核级活性炭真空浸渍与预干燥设备设计与应用.docx

核级活性炭真空浸渍与预干燥设备设计与应用侯建荣，史英霞，丘丹圭，徐路统，乔太飞，韩丽红，李永国，孔海霞( 中国辐射防护研究院，太原 030006)摘 要: 在实验确定了真空浸渍与真空干燥工艺后，通过热平衡计算，设计了一套可规模化制备颗粒活性炭的浸渍与预干燥一体化设备。该设备实现了浸渍与预干燥一次性连续操作运行的工艺，达到规模化生 产能力，产品质量稳定，节能省时高效，生产过程无粉尘污染，基本实现了生产过程机械化。关键词: 核级活性炭; 浸渍; 预干燥中图分类号: TQ424. 1文献标识码: A大量研究表明，经过含碘化钾和三乙烯二胺浸渍的活性炭是应用最多的用于净化核设 施产生的各种形态的放射性碘的吸附剂1，2。 近年来，随着国内核工业尤其是核电的迅速发 展，用于核设施排放气体中放射性碘净化的吸 附剂的市场需求日益增大，而国内除碘吸附剂 的供应主要局限在活性炭的浸渍生产工艺上。 以往的生产主要采用人工配制浸渍液，通过开 放式人工加料、加液，然后用市售和面搅拌机 或双螺旋搅拌机式的湿法浸渍，最后用振动流 化床进行干燥3。浸渍过程中，由于水溶液进 入活性炭微孔时有大量气体从活性炭中溢出， 气体载带活性炭粉尘进入空气中造成生产环 境粉尘污染严重，同时浸渍后常伴有浸渍液流 失。浸渍后的活性炭表面附着水份，活性炭颗 粒相互粘接成团，流化干燥过程缓慢，能源大 量浪费，而且干燥过程中颗粒含水量变化大， 操作工艺需不断调节，过 程复杂，耗 工、耗 时、 耗能量大，小颗粒损失严重，从浸渍后的初始 湿粘状态到活性炭颗粒达到松散状态的预干 燥阶段最为突出明显，并在一定程度上影响浸 渍活性炭粒度含水量等指标的稳定性。本工作通过实验研究开发了一种在密闭 环境下的真空浸渍真空干燥技术，并验证了其 工艺的可行性。本工作即以新开发的活性炭 真空浸渍和真空干燥的生产工艺条件为基础， 设计开发了一套全流程可批量规模化生产浸渍活性炭的真空浸渍预干燥一体化设备。该设备具有结构合理，省 时、节 能，无 粉尘污染， 并且实现了全过程自动生产，节约了人力，提 高了工效。技术要求浸渍活性炭的制备过程包括浸渍溶液的 配制与定量，活性炭的浸渍，浸渍后活性炭的 预干燥、干燥等主要工序。设备设计要求日生 产能力 300 kg 以上，设备运行过程中无粉尘释 放，湿粘的浸渍活性炭转运操作尽可能少，干 燥后活性炭能达到颗粒松散状态，设备需耐酸 碱腐蚀，操作运行简单，维护方便，节能高效。根据技术要求，拟采用自动配液、自 动定 量加料、真空浸渍和真空干燥工艺，浸渍完成 后直接干燥，浸渍设备与干燥设备合二 为一， 减少物料装卸和流转。12设计与计算容积设计根据技术要求，日生产能力不小于 300 kg，按 日生产 2 批次，单批次浸渍量为 150 kg; 取活性炭 堆积密度为 0. 4，单批次物料体积在 375 L 左右; 为避免搅拌混合对物料磨损大的弊端，并且装卸 物料方便，选用 SEG 1000 型不锈钢双锥罐作干 燥容器，容积 1 000 L，上下转动的混合方式。锥2. 1收稿日期: 2013 09 30作者简介: 侯建荣( 1971) ，男，1994 年毕业于太原理工大学化工专业，副研究员。E mail: Jrhou6 163 com侯建荣等: 核级活性炭真空浸渍与预干燥设备设计与应用387形容器比表面积较大，不锈钢材质耐腐蚀、传导性好，上下转动过程中活性炭颗粒能充分翻动而不 易破碎，转动时高度适中，选择设备旋转时，双锥 罐体最低点距地面不小于 0. 5 m。2. 2 加热系统设计( 1) 热负荷、换热介质及工艺计算根据待干燥的物料中所含水量确定干燥 加热功率。若是 135 kg / h 的物量，水温由 15 升至kcal / ( kg ) ，油导热油比热 Cp= 0. 466密度 d = 840 kg / m3 。设加热夹层进口的导热油温度 105 ，出口油温度 92 ，温差 T = 时，循环加热导热油流量P = Qs / ( d Cp13 T)= 39. 25 859. 9 / ( 840 0. 466 13) =6. 6 m3 / h。即考虑卸料出口高度及双锥罐体直径高 度，双锥旋转最高点距地 3 m。为了能使导热 油均匀充满双锥的传热腔体，导热油循环泵扬 蒸发，则 60 和 70 下总的热负荷程不小于 5 m，流量不小于 6. 6m3 / h。60 70Q1 、Q2 计算如下:真空泵参数计算要实现系统 60 70 时，达到绝对压力在 19. 99 31. 199 kPa 时，选取真空泵作动力，真空泵 需排除汽化水体积后达到如上要求的压力，2. 5 h 内蒸发水量为 120 96 kg，则每小时排气量由表 12. 3Q1 = G+ GCP1 80% = 135 ( 60 15 )T1= 67 127( kcal) 78( kW+ 135 565. 3 80%h)Q2 = G+ GCP2 80% = 135 ( 70 15 )T2参数计算如下: 蒸汽体积 V1= 67 845( kcal) 79( kW= 120 7. 6686 = 920+ 135 559. 4 80%h)m3 ，每小时蒸发水体积 = 920 /2. 5 = 368 m3 ; 蒸汽体积 V2 = 96 5. 040 = 483. 84 m ，每小时蒸发水体积= 484 /2. 5 = 193 m 。表 1 水在饱和状态下的热力学参数Tab. 1 Parameter thermodynamic of water in saturation system 380% 蒸发量在 2 h 完成，平均每小时热负3kWh /2 h = 39. 25 ( kW) 。荷为 Qs = 78. 5其中，Q1 、Q2 分别为物料在 60 、70 蒸发所需要的热量; G 为物料质量，kg; CP1 、CP2 为导热油分别在 60 的比热。 、70比体积根据生产条件，加热介质宜选用导热油。将导热油从 15 ( 冬、夏季平均温度) 快速加 热至 105 。考虑加热温度控制的方便快捷迅 速，选择手动与自动控制相结合方式: 总加热 功率设定为 60 kW，分为三组，两组手动控制，温度 ( )绝对压力 ( kPa)液体( m3 / kg)蒸汽( m3 / kg)556070809015. 76019. 9931. 19947. 41470. 1820. 001 0150. 001 0170. 001 0230. 001 0290. 001 0369. 5667. 668 65. 040 13. 405 32. 359 1功率分别为 12kW，一组自动控制，功kW、24 100101. 420. 001 0431. 418 4 率 24kW。所以，真空机组要选择排气量在 280 m3 / h 左( 2) 导热油循环泵活性炭与内壁换热系数 a1 = 800右能实现两个多小时将炭预烘干到含水量 80% 左右。选择排气量过大会增加能源损耗，因为双锥 体换热系数是一定的，当活性炭表面水份蒸发同 时，活性炭导热系数也在减小，导热系统的不匹配 将成为瓶颈，所以，延长时间来解决系统平衡问 题，以达到预烘干最佳效果。2. 4 双锥罐的改造市场上没有适合的设备用于活性炭的真 空浸渍，在广泛调研基础上选用 SEG 1000 型 双锥真空干燥机并进行了必要改造以达到真 空浸渍 要 求。 包括浸渍液喷淋系 统、配 液 系 统。喷淋系统和配液系统是两个有关联且功2kcal / ( m ) ，导热油侧油与壁的对流换热系 数a2 =3 000 kcal / ( m2 ) ，干燥器壁厚 = 6 mm，导热系数 =30 kcal / ( m ) ，1 000L 双锥罐体表面积 5 m2 ，换热面积 F = 5 m2 ，传热系数 K以及导热油与活性炭间的传热温差 T 计算 如下:K = 1 / ( 1 / a1+ / + 1 / a2 )= 1 / ( 1 /800 +6 /1000 /30 + 1 /3000) = 560. 7( kcal / m2 )= Qs / ( KF)= 36636. 8 kcal ( 39. 25Tkw) / ( 560. 7 5) = 13388辐射防护第 34 卷 第 6 期能独立的系统。喷淋系统由喷淋头、导 管、加压泵、配药箱等组成。配液系统由搅拌机、配 药箱、导管、循环泵等组成。两个系统共用配 药箱、水泵和部分导管，由转换阀实现不同阶 段时各自的功能。配液系统采用搅拌机搅拌，循环泵不断将 配液箱的水加入搅拌机，溶液从搅拌机下端流 入配液箱，在不断搅动和循环水溶解下，在配 液箱中使溶液达到均匀混合。喷淋系统喷淋头设为 6 个 10 mm 喷淋嘴构成。喷淋能力 720 L / h，加压泵扬程22m。图 1 活性炭真空浸渍与预干燥一体设备主体Fig. 1 The equipment of impregnation and drying process of nuclear-grade activated carbon可把配液箱中已配好的溶液，在加压泵的作用下，均匀呈伞形喷入双锥中。来 800% 。( 2) 活性炭性能稳定性提高。除碘吸附效 率达 到 99% 以 上，浸渍干燥前后粒度分 布 稳定。( 3) 能耗大幅下降，改造后电能消耗约为 之前能耗的 15% 左右( 见表 2) 。( 4) 生产过程采用负压进出料，避免了粉 尘外扩散引起的环境问题。表 2 改造前后各年活性炭年产量、 用电总量、单位耗电量对比Tab. 2 Output per year，overall energy and unit energy before and after reconstructing 3应用活性炭的浸渍与预烘干以 SEG 1000 型 双锥真空干燥机为基础，经过设计改进，实现 了活性炭浸渍与预烘干的一机两用。改进后 的设备为全封闭的旋转设备( 见图 1) ，具有抽 真空( 真空度 0. 09 MPa) 、旋转、喷淋、加热等功 能，能使浸渍液均匀分布到处于真空滚动状态 的活性炭微孔内外，实现对活性炭的浸渍，并 进一步在真空状态下达到对浸渍后的活性炭 预干燥，达到颗粒松散状态。与原单螺旋浸渍混合机相比，本设备具有 减少对活性炭的磨损，减少活性炭的粒径变化， 使活性炭的制备工艺更加完善，操作工艺标准 化，生产过程中无粉尘飞扬等特点。此外，该设 备兼有预干燥功能，一机两用是该设备的最大特 点之一，浸渍结束后迅速转为预烘干工序。利用 低压低温沸腾原理保证浸渍剂最小限度的挥发， 制备的样品粒径稳定、含水量固定、实现对吸附 剂质量的可控，保证了浸渍活性炭性能的稳定。 同时有利于活性炭的预烘干，提高生产效率的同 时最大程度地降低了干燥过程电能的损耗。工程规模核级活性炭浸渍、预干燥一体化指标2009 年2010 年2011 年2012 年活性炭生产量( t)用电总量( kWh)658 7282839 5003854 0006087 000单位耗电量( kWh / t) 9 7881 4101 4201 450 结论在实验室工艺研究基础上设计开发的一 体化活性炭真空浸渍及预干燥设备的生产能 力达到 300 kg / d，生产过程基本实现机械化，设 备生产能力提高，产品质量稳定，省时省力，能 耗下降，降低粉尘污染，实现了对工作人员和 环境的双重保护，是一种具有广泛应用前景的 颗粒物料浸渍干燥设备。4设备已运行 3 年多，生产浸渍活性炭近 1503 年的运行实践证明:( 1) 生产能力提高，该套设备的日生产量 可达到 300 kg / d，为原生产能力 200% 。人力 消耗下降，过去日生产量 150 kg，需要 4 人; 现t。参考文献:1 ASME N509 Nuclear power plant air-cleaningunits and components New York: Thekg，只 需人，工 效 为 原在日 生 产 量3002侯建荣等: 核级活性炭真空浸渍与预干燥设备设计与应用389Mechanical Engineers，Association Francaise de Normalisation，1984王瑞云，郭创成，刘群，等 核级活性炭制备装 置的建立与产品性能试 验J 辐 射 防 护， 2007，27( 2) : 119 124American Society1989: 4 5of3 2 AFNO NFM 62 206Nuclear energy-nuclearventilation-testingmethodsforscrubbingcoefficient of Iodine traps French:Design and Application on Impregnation and Drying Process ofNuclear-grade Activated Carbon in Vacuum ConditionHou Jianrong，Shi Yingxia，Qiu Dangui，Xu Lutong， Qiao Taifei，Han Lihong，Li Yongguo，Kong Haixia( China Institute for adiation Protection，Taiyuan 030006)Abstract: The impregnating and drying technics in vacuum condition of nuclear-grade activated carbonwere established based on our experimental results In this paper，a large-scale process and its integrated equipment to produce impregnated activated carbon were designed via heat balance calculation This equipment can produce impregnated activated carbon in a continuous impregnation and pre-drying mode with stable quality，high efficiency，short time，and no dust pollution in the processKey words: activated carbon; impregnation; pre-drying檭檭檭檭檭檭殐勘误本刊 2014 年第 3 期，金问龙等人一文“对国标稀土工业污染物排放标