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1、活性炭专业生产工艺流程 活性炭的应用及发展过程 活性炭是含碳的物质经过炭化和活化制成的多孔性人造炭质吸附剂 它具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积 可用作吸附剂 催化剂和催化剂载体 活性炭作为人造材料 是在1900年到1901年发明的 其发明者是拉费尔 王 奥斯特莱科 他采用化学活化法和物理活化法制造活性炭而获得专利 1911年 门高德博士在维也纳附近的工厂首次将活性炭工业化生产 当时的产品是粉状活性炭 这是世界上第一家工业化生产工厂 回顾世界活性炭的发展历史 有两个主要的事件推动了活性炭事业的发展 一是第一次世界大战化学武器的应用 二是1927年发生在美国芝加哥自来水厂的饮用水恶臭事件 191
2、4年欧洲爆发了第一次世界大战 1915年4月22日 德国军队在欧洲战场伊普番河上使用了毒气 5月18日 在华沙附近的拉夫卡河又向俄国军队施放了毒气 1915年德军在比利时对毫无准备的英法联军使用6000个钢瓶施放化学毒气氯气18万公斤 造成士兵伤15000余人 其中约5000人丧生 有 矛 必然会发明 盾 有化学毒气必然会发明防毒武器 两个星期后 军事科学家就发明了防护氯气武器 他们给前线的每个士兵发了一种特殊的口罩 这种口罩里有用硫代硫酸钠和碳酸钠溶液浸过的棉花 这两种药品都有除氯的功能 能起到防护的作用 但是如果敌方改用第二种毒气 这种口罩就无用武之地了 事实也是如此 此后不到一年 双方已
3、经用过几十种不同的化学毒气 包括人们现今熟知的介子毒气及氢氰化合物 因此人们一直在寻找一种能使任何毒气都失去毒性的物质才好 这种百灵的解毒剂在1915年才被科学家找到 它就是活性炭 到1917年 交战双方的防毒面具里都装上了活性炭 毒气对交战士兵的危害程度就大大降低了 第二次世界大战中德国首次利用介子气引发了毒气战争 人们就开始寻求避免受到毒气侵害的方法 而活性炭正是因为其能高效防止毒气的侵害 被广泛应用于战争 这样就刺激了世界各国对活性炭的研究和生产 1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事件 这是由于原水中苯酚和消毒用的氯发生异臭所致 后来 德国等地的自来水厂也发生
4、了同样的事件 而这些事件都是用活性炭处理解决的 从此以后 环境保护日益受到重视 政府的法令也日趋严格 不仅在净水方面 在其他领域也得到广泛应用 由此 活性炭进入全面发展阶段 50年代以前 我们国家还没有活性炭的加工企业 每年进口30 50t 50年代到1981年 国产活性炭开始上市 特别是1966年 从苏联引进斯列普活化炉后有了规模化生产 国内生产能力逐步提升至10000t a 80年代末期到90年代末期 进入改革开放以后 国内开始建设大量的活性炭厂 其规模也飞速发展 生产能力逐步从10万t a发展到12万t a 2000年到2008年 生产能力持续增长 现已达到每年20余万t 生产煤质活性炭
5、的原料种类 褐煤 烟煤和无烟煤均可作为活性炭的原料 国内的煤质活性炭原料主要采用山西大同地区的弱粘结性烟煤和宁夏的太西无烟煤 1 弱粘结性烟煤 山西大同地区的弱粘结性烟煤由于化学活性好 灰分低 特别是其八层煤和十一层煤 而广泛被山西的活性炭企业用于加工制造原煤破碎活性炭 2 无烟煤 宁夏太西煤低灰 低硫 含碳量高 化学活性好 是生产高档活性炭的优质原料 宁夏的活性炭企业主要采用太西无烟煤作为主原料生产柱状活性炭 生产工艺流程 以太西无烟煤为主原料的合格原料煤入厂后 被粉碎到一定细度 一般为200目 然后配入适量黏结剂 一般为煤焦油 在混捏设备中混合均匀 然后在一定压力下用一定直径模具挤压成炭条
6、 炭条经炭化 活化后 经筛分 包装制成成品活性炭 其工艺框图如下所示 活性炭生产工艺流程图 活性炭分公司二分区工艺流程图 原料 1 原料煤的要求2 配煤3 黏合剂的要求 原料煤的要求 水分煤中的水分对活性炭生产有一定影响 水分含量过高不仅对煤炭的破碎 筛分不利 而且增加能量消耗 提高生产成本 褐煤内在水分最高 其次时是无烟煤 中等变质程度的烟煤内在水分含量最低 目前我们要求无烟煤水分 5 灰分煤灰分含量高会降低煤的发热量 影响炭化料及活性炭产品的机械强度 影响活性炭的孔隙结构 降低活性炭的吸附能力 使活性炭产品杂质增加 限制了煤基活性炭的应用领域 但是有些矿物质如CaO MgO Fe2O3 K
7、2O及Na2O等可以催化煤中碳与水蒸气的反应 加快反应速度 提高活化炉的产量 一般要求灰分 6 目前我们要求采用的原煤灰分 3 挥发分无烟煤挥发分含量最低 挥发分含量过高 挥发出的物质容易结焦 堵塞产品道 过低 不能为活化提供足够的燃料 目前要求挥发份为7 8 煤的反应性反应性高的煤在活化和燃烧过程中 反应速度快 效率高 配煤 配煤是改善活性炭产品孔结构 提高活性炭产品吸附性能的一种好方法 单种煤的结焦特性及其在配煤中的作用肥煤 肥煤属中等变质程度的煤 挥发分范围较广 胶质层厚度大于25mm 受热时产生大量的胶质体 其流动性大 热稳定性好 肥煤在约260 时有机质开始分解 肥煤具有很强的粘结能
8、力 能将煤粉颗粒很好低粘结在一起 形成机械强度较好的炭颗粒 是配煤中的重要成分 但挥发分高的肥煤 结焦性较差 因此在选择肥煤作配合煤时 要充分考虑肥煤的粘结能力 挥发分 结焦性等 弱粘煤 弱粘煤是一种还原程度较弱的低变质程度到中等变质程度的煤 加热时 产生的胶质体较少 结焦性能较好 精选弱粘煤加粘结剂 煤焦油 在特定的工艺条件下制造柱状活性炭在国内已成为现实 其被用作催化剂载体 焦煤 焦煤具有中等挥发分与中等胶质层厚度 加热时能形成热稳定性很好的胶质体 结焦性能好 在配煤中焦煤可以起到提高干馏固体物料之机械强度的作用 炼焦工业利用焦煤单独炼焦时能得到块大 裂纹少 机械强度和耐磨强度都高的焦炭
9、目前尚未有报道利用焦煤制造活性炭 随着活性炭制造研究工作的深入 焦煤作为配合煤会用于活性炭制造工业 经过研究发现 在生产工艺基本条件相同条件下 煤基活性炭孔结构类型主要由煤本身性质决定 褐煤生产的活性炭碘值不高 但孔容积较高 这说明褐煤生产的活性炭中孔 大孔较多 这种活性炭的脱色能力较强 在某些液相应用领域 实际应用效果较好 由不黏煤 弱黏煤为原料生产的活性炭中孔较发达 适宜生产液相吸附净化用活性炭 以无烟煤为原料生产微孔发达的活性炭 适宜生产优质的气相吸附用活性炭 配煤原理活性炭制造主要是依据挥发份 粘结性指标的配煤基本概念进行配煤 一般要求配合煤的挥发份在25 30 这个范围内 特征指数为
10、3 5 根据活性炭特性要求改变单种煤在配合煤中的配合比例 总之 配煤是改善活性炭产品孔结构 提高活性炭产品吸附性能的一种好方法 但如何配煤 应因地制宜 应根据活性炭产品孔结构及吸附性能的要求 确定配煤的煤种和配煤的比例 切不可盲目照搬 否则不会达到提高活性炭性能 降低生产成本的目的 需要指出的是配煤技术难以大幅度提高活性炭的吸附性能 只能在一定范围内改善活性炭的吸附性能 降低生产成本 如果生产高吸附性能的活性炭产品 应采用催化活化 煤岩分析等先进的新技术 黏合剂的要求 含碳量高 热解时析焦率高 最后能够构成活性炭本身的一部分 起到骨架作用 具有一定的流变性能 对基质颗粒具有良好的浸润性 并与基
11、质混合后具有可塑性 有利于将基质原料加工成型为颗粒状物质 具有粘结性 在工艺过程中能使基质结合成整体颗粒 并赋予较高的机械强度 有助于形成活性炭颗粒内部的初步孔隙 并对加工过程无不利影响 起造孔作用 以上最重要的是浸润作用和黏结作用 黏合剂的种类较多 目前常用于煤基柱状活性炭生产的黏合剂主要有煤焦油 木质磺酸钠 纸浆废液和淀粉溶液等 考虑到黏合剂的来源途径 一般黏合剂选用煤焦油 从生产的产品质量比较 煤焦油是煤基成型活性炭生产最适合的黏合剂 我们采用煤焦油作为黏合剂 要求其沥青含量 50 水分 5 粘度要好 水分不易过高 因为水分太多影响炭条强度 原料煤的粉碎 200目 95 通过 磨粉的目的
12、是为了将煤进行预氧化处理 增加其表面积 易于活化 氧化对煤的炭化及其后生产活性炭的影响是巨大的 煤的氧化降低了煤受热的流动性 提高了炭化物的微孔容积 煤的预氧化使得制备的炭化料具有极高的微孔 有利于制备优质活性炭 例如 不进行预氧化而直接活化的太西原料煤 其在930 活化条件下进行活化试验3小时 I2值在530mg g左右 而采用预氧化工艺 柱状成型炭化后的颗粒在同等活化条件下进行活化试验反应3小时后 I2值在1000mg g以上 物料磨粉过程 物料由提升机送至储料斗 再经振动给料机将物料均匀定量连续地送入主机磨室内进行研磨 粉磨后的粉子被风机气流带走 经选粉机进行分级 符合细度的粉子随气流进
13、入大旋风收集器内 进行分离收集 再经出粉管排出即为成品粉子 气流再由大旋风收集器上端回风管吸入引风机 本机整个气流系统是密闭循环的 并且是在负压状态下循环流动的 在磨室内因被磨物料中有一定的含水量 研磨时产生热量导致磨室内气体蒸发膨胀改变了气流量 以及整机各管道接合处密封不严 外界气体被吸入 使循环气流风量增加 为此通过调整风机和主机间的排气管来达到气流平衡的目的 并将多余气体导入布袋除尘器内 把余气带入的微粉收集下来 余气被净化后排出 混捏 混捏的目的是使固相的煤粉与液相的煤焦油充分的混合 赋予混合料以塑性和流动性 使煤粉的细小颗粒充分地 均匀地被煤焦油充填和包裹 煤沥青在经过炭化后形成炭骨
14、架 焦油温度 90 混捏温度 70 90 混捏时间 15分钟到20分钟 挤压成型 成型的目的是得到具有一定外形及较高密实度的炭条 目前本公司用于活性炭制造的挤压成型设备为借高压液体介质进入柱塞液压缸推动柱塞对煤膏加压的立式液压机 成型液压机有单缸式和双缸式两种 单缸油压机 二分区 的装料与压制是间歇式进行的 料缸装满煤膏后再加压 没有预压装置 煤膏受压时间短 煤膏的工作压力为180 220kgf cm2 17 6 21 6MPa 双缸液压成型机 一分区 的装料和压制可以分别在两个缸内同时进行 某一个缸在装料预压时 另一个缸则对煤膏加压 煤膏受压时间长 压出条密度大 操作易实现自动化 炭化 炭化
15、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 炭化主要目的 1 排除成型料中的挥发份及水分 2 提高炭化料强度 煤焦油中的沥青成分形成了基本骨架 3 使炭颗粒形成初步孔隙 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
16、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 如炭化炉内尾部着火造成的炭化料形成光圈现象 坚硬炭化料 形成易石墨化物质 难以活化 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 太西煤质的炭化料炭化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 获得更高的固体炭化产物 即炭化料 产率 我们平时说的炭化温度是指转炉的中部温度 但中部温度并不是炭化最终温度 炭化最终温度实际是出料口的温度 这个温度最终影响炭化料的质量 炭化不仅决定最终产品的机械强度等级 还决定最终产品的孔结构特性以及常规吸附性能指标等级 内热式回转炉炭化工艺流程 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
