我国煤基活性炭生产与应用现状及展望——依托稀缺原料煤资源引领行业高质量发展

王晓明，惠功领

(中煤华利能源控股有限公司，北京市东城区，100013)

目前，我国正在积极建设生态文明社会，随着人民生活水平的不断进步，对环保的要求越来越高。活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和良好的化学稳定性，在化工、钢铁、制药和环保等领域均得到广泛应用[1-2]。活性炭作为广谱的吸附材料，具有应用成本低、能够循环使用等特点，在烟气脱硫脱硝、VOCs废气治理、饮用水深度净化等环保应用中起到了不可替代的作用[3]。

理论上所有的含碳有机材料都可以作为制备活性炭的原料，由于原料供应及所制活性炭品质等原因，目前商业化活性炭的产品主要来自于煤炭、生物质(椰壳、杏壳、杏核等)、少量石油焦及高分子材料[1, 3]。我国是全球最大的活性炭生产国之一，活性炭产量由2010年的36万t/a增加至2020年的90万t/a，全国整体总产能已经达到129万t。其中以煤基活性炭为主，占到活性炭总产量的60%～65%[4-5]。煤基活性炭具有原料来源广泛、价格相对较低、产品质量稳定、应用性能较好等特点，在我国应用较为广泛。目前我国煤基活性炭工业生产主要集中在山西、宁夏、新疆、内蒙等省(区)。

笔者对煤基活性炭作为典型的环保炭材料在不同领域的应用现状进行了较为全面的分析，基于原料煤所起到的关键作用，提出应由拥有资源和管理优势的企业建设大型活性炭项目并整合上下游资源，并在新产品开发和标准制定方面发挥作用，从而引领行业高质量发展的建议。

1 煤基环保炭材料应用现状

1.1 烟气净化

目前，我国的大气环境问题主要在于工业生产排放的SO2和NOx超过大气环境容量，近些年频发的雾霾与硫酸盐/硝酸盐类气溶胶有着较高的相关性。活性炭烟气脱硫脱硝是目前最有效的脱除SO2和NOx的技术之一，采用活性炭干法烟气脱硫脱硝技术具有占地面积小的优点，可将烟气中SO2、NOx和粉尘进行一体化脱除，并且废水、废渣等二次污染排放量少[6-8]。该技术可将烟气中的SO2资源化，用于生产硫酸或者硫铵等化工产品。

近几年，活性炭干法烟气净化技术在化工、有色冶炼及钢铁生产领域应用较多。烟气净化用活性炭的直径通常为9 mm或者6 mm的柱状颗粒活性炭(Extruded Activated Carbon, EAC)，也称为活性焦(Activated coke)。由于烟气净化用活性炭在移动床装置内使用需要较高的耐磨及耐压强度，而对孔隙的发达程度要求又较低，因此通常选用比表面积为300～400 m2/g的活性炭[9-10]。烟气净化用活性炭生产主要以煤炭为原料，国内初始生产阶段是以无烟煤为主要原料，随后生产企业掌握了以低变质程度原料煤为主配煤用于生产合格烟气净化用活性炭的工艺，极大地降低了该种活性炭的成本。近年来，国内烟气净化用活性炭需求激增，其产能呈现“井喷式”增长，由2019年末的20万t/a增加至目前的60万t/a。

活性炭在烟气净化方面的使用还包括脱除垃圾焚烧电厂所产生的二口恶英，主要为粉状活性炭(Powered Activated Carbon，PAC)，采用“活性炭喷射+布袋除尘过滤”工艺吸附烟道气中的二口恶英。由于二口恶英的分子直径较大，孔径为2～5 nm内孔隙较为发达的活性炭，才能对其起到较为理想的吸附和脱除效果[5]。目前，垃圾焚烧电厂在我国南方地区大量建设，此类活性炭的需求也在不断增加。

1.2 VOCs废气治理

挥发性有机物(VOCs)是近年来国家环保关注的重点，VOCs不仅会对人体产生直接的危害，而且会引起雾霾和近地面臭氧污染。我国大约每年产生3 000万t的VOCs，其中超过1/2的VOCs是通过人类的生产、生活所产生[11-12]。活性炭吸附法是脱除VOCs成本最低的技术，尤其适用于风量相对较大、污染物含量低且排放不稳定的工业废气治理[13]。

应用于工业废气治理的活性炭包括蜂窝活性炭、颗粒活性炭和球状活性炭，原料来源主要包括木材、果壳、沥青和煤炭。煤基活性炭由于成本低、强度高、再生循环性能较好，在VOCs工业废气治理领域应用最为广泛。然而，由于VOCs种类较为复杂，相应的活性炭标准目前还尚未统一，有些应用企业为了降低环保成本通常会选择低品质的活性炭，导致处理效果差、事故频发等问题。因此，VOCs处理用活性炭标准制定和严格执行是相关机构和环保部门的下一步重点工作。

1.3 食品加工

我国食品行业是世界上最大和最有潜力的市场，食品用活性炭在活性炭消费量中占有较大比例。

活性炭在食品工业中使用的主要目的是除去色素及其前驱物质、调整香味、脱臭、除去胶体、除去妨碍结晶的物质及提高产品的稳定性能[14]。活性炭可以用于糖类、饮料(酒、果汁)、脂和油、树脂(胶、果胶、琼脂)、盐等食品类物质的脱色。

活性炭在制糖工业中的应用较为成熟、使用量较大，主要用于糖脱色。糖脱色用活性炭对糖中杂质和有色物质的吸附有着较强亲和性[14-15]，属于食品级活性炭。焦糖脱色是糖脱色用活性炭的关键指标，焦糖属于一种混合物，其分子量为2 000～50 000[14]。焦糖脱色率指标是活性炭针对焦糖混合物和脱色性能的评价，代表了活性炭的中大孔发育程度。食品级活性炭对其灰分有较高要求，如灰分中对铁元素的含量要求较为严格，因为Fe2+、Fe3+溶液会显现颜色，影响食品的外观及品质。

目前，在食品工业领域应用较多、较成熟的是木质活性炭。近年来，煤基活性炭也已经进入到食品领域，如可以通过酸洗-碱洗工艺降低煤中的灰分含量和脱除铁元素等，以达到食品级活性炭的标准。通过优化工艺条件和配煤调节活性炭的孔隙结构，可以提高活性炭的焦糖脱色率。

1.4 医药行业水体净化

近年来，我国医药行业快速发展，生产规模不断扩大，产品种类日益增多，由此带来的环境问题也较为凸显。活性炭在医药行业的使用量大且应用场景较多，如药物合成过程应用活性炭去除热原、中间产物提纯、废气处理、废水净化和脱色精制等[16]。活性炭在制药行业的废气和废水处理中使用量较大，主要是利用活性炭的吸附性能将污染物脱除。尤其是制药废水中的有机物成分复杂、生物降解困难的有机物多、治理难度大且处理成本高[17]，因此，制药行业也被列为国家环保规划重点整治的12个行业之一。

制药废水中含有大量有机物，其生物降解性能较差，且不可避免含有大量毒性较强的金属离子。活性炭具有较好的化学吸附性能，可以有效吸附制药废水中的金属离子，避免了废水排出对环境的影响。粉状活性炭(PAC)常用于混凝剂的联合投放，在絮凝单元通过混合、搅拌使活性炭与吸附质充分接触，实现污染物吸附脱除。颗粒活性炭(GAC)填充在反应器中作为滤料，如固定床、移动床或流动床均是其常用的装置。

1.5 水体净化

煤基活性炭适用于用量较大的城市供水净化、污水处理领域。根据全球活性炭的生产及使用情况，大约70%的活性炭应用于水处理，其中大多数为煤基活性炭[3]。根据净水工艺的不同将粉状活性炭、柱状颗粒活性炭和破碎颗粒活性炭用于饮用水深度净化、生活污水和工业废水处理的不同工序中[18]。

为了延长活性炭的使用寿命、降低应用成本，饮水深度净化应用工艺通常将活性炭和其它工艺联用，如国内大多采用“臭氧+生物活性炭”组合工艺，臭氧将大分子、难降解的有机污染物氧化成低毒或无毒的小分子物质，活性炭协同促进臭氧降解形成更多的活性自由基，同时活性炭的强吸附作用可以将污染物和臭氧富集在其表面，从而提高反应效率。活性炭还作为微生物生长、繁殖的载体，保证了生物的活性，促进了有机物分解。净水过程中活性炭的作用[19]如图1所示。

图1 净水过程中活性炭的作用

饮用水深度净化专用活性炭近几年的需求量增速较快，发达地区如长三角、珠三角及京津唐等区域的城市实施了饮用水深度净化处理措施。预计未来，经济发达省份将会相继出台相关的政策保障饮用水安全。长期来看，饮用水深度净化专用活性炭还会有较大的增长空间。根据国家统计局数据表明，2020年我国常住人口城镇化率已超过60%。按照发达国家人均活性炭消费量(饮用水用)0.72～0.75 kg/(a·人)测算，我国的饮用水深度净化专用活性炭需求量约为60万t/a。可以预见，我国的饮用水深度净化专用活性炭市场需求量还会持续上行。

随着经济的不断发展、人民生活水平的提高、环保意识的增强，活性炭行业的应用将越来越规范，不同的环保应用场景对活性炭各项指标的要求也在不断细化，对活性炭生产也提出了更高的要求。活性炭生产厂家积极开发技术含量高的环保炭材料新产品，以新产品开发带动企业发展。然而，我国活性炭行业在研发和制造技术方面和国外相比还有较大差距，目前我国活性炭企业存在规模小、产品质量参差不齐、资源浪费等诸多问题，还需进一步掌握高品质活性炭的核心技术，在生产方面亟需提高规模化、自动化、低消耗、低污染、产品质量稳定的水平。

2 原料煤煤质对煤基活性炭质量及应用性能的影响

煤基活性炭生产的原料煤是关键，原料煤不仅决定了活性炭孔隙的发育状况，并且活性炭产品的强度、漂浮率、着火点等应用指标也与原料煤条件密切相关。我国传统的煤基活性炭生产基地主要包括宁夏部分地区和山西大同地区，分别依托的原料煤是太西无烟煤和大同侏罗纪烟煤。

太西无烟煤是适宜生产高品质活性炭的主要原料之一，属于年轻的侏罗纪无烟煤，不仅灰分低而且反应活性高，制备的活性炭微孔发育，其适宜生产的主要品种为柱状颗粒活性炭，需要利用高温煤焦油作为黏结剂和煤粉捏合、成型后再炭化、活化生产。柱状颗粒活性炭常用于烟气净化和废气治理，其中Φ1.5 mm柱状颗粒活性炭适用于饮用水深度净化。如北京市饮用水深度净化采用的就是太西无烟煤生产的Φ1.5 mm柱状颗粒活性炭。

大同地区赋存的侏罗纪低变质程度烟煤具有低灰、低硫、挥发分适中、化学反应活性高等特点，是生产活性炭的优质原料[20]，我国首个活性炭厂山西新华防化装备研究院就是以大同煤为原料制备活性炭[5]。

大同地区早期的活性炭生产是以原煤破碎炭为主要产品，但是原煤破碎活性炭存在质量不稳定、强度低和漂浮率高等问题，不能满足市场需求。弱黏结性的大同煤不需要添加剂即可在高压下自成型，制备出高品质的压块破碎活性炭产品，是目前饮用水深度净化应用最为广泛的活性炭产品。

大同地区优质侏罗纪烟煤资源经过多年开采已接近枯竭，且随着开采深度的增加，原料煤灰分越来越高。我国新疆哈密地区也有着优质的弱黏结性煤资源，可以生产出品质优异的压块活性炭产品。由于原料煤产地西移，活性炭生产基地也逐渐向西部转移，目前国内其他地区暂未发现适用于生产压块破碎活性炭的原料煤种。哈密地区和大同地区活性炭用原料煤性质对比见表1。

表1 哈密地区和大同地区活性炭用原料煤性质对比

哈密地区活性炭用原料煤灰分低，仅为1.29%，属超低灰煤，是生产活性炭的优质原料。全硫含量仅为0.23%，属低硫煤，在活性炭的加工生产过程中SO2的排放量较低，环保投资和运行费用相对较低。哈氏可磨性指数为51，易于制备成0.045 mm的煤粉，是生产压块炭的有利条件之一。DT1、DT2和DT3分别代表大同7号层煤、10号层煤和洗精煤。DT1和DT2的灰分含量较高，分别为了6.41%和7.02%，经过选煤后的DT3灰分也达到了4.31%，利用其制成的活性炭灰分也较高。同时，3种大同煤中的硫元素含量均高于哈密煤，其生产过程中生成的污染物较多。

综上所述，制备烟气净化用活性炭对孔隙发育程度要求低，目前国内企业也已经掌握了以低变质程度原料煤为主配煤制备烟气净化用活性炭的技术。此外，诸如废气治理、废水净化用活性炭等应用指标要求也并不苛刻，不需要采用优质的无烟煤或者烟煤就可以生产出满足需求的产品。由于饮用水深度净化用活性炭对吸附性能、强度和漂浮率等有着严格的要求，只有特定弱黏结性煤才能生产出合格的压块活性炭产品。

3 利用稀缺原料煤打造完整活性炭产业链

3.1 打造活性炭产业链的条件和优势

中煤华利能源控股有限公司(以下简称“中煤华利”)主要从事煤炭生产、选煤及贸易等业务。在山西和新疆拥有煤炭资源储量24.4亿t，生产、建设、规划煤矿9处，规划产能2 280万t，其中山西区域煤炭资源储量9.2亿t，主要为稀缺的主焦煤和无烟煤；新疆区域煤炭资源储量15.2亿t，多为特低灰、特低硫、特低磷、高发热量的优质长焰煤，部分为气煤。在新疆和山西拥有3座选煤厂，证载生产规模共计420万t/a。

中煤华利下属的新疆吉郎德煤矿生产的原料煤与大同侏罗纪烟煤类似，都是弱黏结性的优质长焰煤，具有特低全水、高挥发分、超低灰、特低硫、低铁、特高发热量的特点，其煤中有害微量元素含量整体较低，为特低磷、低铝、低钙、低氯、低砷、特低汞、特低氟煤，原煤灰分也只有3%左右，选后精煤灰分约为1%，是目前行业公认的生产压块活性炭的优质原料煤。目前，吉郎德煤矿的产量为300万t/a，占我国压块破碎活性炭市场原料煤的70%～80%，且供不应求，在原材料供应方面极具话语权。原料煤的稳定供应不仅对活性炭产品的稳定生产至关重要，而且原料煤的价格对活性炭产品价格同样也起到了决定性作用。

我国是全球最大的煤基活性炭生产国、使用国和出口国，在全球市场具有重要的影响力。然而我国煤基活性炭生产企业虽有百余家，但普遍规模较小，且多数企业经济实力不强、装备落后、技术力量薄弱，没有形成规模效益，只是依托我国优质的煤炭资源在激烈的市场竞争中求生存，缺乏和国外大型企业在全球市场上直接竞争的能力。另外，我国虽是活性炭生产大国，但多为初级活性炭产品，由于还没有完全掌握有效的调控技术和对不同活性炭应用性能的把握，国外企业购买了我国活性炭作为中间产品，经过加工或者分类筛选处理后，再高价出口给国内的活性炭应用企业。从全球活性炭生产及应用视角来看，我国的活性炭生产企业不仅缺乏高端活性炭产品，在产品定价、标准建设方面也没有主导权。

中煤华利作为中央企业，也作为大多数活性炭生产企业优质原料煤的供应商，有责任在充分发挥自身独特的稀缺原料煤资源优势的同时，促进整个行业健康、有序、良性发展。

3.2 建设高质量项目引领活性炭行业发展

为实践新时代党的治疆方略，贯彻落实中国中煤能源集团有限公司(以下简称“中煤集团”)“存量提效、增量转型”的发展战略，依托新疆具备发展煤基环保炭材料得天独厚的资源优势，中煤华利决定在哈密市巴里坤县循环经济产业集聚区建设15万t/a的煤基环保炭材料项目，启动中煤集团哈密能源基地先导项目，实现稀缺煤炭资源洁净转化、高值利用，将“疆煤东运”转变为“疆炭东运”，从新疆输出成熟的工业产品。该活性炭项目坚持以高端化、定制化和差异化为目标，依托优质的活性炭原料煤，利用目前国内外最先进的工艺和装备，生产出优质煤基环保压块炭材料。稳步推进实施“双基地双平台”环保炭材料产业发展战略，与国家、地区的相关机构和科研院所开展各种合作，将项目打造成世界领先的煤基环保炭材料生产基地。

为应对国内突发的水体污染等影响公众危害的环保事故，与环保应急部门合作建成国家化学安全应急材料储备基地。同时，依托环保炭材料生产基地，联合国内顶尖科研院所成立环保科技创新企业，打造产、学、研结合的新产品开发研究平台；利用资源优势整合国内煤基环保炭材料原料煤供应及产品的生产、销售，打造一体化的综合服务平台。

中煤华利计划用5～10 a的时间倾力打造产品丰富、延伸度高、循环经济特色突出、具有国际竞争优势的行业标杆企业，整合国内煤基炭材料市场，从原料供应、生产、贸易、标准制定、高端产品研发、品牌建设、终端产品定制开发等方面，建立统一的平台，对接国际市场，将煤基活性炭材料市场的话语权掌握在自己手里。

4 活性炭全产业链发展前景

中煤华利将致力于活性炭研发、生产，包括活性炭再生业务、吸附设备系统制造，基于煤基环保炭材料，打造成国际一流的环保整体解决方案服务商。

4.1 活性炭应用领域

目前中煤华利在建工厂产品种类包括压块破碎颗粒活性炭、柱状颗粒活性炭和粉状活性炭，未来将会开发更多的活性炭品种，主要应用领域包括市政水处理、水体修复、大气环境处理、食品加工、人工环境、医疗、制药、金属回收、家庭净水以及新兴污染物处理等。

活性炭应用领域见表2。

表2 活性炭应用领域

4.2 活性炭再生业务

国外大型活性炭企业的活性炭再业务，就是将饱和活性炭回收再利用，全流程地为客户解决问题。尤其是活性炭在水处理应用中存在使用量大、价格高的问题，其费用往往占运行成本的30%～45%，且活性炭对污染物的吸附能力有限，活性炭吸附污染物饱和后，面临的问题是要么置换新的活性炭，对饱和炭进行废弃和焚烧；要么就是对饱和的活性炭进行再生，重新使用。活性炭再生成本较低，通常是用新炭置换饱和炭成本的30%～40%。因此，作为引领行业大型环保炭材料的生产企业不仅要生产活性炭产品，而且要根据饱和活性炭的自身特性和饱和状态进行再生处理，延伸活性炭业务服务领域。

4.3 活性炭吸附装备

活性炭作为核心的吸附材料，可以依托项目产出优质的活性炭产品，为工业企业排放的大气污染物治理、建筑物新风系统、污水处理和水深度净化提供活性炭吸附系统的完整解决方案和装备。业务领域涵盖气相、液相、异味消除、脱色、分离以及紫外线消毒等专业化固定或撬装式装备。

4.4 延伸产品及服务

延伸产业链至用户终端的服务及产品主要包括：提供小型净化容器到完全集成的气相和液相净化系统及其售后服务。具体服务项目如下：

(1)活性炭再生服务；

(2)应急服务，配备先进的移动式炭吸附系统和快速响应的临时性解决方案，为用户提供应急处理服务；

(3)现场服务，主要包括现场车队和移动设备的服务，设备安装、定期检查和维护、系统启用调试和控制调整等方面；

(4)设备服务，活性炭吸附设备的选型、安装、后续的改造和翻新等；

(5)建设环保炭材料一流的实验室，提供炭材料全指标测试，配备先进的小试、中试实验和现场测试装置，可以协助客户在现场进行现场试验，从而进行有效的全系统设计；

(6)技术服务，为用户提供与环保炭材料相关的整套环保解决方案。

5 结语

煤基活性炭在我国生产已有近70 a的历史，经过几十年的发展，我国已经成为世界上最大的煤基活性炭生产国、使用国和出口国，其较低的使用成本、广谱吸附性能使其在环保领域发挥了不可替代的作用。

然而，我国高品质煤基活性炭的生产技术仍和国外有着较大差距，应用方面也未能完全对活性炭做到高效、合理的利用。因此，由国内掌握优质煤炭资源的企业牵头建设具有资源和管理优势的大型活性炭项目，可以整合原材料供应、加工、科研、产品开发、贸易上下游，在新产品开发、标准制定和产品定价方面发挥主导作用，并对接国际市场，将煤基活性炭材料市场的话语权掌握在自己手里，最终引领活性炭产业高质量发展。