原煤的组分及特性对活性炭生产及性能的影响-灰分

原煤的组分及特性对活性炭生产及性能的影响        

煤质活性炭的质量很大程度上取决于煤的组分以及某些物理和化学性能。在以后的章节中，我们逐一讨论。

本章主要介绍原煤的灰分对活性炭生产及性能的影响

灰分

活性炭成品，要求含碳量高，因为吸附作用主要在碳结晶体形成的孔隙表面上进行。植物类原料制成的活性炭，含碳量一般为90％～95％；优 质精选煤制成的活性炭成品含碳量也在90％左右，较低的在80％～90％之间。要想提高活性炭的含碳量，降低其灰分含量是一条有效的措施。以煤为原料，首先要选择灰分低的原煤，这是因为在活性炭制造过程中原料煤挥发分不断逸出，碳随其活化反应而逐渐减少，唯有灰分既不能挥发，又不参与活化反应，zui终残留于成品之中，所以活性炭成品中灰分含量比起原料煤中的灰分含量相对地大大增加。一般灰分的百分含量要增加1～2倍。活性炭中灰分的存在有二大害处：第 一使活性炭结构受到影响，强度下降；第 二使活性炭的吸附性能降低。因此要力争采用灰分含量低的原煤作基质。

国外为了制得灰分含量低的活性炭成品，通常选用浮选的精煤，灰分在2％～6％之间。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％之间，超过20％的很少。例如美国匹兹堡活性炭公司生产的BPL．型粒状活性炭，自20世纪40年代起一直被用作军用防毒炭，其原料系选用灰分6％以下的烟煤。日本武田株式会社生产的X-7000型活性炭是选用灰分为2％～3％的烟煤为原料制成的。这两种活性炭的质量都很好。总之，原煤灰分控制在0.8％～10％范围，则可以用来制造活性炭。高质量活性炭，其原料煤灰分含量不超过4％～5％。我国由于洗煤业不够发达，洗选得率低，一般直接以矿区选择灰分较低的优 质块煤作为原料煤。

由于煤的灰分主要来源于煤中的矿物质，因此煤灰分的存在形式与原煤中矿物质来源有关。原煤灰分的主要存在形式有以下两种：

1．内在灰分

内在灰分包括来自原生矿物及次生矿物质两部分。所谓原生矿物质，即原来就存在于成煤植物本身的矿物质，主要是碱金属和碱土金属的盐类。这些含量很少的原生物质，在煤中呈细分散状，与有机物质紧密结合在一起，通常称为结合灰分。这部分灰分用机械方法等是难以洗选分离出来的。次生矿物质一般在煤中的含量也不多。它是在成煤植物堆积和菌解时，由于刮风、水冲等从外界带来的粘土、砂粒或水中的钙、镁、铁等离子生成的腐植酸等混入成煤物质之中面形成的，在煤中成包裹体存在。这些次生矿物质中的较细粒子，比较均匀分布于煤中，也很难与煤分离除去。但其中少部分较大的粒子在煤中分布不均，将煤破碎后有可能通过洗选分离出去。总之内在灰分属于难除去灰分。

2．外来灰分

外来灰分大部分是在采煤过程中煤层中的顶底板和夹矸层的研石被破碎带来的，其主要成分为Si₂O₃、A1₂O₃以及CaCO₃、CaSO₄、FeS₂等，此外在原煤存放和运输过程中带进来的石头、砂子、泥土等。这种灰分可以通过人工挑选和机械洗选除去。

活性炭生产，除要求原煤灰分含量低外，对于灰分的组成及灰熔点也有较严格的要求。因为煤中灰分的熔点对活性炭制造工艺和设备有很重要的影响。活化设备大多是用耐火材料制成的，产品道的容积都不大，活化温度在850～900C或更高一些范围内，炉内局部部位还可能达到1000～1100℃。煤中灰分可能出现软化和熔融现象，结果会凝结在炉壁和炉膛之中，熔融灰分又与其他颗粒粘在一起，越粘越大，这些渣团可能引起产品通道堵塞，使炭颗粒难以通过，妨碍活化炉的正常运转，甚至损坏炉体结构。因此，煤灰分的熔融特性和熔融温度是十分重要的。

灰熔点与煤的灰分组成有关。表1-1为我国煤的灰分主要成分的一般范围。单种化合物存在时各有自己的熔点，但当它们组成煤的灰分时，就不再有固定的熔点，而只有一个熔化温度范围，且开始熔化温度远比其任一组分纯净物质的熔点低。煤的灰熔点的高低取决于煤的灰分中各种化学成分含量的不同。例如大部分情况下，SiO₂＋Al₂O₃组分所占的比例大，一般能使灰熔点增高，化学性质并无影响，而CaCO、MgO和Fe₂O₃、K₂O＋Na₂O等化合物，其含量越高，灰分的熔点越低。CaO、MgO和Fe₂O₃等化合物的存在会显著增加活化反应速度，有利于提高活化效率。然而，它们的存在在活化过程中可能不利于微孔的发展，影响活性炭的吸附性能及催化性能。

表1-1 我国煤的灰分主要成分的一般范围

更具体地讲，所谓煤灰分的熔点实际上包括三种温度，即T₁为开始变形温度，T₂为开始软化温度，T₃为开始熔融流动温度。我们一般讲的灰分熔点是指T₂开始软化温度。按照这个软化温度的高低，灰分可分成四级，见表1-2。

表1-2 煤灰分熔点分级范围

根据表1-2分级标准，活性炭制造工艺要求选择原料煤时灰分要有较高的溶点，至少应在高熔灰分以上，即熔点大于1250℃。由此可知，在选择原料煤时，不仅要考虑灰分含量，且不能忽视煤灰分的熔点。

顺便指出，果壳、果核等原料虽然其所含的灰分量很少，但其灰分组成中钾钠盐及钠钾氧化物的含量偏高，故灰分的熔点较低。因此果壳、果核的活化温度应选择低于煤质炭，同时对所用的粘土耐火砖要认真挑选。