活性炭炭化過程及其設(shè)備

炭化工序是氣體活化法生產(chǎn)活性炭過程中的重要工序之一，該過程是把原料隔絕空氣加熱，使非碳元素減少，以生產(chǎn)出適合活化工序所需要的碳質(zhì)材料的工序，是活化前的主要準(zhǔn)備與基礎(chǔ)。在煤質(zhì)活性炭生產(chǎn)過程中，炭化過程通常包括物料的炭化和炭化尾氣處理兩部分。

炭化過程實(shí)際上就是物料在低溫條件下的干餾過程。在該過程中，物料在一定的低溫范圍內(nèi)和隔絕空氣的條件下逐步升溫加熱，物料中的低分子物質(zhì)首先揮發(fā)，然后煤及煤焦油瀝青分解和固化.整個炭化過程中物料會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化，其中物理變化主要是脫水、脫氣和干燥過程；化學(xué)變化主要是熱分解和熱縮聚兩類反應(yīng)。物料在熱分解和熱縮聚反應(yīng)過程中析出煤氣和煤焦油，物料中有機(jī)化合物的氧鍵結(jié)合基被破壞，氧元素以Hz0,CO,CO:等氣體析出，同時(shí)形成芳香族化合物和交聯(lián)的高強(qiáng)度碳分子結(jié)構(gòu)固體；在炭化過程中，由于物料在高溫分解時(shí)將氧和氫等非碳物質(zhì)排出，失去氧氫后的碳原子則進(jìn)行重新組合，形成具基本石墨微晶結(jié)構(gòu)的有序物，這種結(jié)晶物由六角形排列的碳原子平面組成，它們的排列是不規(guī)則的，因此形成了微晶之間的空隙，這些空隙便是炭化料的初始孔隙。因此，炭化的目的就是使物料形成容易活化的二次孔隙結(jié)構(gòu)并賦予能經(jīng)受活化所需要的機(jī)械強(qiáng)度。對物料炭化的要求就是通過炭化所得的炭化料外觀要達(dá)到一定的規(guī)格和形狀要求，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上要具有一定的初孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)要具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。

炭化過程一般可以分為以下幾個階段。

(1)干燥階段溫度在120℃以下，原料煤釋放出外在水分和內(nèi)在水分，此時(shí)原料煤的外形無變化。

(2)開始熱解階段原料煤開始發(fā)生分解反應(yīng)釋放出熱解水，形成氣態(tài)產(chǎn)物(如CQ,C02,H2S等)，不同煤種開始熱解的溫度不同，變質(zhì)程度低的煤的開始熱解溫度也較低，東北泥炭約為100—1600，褐煤約為200~3000C，煙煤約為300-4000C，無煙煤約為300-450C。由于煤的分子結(jié)構(gòu)和生成條件有較大差異，故上述開始熱解溫度只是不同煤種間的相對參考值。

(3)炭化階段溫度在300-600攝氏度，以縮聚和分解反應(yīng)為主，原料煤大量析出揮發(fā)分，炭化過程析出的焦油和煤氣產(chǎn)物幾乎全部均在此階段產(chǎn)生。黏結(jié)性煙煤在此階段逐漸軟化、熔融，形成氣、液、固三相共存的膠質(zhì)體，再經(jīng)流動、縮聚、固化等過程轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢梗环丘そY(jié)性則形成針狀半焦或塊狀半焦。

炭化終溫和升溫速率是炭化工藝控制的主要操作條件，對于不同煤種來說，焦油形成過程均在550℃左右結(jié)束。大量的實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)均表明，600℃是最佳的炭化終溫，溫度過低炭化產(chǎn)物無法形成足夠一的機(jī)械強(qiáng)度，溫度過高則會促使炭化產(chǎn)物中的石墨微晶結(jié)構(gòu)有序化，減少微晶之間一的空隙，影響活化造孔過程。炭化升溫速率對炭化產(chǎn)物的產(chǎn)率有較大影響。高升溫速率能使物料析出更多的焦油和煤氣，降低炭化料產(chǎn)率。降低升溫速率時(shí)，物料在低溫區(qū)受熱時(shí)間長，熱解反應(yīng)的選擇性較強(qiáng)，初期熱解使物料分子中較弱的鍵斷開，發(fā)生了平行的和順序的熱縮聚反應(yīng)，形成具有較高熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，從而減少高溫階段熱解析出物的揮發(fā)分產(chǎn)率，獲得更高的固體炭化產(chǎn)物(即炭化料)產(chǎn)率。炭化工藝中炭化料的質(zhì)量主要通過揮發(fā)分、焦昨特性指數(shù)、水容量和強(qiáng)度來進(jìn)行評價(jià)。合格的炭化料的揮發(fā)分為7%-18%，焦昨特性指數(shù)為1-3，水容量為15%-25%，球盤強(qiáng)度)90%。由于上述指標(biāo)的測量需要一定時(shí)間，而在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試過程中常常需要根據(jù)炭化料質(zhì)量迅速調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，因此也可以通過感官對炭化料質(zhì)量進(jìn)行粗略評價(jià)。合格的炭化料應(yīng)具有平整、無裂紋的表面，較高的強(qiáng)度，物料斷面色澤一致。。