大同煤定向制备新型高性能净水用煤基活性炭技术

研发起止时间：2013.1.～2019.12.

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司、中国矿业大学（北京）

获奖及评价：国际先进水平，其中大同煤压块制备高性能净水活性炭技术方面达到国际领先水平。

1 项目背景

2012 年起我国强制实施《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），促进了以活性炭为核心材料的O3-BAC 工艺在水厂得到广泛应用，对高性能饮用水净化用活性炭的需求量日增。

为利用好大同地区丰富的优质活性炭原料煤资源，提高生产技术、增加产品品种少、避免同质化现象，2012年同煤集团利用在原料、资金、人才、管理等方面的优势，基于丰华活性炭有限公司多年生产经验和人才、技术的储备，引进、吸收世界先进活性炭生产技术，开工建设10 万吨/年煤基活性炭项目，以大同煤为基础原料、采用先进的压块炭工艺生产压块破碎活性炭。然而，由于净水用活性炭指标体系不完善、活性炭质量提升的目标不明确，大同原料煤压块成型性、炭化活化过程中孔的发育、工艺参数优化等上缺乏细致深入的研究，压块炭生产过程中产生的废炭化料粉难以处理和处置，造成金鼎活性炭先进技术和产能优势难以体现。

为此，大同煤矿集团分别在2013年和2017年下达了“添加剂作用下大同煤配煤制备压块活性炭及功能化活性炭技术”和“大同煤压块法制饮用水净化用专用活性炭”科研计划项目。

2 研究内容

（1）净水用压块活性炭指标体系的研究与建立

依据活性炭在饮用水深度净化中所起的有机污微染物吸附剂和生物膜载体作用，研究活性炭吸附性能、组成、孔结构、机械强度、形状及粒度、滤池性能、可回收性、对净化新型污染物能力和实际净水能力等的合理表征指标，在此基础上构建了净水用活性炭的完整指标体系，主要包括：①活性炭的物理机械性能指标；②活性炭的组成指标；③活性炭的孔结构结构特征及表面化学指标；④活性炭的吸附性能指标；⑤活性炭的滤池指标；⑥活性炭的可回收性指标。

（2）净水用高性能专用活性炭的研究与开发

大同煤业金鼎活性炭有限公司现有煤基压块活性炭制备工艺的优化。以大同煤为原料、煤沥青为粘结剂，采用压块活性炭制备工艺制备活性炭样品，考察煤沥青添加量对活性炭吸附性能和强度的影响规律；以大同煤为主料、太西煤和胜利煤为配煤，采用压块活性炭制备工艺制备活性炭样品，研究了煤的配比及预氧化对活性炭孔结构和吸附性能的影响规律。

净水用高性能专用活性炭的研究与开发。研究掌握非煤焦油型粘结剂（淀粉、糖蜜、酚醛树脂等）及无粘结剂条件对活性炭强度和孔发育的影响规律，在“技术性、经济性及环保性”的原则下，确定大同煤配煤无粘结剂压块活性炭的技术路线；优化研究获得的大同煤配煤无粘结剂压块活性炭制备的工艺参数，活性炭焦糖脱色率高达80.28%，碘吸附值为1 221.6 mg/g，亚甲蓝吸附值为267.35 mg/g。

在实验室研究成果的基础上，在大同煤业金鼎活性炭公司开展了大同煤配煤无粘结剂制备新型净水压块活性炭的工业性生产试验。基于同煤集团金鼎活性炭公司现有生产装备，研究建立大同煤（或大同煤为主料的配煤）制备饮用水净化专用活性炭的生产工艺，研究优化包括原料配比、炭化与活化参数等主要工艺参数，生产出吸附性能、机械力学性能、活性炭滤池指标性能全面满足要求的新型净水活性炭，迄今已生成22 887.4 t高性能净水用活性炭。

（3）压块活性炭生产中产生的废炭化料粉资源化利用技术

大同煤业金鼎活性炭有限公司除了压块活性炭生产线，还有柱状活性炭生产线生产常规柱状活性炭和活性半焦。将压块活性炭生产中产生的废炭化料粉，掺入大同煤中制备柱状活性炭样品，考察废炭化料粉的掺入比例对活性炭吸附性能和孔结构的影响规律和对其孔结构发育的作用机理，证实了废炭化料粉的加入既可提高柱状活性炭的机械强度、还有一定程度调节活性炭孔结构的作用。为使研究成果有普遍意义，还实验了将胜利煤、新疆煤和府谷煤中掺入一定比例的废炭化料粉试制活性炭，探究废炭化料粉的掺入对低变质程度煤制活性炭吸附性和孔结构的影响。

在实验室研究成果的基础上，在大同煤业金鼎活性炭公司开展了废炭化料粉资源化利用的工业性生产试验并取得了成功，证明将压块炭工艺中的废炭化料粉掺入原料煤制备柱状活性炭，既改善活性炭性能、又妥善处置固体废弃物，变“废”为宝、增效减排，迄今已利用5 686吨废炭化料粉生产出66 000吨柱状活性焦。

3 主要研究成果

（1）依据活性炭在饮用水深度净化过程中所起的吸附、微生物载体和滤料床层作用，构建了包括吸附性、机械、滤池流体力学性能指标在内的完整的净水用活性炭性能指标体系；发明了具有自主知识产权的活性炭床层压降及反冲膨胀率测定装置，测试活性炭的滤池流体力学性能指标；

（2）在研究掌握煤焦油型粘结剂及非煤焦油型粘结剂作用的基础上，依据技术、经济、易得性原则，筛选粘结剂，平衡机械强度和吸附性能指标，开发出大同煤配煤无粘结剂压块活性炭制备技术；

（3）采用将废炭化料粉掺入大同煤中制备柱状活性炭的方法处理压块活性炭制备过程中的废炭化料粉，达到节能、减排、增效的目的。

4 应用效果

大同煤业金鼎活性炭公司在应用“大同煤定向制备新型高性能净水用煤基活性炭技术”成果后，生产了高品质、适销对路的新型高性能净水用煤基活性炭，合理利用压块净水活性炭生产过程中产生的废炭化料粉，减排增效。应用成果的2 年期间，新增产值3 433万元，净节支3 750万元，综合经济效益7 183万元。