活性炭是 一種通過對含碳材料進(jìn)行加工制得的具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的炭質(zhì)多孔材料,具有優(yōu)異吸附性能、良好化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于食品·醫(yī)藥衛(wèi)生及環(huán)保等領(lǐng)域。
活性炭制備原料雖來源廣泛,但商業(yè)活性炭產(chǎn)品主要為煤基活性炭、木質(zhì)活性炭和果殼 活性炭,其他含碳材料(如化工及生活廢棄物制備活性炭)多見于試驗(yàn)研究及特殊用途。與木屑、果殼 類和石油焦等為原材料制備的活性炭相比,煤是 廉價且來源穩(wěn)定的活性炭生產(chǎn)原料,以煤為原料生產(chǎn)的活性炭兼具易再生、抗磨損等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)煤基活性炭生產(chǎn)已具一定規(guī)模,產(chǎn)能已達(dá)約60萬t/at。
目前,國內(nèi)外煤基活性炭使用量較大的領(lǐng)域是 水的凈化處理。煤基活性炭產(chǎn)量約80萬t/a,占活性炭總產(chǎn)量的2/3,而煤基活性炭中約60%用于水處理。隨著社會的發(fā)展,我國的工業(yè)及生活用水量逐年增加,對飲用水的質(zhì)量要求也越來越高。與此同時,環(huán)境污染嚴(yán)重影響了給水水源的質(zhì)量,主要表現(xiàn)在臭味、氨氮及溶解性有機(jī)污染物的大量增加。
國內(nèi)煤基活性炭凈化器產(chǎn)業(yè)初步形成于20世紀(jì)50年代,到20世紀(jì)80年代逐漸形成規(guī)模。我國的煤炭資源豐富、品種齊全,隨著近年來活性炭產(chǎn)品多元化、生產(chǎn)規(guī)模化的發(fā)展,煤基活性炭顯 示出更強(qiáng)大的生命力,2008年以來我國已成為世界上較大的煤基活性炭生產(chǎn)國及出口國。無煙煤和弱勁煤是 煤基活性炭生產(chǎn)的主要原料,我國山西和寧夏成為主要的煤基活性炭生產(chǎn)基地。
煤基活性炭的生產(chǎn)包括原料煤的預(yù)處理、炭化、活化及后處理工藝,其中原料煤的預(yù)處理通常為破碎、磨粉和成型工藝;炭化過程控制理論已經(jīng)發(fā)展的較為成熟,可以通過炭化升溫速率及炭化終溫的控制制成石墨化程度低且具有一定初孔隙的炭化料產(chǎn)品。根據(jù)活化工藝的不同,可將活性炭的生產(chǎn)方式分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法?;瘜W(xué)活化法由于使用的化學(xué)藥劑對設(shè)備腐蝕較大,目前國內(nèi)外以煤為原料的活性炭企業(yè)基本都采用物理活化工藝,采用CO2或O2、或幾種氣體的混合物進(jìn)行弱氧 化反應(yīng),使得炭表面受到侵蝕而形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。煤基活性炭產(chǎn)品主要分為原煤破碎炭、成型活J險炭和粉狀活性炭3種,其中煤基粉狀活性炭通常是 以其他類型活性炭副產(chǎn)品的形式進(jìn)行生產(chǎn)。
1.原煤破碎活性炭生產(chǎn)工藝
原煤破碎活性炭在20世紀(jì)八九十年代大同地區(qū)生產(chǎn)較為普遍。當(dāng)時煤礦開采機(jī)械化程度較低,會生產(chǎn)出大量的塊煤,塊煤破碎成一定粒度后仍有較好的強(qiáng)度,可直接通過炭化、活化制成吸附性能較高的活性炭產(chǎn)品。
該工藝適合具有較高物理強(qiáng)度和反應(yīng)活性的原料煤(低變質(zhì)程度的煙煤,如大同長焰煤等)。原煤破碎活性炭工藝生產(chǎn)的顆?;钚蕴砍善分饕糜诠I(yè)廢水處理,部分大顆粒產(chǎn)品可用于糖脫色、味精處理;原煤破碎炭生產(chǎn)工藝的副產(chǎn)品粉狀活性炭可用于水處理,也可用于垃圾焚燒煙道氣凈化。原煤破碎炭的品質(zhì)與原料煤息息相關(guān),近些年,隨著大同地區(qū)煤礦開采機(jī)械化水平的提高和對小型煤礦落后產(chǎn)能的淘汰,較少有塊狀原料煤的供應(yīng),因此原煤破碎炭的生產(chǎn)也越來越萎縮。
2.成型活性炭生產(chǎn)工藝
成型活性炭生產(chǎn)工藝相對于原煤破碎炭增加了磨粉、成型過程。隨著配煤技術(shù)在煤基活性炭生產(chǎn)中的應(yīng)用,成型活性炭工藝可通過調(diào)整配入煤的種類和配比有效調(diào)節(jié)配煤的勁結(jié)性和活性炭的孔結(jié)構(gòu)發(fā)育。根據(jù)成型工藝及成型的形狀,成型活性炭可分為柱狀活性炭、壓塊活性炭和球狀活性炭。
1)柱狀活性炭生產(chǎn)工藝是 煤基活性炭中較為復(fù)雜的一種,工藝流程。
經(jīng)過幾十年的工業(yè)化生產(chǎn),該活性碳凈化器工藝技術(shù)已相對成熟,產(chǎn)品的強(qiáng)度較高,可通過配煤、活化調(diào)整活性炭指標(biāo),產(chǎn)品種類較為豐富。柱狀活性炭既可用于液相處理,也可用于氣體凈化,應(yīng)用范圍比較廣泛,市場適應(yīng)性好。目前,柱狀活性炭生產(chǎn)工藝在寧夏地區(qū)較為普遍。
2)壓塊活性炭全稱為壓塊破碎顆?;钚蕴?,生產(chǎn)壓塊破碎炭的關(guān)鍵是 煤粉成型技術(shù),要保證煤粉成型后保持一定強(qiáng)度。
在煤基活性炭生產(chǎn)工藝中球狀活性炭生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜,國外有規(guī)?;I(yè)生產(chǎn)且較成熟。國內(nèi)只有小批量的生產(chǎn),尚未形成規(guī)模。由于這種工藝涉及到磨粉直接成球性,且炭化、活化過程不能對球狀度造成影響,不僅對生產(chǎn)的工藝控制要求較高,對原料煤的選擇也較苛刻,只有極少量的煙煤適用。
炭化和活化是 煤基活性炭生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。熱效率高、產(chǎn)能大、自動化程度高的新型炭化和活化設(shè)備,如年產(chǎn)1.5萬t的新型外熱式炭化轉(zhuǎn)爐,產(chǎn)能1萬t/a的多膛爐等相繼應(yīng)用于活性炭的生產(chǎn)。
1)活性炭設(shè)備。炭化過程是 將原料煤在隔絕空氣條件下低溫干餾,從而減少非 碳元素并生產(chǎn)出滿足活化工序要求的、具有初步發(fā)育的孔隙結(jié)構(gòu)和較高機(jī)械強(qiáng)度的炭化料。目前,我國煤基活性炭生產(chǎn)中使用較廣泛的炭化設(shè)備是 回轉(zhuǎn)炭化爐,根據(jù)加熱方式的不同分為內(nèi)熱式和外熱式2種。
內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)炭化爐較先應(yīng)用于煤基活性炭的炭化過程,也是 當(dāng)前國內(nèi)活性炭生產(chǎn)廠家采用的主要炭化設(shè)備。由于通過犧牲部分原料用于燃燒提供炭化所需的熱量,因此炭化得率較低,產(chǎn)能無法大幅度提高。外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐以原料煤在炭化過程產(chǎn)生的揮發(fā)分為熱源,節(jié)能顯著,同時產(chǎn)生的尾氣量少且易于回收;而且多倉式的使用大大增大了外熱式炭化爐的處理能力,產(chǎn)能1. 5萬t/a的外熱式炭化爐已研制成功并投入生產(chǎn)。近年來新建的年產(chǎn)超萬噸的煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)多采用外熱式回轉(zhuǎn)炭化爐。
2)活化設(shè)備?;罨^程是 水蒸氣、氧氣等活化氣體與碳發(fā)生氧 化還原反應(yīng),開放原來的閉塞孔的同時擴(kuò)大原有孔隙,是 生產(chǎn)活性炭的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?;罨O(shè)備主要有斯列普爐和多膛爐。
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