中国煤质活性炭工业的发展趋势，本文主要内容关键词为：煤质论文,活性炭论文,发展趋势论文,中国论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：TQ424.1 文献标识码：A
1 活性炭的分类及其应用领域
活性炭是一种优良吸附剂，具有发达的内部孔隙结构和巨大的比表面积，已广泛应用 于工业废水、废气和空气净化装置以及有机合成、食品和医药等工业，还应用于军工及 高科技产业。
煤质活性炭是以特定煤种或配煤为原料，经炭化及活化制成。主体成分为类石墨炭质 层状结构，大小不同的是晶层无规则排列，碳质成分为80%～90%。煤质活性炭可分为煤 质颗粒活性炭和煤质粉状活性炭。颗粒活性炭又分为成型炭(包括球形炭和柱状炭)和煤 质无定形活性炭(包括破碎炭和粉炭)两类。若按产品性能和生产工艺又可分为80余种。
活性炭的应用领域广泛，目前仍在继续拓展，已从工业废水及污染气体净化发展到色 谱分析，从海水中提取微量金属铀等，应用范围日益扩大。活性炭亦可作为吸附剂和工 业催化剂载体用于各类装置和不同领域。活性炭按不同用途，对其孔隙结构和孔径分布 要求各异。在应用中，随活性炭所起的不同主体作用，对3种孔隙(大孔、中孔及微孔) 的利用率亦各异。如活性炭用于吸附时，微孔起主导作用，因而微孔的发达程度决定活 性炭的吸附性能。如为气相吸附，中孔可按毛细凝聚机理吸附物质蒸汽。若是液相吸附 ，中孔对分子直径大的吸附质有选择性吸附作用。大孔的主要作用是作为分子扩散通道 。当活性炭作为催化剂载体时，催化剂分子主要沉积于大、中孔内，沉积于微孔中的量 非常小。
与木质和果壳活性炭相比，煤质活性炭价廉、易再生、抗磨损、流体阻力小。近年来 国内外市场对煤质活性炭的需求量呈逐年递增趋势，优质品的供应缺口很大，煤质活性 炭工业的发展前景广阔。目前重要的是及时掌握煤质活性炭工业的发展方向，适时改进 现有生产工艺，生产出适销对路的产品。
2 从市场需求看煤质活性炭工业的发展方向
从煤质活性炭生产和市场需求统计数量可以较好地预测该工业未来的发展趋势。现以 某煤质活性炭生产厂为例，统计其近3年国内外订货量最大的净水、空气净化(净空)、 催化剂载体炭及粉炭的订货量(其中净水、净空两种合并统计)，统计结果见表1。
表1 某厂2002—2004年煤质活性炭订货量
年份 净水净 载体炭 粉状炭总量 逐年增
空炭/t(柱状)/t /t
/t 长率/%
2002 4392
5238
1370 11000 0
2003 5648
9792
1560 17000 54.5
2004 1100 12230
1770 25000 47.1
由表1看出，近几年煤质活性炭需求量呈逐年上升趋势，主要原因是内需增加，外求强 劲。近年来国内有机化学工业发展较快，水处理行业需求增长很快，加之工业废水和废 气中大分子化学污染物或有回收价值的物质需进行回收或处理，而大分子化合物的活性 炭吸附作用主要是在大中孔隙中进行，因而大中孔隙发达的煤质活性炭的需求量逐年递 增。载体炭品种需求量稳中有升，主要是环保需求拉动的结果，粉状活性炭的增长源于 垃圾焚烧尾气净化、食品行业的需求。
据此可以看出，今后煤质活性炭生产的发展趋势将是：高活性的大中孔隙发达的煤质 无定形炭产品系列需求旺盛；低灰低金属含量煤质成型活性炭产品应用广泛；煤质活性 炭将更多地进入传统木质炭应用领域。
3 原料煤种选择及原煤的深加工处理
理论上各种煤质的煤种，如高变质无烟煤、低变质无烟煤(半无烟煤)、烟煤(气煤、肥 煤、焦煤、瘦煤、贫煤、弱黏煤和不黏煤等)、褐煤和泥煤，都可作为活性炭生产的原 料煤种。但从国内活性炭的实际生产情况来看，为了保证用户要求的强度、灰分、粒度 及吸附性能等综合性能指标，目前所用原煤大都为弱黏结性煤、长烟煤及低变质无烟煤 ，而且对原煤灰分的要求都较苛刻，一般要求＜6%～8%，即使如此，经过成型、炭化、 蒸汽活化、破碎后，成品灰分含量仍＞10%。
我国的煤炭资源虽然丰富，但能适合当前活性炭生产要求的煤种并不多，产量也不大 。20世纪90年代活性炭的总需求量仍呈上升趋势，国内活性炭生产厂也在迅速增加。据 不完全统计，目前国内不同规模的活性炭厂已超过400家，还有一些正在筹建。许多小 厂使用的原煤都是100%优质煤种，生产工艺落后，原料浪费严重。众多厂竞相争夺有限 的原料资源，势必形成原料不足、成本提高、价格上扬，供需矛盾日益突出的局面。因 此，作为技术储备，应加紧生产工艺的研究，在保证产品性能的基础上，改进生产工艺 ，使之适用于各原料煤种，拓宽原料来源。
通过对某大型煤质活性炭厂的产品统计，发现不同煤种的产品孔径分布如表2所示。
表2 不同煤种的煤质活性炭产品孔隙结构分布
原料煤种微孔率中孔率大孔率
无烟煤
0.51 0.07 0.11
烟煤 0.43 0.17 0.26
褐煤 0.22 0.58 0.32
泥煤 0.42 0.11 0.33
注：本表数据由压汞法测出，以活性炭样品体积作为1。
由表2看出，欲生产出适于市场需求的大中孔隙发达的活性炭产品，应选择年青煤种做 主原料，这是因为泥炭和褐煤本属于“开放结构型煤种”，原煤孔隙非常发达，经炭化 和活化后，除了大中孔相对发达外，微孔容积及比表面面积也较大，目前荷兰和北欧对 此研究较多，成果显著。
考虑到既需拓宽原煤选择范围，又要生产低灰分产品，因此必须在加强脱出原煤物理 矸石的同时，对原煤或半成品炭化料、成品活性炭进行化学法深度脱灰处理。
原煤深度处理，主要是脱除原煤灰分，生产低灰活性炭产品。化学法深度处理原煤， 目前有2种成熟工艺，一是稀盐酸溶液修理法，可将原煤灰分降到6%以下；另是由美国 开发的“无灰分生产法”，可将原煤灰分降至0.2%以下。该法是将破碎的煤粉在高压容 器中与碱按一定比例混合，在大于15MPa的条件下充分反应，再经稀盐酸溶液处理，彻 底脱除原煤灰分，该法用于处理石墨工业用原煤，也可借鉴用于处理活性炭工业用原煤 。
4 生产工艺发展方向
目前国内无定形破碎炭生产工艺，由于采用原煤不同，而有两种不同的生产工艺。
4.1 用烟煤或无烟煤为原料的生产工艺
该工艺适于用烟煤和低变质无烟煤作原料。其工艺流程为：
原煤→脱灰→破碎→筛选→炭化→筛选→活化→破碎→筛选→包装→成品
原煤破碎至10mm～40mm后，直接炭化、活化，然后进一步破碎到一定粒度即为成品炭 。该工艺的优点是流程简单、能耗小、成本低、原煤不用磨粉和黏结剂，缺点是需用块 煤或成型煤，不能用粉煤。另是成品炭的孔隙率低，比表面积小，这是由于所用原煤为 高变质煤种，煤质致密活性较低，活化度难以提高所致。
4.2 年青煤种为原料的生产工艺
该工艺适于黏结程度较高的年青煤种为原料。其工艺流程为：
原煤→脱灰→制粉→压块→破碎→筛选→炭化→筛选→活化→破碎→筛选→包装→成 品
原煤经压块成型后提高成品强度，可生产出大、中和微孔都较发达的无定形破碎炭产 品。由于年青煤种的化学活性高，制出的破碎炭产品吸附性能比一般品种炭好，但成品 灰分一般都较高，若要生产出低灰产品，须加强选煤工作或进行原煤或成品炭的深度脱 灰处理。
4.3 煤质无定形破碎炭生产工艺的改进
为适应市场对于大中孔发达的无定形破碎炭需求，现行的无定形破碎炭生产工艺必须 进行改进。综合国内外煤质活性炭生产发展趋势，我们认为煤质无定形破碎炭生产工艺 应从以下方面改进。
(1)原煤的选择。原煤的选择和配煤应更多地选取用化学活性高的泥煤和褐煤作原料， 适当配以弱黏结性和黏结性煤种，借以提高成品炭的强度和堆积重指标。
(2)用半焦(天然半焦或副产品半焦炭)作原料生产大中孔发达的无定形炭产品。作为活 性炭生产原料的半焦只能采用低温(450℃～700℃)或中温(750℃～900℃)干馏煤的半焦 产物，而高温(900℃～1050℃)干馏煤产生的半焦由于化学活性太低，不适于作活性炭 生产的原料。采用半焦原料的工艺流程为：
半焦炭→脱灰→破碎→筛选→炭化→筛选→活化→筛选→包装→成品。
(3)现行工艺流程改进。为了提高活化速度和成品的大中孔率，参照瑞典、荷兰等国生 产工艺，将炭化和活化工序间加破碎工艺，将经炭化处理的压块半成品炭初步破碎至一 定粒度后再加以活化、扩孔，然后活化半成品再进一步破碎至要求的粒度，则产品的大 中孔率可增加15%左右，活化速度也可大大提高。
如使用泥煤和褐煤作为活性炭生产原料煤种，在经过压块成型和炭化后，为防止直接 高温活化引起活性炭烧失率大、得率低，可在活化前加“碳素沉积法”堵孔工序，以部 分堵塞开放型大孔的孔口，形成“瓶颈型”孔径结构，然后经过活化，这样生产出的成 品炭具有“类分子筛”性能和结构，大中孔率和成品比表面积可同时得以提高。
(4)加强低灰活性炭生产工艺研究。重点应研究化学法脱灰工艺。通常，泥炭和褐煤等 年青煤种生产大中孔隙发达的活性炭在工艺上是可行的，但国内很少采用此生产工艺， 原因是年青煤种一般灰分为20%～40%，大大超过了灰分＜12%的要求。如能用合适的化 学脱灰剂，再经适当的工艺操作，将煤质破碎炭产品的灰分降到8%以下，则用年青煤种 生产低灰、大中孔发达的煤质无定形炭或成型炭，即具有技术可行性，也可满足市场对 此特殊炭品种的需求。
化学脱灰剂抽提法生产低灰活性炭工艺，以日本较先进成熟，有前期、中期和后期处 理法3种工艺，并都在生产中得到应用，成效显著。前期处理是指在活性炭生产之前对 原煤进行脱灰处理，将灰分较高的原煤用化学法处理到符合低灰炭生产要求的低灰煤， 而直接生产出低灰炭产品。该工艺已在原煤深加工处理部分提及。前期处理工艺的缺点 是处理量大，脱灰剂耗量高。
后期处理是用化学溶剂对成品炭进行脱灰处理，即对成品炭深加工。后期处理最常用 的化学脱灰剂为稀盐酸溶液，采用适当的酸处理工艺，可使活性炭灰分下降25%～40%。 后期处理的缺点是通常会降低成品炭的比表面积，并改变炭的孔径分布和孔隙率。
中期处理方法是指对半成品炭化料进行脱灰处理，然后再活化成品活性炭。据日本有 关研究报道，采用中期处理法可降低炭化料灰含量的50%～60%，且不会明显影响成品炭 的孔径结构和比表面积。但由于蒸汽活化过程中炭的含灰量将增加1.0～1.5倍，如果生 产灰分＜8%的成品炭，中期处理必须将炭化料灰分降至4%以下，处理难度较大。
选择脱灰工艺须根据原煤灰分、用户要求、设备投资及现有工艺的改进难度等因素综 合分析考虑。
5 结语
综上所述，21世纪我国煤质活性炭工业的发展趋势为：大力发展高强度、高吸附性能 、低灰分、低金属含量和大中孔发达的无定形破碎炭产品。
化学溶剂抽提法脱除活性炭灰分是可行的，能大大缓解国内各生产厂对优质原煤的激 烈争夺。但关键问题在于寻求廉价的脱灰剂，应进一步加快该项目的研究。
标签：活性碳论文; 无定形论文; 煤质活性炭论文; 果壳活性炭论文; 净水活性炭论文; 活性炭吸附论文; 化学吸附论文; 无烟煤论文;