活性炭生产工艺简介

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活性炭专业生产工艺流程

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活性炭的应用及发展过程

活性炭是含碳的物质经过炭化和活化制成的多孔性 人造炭质吸附剂。它具有发达的孔隙结构和巨大的 比表面积，可用作吸附剂，催化剂和催化剂载体。 活性炭作为人造材料，是在1900年到1901年发明的， 其发明者是拉费尔· 王· 奥斯特莱科，他采用化学活 化法和物理活化法制造活性炭而获得专利。 1911年， 门高德博士在维也纳附近的工厂首次将活性炭工业 化生产。当时的产品是粉状活性炭，这是世界上第 一家工业化生产工厂。

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回顾世界活性炭的发展历史，有两个主要的事件推动了活性炭事业的 发展，一是第一次世界大战化学武器的应用；二是1927年发生在美国芝加 哥自来水厂的饮用水恶臭事件。 1914年欧洲爆发了第一次世界大战，1915年4月22日，德国军队在欧 洲战场伊普番河上使用了毒气；5月18日，在华沙附近的拉夫卡河又向俄 国军队施放了毒气 。1915年德军在比利时对毫无准备的英法联军使用 6000个钢瓶施放化学毒气氯气18万公斤，造成士兵伤15000余人，其中约 5000人丧生。有“矛”必然会发明“盾”,有化学毒气必然会发明防毒武 器。两个星期后，军事科学家就发明了防护氯气武器，他们给前线的每个 士兵发了一种特殊的口罩，这种口罩里有用硫代硫酸钠和碳酸钠溶液浸过 的棉花。这两种药品都有除氯的功能，能起到防护的作用。但是如果敌方 改用第二种毒气，这种口罩就无用武之地了。事实也是如此。此后不到一 年，双方已经用过几十种不同的化学毒气，包括人们现今熟知的介子毒气 及氢氰化合物。因此人们一直在寻找一种能使任何毒气都失去毒性的物质 才好。这种百灵的解毒剂在1915年才被科学家找到，它就是活性炭。到 1917年，交战双方的防毒面具里都装上了活性炭，毒气对交战士兵的危害 程度就大大降低了。第二次世界大战中德国首次利用介子气引发了毒气战 争，人们就开始寻求避免受到毒气侵害的方法，而活性炭正是因为其能高 效防止毒气的侵害，被广泛应用于战争。这样就刺激了世界各国对活性炭 的研究和生产。

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1927年美国芝加哥自来水厂发生了广大居民难以接受的自来水恶臭事 件。这是由于原水中苯酚和消毒用的氯发生异臭所致。后来，德国等地的 自来水厂也发生了同样的事件，而这些事件都是用活性炭处理解决的。从 此以后，环境保护日益受到重视，政府的法令也日趋严格，不仅在净水方 面，在其他领域也得到广泛应用，由此，活性炭进入全面发展阶段。 50年代以前, 我们国家还没有活性炭的加工企业，每年进口30-50t; 50

年代到1981年，国产活性炭开始上市，特别是1966年，从苏联引进斯列 普活化炉后有了规模化生产，国内生产能力逐步提升至10000t/a;80年代 末期到90年代末期，进入改革开放以后，国内开始建设大量的活性炭厂， 其规模也飞速发展，生产能力逐步从10万t/a发展到12万t/a;2000年到 2008年，生产能力持续增长，现已达到每年20余万t。

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生产煤质活性炭的原料种类

褐煤、烟煤和无烟煤均可作为活性炭的原料。国 内的煤质活性炭原料主要采用山西大同地区的弱粘结 性烟煤和宁夏的太西无烟煤。 (1)弱粘结性烟煤：山西大同地区的弱粘结性烟煤由 于化学活性好、灰分低(特别是其八层煤和十一层 煤),而广泛被山西的活性炭企业用于加工制造原煤 破碎活性炭。 (2)无烟煤：宁夏太西煤低灰、低硫、含碳量高，化 学活性好，是生产高档活性炭的优质原料。宁夏的活 性炭企业主要采用太西无烟煤作为主原料生产柱状活 性炭。

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生产工艺流程

以太西无烟煤为主原料的合格原料煤入厂后，被粉碎到 一定细度(一般为200目),然后配入适量黏结剂(一 般为煤焦油)在混捏设备中混合均匀，然后在一定压力 下用一定直径模具挤压成炭条，炭条经炭化、活化后， 经筛分、包装制成成品活性炭。 其工艺框图如下所示：

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活性炭生产工艺流程图

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活性炭分公司二分区工艺流程图

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原

料

1、原料煤的要求 2、配煤 3、黏合剂的要求

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原料煤的要求

①水分 煤中的水分对活性炭生产有一定影响，水分含量过高不 仅对煤炭的破碎、筛分不利，而且增加能量消耗，提高生产成本。 褐煤内在水分最高，其次时是无烟煤，中等变质程度的烟煤内在 水分含量最低。目前我们要求无烟煤水分≤5%。 ②灰分 煤灰分含量高会降低煤的发热量，影响炭化料及活性炭 产品的机械强度，影响活性炭的孔隙结构，降低活性炭的吸附能 力，使活性炭产品杂质增加，限制了煤基活性炭的应用领域。但 是有些矿物质如CaO,MgO,Fe2O3,K2O及Na2O等可以催化煤中碳与 水蒸气的反应，加快反应速度，提高活化炉的产量。一般要求灰 分≤6%,目前我们要求采用的原煤灰分≤3%。 ③挥发分 无烟煤挥发分含量最低。挥发分含量过高，挥发出的 物质容易结焦，堵塞产品道；过低，不能为活化提供足够的燃料。 目前要求挥发份为7-8%。 ④煤的反应性 反应性高的煤在活化和燃烧过程中，反应速度快、 效率高。

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配煤

配煤是改善活性炭产品孔结构，提高活性炭产品吸附性能的一种好方法。 ①单种煤的结焦特性及其在配煤中的作用 肥煤：肥煤属中等变质程度

的煤，挥发分范围较广，胶质层厚度大于25mm,受热 时产生大量的胶质体，其流动性大，热稳定性好。肥煤在约260℃时有机质开始 分解。肥煤具有很强的粘结能力，能将煤粉颗粒很好低粘结在一起，形成机械强 度较好的炭颗粒，是配煤中的重要成分。但挥发分高的肥煤，结焦性较差，因此 在选择肥煤作配合煤时，要充分考虑肥煤的粘结能力、挥发分、结焦性等。 弱粘煤：弱粘煤是一种还原程度较弱的低变质程度到中等变质程度的煤。加热时， 产生的胶质体较少，结焦性能较好。精选弱粘煤加粘结剂(煤焦油),在特定的 工艺条件下制造柱状活性炭在国内已成为现实，其被用作催化剂载体。 焦煤：焦煤具有中等挥发分与中等胶质层厚度，加热时能形成热稳定性很好的胶 质体。结焦性能好，在配煤中焦煤可以起到提高干馏固体物料之机械强度的作用。 炼焦工业利用焦煤单独炼焦时能得到块大、裂纹少、机械强度和耐磨强度都高的 焦炭。目前尚未有报道利用焦煤制造活性炭。随着活性炭制造研究工作的深入， 焦煤作为配合煤会用于活性炭制造工业。 经过研究发现，在生产工艺基本条件相同条件下，煤基活性炭孔结构类型主要由 煤本身性质决定：褐煤生产的活性炭碘值不高，但孔容积较高，这说明褐煤生产 的活性炭中孔，大孔较多，这种活性炭的脱色能力较强，在某些液相应用领域， 实际应用效果较好；由不黏煤、弱黏煤为原料生产的活性炭中孔较发达，适宜生 产液相吸附净化用活性炭；以无烟煤为原料生产微孔发达的活性炭，适宜生产优 质的气相吸附用活性炭。

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②配煤原理 活性炭制造主要是依据挥发份--粘结性指标的配煤基本概念 进行配煤，一般要求配合煤的挥发份在25%-30%这个范围 内，特征指数为3-5,根据活性炭特性要求改变单种煤在配 合煤中的配合比例。 总之，配煤是改善活性炭产品孔结构，提高活性炭产品吸 附性能的一种好方法。但如何配煤，应因地制宜，应根据 活性炭产品孔结构及吸附性能的要求，确定配煤的煤种和 配煤的比例，切不可盲目照搬，否则不会达到提高活性炭 性能，降低生产成本的目的。 需要指出的是配煤技术难以大幅度提高活性炭的吸附性能， 只能在一定范围内改善活性炭的吸附性能，降低生产成本。 如果生产高吸附性能的活性炭产品，应采用催化活化，煤 岩分析等先进的新技术。

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黏合剂的要求

① 含碳量高，热解时析焦率高，最后能够构成活性炭本身的 一部分，起到骨架作用。 ② 具有一定的流变性能，对基质颗粒具有良好的浸润性，并 与基质混合后

具有可塑性，有利于将基质原料加工成型为颗粒 状物质。 ③ 具有粘结性，在工艺过程中能使基质结合成整体颗粒，并 赋予较高的机械强度。 ④ 有助于形成活性炭颗粒内部的初步孔隙，并对加工过程无 不利影响，起造孔作用。以上最重要的是浸润作用和黏结作用。 黏合剂的种类较多，目前常用于煤基柱状活性炭生产的黏合剂 主要有煤焦油、木质磺酸钠、纸浆废液和淀粉溶液等，考虑到 黏合剂的来源途径，一般黏合剂选用煤焦油，从生产的产品质 量比较，煤焦油是煤基成型活性炭生产最适合的黏合剂。 我们采用煤焦油作为黏合剂，要求其沥青含量≥50%、水分 ≤5%、粘度要好。水分不易过高，因为水分太多影响炭条强度。

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原料煤的粉碎(200目，95%通过)

磨粉的目的是为了将煤进行预氧化处理，增加其 表面积，易于活化。氧化对煤的炭化及其后生产活性 炭的影响是巨大的。煤的氧化降低了煤受热的流动性， 提高了炭化物的微孔容积，煤的预氧化使得制备的炭 化料具有极高的微孔，有利于制备优质活性炭。例如： 不进行预氧化而直接活化的太西原料煤，其在930℃ 活化条件下进行活化试验3小时，I2值在530mg/g左右， 而采用预氧化工艺，柱状成型炭化后的颗粒在同等活 化条件下进行活化试验反应3小时后，I2值在 1000mg/g以上。

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物料磨粉过程

物料由提升机送至储料斗，再经振动给料机将物料均匀定量连 续地送入主机磨室内进行研磨，粉磨后的粉子被风机气流带走， 经选粉机进行分级，符合细度的粉子随气流进入大旋风收集器 内，进行分离收集，再经出粉管排出即为成品粉子。气流再由 大旋风收集器上端回风管吸入引风机。本机整个气流系统是密 闭循环的，并且是在负压状态下循环流动的。 在磨室内因被磨物料中有一定的含水量，研磨时产生热量导致 磨室内气体蒸发膨胀改变了气流量，以及整机各管道接合处密 封不严，外界气体被吸入，使循环气流风量增加。为此通过调 整风机和主机间的排气管来达到气流平衡的目的。并将多余气 体导入布袋除尘器内，把余气带入的微粉收集下来，余气被净 化后排出。

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混捏

混捏的目的是使固相的煤粉与液相的煤焦油充 分的混合，赋予混合料以塑性和流动性，使煤 粉的细小颗粒充分地、均匀地被煤焦油充填和 包裹，煤沥青在经过炭化后形成炭骨架。 焦油温度：≥90℃ 混捏温度：70℃—90℃ 混捏时间：15分钟到20分钟

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挤压成型

成型的目的是得到具有一定外形及较高密实度的炭条。目 前本公司用于活性炭制造的挤压成型设备为借高压液体介 质进入柱塞

液压缸推动柱塞对煤膏加压的立式液压机 。 成型液压机有单缸式和双缸式两种。 单缸油压机(二分区)的装料与压制是间歇式进行的，料 缸装满煤膏后再加压，没有预压装臵，煤膏受压时间短。 煤膏的工作压力为180-220kgf/cm2(17.6-21.6MPa)。 双缸液压成型机(一分区)的装料和压制可以分别在两个 缸内同时进行，某一个缸在装料预压时，另一个缸则对煤 膏加压，煤膏受压时间长，压出条密度大，操作易实现自 动化。

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炭化

炭化是活性炭制造过程中的主要热处理工序之 一，炭化过程中大部分非炭元素—氢和氧因原料 的高温分解首先以气体形式被排除，而获释的元 素碳原子则组合成通称为基本石墨微晶的有序结 晶生成物。 严格的说，炭化应是在隔绝空气的条件下进 行。炭化是指在低温下(500℃左右)煤及煤沥青 的热分解、固化以及煤焦油中低分子物质的挥发。

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炭化主要目的

(1)排除成型料中的挥发份及水分； (2)提高炭化料强度，煤焦油中的沥青成分形成了 基本骨架； (3)使炭颗粒形成初步孔隙。

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炭化温度

炭化温度直接影响炭化料的孔隙结构和强度。温度过 低炭化产物无法形成足够的机械强度，温度过高则会 促使炭化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间 的空隙，影响活化造孔过程。 将无烟煤加热，其炭化产物中易石墨化成分占主导地 位，无烟煤对炭化终温非常敏感，当温度升高时就开 始收缩，结果造成在炭化初始阶段形成的微孔容积大 幅度降低。如炭化炉内尾部着火造成的炭化料形成光 圈现象，坚硬炭化料，形成易石墨化物质，难以活化。

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