物理法通常指气体活化法,是以水蒸气、烟道气(水蒸气、CO、N等的混合气)、CO2或空气等作为活化气体,在800~1000℃的高温下与已经过炭化的原材料接触进行活化的过程。在这个过程中,具有氧化性的活化气体在高温下侵蚀炭化料的表面,使炭化料中原有闭塞的孔隙重新开放并进一步扩大,某些结构因选择性氧化而产生新的孔隙,同时焦油和未炭化物等也被除去,最终得到活性炭产品。
由于物理法通常采用气体作为活化剂,工艺流程相对简单,产生的废气以CO2和水蒸气为主,对环境污染小,而且最终得到的活性炭产品比表面积高,孔隙结构发达,应用范围广,因此在活性炭生产厂家中70%以上都采用物理法生产活性炭。下面对物理法的基本工艺过程进行具体阐述。
1、物理法生产活性炭工艺过程
3-2a
物理法制造活性炭的基本工艺流程见图3-2,其中图3-2(a)是粉状活性炭生产流程,图3-2(b)是无定形活性炭和成型活性炭生产流程,由此可看出,物理法活性炭生产工艺大致包括以下主要工段:原料处理工段、活化工段、后处理工段和成品工段。
3-2b
2、原料预处理工段
由于制备活性炭的原料种类很多,有木质原料、煤质原料、人造材料和工业废料等,不同原料有不同的物理化学性质,包括不同的粒径、粒径分布和灰分、挥发分含量等,因此针对不同原料也需要进行不同的预处理。
预处理的目的有三个:
1、可以使得原料的外观和粒度较适合炭化、活化设备,并满足使用者对产品的要求;
2、可以除去大部分对活化反应和产品性能不利的杂质;
3、可以尽可能减小原料发生石墨化的趋势,从而有利于得到吸附性能优良的活性炭产品。
为得到合适粒度的原料并除去杂质,可采用破碎、筛分、扬析和除铁等工艺过程,并根据不同原料的特性选用加工设备。
以煤作为原料时宜选择特定煤层的原煤或经过洗煤处理的煤。特别需要指出的是原料中杂质的含量可能对活性炭制造中的活化过程和活性炭产品的性能具有决定性的影响,而炭化料的脱灰预处理过程往往可成功将活性炭产品的灰分降低至0.5%以下。
3、活化工段
活化工段是决定活性炭质量和生产成本最重要的工段,需要根据原料的特性采用最适合的设备和活化条件。下面简单介绍一下常见的活化的设备及优缺点,详细的可查看以往文章。
1、多段炉。多段炉又称为多膛炉,因其内部有耙齿用于搅动炭层,故在活性炭行业内又称其为耙式炉,是一种外热式的移动床反应装置。
优点:多段炉对于活化温度、活化时间、气体通入量等参数可以较为方便地控制,燃料单耗成本相对较低,运行成本低,设备使用寿命较长。
缺点:多段炉设备投资大、建造技术要求高,而且物料在炉内有一定程度的磨损、粉化并且存在死角,较不适于生产小颗粒或粉状活性炭。
2、 斯列普炉。因其活化带的耐火材料砌块形状类似马鞍,又称鞍式炉。
优点:斯列普炉具有水蒸气和烟道气交替活化、炉温稳定、产品质量高质稳定、单台设备产量大且寿命长的优点,对操作工人要求不高因此目前在国内斯列普炉是使用最多的气体活化法炉型。
缺点:斯列普炉使用时起停所需时间周期长,费用高,更适合原料充足,生产量大的工厂。
3、回转炉。回转炉顾名思义就是这种炉体在活化过程中会回转因此炉内的原料由于炉体的回转而被强制性地翻转,从而使得气-固接触良好、得到质量均匀的产品。
优点:回转炉灵活方便,起停方便,原料不足的情况下适用,可连续生产,适合做高碘值活性炭。
缺点:回转炉使用时维修频繁,对操作工人要求较高。
4、后处理工段
后处理是活性炭生产中产品的精制和均质过程,通常包括酸洗和干燥这两个过程,目的是为了除去活性炭产品中的灰分、铁及重金属含量。一般气体活化法制备的气相吸附用活性炭和废水处理用活性炭可不需进行后处理,但生产对杂质含量要求高的产品则需要进行此过程。
酸洗一般用盐酸,加入量一般是炭质量的10%~30%,在加入至沸腾且充分搅拌的条件下进行。待样品杂质含量达到质量要求后再进行多次充分水洗以除去盐酸。为保护环境,酸洗中排出的酸雾和酸性废水均需进行中和处理方可排放。
干燥的目的是控制产品的含水量。干燥设备主要有烘房式干燥器、回转干燥炉等。在干燥过程中,尤其是粉炭的干燥过程应重视粉尘的收集,这样既可降低产品损失又可消除粉尘污染。
5、成品工段
成品工段对颗粒炭产品而言包括筛分和包装两个步骤,对粉炭产品而言包括磨粉和包装两个步骤。在生产粉炭过程中亦应注意加强对粉尘的控制和收集。
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