中國煤基環保炭材料發展現狀及展望

王曉明，惠功領，李秀春

(中煤華利能源控股有限公司，北京 100020)

我國能源結構“富煤、貧油、少氣”，煤炭是我國能源安全的壓艙石，具有兜底保障作用。隨著我國“2030年碳達峰，2060年碳中和”戰略目標的實施，煤炭清潔高效利用已迫在眉睫。煤基環保炭材料是把煤作為一種原料，通過物理、化學技術手段將其加工為一種綠色“萬能”吸附材料，廣泛應用于國防、能源、醫療及環保等領域[1]?！半p碳”背景下，新冠疫情肆虐全球，全民生態環保意識日益增強，空氣凈化和水處理對煤基環保炭材料的需求將得到大幅提升，環保炭材料的用途將得到拓展。目前，中國煤基環保炭材料生產布局主要集中于山西、寧夏、新疆、河北等地區，具有產量大、品種多、布局分散、無龍頭企業等特點。然而，國內外煤基環保炭材料制造的技術差距依然較大，如美國、加拿大、日本和歐洲等發達國家，煤基環保炭材料制造技術已達到了規?；?、自動化、低消耗、無污染、產品質量穩定的先進水平[2-3]；中國依然面臨著生產規模小、產品質量參差不齊、資源浪費等問題，嚴重制約了中國煤基環保炭材料行業的發展。新形勢下，依托品質一流的原料煤，依靠國際一流的技術和裝備，提升我國煤基環保炭材料制造技術和產品質量，對助推我國能源轉型發展，實現“雙碳”目標具有重要指導意義。

基于此，筆者主要圍繞中國煤基環保炭材料原料選取、生產技術及應用領域發展狀況進行了闡釋，剖析了煤基環保炭材料發展過程中存在的問題，同時對煤基環保炭材料行業發展進行了展望，以期為中國煤基環保炭材料行業高質量發展奠定基礎。

1 中國煤基環保炭材料發展現狀

國內環保炭材料產業發展初步形成于20世紀50年代初，20世紀80年代初逐漸形成規模，2008年以來，我國是全球最大的環保炭材料生產國及出口國，截至2020年我國有生產企業330余家，年總產量由2010年的36萬t增加至2020年的90萬t。其中，煤基環保炭材料占比60%～65%，木質炭占比35%～40%[4]。由此表明，中國煤基環保炭材料得到了快速發展。

1.1 煤基環保碳材料原料選擇

煤基環保炭材料以煤為主要原料，經磨粉、成型、炭化、活化等工藝制成，應用范圍較廣。褐煤、煙煤、無煙煤均可作為煤基環保炭材料的原料，而我國最常用的原料煤是無煙煤、不黏煤和長焰煤，原料煤的物理化學性質對煤基環保炭材料的產品性能有重大影響，一般要求原料煤中灰分低于6%，且越低越好。煤基環保炭材料原料煤具備灰分含量低、機械強度高及塊煤多、熱穩定性好、硫分含量低、導電導熱性好、抗堿性能好的特點[5]。

以中煤華利能源控股有限公司(簡稱“中煤華利”)為例，中煤華利新疆區域煤炭資源儲量15.2億t，對新疆吉朗德露天煤礦原煤、吉朗德露天煤礦精煤、別斯庫都克露天煤礦原煤和商品硅煤樣品進行工業分析、元素分析及發熱量測試，測試結果見表1。

表1 工業分析、元素分析及發熱量特征Tab.1 Industrial analysis，element analysis and calorific value characteristics

根據《中國煤炭分類》(GB/T 5751—2009)，4種煤樣均為長焰煤。由表1可知，吉礦原煤、吉礦精煤和別礦原煤灰分(Ad)分別為1.91%、1.29%、5.57%，均屬于特低灰煤，且灰分遠低于10%的指標要求；吉礦原煤、吉礦精煤和別礦原煤揮發分(Vd)分別為40.09%、40.86%、36.02%，揮發分略高于40%，均屬于高揮發分煤；吉礦原煤、吉礦精煤和別礦原煤揮發分(Vd)分別為0.31%、0.23%、0.45%，均低于0.5%，屬特低硫煤；吉礦原煤、吉礦精煤、別礦原煤發熱量(Qgr，d)分別為32.09、32.26、31.00 MJ/kg，屬特高發熱量煤。

大同地區侏羅紀弱黏煤具有低灰、低硫、高發熱量的特征，長期被作為活性炭生產的優質原料[6-7]。大同煤與吉礦精煤對比見表2。

表2 大同煤與吉礦精煤對比Tab.2 Comparison between Datong coal and Jilangde coal clean coal

由表2可知，吉礦精煤具有更低的灰分和硫分，揮發分遠遠高于大同煤。對于工藝指標而言，吉礦精煤哈氏可磨指數(HGI)略低于大同煤，但整體差異不大。同時表現一定的弱黏結性，而大同煤基本沒有黏結性，適當黏結性有助于提高活性炭產品的機械強度。

綜上，中煤華利吉礦原煤、吉礦精煤與別礦原煤，具有特低灰、特低硫、特低磷、高—特高熱值、超低有害元素，是“國內僅有、世界罕見”的煤基環保炭材料的稀缺原料。這3種原料煤技術要求及適用性分析見表3，其中吉朗德礦精煤灰分可控制在1%左右，灰分和硫分極低，是生產高檔優質活性炭不可多得的原料。采用中煤華利的長焰煤制備的煤基環保炭材料具有高吸附性能更好的優勢。

表3 煤基環保炭用煤的技術要求及適用性Tab.3 Technical requirements and applicability of coal for coal based environmental protection carbon

1.2 煤基環保碳材料生產工藝

我國煤基環保炭材料生產技術發展主要經歷了單種煤生產煤基環保炭、配煤生產煤基環保炭及催化活化生產煤基環保炭3個階段[8]。煤基環保炭材料的生產主要包括原煤的預處理、炭化、活化和后處理，原煤預處理一般是機械粉碎及壓制成型，而煤基環保炭材料不同生產工藝會對最終煤基環保炭材料的性能產生影響。根據制備工藝的不同，煤基環保炭材料生產可劃分為原煤破碎顆?；钚蕴?、柱狀活性炭、壓塊活性炭和粉狀活性炭4種工藝[1]。

1.2.1 原煤破碎顆?；钚蕴可a工藝

原煤破碎顆?；钚蕴客ǔ：喎Q為“原煤破碎炭”，該生產工藝主要由塊煤經破碎、篩分、炭化、活化后制成[9-10]。此類生產工藝適合具有較高機械強度和較強反應活性的煤種，主要為低變質程度的煙煤，如大同侏羅紀長焰煤等，其生產工藝如圖1所示。值得注意的是，原煤破碎炭得率較低，在水處理應用中存在堆積密度小、漂浮率高、強度低等缺點[10]。

圖1 原煤破碎炭生產工藝Fig.1 Production process of raw coal crushing carbon

1.2.2 壓塊活性炭生產工藝

壓塊活性炭生產技術和多膛爐的應用，使大規模生產煤基環保炭材料成為現實。根據配煤、添加劑和優化炭化、活化工藝參數，能夠制備出具備多樣性及專一性的煤基環保炭材料[9]。壓塊活性炭生產工藝主要將原料煤破碎至一定粒度后，將其放入粉碎機磨粉，而后用高壓成型設備將煤粉壓制成型，將壓制成型的煤粉再經破碎和篩分，最后對其進行炭化和活化，制備出壓塊活性炭，如圖2所示。

圖2 煤基壓塊活性炭生產工藝Fig.2 Production process of coal based briquetted activated carbon

以中煤華利吉礦精煤為例展開實驗研究，采用單一吉礦精煤(3號樣品添加5%的煤瀝青)進行壓塊活性炭制備。由于吉礦精煤的來料粒度(8～30 mm)符合磨粉機進料要求，無需進行破碎。①實驗原料煤用F97-3型密封式化驗制樣粉碎機磨粉，煤粉粒度要求325目篩通過率>80%；②壓塊成型采用WS150型壓塊機，將煤粉等粉狀物料經過高壓壓制成顆粒狀，成型壓力設定為25 MPa，在干法輥壓造粒機上壓制生料；③采用小型回轉爐對壓制的生料分別進行炭化和活化。實驗所需設備及壓制生料如圖3所示。實驗樣品見表4。

圖3 實驗設備及壓塊生料Fig.3 Experimental equipment and raw meal for briquetting

表4 壓塊活性炭樣品情況匯總Tab.4 Summary of pressed activated carbon samples

以《生活飲用水凈水廠用煤質活性炭》(CJ/T 345—2010)(簡稱“飲用水標準”)為依據，對壓塊活性炭樣品進行篩選評價，選擇指標較好的1號、2號、3號和4號進行對比分析，結果見表5。

表5 生活飲用水凈水廠用煤質顆粒活性炭技術指標對比Tab.5 Comparison of technical indexes of granular activated carbon from coal for drinking water purification plant

由表5可知，1號、2號、3號和4號樣品所有指標均滿足飲用水標準的要求，并且部分指標(如漂浮率、強度、裝填密度、碘吸附值和水溶物等)遠遠優于標準值。單一吉礦精煤制備的壓塊活性炭樣品指標：碘吸附值為1 023 mg/g，強度為97%，亞甲藍吸附值為202.5 mg/g，裝填密度為494 g/L，漂浮率為0.1%，水溶物為0.02%，比表面積為950 m2/g，灰分為4.1%。實驗結果表明，利用吉礦精煤可以制備出性能指標遠遠優于飲用水標準的壓塊活性炭產品。

1.2.3 柱狀活性炭生產工藝

柱狀活性炭生產主要將原料煤破碎和磨粉到一定粒度(要求90%顆粒能夠通過200目篩)，加入適量的黏結劑(煤焦油)和水在一定溫度下捏合，然后利用成型機在一定壓力下將其擠出成條狀，經均勻切條、干燥后炭化和活化，制備煤基環保炭材料，生產工藝如圖4所示。柱狀活性炭生產過程中需添加煤焦油等黏結劑，易造成污染，同時生產成本較高；但該工藝不僅對原料煤的適應性廣泛且生產產品強度高，同時也可利用配煤、加入添加劑等技術方法對產品性能指標進行調整，產品種類豐富[11-13]。如以中煤華利單一吉礦精煤為原料制備的柱狀活性炭產品，碘吸附值為920 mg/g，強度為97.6%，四氯化碳吸附率為50%，裝填密度為470 g/L，滿足氣相吸附用活性炭指標。

圖4 煤基柱狀活性炭生產工藝Fig.4 Production process of coal based columnar activated carbon

1.2.4 粉狀活性炭生產工藝

煤基粉狀活性炭通常根據其他類型活性炭副產品的形式進行生產，如需單獨生產該產品，需提供特殊的活化設備，如流化床活化裝置，但在實際生產中很少見。粉狀活性炭通常較難回收，同時產品售價低，主要用于上水、下水的應急處置，垃圾焚燒煙氣凈化或土壤改良等領域。

1.3 煤基環保炭材料應用領域

由于煤基環保炭材料具備發育的孔結構和較強的吸附特性，我國對煤基環保炭材料的需求越來越大。國外生產成本較高，較難進入國內市場，為我國煤基環保炭材料的發展提供了廣闊的市場空間。煤基環保炭材料主要應用于市政水處理、水體修復、大氣環境處理、生活產品、個人防護裝備、醫療制藥、金屬回收、活性炭脫汞、家庭凈水POU/POE、新興污染物、儲能產品等領域，具體見表6。

表6 煤基環保炭材料應用領域Tab.6 Application field of coal based environment-friendly carbon materials

2 中國煤基炭環保材料發展趨勢

煤基環保炭材料經過70多年的發展，我國的生產技術已日漸成熟。近年來，國外煤基環保炭材料工業發展緩慢，國內煤基環保炭材料工業的快速發展，使得我國煤基環保炭材料生產工藝及技術與發達國家的差距在逐漸縮小[14-15]。我國重點強調生態文明及環境保護的重要性，而且制定了嚴格的法律法規，一定程度上促進了煤基環保炭材料的需求量，有利于煤基環保炭材料產業的良好發展?，F階段煤基環保炭材料發展主要呈現出以下趨勢。

(1)企業規?；驮O備自動化、智能化。我國煤基環保炭材料生產企業需引進先進的生產工藝和高端設備，擴大發展規模，爭取實現煤基環保炭材料生產設備的自動化和智能化。

(2)產品多元化和專一化。煤基環保炭材料在生態和環保應用領域逐漸擴大，根據不同領域需求，制備多種高質量的煤基環保炭材料新產品，提升煤基環保炭材料行業國際競爭力。

(3)推進科技創新。企業加強與科研院所、高校之間的相互合作，不斷優化煤基環保炭材料的生產工藝，提高產品性能，研發新型產品，保護和開拓煤基環保炭材料的應用市場，推進煤基環保炭材料產業健康持續發展。

3 結語

煤炭清潔高效利用已列入國家“十四五”重點研發計劃，為煤基環保炭材料的發展提供了良好的機遇。在煤基環保炭材料發展過程中，需積極引進和利用新技術、新裝備，加強與科研院所的合作，努力解決煤基環保炭材料行業技術瓶頸，推動企業轉型升級，提升煤基環保炭材料行業在國際競爭中的市場地位，引領煤基環保炭材料行業快速、高質量發展。