高碘低灰煤基活性炭的制備及性能研究

傅修軍

（大同中車煤化有限公司，山西 大同 037300）

0 引 言

我國是世界上煤炭資源較為豐富的國家之一，煤炭種類齊全，分布廣泛。山西、新疆、寧夏、內蒙古等省是我國主要的煤炭生產基地，同時，山西、寧夏也是我國兩大活性炭生產基地。大同煤因低灰、低硫、揮發分適中，是制備煤質活性炭的理想原料，因此山西的活性炭生產又集中在大同。但是，隨著煤炭開采的機械化和大型化，以及活性炭生產用煤只是煤炭應用領域的很小一部分，適合制備活性炭的特定煤層很難被單獨、精細地開采，大同地區適合制備高品質活性炭的煤源越來越少。

目前生產的煤質壓塊活性炭指標一般為美碘900 mg/g、美強≥90%、灰分≤12%，或美碘1 000 mg/g、美強≥90%、灰分≤15%，符合市場一般要求。在活性炭生產中，碘吸附值、灰分、強度三者之間存在矛盾關系，提高活性炭的碘吸附值必然導致灰分的升高和強度的降低，如何在碘吸附值較高的情況下，保持較低的灰分和較高的強度，是個值得研究的課題。

本文旨在以煤為原料制備高碘低灰的壓塊活性炭，以期制備出美碘≥1 100 mg/g、美強≥90%、灰分≤10%的活性炭樣品。

1 實驗部分

1.1 原料的選取

選用3種不同地區的原煤（編號分別為A、B和C）為主要原料，原煤的工業分析見表1。

表1 原煤的工業分析Table 1 Industrial analysis of raw coal

1.2 制備工藝過程

磨粉：原料煤經干燥、破碎至3～5 mm，磨粉機磨制成粉，要求90%以上過200目篩。

壓塊成型：使用對輥壓塊機干法造粒，成型壓力為10 MPa，成型顆粒尺寸為φ20 mm10 mm6 mm。經破碎、篩分，得到粒徑2～8 mm物料。

炭化條件：升溫速率10℃/mim，炭化終溫550℃。

活化條件：活化溫度900℃，水蒸氣流量1.25 mL/（100 g炭化料·min），最后經破碎、篩分，得到φ0.6～2.36 mm壓塊顆粒活性炭產品。

壓塊活性炭制備工藝制備流程如圖1所示。

圖1 壓塊活性炭制備工藝流程Fig.1 Preparation process flow diagram of pressed activated carbon

1.3 試驗所用設備

試驗所用設備見表2。

表2 試驗所用設備Table 2 Equipment used in the experiment

1.4 性能檢測

樣品的碘吸附值、灰分、強度等指標的檢測分別按如下標準的規定進行：《ASTM D4607-1994活性炭碘值的標準測試方法》、《GB/T 7702.15-2008煤質顆粒活性炭試驗方法灰分的測定》、《ASTM D3802-1979活性炭球盤法強度標準試驗方法》。

2 結果與討論

2.1 成型料制備結果及分析

對選取的3種原料煤進行配煤壓塊，結果見表3。

表3 成型料的制備結果Table 3 Preparation results of molding materials

由表3可知，單一煤種成型中，單一B煤成型料強度最低，為70%；單一C煤成型料強度最高，為78%。A煤和B煤配煤壓塊成型，當配比為1∶4時，強度最高；但整體強度差距不明顯，最大差值為4%。C煤和B煤配煤壓塊成型，強度整體優于A煤和B煤配煤壓塊成型。

2.2 炭化料制備結果及分析

將成型料在炭化爐中進行炭化，得到炭化料，并對其性能指標進行檢測，炭化料的制備結果見表4。

表4 炭化料的制備結果Table 4 Preparation results of carbonizing materials

由表4可知，成型料經過同一條件炭化后，強度均有提高，這是因為煤經過低溫干餾過程后，內部瀝青組分固化形成骨架結構。經過炭化后，物料的灰分發生累積，而且因為C煤的灰分低，所以配有C煤的物料灰分整體都低。與成型料一樣，C和B配煤的炭化料強度整體高于A和B配煤的炭化料，漂浮率為無也說明了C和B配煤物料的密實度較高。

2.3 活化料制備結果及分析

將炭化料在活化爐中進行水蒸汽活化，制得活化料樣品，并對其性能指標進行檢測。活化溫度均為900℃，通過摸索，達到預期碘值的活化時間大概需3.5 h。

活化料的制備結果見表5。

表5 活化料的制備結果Table 5 Preparation results of activating materials

由表5可知，單一B煤（6#樣品）無法制得滿足預期指標的樣品，碘值若達到1 100 mg/g，其強度和灰分一定無法滿足。A煤因灰分高，所以配有A煤制得的樣品在碘值和強度均滿足要求的前提下，均難滿足灰分≤10%的要求。雖然通過微調活化時間有可能達到預期指標，但也僅停留在指標邊界，無法轉化到大生產中。C煤因原始灰分低，配有C煤的壓塊活性炭在碘值和強度滿足要求的前提下，灰分也能滿足。同時，其具有配比范圍寬，制備條件簡單，性能指標優良等特點，工藝配方完全可以在大生產中應用。因此C煤是生產高碘低灰活性炭的優良煤種。

3 結 語

本文主要通過選取適合制備壓塊活性炭的煤種，并且在源頭上控制灰分，盡量不使用后處理脫灰，制備美碘≥1 100 mg/g、美強≥90%、灰分≤10%的活性炭樣品。通過對3種煤源進行混配、壓塊成型、炭化、活化，得出如下主要結論：

（1）A煤因原始灰分高，不經過后處理脫灰，很難制備出滿足預期指標的樣品。

（2）C煤具有原始灰分低的優點，無需經過處理，可以直接制備出滿足預期指標的樣品，并且C煤的成型性較A煤好。

（3）C煤與B煤配比分別為5∶0、4∶1、1∶1、1∶4時，在550℃終溫炭化，900℃活化3.5 h的條件下，均可制備出美碘≥1 100 mg/g、美強≥90%、灰分≤10%的活性炭樣品。其中，配比為5∶0時，制備的樣品的美碘達到1 223 mg/g、美強達到95%、灰分僅為5.46%。