摘要：灰分對煤基活性炭的生產及其產品性能、價格具有一定的影響，降低活性炭灰分是迫切需要解決的問題。闡述了目前常用的脫灰處理工藝，包括高溫氯化法脫灰、加壓酸堿洗法脫灰、前期脫灰、中期脫灰、后期脫灰、深度脫灰，其中深度脫灰是在高溫還原氣氛下，通過脫灰介質和催化劑的作用，使活性炭中的礦物質與脫灰介質發生反應，生成氣態物排出爐外，脫灰率可達80%以上。提高活性炭的品質，須從多方面入手，既要保證生產煤質活性炭的優良原料，加強對原煤的降灰處理，同時還要綜合考慮用戶要求、設備投資及現有工藝的改進難度等因素，選擇較佳脫灰工藝。
0 引言
由于原料煤煤種的不同，使煤基活性炭灰分不同，灰分的主要成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O等。灰分對活性炭的生產及產品性能均有一定的影響，在活性炭生產過程中，灰分中大部分無機質對活化過程中的造孔產生不利影響；在氣相吸附時，灰分是惰性物質，液相吸附時，灰分也會對活性炭產品產生不同程度的影響。此外，灰分對活性炭的價格也會有一定的影響，因此，降低活性炭灰分是眾多活性炭生產廠家追求的目標。
近年來，國內外開發出一些新的物理或物理化學選煤方法，這些方法通過原料煤細磨工藝，使分選后原料煤的灰分降至3%以下，甚至可得到灰分為1%~2%的精選煤。但其生產成本高，工藝復雜，實際生產中很難被采用。
酸洗脫灰工藝是在活性炭活化后，將其用一定濃度的鹽酸溶液清洗，然后堿液中和，將pH值調到需要的范圍，再進行干燥脫水。該工藝一般能脫除3%~9%的灰分，但工藝過程中有污染，脫灰效果不理想。
深度脫灰新工藝是將高灰分活性炭放置于密封的反應爐內，在高溫還原氣氛下，通過脫灰介質和催化劑的作用，使活性炭中的礦物質與脫灰介質發生反應，生成氣態物排出爐外。
1 深度脫灰工藝
將95%保利煤和5%北山煤混合制粉，進行壓塊、氧炭化、活化試驗，炭化溫度550℃，炭化時間150min，活化溫度920℃，以水蒸氣為活化劑（110滴/min）。活化試驗結束后，檢測指標，然后將活化料脫灰，溫度1100℃，時間45min。保利煤和北山煤的工業分析見表1，不同添加劑活化料的活化與脫灰結果見表2，添加A+B后活化料脫灰前、后的變化見表3。試驗使用的添加劑以無機堿性化合物A為主，B為堿性助添劑。添加劑的降灰作用機理是轉化礦物質的晶體形態，使性質穩定的礦物質轉變成易發生反應的物質，從而達到滿意的脫灰效果。在添加A、A+B時，活化速率及活性炭的吸附性有所提高，脫灰率也顯著提高。這表明添加劑不僅起到催化作用，還具有脫灰劑的作用。從脫灰效果和活性炭吸附性能綜合考慮，復合添加劑A+B比單一添加劑A的效果好。脫灰后的碘吸附值下降，這可能是因為在脫灰過程中較高的溫度可能對活性炭的孔隙結構造成影響，脫灰過程中，礦物質與脫灰介質的生成物沒有完全揮發，殘留部分堵塞了活性炭的孔隙，導致碘吸附值下降。
表1 煤樣的工業分析%
| 煤樣 | 水分 | 灰分 | 揮發分 |
| 保利煤 | 4.27 | 3.02 | 37.79 |
| 北山煤 | 18.64 | 5.99 | 29.58 |
表2 不同添加劑活化料的活化脫灰效果
| 編號 | 添加劑 | 活化時間/min | 得率/% | 灰分1/% | 灰分2/% | 碘吸附值1/(mg·g-1) | 碘吸附值2/(mg·g-1) |
| 1 | 無添加劑 | 300 | 39.5 | 9.65 | 4.65 | 1054 | 1032 |
| 2 | 添加劑A | 350 | 37.6 | 10.26 | 3.15 | 1068 | 1041 |
| 3 | 添加劑A+B | 350 | 38.5 | 10.87 | 1.76 | 1077 | 1053 |
注：灰分1、灰分2分別為活化料脫灰前、后的灰分；碘吸附值1、碘吸附值2分別為活化料脫灰前、后的碘吸附值。
表3 添加A+B后活化料脫灰前、后的變化| 成分 | 脫灰前 | 脫灰后 | 脫灰率 | ||
| 實際含量 | 計算含量 | 實際含量 | 計算含量 | ||
| 灰分 | 10.87 | 12.35 | 1.76 | 1.83 | 86.75 |
| Al2O3 | 23.30 | 4.78 | 15.30 | 0.39 | 91.80 |
| Fe2O3 | 5.24 | 1.08 | 4.94 | 0.12 | 88.90 |
| MgO | 2.50 | 0.51 | 1.58 | 0.04 | 92.20 |
| CaO | 11.14 | 2.29 | 6.38 | 2.16 | 93.00 |
脫灰時間及脫灰溫度對活性炭灰分的影響如圖1所示，脫灰時間及脫灰溫度對活性炭碘吸附值的影響如圖2所示。可以看出，脫灰時間和溫度對活性炭的脫灰效果和碘吸附值均有一定影響。
2 其他脫灰方法
1) 高溫氯化法脫灰
Si和Al的氧化物在還原劑炭及較高溫度（600~1400℃）條件下，與氯氣反應，生成揮發性氯化物。隨反應溫度升高至800、1000、1200℃，試樣灰分由7.8%分別遞減至6.3%、1.8%和1.4%。經高溫氯化法除去灰的活性炭，比表面積由5.4m2/g增至24m2/g。
2) 加壓酸堿洗法脫灰
山西新華化工廠活性炭脫灰采用加壓2步脫灰法：活性炭→加壓堿洗→熱水洗→加壓酸洗→熱水洗→烘干→成品。煤質活性炭中不溶于酸和難溶物在加壓、加熱及催化劑的作用下，以鈉堿為主的中等濃度堿液進行洗滌后，采用稀鹽酸進行酸洗。其較佳工藝參數為：混合堿液投料量為灰分的1.7倍，混堿洗工藝反應壓力0.8MPa，時間10h；鹽酸投料量為灰分的1.25倍，酸洗溫度120~130℃，時間3h，在較佳工藝條件下，灰分脫除率達到94.8%。
3) 前期脫灰
前期脫灰是指在活性炭生產前對原煤進行脫灰處理，將灰分高的原煤處理到符合要求的超純煤，直接生產出低灰炭。若活性炭的灰分低于6%，原料煤的灰分需為1.6%~2.2%。采用傳統的重選和浮選法對原煤進行脫灰，脫灰后精煤的灰分較高（7%~14%），無法滿足生產低灰優良活性炭的要求，要求原煤須進行深度的脫灰處理。前期處理工藝的缺點是處理量大、脫灰劑耗量高。對原煤中含有催化活性的無機礦物質成分如鈉、鉀等的脫除，降低活性炭的活化速度。
4) 中期脫灰
中期脫灰是指對半成品炭化料進行脫灰處理，再活化成活性炭產品。波濤活性炭廠家研究了煤與KOH共炭化處理后，用酸洗深度脫灰的方法，研究表明，將堿與煤共同在600℃炭化后進行酸洗，可在平和的條件下大幅提高酸洗脫灰率；煤與KOH共炭化后再酸洗，不僅對煤中的黏土、黃鐵礦等無機礦物質有很好的效果，尤其適于脫除一般情況下難以除去的石英礦物。研究發現，采用中期處理法可降低炭化料中50%~60%的灰，且不會顯著影響活性炭產品的孔徑結構和比表面積。但由于蒸氣活化過程中，炭的含灰量增加1.0~1.5倍，如果生產灰分＜8%的活性炭產品，中期處理須將炭化料灰分降至4%以下，處理難度較大。
5) 后期脫灰
后期脫灰是用化學溶劑對成品炭進行脫灰處理，即對成品炭深加工，是目前活性炭工業生產中普遍采用的工藝。
3 結論
1) 在適當的工藝參數下，深度脫灰工藝的脫灰效果顯著，脫灰率可達80%以上。在添加A、A+B時，脫灰率、活化速率、活性炭的吸附性能均有所提高，表明添加劑既具有催化作用又有脫灰劑的作用。從脫灰效果和活性炭吸附性綜合考慮，復合添加劑A+B比單一添加劑A的效果好。脫灰時間及溫度對活性炭的灰分和碘吸附值均有一定的影響。脫灰后活性炭的碘吸附值有所下降，這可能是由于脫灰過程中較高的溫度對活性炭的孔隙結構造成影響。
2) 前期脫灰，可將灰分較高的原煤處理成為符合低灰活性炭生產要求的低灰煤，而直接生產出低灰活性炭產品。中期脫灰對采用硅含量較高的原煤制備活性炭有較強的脫灰能力，但是實際應用較少，工藝還不成熟。后期脫灰工藝比較成熟，是目前活性炭工業生產中普遍采用的工藝。適當的酸處理工藝，可使活性炭灰分下降25%~40%，但通常會降低活性炭的比表面積，并改變活性炭的孔徑分布和孔隙率。
3) 提高活性炭品質，須從各方面入手，既要保證生產煤質活性炭的優良原料，加強對原煤的降灰處理，同時還要綜合考慮用戶要求、設備投資及現有工藝的改進難度等因素，選擇較佳的脫灰工藝。