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煤质颗粒活性炭质量影响因素

发布时间:2020-08-14 浏览

摘要:为在生产过程中能够有目的的控制、调整活性炭的孔径分布,提高产品性能,从原煤性质、炭化料质量、活化炉工艺控制3方面阐述了影响煤质颗粒活性炭产品质量的因素,从而能够根据客户要求,根据炭化料的性质,有针对性、有选择性地组织活性炭的生产加工,更好地降低生产成本。

煤质颗粒活性炭是以原煤为原料经过炭化、活化制成的一种多孔性碳素物质。它具有一定的机械强度和很大的比表面积,具有很强的吸附性能广泛地应用于医药、化工、食品工业及环境保护等多个领域。活性炭产品的质量与生产过程中的每个工序都密切相关。在生产过程中,只有掌握了影响煤质颗粒活性炭质量的因素,才能根据客户的要求有针对性地选择炭化料,有目的地调整活化炉的生产工艺,这样才能生产出优质低耗的产品,才能在激烈的市场竞争中占据主动,赢得更多的客户。

1、原煤性质的影响

由于成煤过程中的条件不同、煤阶不同其含碳量、含氧量、含氢量不同、挥发分不同、煤的结构不同导致炭化后制成的炭化料性质也不同。

煤制炭化料通常分2种:普通炭化料和低漂浮炭化料。在大同地区,同样是8号煤层,丁村、杨树湾的煤就可以制成低漂浮炭化料,而甸湾的煤只能制成普通炭化料。同样是11号煤层,大陆坡的煤就可以制成低漂浮炭化料,而青磁窑的煤只能制成普通炭化料。2种炭化料的特性对比见表1。由表1可以看出2种炭化料的性能区别在于漂浮率和结块性不同,这是由于成煤条件不同导致煤的化学结构不同,炭化后得到的炭化料特性也不同。

表1 普通炭化料和低漂浮炭化料性能指标对比

炭化料 灰分/% 挥发分/% 水分/% 堆积重/(g·L-1) 水容量/% 粒度
3目 <8目
普通 5.32 12.45 6.48 621 13 8.5 3.2
低漂浮 5.87 12.01 7.26 650 11 7.9 4.0

2、炭化料质量的影响

生产活性炭的原料是炭化料,即半焦。半焦的质量直接影响活性炭的质量。要想生产出优质的活性炭需要从原材料抓起严格把关。

1)炭化料的初步孔隙结构对活性炭品质的影响。

活性炭的生产过程其实是炭化料再次造孔的过程。如果煤在成为半焦的过程中炭化温度控制不当,就会直接影响炭化料的孔隙结构,使初步孔隙发育不良从而使活性炭的孔隙发育受到制约,产品质量受到影响。

2)炭化料中的灰分对活性炭品质的影响。

炭化料中的灰分主要是炭中矿物质燃烧后的残渣含量。生产活性炭时,其灰分大部分留在活性炭中,因此活性炭灰分比原料灰分大2~3倍。所以,对灰分的要求是越低越好。如果炭化料中灰分过高,会影响活性炭的机械强度,影响活性炭的孔隙结构,降低活性炭的吸附能力。另外,如果灰熔点高,可以提高活化温度,增加产量,如果灰熔点低,会在活化过程中,造成活化炉产品道焦结,堵塞料道,影响活性炭的产品质量,严重时会烧坏炉芯导致炉体报废造成重大事故。

3)炭化料挥发分对活性炭品质的影响。

炭化料的挥发分是指炭化料在隔绝空气时,在一定温度(900±10)℃下加热7min,所挥发出来的质量百分比。这其中不但有有机物受热分解,还会有矿物质分解。在活化炉正常生产过程中不需外加热源,主要是靠炭化料中挥发分的逸出,以及活化反应产生的可燃气体的燃烧来提供热量。如果挥发分过高,会造成产品烧结活性炭的孔隙发育不良,甚至料道堵塞;如果挥发分太低会使产品的烧失率加大,产率降低。同时,影响活性炭的外观。所以,要求炭化料的挥发分在8%~15%。

4)炭化料水分对活性炭品质的影响。

炭化料中的水分主要来源于半焦的熄焦水。在活化过程中,由于水分的蒸发,炉温降低,造成活化炉热量损失,从而影响活性炭的活化质量。

5)炭化料粒度对活性炭品质的影响。

对于不同粒度的炭化料在活化炉中,由于活化反应受活化剂在碳层内扩散速度的影响,所以颗粒小的炭化料其活化速度快;颗粒大的炭化料则由于活化剂与碳的接触面积小,所以会发生颗粒外部已烧失,而内部却还未完全活化的情况。如果颗粒大的炭化料活化程度达到较佳时,则与大颗粒一起活化的小颗粒物料就难免会烧过,导致碘吸附值下降。因此,在相同的工艺条件下,炭化料粒度的均匀性直接影响其活化速度及活化料质量的稳定性。所以炭化料粒度要均匀,通常要求炭化料粒度在3~8目。

6)炭化料反应性对活性炭品质的影响。

炭化料的反应性也叫活性,是指在一定温度条件下与不同的介质,如CO2、O2、H2O等相互作用的反应能力。这些反应是制造粒状活性炭时活化阶段的主要反应。炭化料反应性好,就会使活化料生产周期短产量高、灰分低、吸咐性能好、生产成本相对较低。

3、活化炉生产工艺条件的影响

煤气厂使用的活化炉是斯列普活化炉,是一种以水蒸气和烟道气为活化剂交替进行活化的炉型。根据斯列普活化炉特别的结构及产品指标的不同,通过调整工艺指标可生产不同指标要求的活性炭,并且使其在活化过程中质量、产量达到较佳效果。

3.1活化温度对活性炭吸附性能的影响

活化温度是活化工艺的关键参数之一。不同活化温度下碳的结构不同吸附性能也不同(表2)。

表2 活化温度对活性炭吸附性能的影响

活化温度/℃ 碘吸附值/(mg·g-1) 亚甲蓝值/(mg·g-1) 抗碎强度/% 产率/%
800 931 142 98 46.2
850 998 173 96 39
900 1039 189 93 32.7
950 1061 206 93 30.9
1000 1052 210 90 26.3

由表2可知,随着活化温度的升高,碘吸附值和亚甲兰值呈上升趋势,产率和强度则呈下降趋势。随着温度的提高活化反应速率也提高。但活化温度过高,势必造成进炉的风量增加,炉气含氧量相对较难控制,炭的烧失率也在加大产率降低灰分增加。另外,温度过高活性炭内的微孔反而减少吸附能力下降。其次,还易造成产品通道堵塞降低产量,严重时影响活化炉使用寿命。因此,将活化温度控制在一定范围内,对提高活性炭产品质量非常重,要煤气厂的活化温度一般控制在850~950℃。

3.2水蒸气压力和流量对活性炭吸附性能的影响

水蒸气是活性炭生产过程中主要的活化剂,在活化炉内主要进行如下反应:

H2O+C=CO+H2-126.8kJ (1)

如水蒸气过量则发生以下反应:

2H2O+C=CO2+2H2-75.6kJ (2)

CO2+C=2CO-163kJ (3)

以上反应均为吸热反应,为了维持正常的活化反应温度,须向活化炉的加热半炉不同位置通入二次空气,与混合气体中的可燃气体燃烧放出大量热量,主要反应如下:

2CO+O2=2CO2+575.4kJ (4)

2H2+O2=2H2O+485.4kJ (5)

由于放出热量足以使活化反应处于热平衡状态,两半炉之间定期交替运行,使活化温度稳定,活化效果好,产品质量均匀,吸附能力强。为了保证水蒸气与炭化料的充分接触,加速活化反应,提高活化效率,可以提高水蒸气的实际需求量。如果水蒸气压力低、流量小,则放热反应大于吸热反应,炉温不易调控,烧失率大,活化反应缓慢,活性炭质量、产量均下降。如果水蒸气压力高,流量大,则炉压高,炉内气氛不易控制,影响安全和活化炉使用寿命。水蒸气压力在(0.20+0.05)MPa时水蒸气流量对活性炭吸附性能的影响见表3。

表3 水蒸气流量对活性炭吸附性能的影响

水蒸汽流量/(kg·h-1 碘吸附值/(mg·g-1) 亚甲蓝值/(mg·g-1) 灰分/% 堆积重/(g·L-1
1000 984 173 14.66 441
1400 1029 189 12.90 442
1800 1061 200 11.42 439
2200 1067 196 12.79 434

由表3可以看出当水蒸气流量增加时,活性炭的碘吸附值和亚甲兰值均发生明显的变化。为了保证活化炉内压力和温度的稳定,需要严格控制水蒸气的压力和流量,水蒸气压力一般应控制在0.10~0.30MPa,水蒸气流量控制在1200~2000kg/h。

3.3活化炉内压力对活性炭吸附性能的影响

活化炉需要保持正压操作,炉压过高,容易从炉体各处喷出活化气体,引起炉外着火,影响安全生产和活化炉寿命,也不利于炭化料内反应后的活化气体逸出,孔隙打不开,影响活化效果;炉压过低,易从炉外吸进空气,引起炭的烧失率增加,严重时吸进的空气与炉内活化气体发生爆炸,引起事故。因此,冷却半炉炉压一般控制在80~100Pa,加热半炉炉压控制在20~40Pa合适。

3.4活化时间对活性炭吸附性能的影响

活化时间一般根据产品活化情况确定,需生产碘吸附值高的活性炭,一般适当延长活化时间即可。但活化时间过长,炭的烧失率加大,灰分增加,强度降低,严重时碘吸附值反而降低,且易造成产品道的堵塞,一般活化时间应控制在40~45h。

4、结语

1)对于煤质颗粒活性炭而言,通过活化可以使碳内部形成具有吸附能力的复杂的孔隙结构。在实际生产过程中,应根据产品的指标要求合理地调整工艺参数,如入炉的水蒸气压力、风压、活化时间、活化温度等,大限度地生产出客户满意的产品,并在此基础上大限度地降低生产成本。

2)在活性炭生产过程中,需要根据客户的要求合理选择炭化料,如果客户需要的活性炭是用来吸附液相和气相中相对分子质量和分子直径较小的物质,那么就要求活性炭的孔径分布以微孔居多,其性能指标通常用碘吸附值表示。这时就要选择普通炭化料为原料进行生产。如果客户需要的活性炭是用来吸附液相中相对分子质量和分子直径较大的物质,则要求活性炭的孔径分布以中孔居多,其性能指标以糖蜜值、焦糖脱色率表示。这时就要选择低漂浮炭化料为原料进行生产。

3)目前市场对活性炭的要求越来越高,如要求生产微量元素含量低的活性炭、低漂浮活性炭等,因此以后还应进一步研究与开发使活性炭产品质量更好,品种结构更加多样化。

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