大同煤定向制備新型高性能凈水用煤基活性炭技術

研發起止時間：2013.1.～2019.12.

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司、中國礦業大學（北京）

獲獎及評價：國際先進水平，其中大同煤壓塊制備高性能凈水活性炭技術方面達到國際領先水平。

1 項目背景

2012 年起我國強制實施《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006），促進了以活性炭為核心材料的O3-BAC 工藝在水廠得到廣泛應用，對高性能飲用水凈化用活性炭的需求量日增。

為利用好大同地區豐富的優質活性炭原料煤資源，提高生產技術、增加產品品種少、避免同質化現象，2012年同煤集團利用在原料、資金、人才、管理等方面的優勢，基于豐華活性炭有限公司多年生產經驗和人才、技術的儲備，引進、吸收世界先進活性炭生產技術，開工建設10 萬噸/年煤基活性炭項目，以大同煤為基礎原料、采用先進的壓塊炭工藝生產壓塊破碎活性炭。然而，由于凈水用活性炭指標體系不完善、活性炭質量提升的目標不明確，大同原料煤壓塊成型性、炭化活化過程中孔的發育、工藝參數優化等上缺乏細致深入的研究，壓塊炭生產過程中產生的廢炭化料粉難以處理和處置，造成金鼎活性炭先進技術和產能優勢難以體現。

為此，大同煤礦集團分別在2013年和2017年下達了“添加劑作用下大同煤配煤制備壓塊活性炭及功能化活性炭技術”和“大同煤壓塊法制飲用水凈化用專用活性炭”科研計劃項目。

2 研究內容

（1）凈水用壓塊活性炭指標體系的研究與建立

依據活性炭在飲用水深度凈化中所起的有機污微染物吸附劑和生物膜載體作用，研究活性炭吸附性能、組成、孔結構、機械強度、形狀及粒度、濾池性能、可回收性、對凈化新型污染物能力和實際凈水能力等的合理表征指標，在此基礎上構建了凈水用活性炭的完整指標體系，主要包括：①活性炭的物理機械性能指標；②活性炭的組成指標；③活性炭的孔結構結構特征及表面化學指標；④活性炭的吸附性能指標；⑤活性炭的濾池指標；⑥活性炭的可回收性指標。

（2）凈水用高性能專用活性炭的研究與開發

大同煤業金鼎活性炭有限公司現有煤基壓塊活性炭制備工藝的優化。以大同煤為原料、煤瀝青為粘結劑，采用壓塊活性炭制備工藝制備活性炭樣品，考察煤瀝青添加量對活性炭吸附性能和強度的影響規律；以大同煤為主料、太西煤和勝利煤為配煤，采用壓塊活性炭制備工藝制備活性炭樣品，研究了煤的配比及預氧化對活性炭孔結構和吸附性能的影響規律。

凈水用高性能專用活性炭的研究與開發。研究掌握非煤焦油型粘結劑（淀粉、糖蜜、酚醛樹脂等）及無粘結劑條件對活性炭強度和孔發育的影響規律，在“技術性、經濟性及環保性”的原則下，確定大同煤配煤無粘結劑壓塊活性炭的技術路線；優化研究獲得的大同煤配煤無粘結劑壓塊活性炭制備的工藝參數，活性炭焦糖脫色率高達80.28%，碘吸附值為1 221.6 mg/g，亞甲藍吸附值為267.35 mg/g。

在實驗室研究成果的基礎上，在大同煤業金鼎活性炭公司開展了大同煤配煤無粘結劑制備新型凈水壓塊活性炭的工業性生產試驗。基于同煤集團金鼎活性炭公司現有生產裝備，研究建立大同煤（或大同煤為主料的配煤）制備飲用水凈化專用活性炭的生產工藝，研究優化包括原料配比、炭化與活化參數等主要工藝參數，生產出吸附性能、機械力學性能、活性炭濾池指標性能全面滿足要求的新型凈水活性炭，迄今已生成22 887.4 t高性能凈水用活性炭。

（3）壓塊活性炭生產中產生的廢炭化料粉資源化利用技術

大同煤業金鼎活性炭有限公司除了壓塊活性炭生產線，還有柱狀活性炭生產線生產常規柱狀活性炭和活性半焦。將壓塊活性炭生產中產生的廢炭化料粉，摻入大同煤中制備柱狀活性炭樣品，考察廢炭化料粉的摻入比例對活性炭吸附性能和孔結構的影響規律和對其孔結構發育的作用機理，證實了廢炭化料粉的加入既可提高柱狀活性炭的機械強度、還有一定程度調節活性炭孔結構的作用。為使研究成果有普遍意義，還實驗了將勝利煤、新疆煤和府谷煤中摻入一定比例的廢炭化料粉試制活性炭，探究廢炭化料粉的摻入對低變質程度煤制活性炭吸附性和孔結構的影響。

在實驗室研究成果的基礎上，在大同煤業金鼎活性炭公司開展了廢炭化料粉資源化利用的工業性生產試驗并取得了成功，證明將壓塊炭工藝中的廢炭化料粉摻入原料煤制備柱狀活性炭，既改善活性炭性能、又妥善處置固體廢棄物，變“廢”為寶、增效減排，迄今已利用5 686噸廢炭化料粉生產出66 000噸柱狀活性焦。

3 主要研究成果

（1）依據活性炭在飲用水深度凈化過程中所起的吸附、微生物載體和濾料床層作用，構建了包括吸附性、機械、濾池流體力學性能指標在內的完整的凈水用活性炭性能指標體系；發明了具有自主知識產權的活性炭床層壓降及反沖膨脹率測定裝置，測試活性炭的濾池流體力學性能指標；

（2）在研究掌握煤焦油型粘結劑及非煤焦油型粘結劑作用的基礎上，依據技術、經濟、易得性原則，篩選粘結劑，平衡機械強度和吸附性能指標，開發出大同煤配煤無粘結劑壓塊活性炭制備技術；

（3）采用將廢炭化料粉摻入大同煤中制備柱狀活性炭的方法處理壓塊活性炭制備過程中的廢炭化料粉，達到節能、減排、增效的目的。

4 應用效果

大同煤業金鼎活性炭公司在應用“大同煤定向制備新型高性能凈水用煤基活性炭技術”成果后，生產了高品質、適銷對路的新型高性能凈水用煤基活性炭，合理利用壓塊凈水活性炭生產過程中產生的廢炭化料粉，減排增效。應用成果的2 年期間，新增產值3 433萬元，凈節支3 750萬元，綜合經濟效益7 183萬元。