规模化废活性炭循环再生利用的工程设计_郭爱芝.pdf

2023 年第 3 期 节能减排 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 69 规模化废活性炭循环再生利用的工程设计 郭爱芝 江苏盈科工程设计研究有限公司 江苏连云港 222001 摘 要：为了恢复废活性炭的吸附能力，需要将其进行热再生处理，处理过后可得到恢复吸附能力的再生炭，同时对烟气的热量，进行余热回收，副产蒸汽。废活性炭经过再生处理，不仅减少固废排放、减少环境污染，还可促进资源回收利用，节约能源。关键词：活性炭；加热再生；余热回收 活性炭具有非常多的微孔和较大的比表面积，物理吸附能力较强，在精细化工产业中被广泛用来吸附废水中的有机污染物和废气中颗粒污染物。活性炭吸附饱满后，便失去了吸附能力，变成了废活性炭，由于更换新的活性炭费用较高，如果把废活性炭内的杂质进行脱附，使其恢复活性，将可以降低投资费用，获得较高的经济效益；同时，废活性炭再生工艺可以大幅度减少固废的排放量，从而减轻环境污染。1 废活性炭再生的处理方法 活性炭常见的再生方法有热再生法、生物再生法、催化湿式氧化法等，由于吸附物质种类繁多，性质各异，从而决定了再生方法的多样性。热再生法是一种比较成熟的活性炭再生方法。加热再生过程是利用吸附饱和活性炭中的吸附物质能够在高温下从活性炭孔隙中解吸的特点，使吸附物质在高温下解吸，从而使活性炭原来被堵塞的孔隙打开，恢复其吸附性能。加热再生由于能够分解多种多样的吸附物质而具有通用性，而且再生彻底，一直是主流的再生方法，其具有再生率高、再生时间短（颗粒炭 3060 min、粉状炭几秒钟）等优点。生物再生法是利用经驯化过的细菌解析活性炭上吸附的有机物，并进一步将其消化分解。生物再生法针对性很强，需要特定物质专门驯化，且在降解过程中一般不能将所有的有机物彻底分解，因而限制了其工业化应用。湿式氧化再生法是在高温高压的条件下，用氧气或空气作为氧化剂，将处于液相状态下活性炭上吸附的有机物氧化分解成小分子的一种处理方法。但湿式氧化再生法在处理一些难降解的有机物时，可能会产生毒性更大的中间产物。根据上述几种主流废活性炭的再生方法对比可以看出，热再生法是比较适合规模化生产的一种方法。2 规模化废活性炭再生装置的设计 笔者长期在设计单位工作，在 2019 年主持一家精细化工企业的废活性炭再生装置的设计工作，采用的就是热再生法。该项目废活性炭的设计年处理量为 9 000 t，在经过设计、施工后，在 2021 年 5 月投入试运行。目前该装置已经通过安全和环保方面的验收，装置平稳运行，至目前回收了再生后的活性炭约 5 073 t，并副产了 13 500 t 蒸汽。2.1 废活性炭加热再生的工作原理 废活性炭热再生是通过加热对活性炭滤料进行热处理，使活性炭吸附的有机物在高温下吹脱或炭化分解，最终成为气体逸出，从而使活性炭得到再生。根据再生温度的不同，有低温再生和高温再生 2 种。低温再生就是使用温度不超过 200 的蒸汽对废活性炭进行吹脱，使活性炭再生，多用于有机废气吸附后废活性炭再生。高温再生经常是经过 850 左右的高温处理，使吸附在活性炭上的有机物经碳化、活化后达到再生的目的，吸附恢复率高且再生效果稳定，多用于水处理后的废活性炭再生。本次设计针对的是企业废酸处置中产生的废活性炭，采用的是高温再生工艺。作者简介：郭爱芝，高级工程师，注册安全工程师，注册二级安全评价师，江苏盈科工程设计研究有限公司副总经理。节能减排 2023 年第 3 期 70 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 2.2 废活性炭加热再生的工艺流程简述 废活性炭处理工艺主要分成 3 个阶段，一是包含了多段再生、急冷、离心等工序产出再生炭阶段；二是包含二次炉加热、余热回收等工序副产蒸汽阶段；三是烟气处理阶段，具体流程见图 1。图 1 废活性炭加热再生工艺流程 2.2.1 再生炭产出（1）多段再生 存放在吨袋内的废活性炭提升至再生料槽，再生料槽下设置螺旋给料器，通过螺旋给料器将活性炭通过再生炉加料口输送至再生炉再生。再生活性炭在再生炉中主要经过干燥期、焙烧期、活化期 3 个阶段。在干燥阶段再生活性炭中的水分以蒸汽形态脱离活性炭，干燥阶段主要发生在多段炉上部的 13 层，干燥温度为150300。干燥完成后，再生活性炭被提高到 450600，进入焙烧阶段，这时颗粒活性炭中吸附的有机物开始挥发，焙烧阶段主要发生在多段炉的中部。焙烧完成后，再生活性炭温度提高到 8501 000，这时在多段炉中注入再生蒸汽，再生蒸汽与活性炭中吸附的残留碳发生气化反应，再生活性炭中的残留碳被清除，再生活性炭得以活化。多段炉的下料口设计为中心下料与壁侧下料相间设计使物料能在炉中有最佳的炉床利用效率，再生活性炭在炉中由上而下移动并经历了干燥、焙烧及活化过程，而过程中所产生的高温气体则由下而上由炉顶排出，流动有效利用了高温气体的热能，节约了能源。（2）急冷 再生完成后的活性炭通过再生炉底部的下料管排出，进入急冷水槽。由于再生新炭温度高，下料管外侧设置夹套，内通冷却水对下料管道进行降温。急冷槽内通过 DCS 系统使液位维持在正常工作范围内，确保再生新炭下料管出口处于液位以下，避免环境空气通过下料管进入再生炉。（3）离心 急冷槽内的活性炭按设定程序自动将活性炭排入离心机内，经甩干后，通过桁车提升至料仓打包。为确保再生炉连续运行，再生炉下方设置 2 台离心机，一用一备。再生过程中产生的烟气通过再生炉顶部出风口排出，进入二次炉。2.2.2 热能回收，副产蒸汽（1）二次炉加热 饱和活性炭在再生炉中干燥过程中会产生一部分挥发分及热解气随烟气排出。考虑到在活性炭再生炉中可能产生二恶英等有害气体污染物，因此，从节能和环保的角度出发，需要在再生炉后添加一个二次炉，以充分燃烧烟气中的可燃性气体回收其热能，并破坏生成的有害气体污染物。本系统在多段耙式再生炉后端设计一个二次炉，在二次炉中通入足量空气及辅助燃料，将烟气加热到 1 150 并在其中停留几秒钟，使烟气中的挥发分和热解气完全转化为无害的CO2及 H2O，并破坏二恶英等有害的物质。二次炉排出的高温烟气的热能，利用换热器和余热锅炉进行回收。为了确保尾气中的氮氧化物排放浓度达到要求，二次炉进口风管设置有脱硝装置，脱硝药剂经管道输送至脱硝罐后，通过计量泵加压 2023 年第 3 期 节能减排 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 71 后，喷入二次炉进口，同再生炉烟气混合，在1 150 左右的高温环境中将烟气中的氮氧化物还原为氮气和水，起到脱硝的作用。（2）余热回收 来自公司水处理工序的软水与从二次炉出来的烟气同时进入蒸汽余热锅炉，利用烟气高温热量生产蒸汽，用于活性炭再生，实现热量的循环利用。2.2.3 烟气处理（1）急冷 由于再生活性炭中吸附的物质成分复杂，可能含有易生成二恶英的物质，虽然二次炉中的高温氧化条件已将烟气中的二恶英破坏，但其前驱物在 200400 的低温条件及烟气中飞灰的催化作用下，仍有可能重新合成。为了避免二恶英重新合成，将预热锅炉烟气出口温度控制在 450500，从锅炉排出的烟气直接进入到骤冷塔中，利用气化喷头对其进行喷淋降温，水的气化作用会快速吸收烟气中的热量，促使烟气温度骤降到 220，降低了二恶英在低温区再合成的可能。（2）再生炭粉末喷注及布袋除尘 降温后的烟气随后进入布袋除尘器中进行粒状污染物脱除，在烟气进到布袋除尘器之前，利用活性炭喷注装置将活性炭粉喷入到烟气中，活性炭粉可有效吸附二恶英，可作为防止二恶英排放到大气中的保障措施，活性炭粉随着飞灰一起被布袋除尘器捕捉排出。（3）二级碱吸收及水吸收 经过除尘的烟气进入尾气处理系统，因烟气中的酸性气体含量较高，为了确保烟气能够达到排放要求，设计中采用三级洗涤塔进行脱除酸性气体。烟气首先进入降温碱洗喷淋塔，烟气从洗涤塔底部通入，在上升过程中与喷洒的碱性溶液相遇，其中的酸性气体与碱性溶液发生中和反应。烟气通过降温碱洗喷淋塔后进入碱洗喷淋塔进一步将烟气中的酸性气体进行吸收，之后进入水洗喷淋塔，塔内喷淋清水，将尾气进行清洗，洗去烟气中裹挟的碱液和盐颗粒，同时进一步降低烟气温度，三级洗涤塔将烟气中的污染物除去，达到排放标准。2.3 废活性炭再生的主要设备 规模化废活性炭再生装置设备主要有多段再生炉、二次炉、余热锅炉、碱吸收塔等设备，具体详见表 1。表 1 主要设备一览表 序号 名称 温度/压力/MPa 材质 1 废炭缓存槽 常温 常压 FRP/钢支架 2 多段再生炉 4001 000 常压 Q235+优质耐火材料 3 助燃风机 常温 1 kPa Q235 4 冷却风机 常温 1 kPa Q235 5 急冷槽 200500 常压 SUS304 6 离心机 常温 常压 组合件 7 二次炉 1 000 1 kPa Q235+优质耐火材料 8 氨水罐 常温 常压 不锈钢 9 余热锅炉 500 2.0（蒸汽）Q235+优质耐火材料 10 软水槽 常温 常压 Q235+优质耐火材料 11 急冷塔 常温 常压 2205 12 活性炭罐 常温 常压 组合件 13 布袋除尘器 常温 常压 2205 节能减排 2023 年第 3 期 72 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT （续表 1）序号 名称 温度/压力/MPa 材质 14 液碱罐 常温 常压 SUS304 15 降温碱洗塔 常温 常压 FRP 16 碱洗塔 常温 常压 FRP 17 水洗塔 常温 常压 FRP 18 降温碱洗循环槽 常温 常压 FRP 19 碱洗循环槽 常温 常压 FRP 20 水洗循环槽 常温 常压 FRP 2.4 装置自控设计 装置采用 DCS 自控设施，对主要设备的温度、压力等工艺参数进行自动调节控制。本项目生产设备主要为氧化再生炉、二次炉、余热锅炉与急冷塔等，DCS 自控设施主要设置在这些关键设备上。再生炉从上到下设置了 11 个测温点，对再生温度进行监测。活性炭再生系统中的燃烧机控制盘安装于现场，控制盘上有燃烧机的状态指示和点火控制按钮，控制盘内安装有燃烧机安全保护控制器，并设有端子界面，连接燃烧机控制仪表和阀件以及与主控制盘连控。二次炉的进出口都设置了温度、压力、成分分析仪等自动监测仪表。余热锅炉也设置了液位自动控制设施并与软水进水调节阀进行联锁，同时设置了压力报警装置。急冷塔进出口设置了温度、压力检测报警设施，碱吸收塔与水吸收塔的液位也设置了自动报警装置，并与其配套的循环泵电机进行联锁。在设计时，针对关键设备都设置了相应的自控设施，降低炭粒相粘结、烧结的几率，使该装置平稳运行。2.5 装置运行情况 项目自 2021 年 5 月份投产以来，装置运行日渐平稳，年再生活性炭 5 073 t，同时副产了0.8 MPa 的蒸汽 1.35 万 t，项目的原辅料及动力消耗见表 2。表 2 原辅料消耗及动力消耗表 序号 指标名称 单位 数量 1 项目原辅料消耗 1.1 废活性炭 t 9 076.726 1.2 30%液碱 t 15 1.3 20%氨水 t 38.56 1.4 新鲜水 t 58 598.4 2 动力消耗 2.1 电 万 kWh 1 181.26 2.2 天然气 万 m3 396 3 结束语 本项目是该企业废酸回收利用的一个配套工程，从项目启动到投入试运行经过了 2 年多的时间，今已运行 1 年多，各项指标均达到了设计要求，通过了安全和环保方面的验收，为今后规模化的废活性炭再生装置建设提供了一个成功的案例。