原煤的組分及特性對(duì)活性炭生產(chǎn)及性能的影響        

煤質(zhì)活性炭的質(zhì)量很大程度上取決于煤的組分以及某些物理和化學(xué)性能。在以后的章節(jié)中，我們逐一討論。

本章主要介紹原煤的灰分對(duì)活性炭生產(chǎn)及性能的影響

灰分

活性炭成品，要求含碳量高，因?yàn)槲阶饔弥饕谔冀Y(jié)晶體形成的孔隙表面上進(jìn)行。植物類(lèi)原料制成的活性炭，含碳量一般為90％～95％；優(yōu) 質(zhì)精選煤制成的活性炭成品含碳量也在90％左右，較低的在80％～90％之間。要想提高活性炭的含碳量，降低其灰分含量是一條有效的措施。以煤為原料，首先要選擇灰分低的原煤，這是因?yàn)樵诨钚蕴恐圃爝^(guò)程中原料煤揮發(fā)分不斷逸出，碳隨其活化反應(yīng)而逐漸減少，唯有灰分既不能揮發(fā)，又不參與活化反應(yīng)，zui終殘留于成品之中，所以活性炭成品中灰分含量比起原料煤中的灰分含量相對(duì)地大大增加。一般灰分的百分含量要增加1～2倍?；钚蕴恐谢曳值拇嬖谟卸蠛μ帲旱?一使活性炭結(jié)構(gòu)受到影響，強(qiáng)度下降；第 二使活性炭的吸附性能降低。因此要力爭(zhēng)采用灰分含量低的原煤作基質(zhì)。

國(guó)外為了制得灰分含量低的活性炭成品，通常選用浮選的精煤，灰分在2％～6％之間。由此而制得的活性炭成品灰分大都在10％以下，少部分在10％～20％之間，超過(guò)20％的很少。例如美國(guó)匹茲堡活性炭公司生產(chǎn)的BPL．型粒狀活性炭，自20世紀(jì)40年代起一直被用作軍用防毒炭，其原料系選用灰分6％以下的煙煤。日本武田株式會(huì)社生產(chǎn)的X-7000型活性炭是選用灰分為2％～3％的煙煤為原料制成的。這兩種活性炭的質(zhì)量都很好。總之，原煤灰分控制在0.8％～10％范圍，則可以用來(lái)制造活性炭。高質(zhì)量活性炭，其原料煤灰分含量不超過(guò)4％～5％。我國(guó)由于洗煤業(yè)不夠發(fā)達(dá)，洗選得率低，一般直接以礦區(qū)選擇灰分較低的優(yōu) 質(zhì)塊煤作為原料煤。

由于煤的灰分主要來(lái)源于煤中的礦物質(zhì)，因此煤灰分的存在形式與原煤中礦物質(zhì)來(lái)源有關(guān)。原煤灰分的主要存在形式有以下兩種：

1．內(nèi)在灰分

內(nèi)在灰分包括來(lái)自原生礦物及次生礦物質(zhì)兩部分。所謂原生礦物質(zhì)，即原來(lái)就存在于成煤植物本身的礦物質(zhì)，主要是堿金屬和堿土金屬的鹽類(lèi)。這些含量很少的原生物質(zhì)，在煤中呈細(xì)分散狀，與有機(jī)物質(zhì)緊密結(jié)合在一起，通常稱(chēng)為結(jié)合灰分。這部分灰分用機(jī)械方法等是難以洗選分離出來(lái)的。次生礦物質(zhì)一般在煤中的含量也不多。它是在成煤植物堆積和菌解時(shí)，由于刮風(fēng)、水沖等從外界帶來(lái)的粘土、砂?；蛩械拟}、鎂、鐵等離子生成的腐植酸等混入成煤物質(zhì)之中面形成的，在煤中成包裹體存在。這些次生礦物質(zhì)中的較細(xì)粒子，比較均勻分布于煤中，也很難與煤分離除去。但其中少部分較大的粒子在煤中分布不均，將煤破碎后有可能通過(guò)洗選分離出去。總之內(nèi)在灰分屬于難除去灰分。

2．外來(lái)灰分

外來(lái)灰分大部分是在采煤過(guò)程中煤層中的頂?shù)装搴蛫A矸層的研石被破碎帶來(lái)的，其主要成分為Si₂O₃、A1₂O₃以及CaCO₃、CaSO₄、FeS₂等，此外在原煤存放和運(yùn)輸過(guò)程中帶進(jìn)來(lái)的石頭、砂子、泥土等。這種灰分可以通過(guò)人工挑選和機(jī)械洗選除去。

活性炭生產(chǎn)，除要求原煤灰分含量低外，對(duì)于灰分的組成及灰熔點(diǎn)也有較嚴(yán)格的要求。因?yàn)槊褐谢曳值娜埸c(diǎn)對(duì)活性炭制造工藝和設(shè)備有很重要的影響?；罨O(shè)備大多是用耐火材料制成的，產(chǎn)品道的容積都不大，活化溫度在850～900C或更高一些范圍內(nèi)，爐內(nèi)局部部位還可能達(dá)到1000～1100℃。煤中灰分可能出現(xiàn)軟化和熔融現(xiàn)象，結(jié)果會(huì)凝結(jié)在爐壁和爐膛之中，熔融灰分又與其他顆粒粘在一起，越粘越大，這些渣團(tuán)可能引起產(chǎn)品通道堵塞，使炭顆粒難以通過(guò)，妨礙活化爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至損壞爐體結(jié)構(gòu)。因此，煤灰分的熔融特性和熔融溫度是十分重要的。

灰熔點(diǎn)與煤的灰分組成有關(guān)。表1-1為我國(guó)煤的灰分主要成分的一般范圍。單種化合物存在時(shí)各有自己的熔點(diǎn)，但當(dāng)它們組成煤的灰分時(shí)，就不再有固定的熔點(diǎn)，而只有一個(gè)熔化溫度范圍，且開(kāi)始熔化溫度遠(yuǎn)比其任一組分純凈物質(zhì)的熔點(diǎn)低。煤的灰熔點(diǎn)的高低取決于煤的灰分中各種化學(xué)成分含量的不同。例如大部分情況下，SiO₂＋Al₂O₃組分所占的比例大，一般能使灰熔點(diǎn)增高，化學(xué)性質(zhì)并無(wú)影響，而CaCO、MgO和Fe₂O₃、K₂O＋Na₂O等化合物，其含量越高，灰分的熔點(diǎn)越低。CaO、MgO和Fe₂O₃等化合物的存在會(huì)顯著增加活化反應(yīng)速度，有利于提高活化效率。然而，它們的存在在活化過(guò)程中可能不利于微孔的發(fā)展，影響活性炭的吸附性能及催化性能。

表1-1 我國(guó)煤的灰分主要成分的一般范圍

更具體地講，所謂煤灰分的熔點(diǎn)實(shí)際上包括三種溫度，即T₁為開(kāi)始變形溫度，T₂為開(kāi)始軟化溫度，T₃為開(kāi)始熔融流動(dòng)溫度。我們一般講的灰分熔點(diǎn)是指T₂開(kāi)始軟化溫度。按照這個(gè)軟化溫度的高低，灰分可分成四級(jí)，見(jiàn)表1-2。

表1-2 煤灰分熔點(diǎn)分級(jí)范圍

根據(jù)表1-2分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，活性炭制造工藝要求選擇原料煤時(shí)灰分要有較高的溶點(diǎn)，至少應(yīng)在高熔灰分以上，即熔點(diǎn)大于1250℃。由此可知，在選擇原料煤時(shí)，不僅要考慮灰分含量，且不能忽視煤灰分的熔點(diǎn)。

順便指出，果殼、果核等原料雖然其所含的灰分量很少，但其灰分組成中鉀鈉鹽及鈉鉀氧化物的含量偏高，故灰分的熔點(diǎn)較低。因此果殼、果核的活化溫度應(yīng)選擇低于煤質(zhì)炭，同時(shí)對(duì)所用的粘土耐火磚要認(rèn)真挑選。