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煤质活性炭的工业制造及应用知识培训教程(04)  

2017-11-16 07:14:28|  分类: 活性炭产业 |  标签: |举报 |字号 订阅

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编写:吉建斌(2004年)

同样地,选择两种均具有强粘结性的原煤来生产活性炭,也是不适当的,会造成炭化过程困难。

所以,虽然有了“孔结构设计”思路,还必须遵循一定的规律,经过大量的实验室研究工作才能将这种思路转化成可以触摸到的、有经济效益的活性炭产品。

另外,在配煤法制造专用炭产品的研究中,粘合剂的选择亦是极为重要的,长期研究结果表明,不论是煤系、植物系还是石油系粘合剂,它们在活性炭的制造过程中都绝不是惰性成分,也会在很大程度上影响到最终产品的孔结构,表面性能,甚至宏观应用性能。

第三讲:煤质活性炭的制造及质量控制

本讲将重点介绍煤质(煤基)活性炭的通用制造技术及质量控制方法,其中将着重介绍煤质直接破碎颗粒活性炭、压块/压片/压丸法无定形破碎颗粒活性炭和柱状成型颗粒活性炭三种产品的通用制造技术和质控方法,同时将简要介绍煤质球形活性炭和煤质活性炭分子筛的一般性制造技术。

一、煤质直接破碎颗粒活性炭

煤质直接破碎颗粒活性炭是中国独有的活性炭品种,且目前仅能使用山西大同部分矿点的低灰高活性原煤做原料来生产该种产品,近年来有用宁夏无烟煤制造直接破碎炭的研究报道,但还没形成规模生产的能力,且产品性能尚有缺陷。

目前通用的原煤直接破碎颗粒活性炭的制造工艺和质控方法按制造工序分别介绍如下。

1、原煤的准备工序

(1)原煤的选择及质量控制

大同地区的煤炭资源非常丰富,其中既有标准弱粘煤煤种,又有不粘煤煤种,还有1/2中粘煤煤种,许多矿点甚至生产以上三种原煤的混合煤。按照活性炭制造行业的通俗分类,大同煤分为亮煤和暗煤(有时称为丝煤)两类,前者通常是指具有膨胀性和结焦性的煤,在常规炭化时会产生大量鼓泡和结焦料,后者通常指非膨胀非焦性煤,目前生产直接破碎炭的企业多采用后者为原料。

一般来说,本行业通称的亮煤,其水分10%,灰分2?8%,挥发分30?35%,从煤的岩相组成来说,其镜质组的含量为65?75%,半镜质组15?25%,丝质组10?20%,惰质组5%,断面有金属光泽,煤质一般不均匀,大块原煤中肉眼可观察到层状结构的有其它光泽的煤夹层或矸石夹层。而暗煤多呈哑光型,有坚硬的细纹层状或针状结构,其岩相组成一般是——镜质组40?60%,半镜质组10?20%,丝质组30?45%,惰质组<5%;工业分析结果为——水分10%,灰分2?10%,挥发分26.5?29%。

通常地,活性炭行业仅检测原煤的水分、灰分和挥发分三项指标,而上述通称的亮煤和暗煤的最明显的差别在于挥发分指标。一般来说,具膨胀性和结焦性的、不适于用常规工艺制造直接破碎炭的亮煤,其挥发分均高于30%,这一点可用来简单地判断原煤的适应性。

值得提出的是,随着对大同煤认识程度的加深,和基于大量实验获得的数据,用感官判定哪种是亮煤或哪种是暗煤,是极不准确的,表面呈金属光泽的亮煤中有许多也可以用现有工艺制造出不鼓泡、不结焦的高性能直接破碎炭产品,如斗子湾附近的亮煤即是如此。为了准确地判定某一矿点出产的原煤是否可用来制造直接破碎炭,目前可采取两种办法:一是进行工艺实验,二是在现有的判定指标体系(水分、灰分、挥发分)的基础上扩展检测项目,一般增加自由膨胀序数(CSN)和粘结性指数(GRI),用以表述大同煤的细节性差异。前者投资省,但只能宏观判定,后者投资较大,但可进行细微分析,更加科学。

(2)原煤的破碎和筛选

选择出不具膨胀性和结焦性的大同煤(块度要求20毫米)之后,用辊式或锤式、鄂式破碎机将其破碎,并筛选出一定块度的煤粒,准备炭化。

不同的炭化设备对原煤的块度要求是不同的。例如:当采用回转炉炭化时,原煤最适宜的块度应在4?15mm范围内;采用斯特克炉进行炭活化时,原煤最适宜的块度应在20?40mm范围;当用大同地区常见的,由立式焦炉改造的立式炭化炉时(产品道宽度一般大于350mm),适宜的煤块块度应在40?80mm范围。

(3)原煤准备工序的其它问题

关于亮煤的使用问题。一般来说,采用常规生产工艺时用大同亮煤难以制造出性能优良的直接破碎炭产品,但近年来的研究表明,当在炭化工序之前采用适当的工艺方法使其自由膨胀序数降低到1以内,且粘结性指数降至10以下后,可用亮煤更快地、高得率地制造出性能超过用暗煤为原料时的直接破碎炭产品。目前使用大同亮煤为原料制造高性能直接破碎炭已成为本地区活性炭行业的研究方向之一。

2、炭化工序

从对直接破碎炭最终质量的影响程度的角度来说,炭化工序的作用几乎可以说是决定性的,本工序不仅可决定最终产品的机械强度等级,还能决定最终产品的孔结构特性以至常规吸附性能指标等级。

通常采用的炭化最终温度为500?650;炭化温度梯度亦应经过详细设定,一般来说,当采用转炉炭化时,炉尾温度一般不允许超过180,出料口附近的温度为500?650,物料在炉内的有效停留时间为20?30分钟,即:物料的升温速度应控制在10.7/min?23.5/min范围内。

对转炉炭化方式来讲,最终温度的控制是靠炉头燃烧室温度的调控来实现的,炉尾温度及沿炉体轴向的温度梯度分布则由炉体的长度、转速及烟道的抽力来调控的,当炉体的长度和转速均固定时,调整抽力可部分地实现温度分布调控功能。

炭化料的质量评价。炭化工序操作质量的评价是依靠对炭化料的综合评价来实现的。首先应进行感官评价,炭化料如果出现过多的裂纹(可用手挤碎)、或断裂面呈现明显的两种色泽(夹生料)时,说明炉内温度分布不合理,需适当调整烟道抽力;如果断裂面靠近外表面处出现一层致密的“亮圈”结构,说明最终温度过高,需适当调低燃烧室温度。其次应进行工序质检化验分析,分析项目应包括:挥发分、焦渣特性指数、水容量、强度、灰分、粒度分布等。其中最重要的指标为前四项,一般来说,炭化料的挥发分14?18%,焦渣特性指数1?3,水容量15?25%,强度(球磨法)90%时说明炭化工艺是适当的。

3、活化工序

原煤直接破碎炭大多采用自热平衡式活化炉来活化,炉型多为斯列普或改良后的斯列普活化炉。关于活化机理和孔隙形成的微观机理问题,将在以后的讲座中详细讲解,本讲不再叙述。

判断活化程度是否恰当,是活化工序质量控制的关键、重点内容之一。最常见的控制方法是以出料器的水容量指标来判定的,前提是原料和炭化料的质量应相对稳定。因为每台活化炉的气氛都是有差距的,所以一般的做法是:当开炉后,稳定加入原煤(斯特克炭化活化一体化炉)或炭化料(斯列普炉),控制出料速度和出料量,得到一系列活化料样品,分别检测其水容量和碘值,绘制水容量~碘值关联曲线,确定适宜的水容量控制范围。在正常生产时,每隔一段时间(一般4?8小时)取一次样,分析其水容量值,并标注在相应炉号的出料器水容量控制图上,由司炉工根据活化料的水容量水平来调整出料时间及出料量。一般地,当采用大同煤生产直接破碎炭时,斯列普炉出料器水容量控制范围在65%?100%之间,对应的活化料碘值为850?1100mg/g,亚甲兰值为150?220mg/g。

极少数的情况下,企业会采取对活化料进行全分析来判断活化程度是否适当,这种方法的优点是可使企业技术人员对工序的产品质量有一全面的了解,缺点是因为全分析耗时较长,工序的调控滞后性较严重,另外,根据全分析结果确定工序控制的工艺参数,难度会提高许多。

最常见的活化工序质控方法是:通过出料器活化料水容量控制图来调控出料时间及出料量;活化料组批(一般将每台炉每班次的活化料组成一批)后进行必要项目的全分析。这些必要项目包括:堆比重、强度、水容量、碘值等。

近年来,已出现了一种可根据活化炉产品道的活化气氛差异及活化料控制指标进行设定的自动控制出料器技术专利产品,应用效果表明该项技术已趋近成熟,可以使活化炉的产量和活化料的质量实现最佳控制。相信在不远的将来,这项技术将获得大规模推广,活化工序的质控将实现全面自动化操作。

二、压块/压片/压丸法无定形破碎颗粒活性炭

压块、压片或压丸活性炭可通称为干法压型炭,起源于欧美国家,因制造过程中污染物排放量较小,生产工艺相对简单,近年来该品种活性炭呈快速增长态势。随着我国成型设备制造技术的日益成熟,干法压型活性炭将在5?10年之后成为最大宗的活性炭产品之一。干法压型工艺的优点是可实现配煤调孔目的,使最终活性炭的孔隙结构和吸附性能被有目的地设计,从而制得多用途型或专用型煤质活性炭产品。干法压型活性炭制造是国内活性炭领域的研究热点之一。

根据文献报道及生产实践经验,目前国际上通用的干法压型活性炭的制造方法按工序可总结如下。

 

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吉建斌(先生):18603463183,jzhx928@163.com

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