多段炉与斯列普炉活化装置系统综合比较

多段炉与斯列普炉活化装置系统综合比较

吉建斌康德朗

（尚鼎炉业科技(扬州)有限公司，扬州市邗江开发区）摘要：本文试图根据实际经验及文献数据对煤基颗粒活性炭制造业常见的两种活化装置——多段炉及斯列普炉——及其技术系统进行全面的应用性能及应用效果比较。进入综合比较范围的两种活化炉装置系统均涵盖活化设备本体、蒸汽生产设备、尾气处理装置及其他的必要、主要附属设备等。涉及的工艺物料包括炭化料、水蒸气活化剂、一次风及二次风、燃料、尾气和/或烟气、活化料等。重点比较的项目包括设备结构及运行原理、工艺特点及生产效率、关键性工艺参数等。通过综合比较和分析之后即可知悉多段炉活化装置系统成为发达国家活性炭制造业主流炉型的根本原因。

关键词：煤基颗粒活性炭，多段炉，斯列普炉，活化

前言

煤基颗粒活性炭制造业使用的活化设备有斯列普炉、多段炉（耙式炉）、转炉、管式炉、流化床炉等类型，以前两种最为常见。东亚地区的煤基活性炭厂多采用斯列普活化炉，而欧洲和美洲的煤基活性炭厂则习惯采用多段炉活化装置。图1为两种炉型的现场照片。

(a) 多段炉活化装置（由BSP Thermal Systems, Inc.提供）(b) 斯列普炉活化装置

图1. 多段炉与斯列普炉装置系统的外观

斯列普活化炉装置于1950年代被引入我国活性炭制造业，经过40多年的发展，目前仍为我国煤基活性炭制造业的主力生产装置类型。斯列普炉多按设计年产能力进行细分（在宁夏产区则多按设计产能炉型对应的产品道总数量来细分），常见的有300吨炉、500吨炉、1000吨炉型，近年新开发了2000吨和3000吨炉型，最常用的是1000吨/年产能（产品道总数为576）的斯列普活化炉（下文中简写为SLIP）。

多段炉（Multiple Hearth Furnace，简称MHF）在我国活性炭制造业多被称为“耙式炉”，这种工业炉装置最早是由美国的Nichols公司设计制造的。Nichols公司于1939年设计了第一台外径0.9米、层数为10层的MHF设备，应用于Freeport硫磺公司的实验室研究；同年设计建造了一台外径达6.78米、16层的MHF用于处理铁矾土和赤铁矿，产能为每天4000吨。之后，外形尺寸为1.4×10、6.78×17、2.59×12和7.85×17（均为“外径尺寸×层数”）的MHF相继投入使用。从1950年始，MHF开始用于活性炭行业，最早是用于木炭制造，其后用于煤基颗粒活性炭生产，后来发展成为欧美国家活性炭制造和再生的主力炉型之一。

经过60多年发展之后，煤基活性炭制造用的MHF装置已实现标准化和系列化，适用的规模生产的常见炉型按照最大外径尺寸顺序依次为2.5米，2.8米，3.9米，4.8米，5.1米，5.7米，6.5米，和7.8米共8种，可用于实验室试验用的炉型有外径1.1米，1.4米，1.8米和2.1米四种炉型。其中的5.1米和6.5米外径炉型在煤基活性炭制造业最为常见，而7.8米炉型在新兴国家是最受欢迎的型号。

我国活性炭制造业最早于1980年代引进一台外径较小的MHF装置，之后于2001年由大同市三星力源炭素有限公司引进一套外径7.8米、10层结构的MHF装置用来炭化并活化加工原煤直接破碎活性炭产品。目前上述两套装置因各种原因已停用。目前已建成并将于今年试生产的MHF活化装置系统是由神华新疆能源有限责任公司于2009年引进、2011年建成的两套同型号MHF装置系统，单台装置的外径为7.8米、17层结构，总设计能力为年产2万吨煤基压块颗粒活性炭产品。

1. MHF与SLIP活化装置的结构特点及运行原理

1.1 MHF装置的结构特点及运行原理

如图2所示，MHF装置本体是由钢质外壳及耐火材料衬层、耐火砖砌筑的球面形自支撑结构的炉床层及落料孔、物料“搅拌”机构（中轴、耙臂、耙齿及电机驱动单元部件等）、燃烧机、附属的管线及仪器仪表和传感器等构件组成。

(a) 剖面示意图（Industrial Furnace Company, Inc.供）(b) 立体布置图（CMI NESA供）

(c) 结构及运行机制示意图（尚鼎炉业科技）

图2. 多段炉结构及运行原理示意图

MHF是由几个至十几个在水平方向平行叠加的球面形炉床组成，在顶端炉层接受给入的固体原料。带有耙齿的耙臂在每一炉床耙动固体原料，从外向内按照螺旋形路径推动固体料（称为“内耙炉床”），从设置在近中心处的落料孔掉落到下一炉床。在相邻设置的下一层炉床，耙臂按照螺旋形路径从内向外推动固体料到炉壁（称为“外耙炉床”），通过设置在近炉壁位置的一系列落料孔落入下一层炉床。固体物料以这种方式不断向多段炉的下方运动，最终从最底层炉床中排出。

由空气冷却的中心轴在炉底设置的电机、减速机、伞形齿轮的驱动下带动轴上固定安装的耙臂（一般每层安装四支耙臂）以0.5至3.0rpm转速回转，耙臂每隔一段间距即安装一只垂直向下的耙齿，并与耙臂成一定角度，以使耙齿按照螺旋形路径耙动固体料，使固体物料在炉床上移动并通过所有炉床。在这一过程中，固体物料通过耙齿的连续搅动和扰动，其料层的表面被不断地“更新”并与气相进行接触。

由燃料燃烧或炉内化学反应产生的高温气体则以逆向流动的方式向上流动到各炉膛上部，最终从顶层炉膛流出、进入后继的尾气处理/热能回收利用技术系统。

概括地说，多段炉是这样的一种设备：它通过热量和质量的传递（即气体和固体之间的热传递），使气体和固体呈逆向通过一系列的炉床结构；在每一层炉床上，气体以错流、逆流等流动方式在折皱的薄层固体上流动并向固体物料的内表面扩散，这些薄层固体周期性地被中轴、耙臂和耙齿组成的搅拌机构所搅动，以使固体不停地混合、摊开，并使其强制进入下一层炉床继续反应，直至达到设定的停留时间为止。

采用水蒸气为活化剂的煤基活性炭MHF活化装置系统的工艺流程见图3。温度低于300℃（若采用耐热钢材质的炭化料输送及给料装置且不产生安全问题时，允许进一步提高炭化料的进炉温度）的炭化料用螺旋给料机和气密加料阀连续加入最高一层炉膛（第一层炉床），炭化料被从下方炉床流动过来的高温气体加热至800℃以上，从第二层炉床开始，每层均加设有两台或三台燃烧机和蒸汽喷嘴、二次风喷嘴，炉膛温度被精确控制在预设的活化温度±(5∼10)℃范围内并开始进行活化，最底层炉床不加设燃烧机和二次风喷嘴，为冷却床层。活化时间通过中轴转速进行调节。从MHF装置中连续卸出的活化料进入强制夹套式冷却机（冷媒为水），设计合理时从强制冷却机卸出的活化料温度可低于50℃，允许直接进入后继的筛选包装工序。

碳与水蒸气反应后生成的可燃气体成分与二次风（中轴冷却产生的热风回用为二次风及一次风）含有的氧在炉膛空间内发生部分“层燃”以补充活化过程所需的部分热能，过量加入的水蒸气及未燃的反应生成气体（以一氧化碳和氢气为主）、不参与反应的氮气成分、燃烧后产生的二氧化碳和水蒸气等混合气流通过炉床的落料孔向上流动，在第一层炉床与炭化料受热逸出的气相有机物、和少量在炭化料表面粘附的、在第一层炉床内即脱落进入气相的固体粉尘、以及在活化过程中因机械磨耗产生的固体粉尘物完全混合后由尾气排出口及排放管离开MHF本体，进入后燃室。在正常运行状态下，燃烧机仅消耗少量燃料（燃油或燃气）即可维持炉温。同时，通过在线监控系统自动控制炉内的剩余氧含量不超过0.5∼1.0%。

后燃室中设置一台燃烧机，并使用中轴冷却产生的热风做助燃空气（一次风），设计足够的尾气停留时间（1.5∼2秒钟），使活化尾气中的可燃物质如一氧化碳、氢气、有机挥发物、碳质粉尘等彻底氧化，产生的高温烟气（温度高达950至1200℃）离开后燃室后进入余热回收蒸汽锅炉装置系统生产活化炉所需的工艺过热蒸汽，当MHF被用于制造烟煤基、褐煤基和无烟煤基颗粒活性炭产品时，MHF装置系统余热回收生产的过热蒸汽仅有1/3能被活化过程消耗，其余的2/3可用来发电或做为生产线其他装置所需的工艺蒸汽原料使用。经过余热锅炉之后，烟气温度下降至150℃以内，可根据原煤含硫的情况决定是否设置脱硫装置，若需要设置的话，可采用洗气器进行脱硫并除尘，之后的烟气由烟囱排空。