活性碳吸附床着火情况分析

高淑敏 王凤伟 邓 靖

广州市怡森环保设备有限公司

活性碳吸附床着火情况分析

高淑敏 王凤伟 邓 靖

广州市怡森环保设备有限公司

性活碳吸附床在吸附和脱附过程中存在偶发着火的情况,一旦出现着火,轻则损毁活性碳及其吸附装置,重则连带引燃、引爆其他装置,造成严重损失,弄清楚在什么情况下会发生着火进而采取有效措施避免着火产生，是值得深入探讨的，并为更好的在实际应用中提供安全的解决方案。

活性碳；吸附床；着火；情况分析

1 前言

目前活性碳吸附装置广泛使用在有机废气净化治理、危险废弃物管理以及其它的含有有机物存储设备中如汽油罐。我们知道有机溶剂蒸汽被吸附在活性碳上是一个放热过程，在一定条件下，释放的吸附热量可能升高到引起活性碳或有机溶剂发生自燃的水平进而导致活性碳吸附床着火。虽然活性炭床的着火不经常发生，但是如果安全措施不能有效贯彻实施，也会给使用者带来巨大风险。为了清楚活性碳吸附床在何种情况发生着火，用三种不同溶剂在不同使用条件下测试活性炭床出现着火的状况的实验,弄清楚发生着火的不同场合、条件。

2 活性碳发生着火及燃烧的实验调查

有机溶剂吸附在活性碳时释放热量称为放热反应，此外某些反应性化合物一旦吸附在活性碳上则在活性碳表面发生化学氧化反应或聚合反应，这种反应也是放热的，而且放热量与普通的吸附放热量相比呈指数递增，当氧化放热反应所释放热量不能迅速散热，温度就可能在床体内升高到活性碳和吸在活性碳上的溶剂起燃的温度。

根据文献检索收集到的使用活性碳吸附装置发生着火的资料很少。尤其是我们国家比较多使用活性碳吸附装置也是最近十几二十年，根据我们公司自己的经验和我们了解到的客户使用其他公司类似装置的情况，显示活性碳床着火是使用吸附床和包括再生式活性碳吸附系统处理有机溶剂时出现的情况。活性碳脱附再生系统是大型的有机废气净化设备，处理的风量从10000到100000m3/h不等,活性碳的再生就是现场不从设备中卸下活性碳而直接再生。尽管活性碳吸附系统及含活性碳再生系统在设计上不同，但活性碳在吸附过程中一旦遇到含有某些有机物质的气体时，都容易引起着火。这些活性化学物质在许多有机溶剂中都包含如酮类、醛类和有机酸类。

Naujokas指导了一系列实验室实验,用于评估不同工业用有机化合物在活性碳上吸附情况。第一组实验测试单独类有机溶剂在新的活性碳吸附时的反应。将新的活性碳吸附装置的温度设置在1250C，并且在活性碳床外部实施了隔热方法及加热方法保温。首先，将含有一定浓度的有机溶剂的氮气气流通过吸附饱和的活性碳床，出来的气体温度及成分未发现变化。然后，将含有机溶剂氮气气流改为含有机溶剂空气气流进行实验，仍然使用相同浓度的有机溶剂气流进入吸附饱和的活性碳床，由于活性碳没有了吸附能力，气流出口可以检测到温度变化及气流中产生的CO和CO2浓度变化，说明吸附床内有燃烧发生。采用不同溶剂品种,把氮气流改为空气流后,可以检测到部分有机溶剂品种有CO产生及活性炭床温度升高，部分品种没有CO产生及活性炭床温度升高两种状况。根据实验有22种有机化合物在1250C条件下发生氧化反应，在此条件下，酮类、醛类和有机酸类有机溶剂都显示了极高的化学反应速率。同样实验条件但将温度调整到1000C时，有10种有机物质显现氧化反应。在1000C的情况下，酮类及有机酸类的氧化反应能力急剧降低，但是醛类的氧化反应速率仍然很高，与在1250C的情况类似。

第二组实验：让活性碳床在吸附甲乙酮处于饱和状态时，将床体温度设定为400C,一旦活性碳床处于吸附饱和时，就将通过吸附床体的气流停止。但有微弱气流从床体上部通入为活性碳床提供少量氧气。这时活性碳床的温度变化和氧化反应产物都可以检测到，当进入床体的气流速度为0.2cm/s时，可以观察到CO,CO2急剧产生，检测到浓度从0ppm到8000ppm和6000ppm之间，当进风气流的速率为0.35cm/s时，未发现活性碳的热点及CO,CO2，表明带走的对流热量大于热量产生的速率。当没有进风发生时，热点没有扩散，表明没有足够的空气或者氧气进行氧化。实验用的相对湿度为60-65%的潮湿空气时，热点的产生会比使用干空气时晚几小时。

第三组实验发现：当加大进风速度通过热点，且热点温度够高，热点将导致活性碳床的燃烧。在一组实验中，采用0.02-0.10m/s的风速通过2000C的热点时，此时活性碳床吸附饱和甲基乙基酮，在6分钟内，热点温度上升至3760C,最终导致活性碳床燃烧。同样情况发生在0.50m/s流速通过160-300C0C的活性炭床。

同样的测试方法，实验者发现用于不同材质的活性碳的氧化反应也不同，椰壳类的活性碳比煤质活性碳更加易燃。使用一定时间的活性碳也比新活性碳更易燃，实验表明丙酮的氧化反应发生概率在使用过的活性碳上大于新活性炭，同样的情况用甲乙酮上也一样。

3 脱附再生装置活性碳床着火特性

Smisek和Cerry研究了使用含有再生装置的活性碳吸附床着火情况，当含有酮类，醛类或类似化合物时。发现在吸附设备发生着火的情况大多是由于生产情况安排停机或机械故障关闭后发生。停机一段时间后，吸附系统重新启动时发生着火状况，调查者把这种着火情况归于活性碳自发的氧化反应，当系统没有在完全冷却的状态下停机，或者由于未关闭死的阀门扔渗入少量空气进入活性碳床，这些气流却足以引起氧化反应所需。而且由于氧化产生的热量散发较慢，在活性碳床的某个局部位置可能会引起活性碳的自燃。调查研究表明：活性碳吸附床在关机前将温度下降到400C以下,着火现象就能避免。在我公司实际的使用中，由于当时不了解活性炭床的着火条件，也发生了上述的情况，后续处理时采用了安全温度设施避免了再次发生。

4 丙酮在活性碳吸附时氧化反应

针对丙酮、甲酮吸附在活性碳上发生的氧化反应及氧化反应对活性碳影响的研究，所用活性碳时市面上可以买到的椰壳活性碳，研究者发现在温度达到800C时，吸附在活性碳上的丙酮迅速发生氧化反应，当丙酮氧化反应释放的热量没有及时消散，就会使活性碳床达到着火温度，在风量小的情况下，自燃开始只在部分区域，如有大量空气氧气进入时会火势迅速蔓延。在小风量的情况下，氧化产生的热量大于气流带走的热量，会导致活性碳床温度增加，进一步加速氧化反应速率。

研究表明，尽管有大量空气进入冷却活性碳床，但活性碳有盲点现象，导致局部温度也可能上升。盲点（是指活性碳只有少量空气通过或者没有空气通过）。盲点可能由于气流分配不均造成，也可能是活性碳破碎。（活性碳破碎在活性碳吸附+脱附再生系统，由于循环脱附再生，可能导致活性碳破碎，在部分区域导致颗粒，粉尘堆积）。

5 防止环己酮再生时的活性碳床着火和退化

Takenchi调查活性碳吸附环己酮（一种酮类物质）时发生氧化反应和氧化反应导致活性碳燃烧情况，发现活性碳吸附的环己酮是发生氧化反应造成活性碳床着火的最大原因。调查显示，避免使用老化的活性碳能有效阻止活性碳床着火（使用了2年的活性碳的氧化反应发生率远远大于新的活性碳），及时清理活性碳的灰尘，增加进风口的湿度，都能减少着火的风险。（一定湿度的空气能避免活性碳床的过热，相对湿度5%是最有效的防止着火的湿度）。

6 甲乙酮和环己酮在活性碳上的氧化反应

用木质的、软煤、硬煤制成的三种活性碳上观察甲乙酮、环己酮的氧化反应，发现这两种酮类有机化合物在有氧状态下，即使是吸附状态在活性碳的表面也会氧化反应。温度反应、活性碳的种类和含不同灰份对氧化反应的影响程度也进行了调查，发现：1)为减少活性碳的表面氧化，活性碳吸附温度的控制比活性碳的种类更重要；2）对于甲乙酮、环己酮等有机溶剂吸附温度最好不要超过300C，因为这些酮类的氧化反应速率在超过300C时就会呈现指数型急剧上升；3）需要至少有超过0.2m/s风速气流来通过活性碳带走吸附氧化反应产生的热量；4）灰分高的活性碳氧化速率超过未处理过的活性碳。

7 关于活性碳吸附发生自燃和着火结论

⑴活性碳吸附过程是放热的，从活性碳吸附过程的释放热量与流量、浓度、相对湿度和特定有机物发生氧化反应相关；

⑵特别是当气流中含有特定的高浓度化合物时，活性碳吸附和氧化反应会释放大量热量，根据以往的文献报告，是由于这些活性碳床处理了含有含氧烃类有机化合物，引起着火的其他类化合物包括酮类、醛类、部分有机酸（如丙酸、丁酸）和有机硫有机化物（硫醇等；

⑶活性碳吸附床温度能够达到自燃温度，在特定条件下，活性碳吸附可以释放足够的热量达到其自燃并引燃整个活性碳吸附床；

⑷活性碳吸附时燃点与活性碳品种及条件相关，活性碳燃点在300-6000C范围不等；

⑸活性碳吸附床着火通过活性炭床体导热散热很少，主要可以通过有效对流散热而避免；

⑹活性碳吸附床因吸附和氧化放热有局部热点产生，如果热量能不能通过对流散热带走，或者因气流在活性碳表面产生勾留会导致热量不平衡；

⑺活性碳吸附床着火源于吸附的局部热点温度达到所吸附的有机物燃点或者局部缺氧状态得到缓解后发生。

[1]《carbon bed fire and use of carbon canisters for Air Emis⁃sion Control on Fixed-Roof Tank》Danise Housley,Robert A Zerbo⁃nia.