煤基活性炭生产用回转式炭化炉生产工艺探讨

王丽　马典松

摘要：活性炭的吸附性能主要依靠的是其丰富的空隙结构及巨大的比表面积。而初步空隙的形成是在活性炭生产过程的炭化过程。通过优化控制炭化温度、加料量、转速、炭化抽力，可使炭化料强度达到97%，挥发分达到8%，比表面积达到220m3/g。

关键词：活性炭；炭化

引言

活性炭作为一种优良的多孔吸附剂和催化剂载体，用途极为广泛[1，2]。自问世100多年来，其应用领域日益扩展，产品广泛应用于化工、冶金、石化、医药、食品、轻工、兵工等领域[3]。

随着生活水平的提高，人们对于生活环境及生活用水的质量关注程度越来越高。而活性炭作为一种节能环保、吸附性能好的吸附材料，在液相吸附和气相吸附方面得到广泛应用。活性炭的吸附性能主要靠的是空隙，而空隙的初步形成就是炭化过程。

一、炭化炉设备种类简介

目前用于生产炭化料的设备种类很多，诸如立式移动床窑炉、坑式炉、蜂房式炉、耙式炉、回转炭化炉等，而回转炭化炉是目前国内外煤基活性炭生产中使用最广泛的炭化设备，根据加热方式的不同可以分为外热式和内热式两种。目前，国内炭化工艺大多采用的是内热式回转炭化炉。

二、炭化原理

炭化是活性炭制造过程中的主要热处理工序之一，炭化过程中大部分非炭元素—氢和氧因原料的高温分解首先以气体形式被排除，而获释的元素碳原子则组合成通称为基本石墨微晶的有序结晶生成物。

严格的说，炭化应是在隔绝空气的条件下进行。炭化是指在低温下（500℃左右）煤及煤沥青的热分解、固化以及煤焦油中低分子物质的挥发，主要有三个阶段：①干燥阶段：温度在120℃以下，原料煤释放出外在水分和内在水分，此时原料煤的外形无变化；②开始热解阶段：120-130℃原料煤开始发生分解释放出热解水，形成气态产物（如CO2，CO，H2S等），并有微量焦油析出；③炭化阶段：温度在300-550℃原料煤大量析出挥发分，炭化过程析出的焦油和煤气产物几乎全部在此阶段产生。

三、炭化生产工艺

（一）炭化工艺流程

1、物料流程：成型颗粒经运输机提升直接加入回转炉的加料室内，借助重力作用落入滚筒内，沿着滚筒内螺旋运动被带到抄板上，靠筒体的坡度和转动物料由炉尾向炉头方向移动。物料首先经过温度为200℃的预热干燥阶段，进入300-550℃的炭化阶段，在这个过程中，炭粒与热气流接触而进行炭化，排出水分及挥发分，最后经卸料口卸出。

2、气体流程：炉尾尾气在燃烧室中燃烧后，一部分尾气返回到炉头，进入滚筒与逆流而来的炭粒直接接触进行炭化；另外一部分进入余热锅炉进行换热，换热后的烟道气从烟筒排出。余热锅炉产生的蒸汽部分送到活化工序和换热站，部分返回炉头与尾气混合后进入炭化炉。

（二）炭化温度

炭化温度直接影响炭化料的孔隙结构和强度。温度过低炭化产物无法形成足够的机械强度，温度过高则会促使炭化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间的空隙，影响活化造孔过程。

利用宁夏太西无烟煤生产活性炭，将无烟煤加热，其炭化产物中易石墨化成分占主导地位，无烟煤对炭化终温非常敏感，当温度升高时就开始收缩，结果造成在炭化初始阶段形成的微孔容积大幅度降低。

炭化温度对炭化料初始孔隙的形成影响很大，按照炭化过程中温度的影响，宁夏太西无烟煤的炭化料炭化温度工艺应控制为：炉尾（入料口）300-350℃；炉头（出料口）550-650℃；物料在炉内的有效停留时间为30-40min，即物料的升温速度应控制在15-20℃/min范围内。高升温速率能使物料析出更多的焦油和煤气，降低炭化料产率。降低升温速率时，物料在低温区受热时间长，热解反应的选择性较强，初期热解使物料分子中较弱的键断开，发生了平行的和顺序的热缩聚反应，形成具有较高热稳定性的结构，从而减少高温热解析出物的挥发分产率，获得更高挥发份的固体炭化产物（即炭化料）。

（三）炭化加料量。炭化生产过程中，加料量的控制是影响炭化料挥发分、强度以及产量和产率的重要因素。炭化加料量太大，会造成物料与炉体接触的频次减少，热量不能在短时间内辐射到料堆内部，最终影响炭化料的质量。同时料量过大，会使过多烟气在焚烧室内燃烧，造成热量积聚，影响余热锅炉的使用寿命。加料量太小一方面不适合经济运行的原理，另一方面烟气过少会改变炭化工艺，使得无法操作。适当控制炭化炉的料量是保证炭化料质量的關键步骤。

（四）炭化炉转速。炭化炉转速的控制是影响炭化料挥发分、强度以及产量和产率的又一重要因素。炭化炉转速快，则产量大、挥发分高，但是如果只一味追求产量，转速过快，则会导致炭化料碎料多、强度低，不但造成大量的浪费，使得后续活化产率低下，最终影响活性炭产品的使用性能。因此，在实际生产过程中，为确保炭化料质量，必须控制好炭化炉转速。不同炉型需要不同的工艺参数，这需要在生产中根据实际而定。

（五）炭化抽力。在环境保护压力越来越大的情况下，炭化生产工艺控制过程中，炭化抽力的控制显得尤为重要。抽力过大会使燃烧不充分，造成烟气浪费的同时，也会使炭化炉烟囱冒黑烟，最终导致环保不达标。

经过长期的生产发现，利用宁夏太西无烟煤的生产过程，炭化抽力一般控制在-（20-40）Pa最合适。

四、结语

活性炭的吸附性能主要依靠的是其丰富的空隙结构及巨大的比表面积。而初步空隙的形成是在活性炭生产过程的炭化过程。通过优化控制炭化温度、加料量、转速、炭化抽力，可使炭化料强度达到97%，挥发分达到8-10%，同时炭化料比表面积最高能够达到220m3/g。

参考文献：

[1]戴伟娣，孙康.我国活性炭技术标准研究现状及发展需求分析[J].生物质化学工程，2010，3（44）：40～44.

[2]孙仲超，张文辉等.压力对太西无烟煤制活性炭的炭化和活化过程的影响[J].煤炭学报，2005，3（30）： 353～357.

[3]李艳芳，梁大明等.国内外活性炭应用发展趋势分析[J].洁净煤技术，2009，15（1）：5～8.