高碘低灰煤基活性炭的制备及性能研究

傅修军

（大同中车煤化有限公司，山西 大同 037300）

0 引 言

我国是世界上煤炭资源较为丰富的国家之一，煤炭种类齐全，分布广泛。山西、新疆、宁夏、内蒙古等省是我国主要的煤炭生产基地，同时，山西、宁夏也是我国两大活性炭生产基地。大同煤因低灰、低硫、挥发分适中，是制备煤质活性炭的理想原料，因此山西的活性炭生产又集中在大同。但是，随着煤炭开采的机械化和大型化，以及活性炭生产用煤只是煤炭应用领域的很小一部分，适合制备活性炭的特定煤层很难被单独、精细地开采，大同地区适合制备高品质活性炭的煤源越来越少。

目前生产的煤质压块活性炭指标一般为美碘900 mg/g、美强≥90%、灰分≤12%，或美碘1 000 mg/g、美强≥90%、灰分≤15%，符合市场一般要求。在活性炭生产中，碘吸附值、灰分、强度三者之间存在矛盾关系，提高活性炭的碘吸附值必然导致灰分的升高和强度的降低，如何在碘吸附值较高的情况下，保持较低的灰分和较高的强度，是个值得研究的课题。

本文旨在以煤为原料制备高碘低灰的压块活性炭，以期制备出美碘≥1 100 mg/g、美强≥90%、灰分≤10%的活性炭样品。

1 实验部分

1.1 原料的选取

选用3种不同地区的原煤（编号分别为A、B和C）为主要原料，原煤的工业分析见表1。

表1 原煤的工业分析Table 1 Industrial analysis of raw coal

1.2 制备工艺过程

磨粉：原料煤经干燥、破碎至3～5 mm，磨粉机磨制成粉，要求90%以上过200目筛。

压块成型：使用对辊压块机干法造粒，成型压力为10 MPa，成型颗粒尺寸为φ20 mm10 mm6 mm。经破碎、筛分，得到粒径2～8 mm物料。

炭化条件：升温速率10℃/mim，炭化终温550℃。

活化条件：活化温度900℃，水蒸气流量1.25 mL/（100 g炭化料·min），最后经破碎、筛分，得到φ0.6～2.36 mm压块颗粒活性炭产品。

压块活性炭制备工艺制备流程如图1所示。

图1 压块活性炭制备工艺流程Fig.1 Preparation process flow diagram of pressed activated carbon

1.3 试验所用设备

试验所用设备见表2。

表2 试验所用设备Table 2 Equipment used in the experiment

1.4 性能检测

样品的碘吸附值、灰分、强度等指标的检测分别按如下标准的规定进行：《ASTM D4607-1994活性炭碘值的标准测试方法》、《GB/T 7702.15-2008煤质颗粒活性炭试验方法灰分的测定》、《ASTM D3802-1979活性炭球盘法强度标准试验方法》。

2 结果与讨论

2.1 成型料制备结果及分析

对选取的3种原料煤进行配煤压块，结果见表3。

表3 成型料的制备结果Table 3 Preparation results of molding materials

由表3可知，单一煤种成型中，单一B煤成型料强度最低，为70%；单一C煤成型料强度最高，为78%。A煤和B煤配煤压块成型，当配比为1∶4时，强度最高；但整体强度差距不明显，最大差值为4%。C煤和B煤配煤压块成型，强度整体优于A煤和B煤配煤压块成型。

2.2 炭化料制备结果及分析

将成型料在炭化炉中进行炭化，得到炭化料，并对其性能指标进行检测，炭化料的制备结果见表4。

表4 炭化料的制备结果Table 4 Preparation results of carbonizing materials

由表4可知，成型料经过同一条件炭化后，强度均有提高，这是因为煤经过低温干馏过程后，内部沥青组分固化形成骨架结构。经过炭化后，物料的灰分发生累积，而且因为C煤的灰分低，所以配有C煤的物料灰分整体都低。与成型料一样，C和B配煤的炭化料强度整体高于A和B配煤的炭化料，漂浮率为无也说明了C和B配煤物料的密实度较高。

2.3 活化料制备结果及分析

将炭化料在活化炉中进行水蒸汽活化，制得活化料样品，并对其性能指标进行检测。活化温度均为900℃，通过摸索，达到预期碘值的活化时间大概需3.5 h。

活化料的制备结果见表5。

表5 活化料的制备结果Table 5 Preparation results of activating materials

由表5可知，单一B煤（6#样品）无法制得满足预期指标的样品，碘值若达到1 100 mg/g，其强度和灰分一定无法满足。A煤因灰分高，所以配有A煤制得的样品在碘值和强度均满足要求的前提下，均难满足灰分≤10%的要求。虽然通过微调活化时间有可能达到预期指标，但也仅停留在指标边界，无法转化到大生产中。C煤因原始灰分低，配有C煤的压块活性炭在碘值和强度满足要求的前提下，灰分也能满足。同时，其具有配比范围宽，制备条件简单，性能指标优良等特点，工艺配方完全可以在大生产中应用。因此C煤是生产高碘低灰活性炭的优良煤种。

3 结 语

本文主要通过选取适合制备压块活性炭的煤种，并且在源头上控制灰分，尽量不使用后处理脱灰，制备美碘≥1 100 mg/g、美强≥90%、灰分≤10%的活性炭样品。通过对3种煤源进行混配、压块成型、炭化、活化，得出如下主要结论：

（1）A煤因原始灰分高，不经过后处理脱灰，很难制备出满足预期指标的样品。

（2）C煤具有原始灰分低的优点，无需经过处理，可以直接制备出满足预期指标的样品，并且C煤的成型性较A煤好。

（3）C煤与B煤配比分别为5∶0、4∶1、1∶1、1∶4时，在550℃终温炭化，900℃活化3.5 h的条件下，均可制备出美碘≥1 100 mg/g、美强≥90%、灰分≤10%的活性炭样品。其中，配比为5∶0时，制备的样品的美碘达到1 223 mg/g、美强达到95%、灰分仅为5.46%。