中國(guó)煤基環(huán)保炭材料發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王曉明，惠功領(lǐng)，李秀春

(中煤華利能源控股有限公司，北京 100020)

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)“富煤、貧油、少氣”，煤炭是我國(guó)能源安全的壓艙石，具有兜底保障作用。隨著我國(guó)“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，煤炭清潔高效利用已迫在眉睫。煤基環(huán)保炭材料是把煤作為一種原料，通過(guò)物理、化學(xué)技術(shù)手段將其加工為一種綠色“萬(wàn)能”吸附材料，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、能源、醫(yī)療及環(huán)保等領(lǐng)域[1]?！半p碳”背景下，新冠疫情肆虐全球，全民生態(tài)環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，空氣凈化和水處理對(duì)煤基環(huán)保炭材料的需求將得到大幅提升，環(huán)保炭材料的用途將得到拓展。目前，中國(guó)煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)布局主要集中于山西、寧夏、新疆、河北等地區(qū)，具有產(chǎn)量大、品種多、布局分散、無(wú)龍頭企業(yè)等特點(diǎn)。然而，國(guó)內(nèi)外煤基環(huán)保炭材料制造的技術(shù)差距依然較大，如美國(guó)、加拿大、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家，煤基環(huán)保炭材料制造技術(shù)已達(dá)到了規(guī)模化、自動(dòng)化、低消耗、無(wú)污染、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的先進(jìn)水平[2-3]；中國(guó)依然面臨著生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、資源浪費(fèi)等問題，嚴(yán)重制約了中國(guó)煤基環(huán)保炭材料行業(yè)的發(fā)展。新形勢(shì)下，依托品質(zhì)一流的原料煤，依靠國(guó)際一流的技術(shù)和裝備，提升我國(guó)煤基環(huán)保炭材料制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)助推我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要指導(dǎo)意義。

基于此，筆者主要圍繞中國(guó)煤基環(huán)保炭材料原料選取、生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了闡釋，剖析了煤基環(huán)保炭材料發(fā)展過(guò)程中存在的問題，同時(shí)對(duì)煤基環(huán)保炭材料行業(yè)發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為中國(guó)煤基環(huán)保炭材料行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 中國(guó)煤基環(huán)保炭材料發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)環(huán)保炭材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展初步形成于20世紀(jì)50年代初，20世紀(jì)80年代初逐漸形成規(guī)模，2008年以來(lái)，我國(guó)是全球最大的環(huán)保炭材料生產(chǎn)國(guó)及出口國(guó)，截至2020年我國(guó)有生產(chǎn)企業(yè)330余家，年總產(chǎn)量由2010年的36萬(wàn)t增加至2020年的90萬(wàn)t。其中，煤基環(huán)保炭材料占比60%～65%，木質(zhì)炭占比35%～40%[4]。由此表明，中國(guó)煤基環(huán)保炭材料得到了快速發(fā)展。

1.1 煤基環(huán)保碳材料原料選擇

煤基環(huán)保炭材料以煤為主要原料，經(jīng)磨粉、成型、炭化、活化等工藝制成，應(yīng)用范圍較廣。褐煤、煙煤、無(wú)煙煤均可作為煤基環(huán)保炭材料的原料，而我國(guó)最常用的原料煤是無(wú)煙煤、不黏煤和長(zhǎng)焰煤，原料煤的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)煤基環(huán)保炭材料的產(chǎn)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(huán)保炭材料原料煤具備灰分含量低、機(jī)械強(qiáng)度高及塊煤多、熱穩(wěn)定性好、硫分含量低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗堿性能好的特點(diǎn)[5]。

以中煤華利能源控股有限公司(簡(jiǎn)稱“中煤華利”)為例，中煤華利新疆區(qū)域煤炭資源儲(chǔ)量15.2億t，對(duì)新疆吉朗德露天煤礦原煤、吉朗德露天煤礦精煤、別斯庫(kù)都克露天煤礦原煤和商品硅煤樣品進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量特征Tab.1 Industrial analysis，element analysis and calorific value characteristics

根據(jù)《中國(guó)煤炭分類》(GB/T 5751—2009)，4種煤樣均為長(zhǎng)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(yuǎn)低于10%的指標(biāo)要求；吉礦原煤、吉礦精煤和別礦原煤揮發(fā)分(Vd)分別為40.09%、40.86%、36.02%，揮發(fā)分略高于40%，均屬于高揮發(fā)分煤；吉礦原煤、吉礦精煤和別礦原煤揮發(fā)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(fā)熱量(Qgr，d)分別為32.09、32.26、31.00 MJ/kg，屬特高發(fā)熱量煤。

大同地區(qū)侏羅紀(jì)弱黏煤具有低灰、低硫、高發(fā)熱量的特征，長(zhǎng)期被作為活性炭生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)原料[6-7]。大同煤與吉礦精煤對(duì)比見表2。

表2 大同煤與吉礦精煤對(duì)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(fā)分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大同煤。對(duì)于工藝指標(biāo)而言，吉礦精煤哈氏可磨指數(shù)(HGI)略低于大同煤，但整體差異不大。同時(shí)表現(xiàn)一定的弱黏結(jié)性，而大同煤基本沒有黏結(jié)性，適當(dāng)黏結(jié)性有助于提高活性炭產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)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(guó)內(nèi)僅有、世界罕見”的煤基環(huán)保炭材料的稀缺原料。這3種原料煤技術(shù)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(chǎn)高檔優(yōu)質(zhì)活性炭不可多得的原料。采用中煤華利的長(zhǎng)焰煤制備的煤基環(huán)保炭材料具有高吸附性能更好的優(yōu)勢(shì)。

表3 煤基環(huán)保炭用煤的技術(shù)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(huán)保碳材料生產(chǎn)工藝

我國(guó)煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了單種煤生產(chǎn)煤基環(huán)保炭、配煤生產(chǎn)煤基環(huán)保炭及催化活化生產(chǎn)煤基環(huán)保炭3個(gè)階段[8]。煤基環(huán)保炭材料的生產(chǎn)主要包括原煤的預(yù)處理、炭化、活化和后處理，原煤預(yù)處理一般是機(jī)械粉碎及壓制成型，而煤基環(huán)保炭材料不同生產(chǎn)工藝會(huì)對(duì)最終煤基環(huán)保炭材料的性能產(chǎn)生影響。根據(jù)制備工藝的不同，煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)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(chǎn)工藝

原煤破碎顆?；钚蕴客ǔ：?jiǎn)稱為“原煤破碎炭”，該生產(chǎn)工藝主要由塊煤經(jīng)破碎、篩分、炭化、活化后制成[9-10]。此類生產(chǎn)工藝適合具有較高機(jī)械強(qiáng)度和較強(qiáng)反應(yīng)活性的煤種，主要為低變質(zhì)程度的煙煤，如大同侏羅紀(jì)長(zhǎng)焰煤等，其生產(chǎn)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(yīng)用中存在堆積密度小、漂浮率高、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[10]。

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

1.2.2 壓塊活性炭生產(chǎn)工藝

壓塊活性炭生產(chǎn)技術(shù)和多膛爐的應(yīng)用，使大規(guī)模生產(chǎn)煤基環(huán)保炭材料成為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)配煤、添加劑和優(yōu)化炭化、活化工藝參數(shù)，能夠制備出具備多樣性及專一性的煤基環(huán)保炭材料[9]。壓塊活性炭生產(chǎn)工藝主要將原料煤破碎至一定粒度后，將其放入粉碎機(jī)磨粉，而后用高壓成型設(shè)備將煤粉壓制成型，將壓制成型的煤粉再經(jīng)破碎和篩分，最后對(duì)其進(jìn)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)研究，采用單一吉礦精煤(3號(hào)樣品添加5%的煤瀝青)進(jìn)行壓塊活性炭制備。由于吉礦精煤的來(lái)料粒度(8～30 mm)符合磨粉機(jī)進(jìn)料要求，無(wú)需進(jìn)行破碎。①實(shí)驗(yàn)原料煤用F97-3型密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)磨粉，煤粉粒度要求325目篩通過(guò)率>80%；②壓塊成型采用WS150型壓塊機(jī)，將煤粉等粉狀物料經(jīng)過(guò)高壓壓制成顆粒狀，成型壓力設(shè)定為25 MPa，在干法輥壓造粒機(jī)上壓制生料；③采用小型回轉(zhuǎn)爐對(duì)壓制的生料分別進(jìn)行炭化和活化。實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備及壓制生料如圖3所示。實(shí)驗(yàn)樣品見表4。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)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(zhì)活性炭》(CJ/T 345—2010)(簡(jiǎn)稱“飲用水標(biāo)準(zhǔn)”)為依據(jù)，對(duì)壓塊活性炭樣品進(jìn)行篩選評(píng)價(jià)，選擇指標(biāo)較好的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表5。

表5 生活飲用水凈水廠用煤質(zhì)顆粒活性炭技術(shù)指標(biāo)對(duì)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(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)樣品所有指標(biāo)均滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，并且部分指標(biāo)(如漂浮率、強(qiáng)度、裝填密度、碘吸附值和水溶物等)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值。單一吉礦精煤制備的壓塊活性炭樣品指標(biāo)：碘吸附值為1 023 mg/g，強(qiáng)度為97%，亞甲藍(lán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用吉礦精煤可以制備出性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于飲用水標(biāo)準(zhǔn)的壓塊活性炭產(chǎn)品。

1.2.3 柱狀活性炭生產(chǎn)工藝

柱狀活性炭生產(chǎn)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(guò)200目篩)，加入適量的黏結(jié)劑(煤焦油)和水在一定溫度下捏合，然后利用成型機(jī)在一定壓力下將其擠出成條狀，經(jīng)均勻切條、干燥后炭化和活化，制備煤基環(huán)保炭材料，生產(chǎn)工藝如圖4所示。柱狀活性炭生產(chǎn)過(guò)程中需添加煤焦油等黏結(jié)劑，易造成污染，同時(shí)生產(chǎn)成本較高；但該工藝不僅對(duì)原料煤的適應(yīng)性廣泛且生產(chǎn)產(chǎn)品強(qiáng)度高，同時(shí)也可利用配煤、加入添加劑等技術(shù)方法對(duì)產(chǎn)品性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，產(chǎn)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(chǎn)品，碘吸附值為920 mg/g，強(qiáng)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(biāo)。

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

1.2.4 粉狀活性炭生產(chǎn)工藝

煤基粉狀活性炭通常根據(jù)其他類型活性炭副產(chǎn)品的形式進(jìn)行生產(chǎn)，如需單獨(dú)生產(chǎn)該產(chǎn)品，需提供特殊的活化設(shè)備，如流化床活化裝置，但在實(shí)際生產(chǎn)中很少見。粉狀活性炭通常較難回收，同時(shí)產(chǎn)品售價(jià)低，主要用于上水、下水的應(yīng)急處置，垃圾焚燒煙氣凈化或土壤改良等領(lǐng)域。

1.3 煤基環(huán)保炭材料應(yīng)用領(lǐng)域

由于煤基環(huán)保炭材料具備發(fā)育的孔結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附特性，我國(guó)對(duì)煤基環(huán)保炭材料的需求越來(lái)越大。國(guó)外生產(chǎn)成本較高，較難進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，為我國(guó)煤基環(huán)保炭材料的發(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。煤基環(huán)保炭材料主要應(yīng)用于市政水處理、水體修復(fù)、大氣環(huán)境處理、生活產(chǎn)品、個(gè)人防護(hù)裝備、醫(yī)療制藥、金屬回收、活性炭脫汞、家庭凈水POU/POE、新興污染物、儲(chǔ)能產(chǎn)品等領(lǐng)域，具體見表6。

表6 煤基環(huán)保炭材料應(yīng)用領(lǐng)域Tab.6 Application field of coal based environment-friendly carbon materials

2 中國(guó)煤基炭環(huán)保材料發(fā)展趨勢(shì)

煤基環(huán)保炭材料經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，我國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)已日漸成熟。近年來(lái)，國(guó)外煤基環(huán)保炭材料工業(yè)發(fā)展緩慢，國(guó)內(nèi)煤基環(huán)保炭材料工業(yè)的快速發(fā)展，使得我國(guó)煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)工藝及技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距在逐漸縮小[14-15]。我國(guó)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)生態(tài)文明及環(huán)境保護(hù)的重要性，而且制定了嚴(yán)格的法律法規(guī)，一定程度上促進(jìn)了煤基環(huán)保炭材料的需求量，有利于煤基環(huán)保炭材料產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展。現(xiàn)階段煤基環(huán)保炭材料發(fā)展主要呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)。

(1)企業(yè)規(guī)?；驮O(shè)備自動(dòng)化、智能化。我國(guó)煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)企業(yè)需引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和高端設(shè)備，擴(kuò)大發(fā)展規(guī)模，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)煤基環(huán)保炭材料生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。

(2)產(chǎn)品多元化和專一化。煤基環(huán)保炭材料在生態(tài)和環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，根據(jù)不同領(lǐng)域需求，制備多種高質(zhì)量的煤基環(huán)保炭材料新產(chǎn)品，提升煤基環(huán)保炭材料行業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)推進(jìn)科技創(chuàng)新。企業(yè)加強(qiáng)與科研院所、高校之間的相互合作，不斷優(yōu)化煤基環(huán)保炭材料的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品性能，研發(fā)新型產(chǎn)品，保護(hù)和開拓煤基環(huán)保炭材料的應(yīng)用市場(chǎng)，推進(jìn)煤基環(huán)保炭材料產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

煤炭清潔高效利用已列入國(guó)家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，為煤基環(huán)保炭材料的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。在煤基環(huán)保炭材料發(fā)展過(guò)程中，需積極引進(jìn)和利用新技術(shù)、新裝備，加強(qiáng)與科研院所的合作，努力解決煤基環(huán)保炭材料行業(yè)技術(shù)瓶頸，推動(dòng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升煤基環(huán)保炭材料行業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的市場(chǎng)地位，引領(lǐng)煤基環(huán)保炭材料行業(yè)快速、高質(zhì)量發(fā)展。