摘要：為在生產(chǎn)過(guò)程中能夠有目的的控制、調(diào)整活性炭的孔徑分布，提高產(chǎn)品性能，從原煤性質(zhì)、炭化料質(zhì)量、活化爐工藝控制3方面闡述了影響煤質(zhì)顆粒活性炭產(chǎn)品質(zhì)量的因素，從而能夠根據(jù)客戶要求，根據(jù)炭化料的性質(zhì)，有針對(duì)性、有選擇性地組織活性炭的生產(chǎn)加工，更好地降低生產(chǎn)成本。
煤質(zhì)顆粒活性炭是以原煤為原料經(jīng)過(guò)炭化、活化制成的一種多孔性碳素物質(zhì)。它具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和很大的比表面積，具有很強(qiáng)的吸附性能廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品工業(yè)及環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。活性炭產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)工序都密切相關(guān)。在生產(chǎn)過(guò)程中，只有掌握了影響煤質(zhì)顆粒活性炭質(zhì)量的因素，才能根據(jù)客戶的要求有針對(duì)性地選擇炭化料，有目的地調(diào)整活化爐的生產(chǎn)工藝，這樣才能生產(chǎn)出優(yōu)良低耗的產(chǎn)品，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)，贏得更多的客戶。
1、原煤性質(zhì)的影響
由于成煤過(guò)程中的條件不同、煤階不同其含碳量、含氧量、含氫量不同、揮發(fā)分不同、煤的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致炭化后制成的炭化料性質(zhì)也不同。
煤制炭化料通常分2種：普通炭化料和低漂浮炭化料。在大同地區(qū)，同樣是8號(hào)煤層，丁村、楊樹灣的煤就可以制成低漂浮炭化料，而甸灣的煤只能制成普通炭化料。同樣是11號(hào)煤層，大陸坡的煤就可以制成低漂浮炭化料，而青磁窯的煤只能制成普通炭化料。2種炭化料的特性對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可以看出2種炭化料的性能區(qū)別在于漂浮率和結(jié)塊性不同，這是由于成煤條件不同導(dǎo)致煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，炭化后得到的炭化料特性也不同。
表1 普通炭化料和低漂浮炭化料性能指標(biāo)對(duì)比
| 炭化料 | 灰分/% | 揮發(fā)分/% | 水分/% | 堆積重/（g·L-1） | 水容量/% | 粒度 | |
| 3目 | ＜8目 | ||||||
| 普通 | 5.32 | 12.45 | 6.48 | 621 | 13 | 8.5 | 3.2 |
| 低漂浮 | 5.87 | 12.01 | 7.26 | 650 | 11 | 7.9 | 4.0 |
2、炭化料質(zhì)量的影響
生產(chǎn)活性炭的原料是炭化料，即半焦。半焦的質(zhì)量直接影響活性炭的質(zhì)量。要想生產(chǎn)出優(yōu)良的活性炭需要從原材料抓起嚴(yán)格把關(guān)。
1）炭化料的初步孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
活性炭的生產(chǎn)過(guò)程其實(shí)是炭化料再次造孔的過(guò)程。如果煤在成為半焦的過(guò)程中炭化溫度控制不當(dāng)，就會(huì)直接影響炭化料的孔隙結(jié)構(gòu)，使初步孔隙發(fā)育不良從而使活性炭的孔隙發(fā)育受到制約，產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。
2）炭化料中的灰分對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
炭化料中的灰分主要是炭中礦物質(zhì)燃燒后的殘?jiān)俊Ｉa(chǎn)活性炭時(shí)，其灰分大部分留在活性炭中，因此活性炭灰分比原料灰分大2~3倍。所以，對(duì)灰分的要求是越低越好。如果炭化料中灰分過(guò)高，會(huì)影響活性炭的機(jī)械強(qiáng)度，影響活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，降低活性炭的吸附能力。另外，如果灰熔點(diǎn)高，可以提高活化溫度，增加產(chǎn)量，如果灰熔點(diǎn)低，會(huì)在活化過(guò)程中，造成活化爐產(chǎn)品道焦結(jié)，堵塞料道，影響活性炭的產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞爐芯導(dǎo)致爐體報(bào)廢造成重大事故。
3）炭化料揮發(fā)分對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
炭化料的揮發(fā)分是指炭化料在隔絕空氣時(shí)，在一定溫度（900±10）℃下加熱7min，所揮發(fā)出來(lái)的質(zhì)量百分比。這其中不但有有機(jī)物受熱分解，還會(huì)有礦物質(zhì)分解。在活化爐正常生產(chǎn)過(guò)程中不需外加熱源，主要是靠炭化料中揮發(fā)分的逸出，以及活化反應(yīng)產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的燃燒來(lái)提供熱量。如果揮發(fā)分過(guò)高，會(huì)造成產(chǎn)品燒結(jié)活性炭的孔隙發(fā)育不良，甚至料道堵塞；如果揮發(fā)分太低會(huì)使產(chǎn)品的燒失率加大，產(chǎn)率降低。同時(shí)，影響活性炭的外觀。所以，要求炭化料的揮發(fā)分在8%~15%。
4）炭化料水分對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
炭化料中的水分主要來(lái)源于半焦的熄焦水。在活化過(guò)程中，由于水分的蒸發(fā)，爐溫降低，造成活化爐熱量損失，從而影響活性炭的活化質(zhì)量。
5）炭化料粒度對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
對(duì)于不同粒度的炭化料在活化爐中，由于活化反應(yīng)受活化劑在碳層內(nèi)擴(kuò)散速度的影響，所以顆粒小的炭化料其活化速度快；顆粒大的炭化料則由于活化劑與碳的接觸面積小，所以會(huì)發(fā)生顆粒外部已燒失，而內(nèi)部卻還未完全活化的情況。如果顆粒大的炭化料活化程度達(dá)到較佳時(shí)，則與大顆粒一起活化的小顆粒物料就難免會(huì)燒過(guò)，導(dǎo)致碘吸附值下降。因此，在相同的工藝條件下，炭化料粒度的均勻性直接影響其活化速度及活化料質(zhì)量的穩(wěn)定性。所以炭化料粒度要均勻，通常要求炭化料粒度在3~8目。
6）炭化料反應(yīng)性對(duì)活性炭品質(zhì)的影響。
炭化料的反應(yīng)性也叫活性，是指在一定溫度條件下與不同的介質(zhì)，如CO2、O2、H2O等相互作用的反應(yīng)能力。這些反應(yīng)是制造粒狀活性炭時(shí)活化階段的主要反應(yīng)。炭化料反應(yīng)性好，就會(huì)使活化料生產(chǎn)周期短產(chǎn)量高、灰分低、吸咐性能好、生產(chǎn)成本相對(duì)較低。
3、活化爐生產(chǎn)工藝條件的影響
煤氣廠使用的活化爐是斯列普活化爐，是一種以水蒸氣和煙道氣為活化劑交替進(jìn)行活化的爐型。根據(jù)斯列普活化爐特別的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品指標(biāo)的不同，通過(guò)調(diào)整工藝指標(biāo)可生產(chǎn)不同指標(biāo)要求的活性炭，并且使其在活化過(guò)程中質(zhì)量、產(chǎn)量達(dá)到較佳效果。
3.1活化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響
活化溫度是活化工藝的關(guān)鍵參數(shù)之一。不同活化溫度下碳的結(jié)構(gòu)不同吸附性能也不同（表2）。
表2 活化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響
| 活化溫度/℃ | 碘吸附值/（mg·g-1） | 亞甲藍(lán)值/（mg·g-1） | 抗碎強(qiáng)度/% | 產(chǎn)率/% |
| 800 | 931 | 142 | 98 | 46.2 |
| 850 | 998 | 173 | 96 | 39 |
| 900 | 1039 | 189 | 93 | 32.7 |
| 950 | 1061 | 206 | 93 | 30.9 |
| 1000 | 1052 | 210 | 90 | 26.3 |
由表2可知，隨著活化溫度的升高，碘吸附值和亞甲蘭值呈上升趨勢(shì)，產(chǎn)率和強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì)。隨著溫度的提高活化反應(yīng)速率也提高。但活化溫度過(guò)高，勢(shì)必造成進(jìn)爐的風(fēng)量增加，爐氣含氧量相對(duì)較難控制，炭的燒失率也在加大產(chǎn)率降低灰分增加。另外，溫度過(guò)高活性炭?jī)?nèi)的微孔反而減少吸附能力下降。其次，還易造成產(chǎn)品通道堵塞降低產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)影響活化爐使用壽命。因此，將活化溫度控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)提高活性炭產(chǎn)品質(zhì)量非常重，要煤氣廠的活化溫度一般控制在850~950℃。
3.2水蒸氣壓力和流量對(duì)活性炭吸附性能的影響
水蒸氣是活性炭生產(chǎn)過(guò)程中主要的活化劑，在活化爐內(nèi)主要進(jìn)行如下反應(yīng)：
H2O+C=CO+H2-126.8kJ （1）
如水蒸氣過(guò)量則發(fā)生以下反應(yīng)：
2H2O+C=CO2+2H2-75.6kJ （2）
CO2+C=2CO-163kJ （3）
以上反應(yīng)均為吸熱反應(yīng)，為了維持正常的活化反應(yīng)溫度，須向活化爐的加熱半爐不同位置通入二次空氣，與混合氣體中的可燃?xì)怏w燃燒放出大量熱量，主要反應(yīng)如下：
2CO+O2=2CO2+575.4kJ （4）
2H2+O2=2H2O+485.4kJ （5）
由于放出熱量足以使活化反應(yīng)處于熱平衡狀態(tài)，兩半爐之間定期交替運(yùn)行，使活化溫度穩(wěn)定，活化效果好，產(chǎn)品質(zhì)量均勻，吸附能力強(qiáng)。為了保證水蒸氣與炭化料的充分接觸，加速活化反應(yīng)，提高活化效率，可以提高水蒸氣的實(shí)際需求量。如果水蒸氣壓力低、流量小，則放熱反應(yīng)大于吸熱反應(yīng)，爐溫不易調(diào)控，燒失率大，活化反應(yīng)緩慢，活性炭質(zhì)量、產(chǎn)量均下降。如果水蒸氣壓力高，流量大，則爐壓高，爐內(nèi)氣氛不易控制，影響安全和活化爐使用壽命。水蒸氣壓力在（0.20+0.05）MPa時(shí)水蒸氣流量對(duì)活性炭吸附性能的影響見(jiàn)表3。
表3 水蒸氣流量對(duì)活性炭吸附性能的影響
| 水蒸汽流量/（kg·h-1） | 碘吸附值/（mg·g-1） | 亞甲藍(lán)值/（mg·g-1） | 灰分/% | 堆積重/（g·L-1） |
| 1000 | 984 | 173 | 14.66 | 441 |
| 1400 | 1029 | 189 | 12.90 | 442 |
| 1800 | 1061 | 200 | 11.42 | 439 |
| 2200 | 1067 | 196 | 12.79 | 434 |
由表3可以看出當(dāng)水蒸氣流量增加時(shí)，活性炭的碘吸附值和亞甲蘭值均發(fā)生明顯的變化。為了保證活化爐內(nèi)壓力和溫度的穩(wěn)定，需要嚴(yán)格控制水蒸氣的壓力和流量，水蒸氣壓力一般應(yīng)控制在0.10~0.30MPa，水蒸氣流量控制在1200~2000kg/h。
3.3活化爐內(nèi)壓力對(duì)活性炭吸附性能的影響
活化爐需要保持正壓操作，爐壓過(guò)高，容易從爐體各處噴出活化氣體，引起爐外著火，影響安全生產(chǎn)和活化爐壽命，也不利于炭化料內(nèi)反應(yīng)后的活化氣體逸出，孔隙打不開，影響活化效果；爐壓過(guò)低，易從爐外吸進(jìn)空氣，引起炭的燒失率增加，嚴(yán)重時(shí)吸進(jìn)的空氣與爐內(nèi)活化氣體發(fā)生爆炸，引起事故。因此，冷卻半爐爐壓一般控制在80~100Pa，加熱半爐爐壓控制在20~40Pa合適。
3.4活化時(shí)間對(duì)活性炭吸附性能的影響
活化時(shí)間一般根據(jù)產(chǎn)品活化情況確定，需生產(chǎn)碘吸附值高的活性炭，一般適當(dāng)延長(zhǎng)活化時(shí)間即可。但活化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，炭的燒失率加大，灰分增加，強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)碘吸附值反而降低，且易造成產(chǎn)品道的堵塞，一般活化時(shí)間應(yīng)控制在40~45h。
4、結(jié)語(yǔ)
1）對(duì)于煤質(zhì)顆粒活性炭而言，通過(guò)活化可以使碳內(nèi)部形成具有吸附能力的復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的指標(biāo)要求合理地調(diào)整工藝參數(shù)，如入爐的水蒸氣壓力、風(fēng)壓、活化時(shí)間、活化溫度等，大限度地生產(chǎn)出客戶滿意的產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上大限度地降低生產(chǎn)成本。
2）在活性炭生產(chǎn)過(guò)程中，需要根據(jù)客戶的要求合理選擇炭化料，如果客戶需要的活性炭是用來(lái)吸附液相和氣相中相對(duì)分子質(zhì)量和分子直徑較小的物質(zhì)，那么就要求活性炭的孔徑分布以微孔居多，其性能指標(biāo)通常用碘吸附值表示。這時(shí)就要選擇普通炭化料為原料進(jìn)行生產(chǎn)。如果客戶需要的活性炭是用來(lái)吸附液相中相對(duì)分子質(zhì)量和分子直徑較大的物質(zhì)，則要求活性炭的孔徑分布以中孔居多，其性能指標(biāo)以糖蜜值、焦糖脫色率表示。這時(shí)就要選擇低漂浮炭化料為原料進(jìn)行生產(chǎn)。
3）目前市場(chǎng)對(duì)活性炭的要求越來(lái)越高，如要求生產(chǎn)微量元素含量低的活性炭、低漂浮活性炭等，因此以后還應(yīng)進(jìn)一步研究與開發(fā)使活性炭產(chǎn)品質(zhì)量更好，品種結(jié)構(gòu)更加多樣化。