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影响新疆活性炭强度的主要因素分析!__北京瑞兹新疆活性炭有限公司

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引言
       由于国际上环保法律的严格实施,用于环保的新疆活性炭以平均25%的速度增长。近年来,国际上新疆活性炭生产工艺大部分采用压块工艺,即将煤或配煤细粉碎,经干法高压(25 MPa) 压块、破碎、筛分、炭化和活化成为无定形新疆活性炭。

       压块设备使用大功率压力机,炭化炉一般采用多膛炉(也称耙式炉),炭化炉则一般采用回转炉,对于配粘结性烟煤或/和沥青压块工艺,一般还要在炭化前增加1个预氧化工序。

       该工艺由于活化时间短,活化得率高,新疆活性炭性能适于水处理而发展速度较快。

       然而由于煤种选择不同、工艺设备影响因素多,特别是压块强度不能满足要求,致使新疆活性炭生产不能长期稳定生产。

1.影响压块强度的煤特性
       影响干法压块强度的煤特性主要体现在煤的成型性方面。成型性是煤的塑弹性的综合考虑,它定义为煤的相对压缩率与相对膨胀率之比,简称“缩膨比”,它相当于煤的塑性与弹性之比,缩膨比与型煤强度成线性关系,缩膨比增加,抗压强度也随着增加。

       它又常常依赖于成型条件。在通常采用粘结剂煤成型的情况下,往往忽视煤成型性这一重要参数。但煤干法压块必须重视煤的成型性。

       不难理解型块强度是煤粒相对压缩率和相对回弹力的函数,相对压缩率是煤料在成型过程中的可压缩程度,表征了煤的塑性。

       相对回弹性即型块的相对膨胀率,表示煤的弹性。前者对型块强度起着积极作用,而后者则促使型块松散,对强度有不利影响。

       因此,要使型块获得足够的强度,除主要考虑需加大相对压缩率的变化外,在可能的范围内尚需对相对回弹率的变化采取措施,使它对型块强度的不利影响减弱到最低限度。

2.影响压块强度的设备特性研究
       干法压块时当所配入的粘结组分量很小时,如小于5%,粘结剂所起的作用很小。压块强度决定于颗粒之间的界面机械力、分子力和静电力等。

       当粘结剂添加量较大时大于10%,颗粒间距为10cm~4cm时,分子力和静电引力可以忽略不计,型块粘结力主要为粘结剂(沥青) 与颗粒之间的粘附力及粘结剂的内聚力。

       由材料力学领域Grffith 强度理论可知,如何减小压块内部微裂纹及孔隙度是提高压块强度的有效途径。当物料粒度组成一定,即内摩擦力一定时,欲提高压块的强度,关键在于选择适宜的粘结剂,使之与煤粒间、粘结剂分子之间形成强的粘结力,防止裂纹扩展。

       此外,要选择与粘结剂性能相适应的压块工艺参数,尽可能减少微裂纹的形成。为使型块强度增加,一般从以下方面着手:

       1.减少成型煤料的孔隙度,增大煤料的堆密度。如定容成型过程中的多次受压,选择适宜的操作水分和粒度级配,以及预压等;

       2. 增大煤块相对压缩率,如加大成型压力,热成型、一定温度下成型等。相对压缩率是煤料成型过程中的可压缩程度,表征了煤的塑性,对煤块起着积极的作用;

       3.减小煤块相对膨胀率,如增加成型时间,或者使煤料在最大压力下承受剪力及其特殊处理。煤块的相对膨胀率,表示煤的弹性,煤的弹性促使型块松散,对强度有不利影响。

2.1 粉碎机的选型
       不同的破碎设备具有不同的物料粒度级配,因而破碎机的选择显得非常重要。锤式破碎机产品粒度组成与转子圆周速度及蓖缝宽度等有关。

       转子转速较高时,产品中细粒较多,有利于型煤密度提高。慢速锤式破碎机产品中粗粒较多,有利于压块收率提高。

       齿辊破碎机破碎物料时,除施加挤压作用外,还兼施劈裂作用。故适用于破碎具有片状解理的软质物料和低硬度的脆性物料。

       但其产品粒度较均匀,不利提高型块密度。因此,新疆活性炭生产时锤式破碎机适于破碎原料煤,齿辊破碎机适于破碎型块。

2.2 对辊成型机的选择
       对辊成型机是压块新疆活性炭生产的主要设备之一,压块强度往往决定于该机性能优劣。影响对辊成型机稳定工作的因素主要有,煤料的脱气效果、煤料的预压效果、煤料的布料效果、两辊之间的压力大小和间隙大小、辊子转速、辊直径大小、以及辊轴两端施加压力的均衡和两辊的同步性等。

2.2.1 煤料的脱气
       原料煤磨制成粉后,其堆比重大约0.6 g/cm3,平均孔隙率为0.4 左右,颗粒越小,其比表面积越大,由于颗粒间粘聚作用,使孔隙率越高,煤料中吸附的空气越多。而潮湿粉末的表观体积随水含量的增加而变得更大。

       在强制喂料和压块过程中,煤料空隙中的空气被压缩,体积减小,内压增加,当压块终了时,外压力卸去,内压释放,回弹力增加,致使压块隐裂纹增加,强度下降。因此,煤料脱气是非常重要的工序。

       脱气的办法一般有两种,一种是压缩脱气,如强迫喂料过程或对辊预压过程,但应注意,一定要有排气通道,如在强迫喂料器叶片上开孔。

       另一种是负压抽气,需注意抽气部位、抽气量大小和抽气时间,抽气部位尽量位于料仓无料处,避免粉料堵塞抽气孔,真空度大些,抽气时间长有利于脱气效果。因此建议在料仓和强迫喂料器等部位均设脱气通道。

2.2.2 煤料的预压
       煤料的预压有利于脱气、堆比重提高、型窝供料充足和强度增加。

2.2.3 布料方式
       布料不均匀是影响强度的另一重要原因,定容压块,球窝中填充物料不足,压力得不到提高,严重影响型块强度,布料不均匀则会造成部分球窝欠料,压块强度不均匀。

2.2.4 辊压力
       在保证供料充足前提下,压块强度往往决定于两辊间线压力大小,线压力大,压块强度大,但要注意线压力大,型块回弹力也大,有可能使型块强度降低,因此,线压力要根据不同物料适当调整。

       要注意的是,悬辊两端压力一定要相等,即应采用1 个供油站,否则,当供料不均匀时,辊间距也不同,影响压块强度。

2.2.5 对辊转速
       对辊转速慢,型块受压时间长,压力传递好,回弹力减小,有利于型块强度提高。但要注意两辊的同步性,当加工精度差,或磨损严重时,两辊不同步,两辊球窝对不准,对型块会产生剪切力,降低型块强度。

3 影响压块强度的工艺特性研究
压块新疆活性炭生产工艺流程见图1。
 
3.1 压块破碎问题
       由压块新疆活性炭生产工艺流程图可知,非粘结性煤、粘结性煤和粘结剂经配煤、粉碎后压块,紧接着压块被锤式破碎机破碎,筛分出5mm 左右的颗粒去氧化、炭化。

       该工序成品颗粒强度差,返料多,返料强度差使得压块强度也差,结果造成恶性循环,建议返料强度差时将其部分或全部返回粉碎机前进一步粉碎。另外建议进行压块经炭化后再破碎新疆活性炭性能研究,减少返料量,提高新疆活性炭强度。

3.2 干燥工序
       压块干燥工序也是影响块强度的重要因素。一般压块含水量大约在5%~8%,需要进一步烘干,提高压块强度。烘干工艺参数包括烘干温度、烘干风速、烘干时间和料层高度。烘干时间与烘干温度和风速有关,随温度或风速的提高,所需的干燥时间缩短。

       另外还与料层高度有关,适宜的料层高度为120 mm~150 mm,料层高度降低时,干燥速度过快,压块内部产生的应力最大,强度有所下降。

       另外,在干燥过程中,压块表层遇热气流蒸发,压块内部的水分以液态形式迁移至表面再被蒸发,若干燥温度过高压块升温速度较快,内部水分气化和压块膨胀造成的内应力较大,极大地影响型块的强度。

       因此干燥过程必须控制压块的升温速率,入口炉温不应高于100 ℃。压块新疆活性炭生产工艺,将压块破碎、筛分后直接导入预氧化炉,预氧化炉温度一般在250 ℃。

       压块升温速率较大影响压块强度。建议降低预氧化温度,同时减慢预氧化炉转速,保证压块强度。

3.3 预氧化对新疆活性炭强度的影响
       预氧化的原理若按型焦生产预氧化原理理解,则是为了在型块表面形成一层硬壳,使型块在炭化熔融软化过程具有一定热强度,避免出现型块软化,黏连和变形。

       但该工序控制要求苛刻,过氧化时型块中粘结性煤或沥青将失去粘结性,经炭化和活化工序后新疆活性炭的强度不能满足用户要求,因此在氧化过程中,要严格控制气氛中的含氧量、氧化温度和氧化时间。

       温度过高或含氧量过大,不但影响强度而且氧化升温,会造成着火,损坏设备。

3.4 炭化料强度
       炭化料强度往往决定于煤的特性、加热速率、粘结组分的多少等。煤的特性主要指煤的变质程度,低阶煤含挥发分较高,挥发分析出温度较低,加热速率太快因压块内部挥发分气化,体积膨胀,造成压块裂缝,降低炭化料强度。

       粘结组分包括强粘结性煤和沥青或糖浆,粘结组分多在加热过程中产生的胶质体多,才能有效地将无粘结性的煤粒粘结为一体。因此,强粘结性煤的粘结指数要高,其粘结性指数最好大于80,而且要选择胶质体稳定性好的焦煤或肥煤。

       添加沥青作为粘结组分时,最好选择高温沥青,这样沥青破碎容易,不粘辊,易分散,炭化后碳骨架多且强度高,有利于新疆活性炭强度保证。

       中温沥青粘度大,不易粉碎和分散,但有利于压块强度提高,需研究选择1 个最佳添加量。添加量少不能粘附所有的非粘结颗粒,添加量多增加成本。

4.结语
       干法压块是1 个世界性的难题,涉及的影响因素非常多,若保证产品质量可以选择添加粘结剂的方案,粘结剂添加量多,可以消除其它因素引起的强度下降的负效应。

       若考虑成本,则可以多配强粘结性煤,降低粘结剂添加量,此时必须消除影响强度的一切因素。如进行不同煤种相对压缩率和相对回弹率的研究,这需要经过长时间的摸索和探讨。

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