧化性的气体的化学性质及其浓度;反应温度;活化时间和反应速度;原材料的性质。

       多段炉活化工艺



       多段炉活化工艺过程

       上图为采用水蒸气为活化剂的煤基活性炭多段炉活化系统的工艺流程。
       温度低于300℃(若采用耐热钢材质的炭化料输送及给料装置且不产生安全问题时,允许进一步提高炭化料的进炉温度)的炭化料用螺旋给料机和气密加料阀连续送入最高一层炉膛(第一层炉床),炭化料被从下方炉床流动过来的高温气体加热至800℃以上,从第二层炉床开始,每层均加设有两台或三台燃烧机和蒸汽喷嘴、二次风喷嘴,炉膛温度被精确控制在预设的活化温度±(5∼10)℃范围内并开始进行活化,最底层炉床不加设燃烧机和二次风喷嘴,为冷却床层使用。活化时间通过中轴转速进行调节。从多段炉中连续卸出的活化料进入强制夹套式冷却机(冷媒为水),从强制冷却机卸出的活化料温度低于50℃,可以直接进入后继的筛选包装工序。
       碳与水蒸气反应后生成的可燃气体成分与二次风(中轴冷却产生的热风回用为二次风及一次风)含有的氧气在炉膛空间内发生部分“层燃”以补充活化过程所需的热能,过量加入的水蒸气及未燃的反应生成气体(以一氧化碳和氢气为主)、不参与反应的氮气成分、燃烧后产生的二氧化碳和水蒸气等混合气流通过炉床的落料孔向上逆流,在第一层炉床与炭化料受热逸出的气相有机物、和少量在炭化料表面粘附的、在第一层炉床内即脱落进入气相的固体粉尘、混合后由多段炉尾气排出口及排放管排出,进入后燃室进行二次富氧燃烧。正常运行状态下,燃烧机仅消耗少量燃料(燃油或燃气)即可维持炉温。同时,通过在线监控系统自动控制多段炉内的剩余氧含量不超过1.0%。
       后燃室中设有燃烧机,并使用中轴冷却产生的热风做助燃空气(一次风),设计足够的尾气停留时间(1.5∼2秒钟),使活化尾气中的可燃物质如一氧化碳、氢气、有机挥发物、碳质粉尘等彻底氧化,产生的高温烟气(温度高达950至1200℃)离开后燃室后进入余热锅炉回收系统,产生的过热蒸汽供多段炉活化使用。经过余热锅炉之后,烟气温度下降至150℃左右,再经过脱硫及除尘后达标排放。
       利用多段炉制造烟煤基、褐煤基和无烟煤基颗粒活性炭产品时,多段炉系统余热回收生产的过热蒸汽仅有1/3用于活性炭活化工艺,富余的2/3蒸汽可用来发电或作为生产线其他装置所需的工艺蒸汽原料使用。
       用于制造脱硫脱硝活性焦时,应将活性焦先造粒,将原煤、辅煤及粘合剂送入辊压造粒装置连续辊压造粒;烤硬,将辊压成型的颗粒送入网带式干燥机烤硬处理,干燥过程中产生的尾气输送到脱硫装置;然后将经过网带式干燥机烤硬处理过的颗粒送入多段炉内进行炭化、活化、氧化处理,过程中产生的尾气送入后燃烧室以产生高温烟气用来制造高压蒸汽;将经过多段炉炭化、活化、氧化处理的颗粒快速送入固液强制式强制冷却机冷却,将经过固液强制式冷却机冷却过的颗粒送出,制得脱硫脱硝活化炭;
 
       三、多段炉和斯列普炉比较
 
       1、耐火砖种类
       多段炉炉床砌筑所需使用的耐火砖型号不超过5种;斯列普炉炉芯砌筑约需要采用17种异型耐火砖。
       2、设备维护周期
       多段炉每年工作时间按330天计算,每年需安排三周左右时间进行例行检修和维护保养;斯列普炉的维护保养一般不进行计划,当产品质量出现意外波动、控制参数变化很大且持续时间较长时,才会停炉进行吹扫气道、清理产品道等维护性操作。根据经验数据,斯列普炉的维护间隔时间一般为2年左右,每次维护保养需耗时60天至120天不等(根据复杂程度及需维护维修的部件数量而定)。
       3、设备占地面积:以年产1万吨煤基颗粒活性炭产品为例。
       多段炉选用外径8米,16层炉床结构的设计可满足产能,多段炉本体占地面积120平方,炭化料备料及输送装置占地面积20平方,后燃室及余热回收蒸汽锅炉、洗气器、风机等装置的占地面积280平方,自动化控制室占地面积40平方,预留辅助面积200平方,则多段炉系统的总占地面积约为660平方;
采用标准的1000吨级斯列普炉时,达到1万吨设计产能需建造10套装置,安装20吨燃煤锅炉一台,则锅炉装置及其烟气处理系统(不包括煤场和渣场在内)的占地面积约200平方,炉本体及辅助设施(含炭化料输送及贮存装置在内)占地面积约120×10=1200平方,仪器仪表及控制室占地面积40平方,斯列普炉系统一般不设置烟气处理装置,则斯列普炉系统总占地面积总计约为1440平方。
       4、自动化程度及人工占用
       多段炉活化系统:采用全自动运行方式,系统内所有的单元装置均可在中央控制室进行监控并按照既定规范进行工艺参数的调整操作,另外,系统软件还具有“自动记忆”功能,当多段炉重新启动时,系统会按照最近一次正常操作参数自动进入“生产模式”。还可根据用户拟生产的产品品种,允许用户预先在系统中设定各种“标准生产工况控制状态”对应的不同工艺参数设定:当生产品种确定、装置进入正常运行状态后,在自动操作界面上选定相应的“工况编号”,装置即可逐渐调整至该工况的标准运行参数或优化参数状态进行活性炭生产。
       多段炉活化系统的操作人员仅需2人/班次,大大缩减了操作工人数量。
       斯列普炉活化系统:由于各种工艺参数之间的相互影响程度较大于多段炉,无法使蒸汽生产、炉本体及辅助设施的运行在一套控制系统中实现自动化操作,一般的做法是炉本体系统采用人工辅助的自动化操作、蒸汽生产则采用另一套控制系统,其炭化料的加料及输送几乎多采取人工操作方式。年产1万吨活性炭的生产线直接操作工人数约需90人。
 
       四、多段炉和斯列普炉活化工艺及产品比较
 
       1、气固相接触方式及物料在炉内的有效停留时间不同
       有效停留时间指炭化料在活化段内的累计停留、加工时间。在多段炉炉膛内,炭材料与活化剂之间的气固相接触方式为“错流+逆流”,而斯列普炉产品道内炭材料与气相的接触方式为“错流+局部弥散(呈非控制性乱流状态)”。多段炉的多层炉床结构为气固相接触提供了必要的接触面积,加之机械搅拌作用对固相物料的翻动及料层中“犁沟”结构的形成及不断更新,使气固相接触几率远远超过了斯列普炉产品道内的气固相接触几率。
       从炉本体结构特点及运行原理分析,采用同一种炭化原料,在多段炉装置中制造碘值超过1000的煤基颗粒炭产品时仅需5至8小时的活化时间,而在斯列普炉中制造同水平的活性炭时则需要长达30小时的活化时间(3)。
       2、活化蒸汽消耗量不同
       一般而言,经化学反应计算的活化过程水蒸气理论消耗量为857kg/吨活化料,但实际生产中需加入的水蒸气要远远高于这一理论值,其原因是:炭的活化反应速度受控于扩散速度,当水蒸气不能快速地扩散到炭中更深的孔隙结构内部时,活化反应无法继续进行,为了保证必要的扩散速度,增加活化剂气体的浓度、使孔隙内外的活化剂浓度差增大,是一种廉价易行的技术办法。
       多段炉活化装置用来制造烟煤基活性炭时,平均的蒸汽加入量为4.35∼5.5吨蒸汽/吨活化料制品。
       斯列普炉由于产品道内气固相的接触方式以错流为主,气固相之间的反应速度要比多段炉活化装置慢。此外,由于斯列普炉的半炉切换运行方式(用以维持自热平衡),活化半炉会随时间的推移而降温,此时为了安全性及工艺平稳性仍需以恒定的流量加入蒸汽,致使蒸汽的有效利用率也呈下降趋势。
       整体而言,当以恒定流量向斯列普炉中加入蒸汽时,蒸汽的单位消耗量要比多段炉活化装置高得多,据统计,当斯列普炉运行状态良好时,蒸汽的平均消耗量为8吨/吨活化料制品,而运行状况变差时,该数值竟然高达12至15吨蒸汽/吨活化料制品。
       3、允许进料颗粒度范围不同
       标准型斯列普炉由于产品道宽度较小,且气流通道与产品道有数千个“交叉点”,故斯列普炉的进料颗粒尺寸有较严格的规定,一般在2至8mm范围内。粒度过小会有部分颗粒进入气流通道,不仅会降低产品收率,还会堵塞气流通道、降低活化反应速率,进入气流通道的颗粒炭被逐渐灰化后还会引起耐火砖的接触面“玻璃化”(局部熔融),严重时甚至会引起炉芯塌陷、设备报废;粒度过大,则会引发产品道“架桥”式堵塞。发现这种局部堵塞现象时会逐渐在产品道内形成结块而彻底堵死产品道,此时就必须进行“捅炉”操作予以疏通,而强制性的机械捅炉操作会造成耐火砖局部破坏、炉子运行性能变差。
       多段炉对进料颗粒度没有严格的范围要求。多段炉在进料粒度方面的优势在于允许根据目标产品的粒度范围要求对符合对应粒度分布的颗粒炭化料进行活化生产,制成的活化料仅需筛选去除少量低于下限控制值的颗粒后即可包装为成品活性炭,例如:拟生产12×40目的无定形颗粒活性炭产品时,可采用与此对应的颗粒炭化料进入多段炉装置进行活化,活化料筛选去除小于40目的细小颗粒后即为成品炭。此外,多段炉用来制造脱硫脱硝专用煤基活性炭那样的大尺寸型特种炭产品,而无需对斯列普炉进行拓宽产品道调整。
       4、活化成品的质量均匀度不同
       斯列普炉固有的结构特点决定了在其炉芯各点上炉温是呈不均匀分布的,靠近侧烟道的产品道炉温要高于远离侧烟道的产品道炉温,故采取同一套常规卸料装置(采取炉子宽度方向安装的卸料器)卸出的活化料中,从中心区出来的活化料吸附性能要低于从两端位置卸出的活化料。
       多段炉通过切向安装燃烧机喷枪、切向进二次风、机械“耙动”设计、“错流+逆流”的气固相接触设计、“N−2”层数做为活化操作炉床区段等设计,使活化成品的质量均匀。
       5、工序产品收率及炭的烧失率不同
       多段炉活化装置的工序产品收率(干基活化料出料量/干基炭化料进料量)在40%至65%范围内,随活性炭生产原料煤种及前工序工艺及设备类型的不同而有所差别。
       斯列普炉的工序产品收率统计结果在35%至45%范围内。
       二者在工序产品收率或称炭烧失率方面存在如此巨大差异的原因在于两种炉型在热能管理和热能利用机制方面的截然不同。
       6、两种装置的热能管理不同
       多段炉制造1吨标准吸附性能的活化料(以水处理炭为例,标准吸附性能为碘值1000mg/g)需总计消耗5.5×106∼7.5×106kcal/吨活化料。多段炉装置系统的后燃室及余热蒸汽锅炉装置是主要的热能回收利用装置,它们的热能回收率可达60%至75%。
       斯列普炉设置了上连烟道燃烧室及蓄热室做热能回收利用单元设施,且采用格子砖蓄热/放热的热利用技术,热能回收率约40%到50%。
       斯列普炉单独设置的工艺蒸汽锅炉热效率虽然与多段炉装置的余热锅炉相当,而由工艺蒸汽带入的热能仅约为1.05×106∼2.23×106kcal/吨活化料,以最高值2.23×106计,总需热量则以最低值5.5×106计,热能缺口额至少为3.27×106kcal/吨活化料,这部分热能缺口需依靠烧失部分碳予以弥补。这是斯列普炉工序产品收率较低、炭烧失率较高的原因所在。
       此外,多段炉中轴冷却系统产生的热风回用于燃烧机助燃风及二次风、以及用作后燃室燃烧机助燃风,也是多段炉装置系统热能管理的重要内容之一。
       活性炭在活化工序烧失率越大,则达到同样的吸附性能水平时,灰分产率也就越高、强度或磨损值也就越低、堆比重也就越小。




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