摘要：灰分對(duì)煤基活性炭的生產(chǎn)及其產(chǎn)品性能、價(jià)格具有一定的影響，降低活性炭灰分是迫切需要解決的問題。闡述了目前常用的脫灰處理工藝，包括高溫氯化法脫灰、加壓酸堿洗法脫灰、前期脫灰、中期脫灰、后期脫灰、深度脫灰，其中深度脫灰是在高溫還原氣氛下，通過脫灰介質(zhì)和催化劑的作用，使活性炭中的礦物質(zhì)與脫灰介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)物排出爐外，脫灰率可達(dá)80%以上。提高活性炭的品質(zhì)，須從多方面入手，既要保證生產(chǎn)煤質(zhì)活性炭的優(yōu)良原料，加強(qiáng)對(duì)原煤的降灰處理，同時(shí)還要綜合考慮用戶要求、設(shè)備投資及現(xiàn)有工藝的改進(jìn)難度等因素，選擇較佳脫灰工藝。
0 引言
由于原料煤煤種的不同，使煤基活性炭灰分不同，灰分的主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O等。灰分對(duì)活性炭的生產(chǎn)及產(chǎn)品性能均有一定的影響，在活性炭生產(chǎn)過程中，灰分中大部分無機(jī)質(zhì)對(duì)活化過程中的造孔產(chǎn)生不利影響；在氣相吸附時(shí)，灰分是惰性物質(zhì)，液相吸附時(shí)，灰分也會(huì)對(duì)活性炭產(chǎn)品產(chǎn)生不同程度的影響。此外，灰分對(duì)活性炭的價(jià)格也會(huì)有一定的影響，因此，降低活性炭灰分是眾多活性炭生產(chǎn)廠家追求的目標(biāo)。
近年來，國(guó)內(nèi)外開發(fā)出一些新的物理或物理化學(xué)選煤方法，這些方法通過原料煤細(xì)磨工藝，使分選后原料煤的灰分降至3%以下，甚至可得到灰分為1%~2%的精選煤。但其生產(chǎn)成本高，工藝復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中很難被采用。
酸洗脫灰工藝是在活性炭活化后，將其用一定濃度的鹽酸溶液清洗，然后堿液中和，將pH值調(diào)到需要的范圍，再進(jìn)行干燥脫水。該工藝一般能脫除3%~9%的灰分，但工藝過程中有污染，脫灰效果不理想。
深度脫灰新工藝是將高灰分活性炭放置于密封的反應(yīng)爐內(nèi)，在高溫還原氣氛下，通過脫灰介質(zhì)和催化劑的作用，使活性炭中的礦物質(zhì)與脫灰介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)物排出爐外。
1 深度脫灰工藝
將95%保利煤和5%北山煤混合制粉，進(jìn)行壓塊、氧炭化、活化試驗(yàn)，炭化溫度550℃，炭化時(shí)間150min，活化溫度920℃，以水蒸氣為活化劑（110滴/min）。活化試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)指標(biāo)，然后將活化料脫灰，溫度1100℃，時(shí)間45min。保利煤和北山煤的工業(yè)分析見表1，不同添加劑活化料的活化與脫灰結(jié)果見表2，添加A+B后活化料脫灰前、后的變化見表3。試驗(yàn)使用的添加劑以無機(jī)堿性化合物A為主，B為堿性助添劑。添加劑的降灰作用機(jī)理是轉(zhuǎn)化礦物質(zhì)的晶體形態(tài)，使性質(zhì)穩(wěn)定的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成易發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，從而達(dá)到滿意的脫灰效果。在添加A、A+B時(shí)，活化速率及活性炭的吸附性有所提高，脫灰率也顯著提高。這表明添加劑不僅起到催化作用，還具有脫灰劑的作用。從脫灰效果和活性炭吸附性能綜合考慮，復(fù)合添加劑A+B比單一添加劑A的效果好。脫灰后的碘吸附值下降，這可能是因?yàn)樵诿摶疫^程中較高的溫度可能對(duì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)造成影響，脫灰過程中，礦物質(zhì)與脫灰介質(zhì)的生成物沒有完全揮發(fā)，殘留部分堵塞了活性炭的孔隙，導(dǎo)致碘吸附值下降。
表1 煤樣的工業(yè)分析%
| 煤樣 | 水分 | 灰分 | 揮發(fā)分 |
| 保利煤 | 4.27 | 3.02 | 37.79 |
| 北山煤 | 18.64 | 5.99 | 29.58 |
表2 不同添加劑活化料的活化脫灰效果
| 編號(hào) | 添加劑 | 活化時(shí)間/min | 得率/% | 灰分1/% | 灰分2/% | 碘吸附值1/(mg·g-1) | 碘吸附值2/(mg·g-1) |
| 1 | 無添加劑 | 300 | 39.5 | 9.65 | 4.65 | 1054 | 1032 |
| 2 | 添加劑A | 350 | 37.6 | 10.26 | 3.15 | 1068 | 1041 |
| 3 | 添加劑A+B | 350 | 38.5 | 10.87 | 1.76 | 1077 | 1053 |
注：灰分1、灰分2分別為活化料脫灰前、后的灰分；碘吸附值1、碘吸附值2分別為活化料脫灰前、后的碘吸附值。
表3 添加A+B后活化料脫灰前、后的變化| 成分 | 脫灰前 | 脫灰后 | 脫灰率 | ||
| 實(shí)際含量 | 計(jì)算含量 | 實(shí)際含量 | 計(jì)算含量 | ||
| 灰分 | 10.87 | 12.35 | 1.76 | 1.83 | 86.75 |
| Al2O3 | 23.30 | 4.78 | 15.30 | 0.39 | 91.80 |
| Fe2O3 | 5.24 | 1.08 | 4.94 | 0.12 | 88.90 |
| MgO | 2.50 | 0.51 | 1.58 | 0.04 | 92.20 |
| CaO | 11.14 | 2.29 | 6.38 | 2.16 | 93.00 |
脫灰時(shí)間及脫灰溫度對(duì)活性炭灰分的影響如圖1所示，脫灰時(shí)間及脫灰溫度對(duì)活性炭碘吸附值的影響如圖2所示。可以看出，脫灰時(shí)間和溫度對(duì)活性炭的脫灰效果和碘吸附值均有一定影響。
2 其他脫灰方法
1) 高溫氯化法脫灰
Si和Al的氧化物在還原劑炭及較高溫度（600~1400℃）條件下，與氯氣反應(yīng)，生成揮發(fā)性氯化物。隨反應(yīng)溫度升高至800、1000、1200℃，試樣灰分由7.8%分別遞減至6.3%、1.8%和1.4%。經(jīng)高溫氯化法除去灰的活性炭，比表面積由5.4m2/g增至24m2/g。
2) 加壓酸堿洗法脫灰
山西新華化工廠活性炭脫灰采用加壓2步脫灰法：活性炭→加壓堿洗→熱水洗→加壓酸洗→熱水洗→烘干→成品。煤質(zhì)活性炭中不溶于酸和難溶物在加壓、加熱及催化劑的作用下，以鈉堿為主的中等濃度堿液進(jìn)行洗滌后，采用稀鹽酸進(jìn)行酸洗。其較佳工藝參數(shù)為：混合堿液投料量為灰分的1.7倍，混堿洗工藝反應(yīng)壓力0.8MPa，時(shí)間10h；鹽酸投料量為灰分的1.25倍，酸洗溫度120~130℃，時(shí)間3h，在較佳工藝條件下，灰分脫除率達(dá)到94.8%。
3) 前期脫灰
前期脫灰是指在活性炭生產(chǎn)前對(duì)原煤進(jìn)行脫灰處理，將灰分高的原煤處理到符合要求的超純煤，直接生產(chǎn)出低灰炭。若活性炭的灰分低于6%，原料煤的灰分需為1.6%~2.2%。采用傳統(tǒng)的重選和浮選法對(duì)原煤進(jìn)行脫灰，脫灰后精煤的灰分較高（7%~14%），無法滿足生產(chǎn)低灰優(yōu)良活性炭的要求，要求原煤須進(jìn)行深度的脫灰處理。前期處理工藝的缺點(diǎn)是處理量大、脫灰劑耗量高。對(duì)原煤中含有催化活性的無機(jī)礦物質(zhì)成分如鈉、鉀等的脫除，降低活性炭的活化速度。
4) 中期脫灰
中期脫灰是指對(duì)半成品炭化料進(jìn)行脫灰處理，再活化成活性炭產(chǎn)品。波濤活性炭廠家研究了煤與KOH共炭化處理后，用酸洗深度脫灰的方法，研究表明，將堿與煤共同在600℃炭化后進(jìn)行酸洗，可在平和的條件下大幅提高酸洗脫灰率；煤與KOH共炭化后再酸洗，不僅對(duì)煤中的黏土、黃鐵礦等無機(jī)礦物質(zhì)有很好的效果，尤其適于脫除一般情況下難以除去的石英礦物。研究發(fā)現(xiàn)，采用中期處理法可降低炭化料中50%~60%的灰，且不會(huì)顯著影響活性炭產(chǎn)品的孔徑結(jié)構(gòu)和比表面積。但由于蒸氣活化過程中，炭的含灰量增加1.0~1.5倍，如果生產(chǎn)灰分＜8%的活性炭產(chǎn)品，中期處理須將炭化料灰分降至4%以下，處理難度較大。
5) 后期脫灰
后期脫灰是用化學(xué)溶劑對(duì)成品炭進(jìn)行脫灰處理，即對(duì)成品炭深加工，是目前活性炭工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的工藝。
3 結(jié)論
1) 在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下，深度脫灰工藝的脫灰效果顯著，脫灰率可達(dá)80%以上。在添加A、A+B時(shí)，脫灰率、活化速率、活性炭的吸附性能均有所提高，表明添加劑既具有催化作用又有脫灰劑的作用。從脫灰效果和活性炭吸附性綜合考慮，復(fù)合添加劑A+B比單一添加劑A的效果好。脫灰時(shí)間及溫度對(duì)活性炭的灰分和碘吸附值均有一定的影響。脫灰后活性炭的碘吸附值有所下降，這可能是由于脫灰過程中較高的溫度對(duì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)造成影響。
2) 前期脫灰，可將灰分較高的原煤處理成為符合低灰活性炭生產(chǎn)要求的低灰煤，而直接生產(chǎn)出低灰活性炭產(chǎn)品。中期脫灰對(duì)采用硅含量較高的原煤制備活性炭有較強(qiáng)的脫灰能力，但是實(shí)際應(yīng)用較少，工藝還不成熟。后期脫灰工藝比較成熟，是目前活性炭工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的工藝。適當(dāng)?shù)乃崽幚砉に嚕墒够钚蕴炕曳窒陆?5%~40%，但通常會(huì)降低活性炭的比表面積，并改變活性炭的孔徑分布和孔隙率。
3) 提高活性炭品質(zhì)，須從各方面入手，既要保證生產(chǎn)煤質(zhì)活性炭的優(yōu)良原料，加強(qiáng)對(duì)原煤的降灰處理，同時(shí)還要綜合考慮用戶要求、設(shè)備投資及現(xiàn)有工藝的改進(jìn)難度等因素，選擇較佳的脫灰工藝。