煤制炭素材料

煤制炭素材料是以煤为主要原料制取的高碳材料。主要包括活性炭、炭分子筛、炭素耐火材料和炭素电极材料。1

活性炭煤或其他含碳物质经过炭化和活化得到的具有多孔结构的炭质材料，是具有一定形状、不溶于水和有机溶剂的黑色固体，有很强的吸附性能。2

种类按制造活性炭的原料可分为植物性原料活性炭，如木质炭、果壳炭等;矿产性原料活性炭，如煤质炭、石油质炭等;动物性原料活性炭，如骨炭、血炭等;有机合成原料活性炭，如合成树脂炭、有机废料炭等。市场上常见的活性炭主要是煤质炭、木质炭和果壳炭。按制造方法不同可分为气体活化炭和化学活化炭。按用途可分为脱色炭、糖用炭、药用炭、净化炭、黄金炭、空气净化炭、溶剂回收炭、脱硫炭、催化剂载体炭等。按外观形态可分为颗粒炭(定型炭和破碎炭)和粉状炭。按活性炭处理的对象是液相还是气相，又可分别概括为液相用活性炭和气相用活性炭。

生产工艺主要有气体活化法和化学活化法2种。化学活化法是将含碳材料用化学药品浸渍后在适当的温度下，经过炭化、活化制取活性炭的一种方法，它适用于泥炭、木屑等植物性原料制成粉状炭。常用的化学药品是氯化锌、磷酸、硫酸钾和硫化钾，其中氯化锌应用最广。化学活化法具有产品收率高、活化温度低、能制得具有独特性能(过渡孔发达)的活性炭的特点，但对环境污染和对设备的腐蚀比气体活化法严重。

气体活化法是将煤等含碳材料炭化后用水蒸气、二氧化碳气等气体或它们的混合物进行高温活化制取活性炭的一种方法。它主要适宜用煤、果壳等硬质含碳材料制取颗粒炭。气体活化法生产工艺的基本内容包括原料的制备、炭化、活化和产品的后序处理。一般工艺流程如图1所示。

原料制备包括原料的破碎、筛选和变性处理，对于无烟煤或弱粘结性的烟煤，只须破碎、筛选出合适粒度的颗粒，经炭化、活化即可。若生产定型颗粒活性炭，破碎之后还要将煤磨至180目以下，再加粘结剂混捏成型;若用粘结性烟煤制定型颗粒活性炭，就须对原料进行变性处理，目的是降低煤的粘结性，避免炭化时原料膨胀变形，影响产品质量。通常可采用：①低温空气氧化;②加破粘剂破粘;③低温干馏成半焦进行变性处理。

混捏成型将制备好的煤粉加入适当比例的粘结剂和水混捏成稠度均匀的膏料，用成型设备加工成所需要的形状和尺寸。中国、日本和原苏联国家多采用液压和螺压式成型机，生产直径在1.5～5.0mm的圆柱状活性炭; 美国采用无粘结剂高压成型技术，将1～150μm的粉煤在1400kg/cm压力下挤压成直径20cm的压块，然后将压块破碎成尺寸合适的不定型颗粒，再炭化、活化生产破碎炭。

炭化生料在隔绝空气的低温条件下的干馏过程。目的是赶出生料中的部分挥发物，以形成具有初步孔隙度、致密度和足够强度的炭化料(半成品)。炭化速度和炭化最终温度须根据原料煤的性质选择，一般无烟煤可采用较快的炭化速度和较低的炭化终温(550～600℃)，高挥发分烟煤宜慢速炭化，炭化终温在600～700℃。炭化设备可选用回转炉、流动炉或多段炭化炉等。

活化活化的目的是使炭化料的孔隙进一步发展、扩大，以获得具有发达孔隙结构和一定强度要求的活性炭产品。活化的实质是水蒸气和二氧化碳气同碳的氧化反应。

后处理是对活化后的产品进行再加工过程。包括活性炭的脱灰、浸渍及再破碎、筛分。脱灰通常采用酸洗或碱洗方法，一般可脱除原灰分的30%～50%。浸渍是将活性炭表面均匀地浸渍上一定重量的金属盐类，以改变活性炭的表面化学性质，提高去除或分离某种物质的能力。

结构与性质活性炭属微晶质碳，根据X射线的研究，赖利 (Riley)提出两种活性炭结构类型。第一种结构类型是由类似石墨的基本微晶构成，这些基本微晶多数是由六角形排列的碳原子的平行层片组成，各层片的排列是不规则的、紊乱的，有人把这种排列称为“乱层结构”。第二种结构类型为不规则的交联碳六角形空间格子，这是由类石墨层片扭曲造成的。

炭分子筛以煤或有机化合物为原料加工制成孔径为分子级的多孔含碳物质。一般要求原料煤的灰分和硫分愈低愈好。

炭分子筛制造工艺有热分解法、气体活化法、热收缩法和堵孔法。

(1) 热分解法。将煤等含碳物质在惰性气氛中进行适宜的炭化。

(2) 气体活化法。将煤等炭化物进行有控制的活化。

(3) 热收缩法。将活性炭、焦炭等含有细孔结构的含炭材料在惰性气氛中于1200～1800℃的温度下煅烧，使孔隙收缩。

(4) 堵孔法。将活性炭、煤的炭化物浸渍于含有树脂或焦油之类的高分子物质中，然后加热处理;或是将多孔性炭质材料先加热至400～900℃，并使其与含有苯、乙烯等碳氢化合物的惰性气体接触一定时间，使热解炭沉积在孔壁或孔口上以减小孔隙直径。

这几种方法既可单独使用也可配合使用。例如热分解法同堵孔法相结合通常比单独热解法效果更好。图3是德国B. F公司以烟煤为原料制取炭分子筛的工艺图。

中国多使用非粘结性煤磨粉加粘结剂成型、炭化和堵孔的方法生产炭分子筛。由于各种煤的煤阶性质不同，制得的分子筛孔径大小及筛分效果也不相同，应根据原料性质通过实验选择合适的制造工艺。

炭分子筛的结构和性质与活性炭基本相似，同属多孔性碳质吸附剂，有很强的吸附性能、良好的化学稳定性和较高的抗碎强度。不同之处是炭分子筛的微孔孔径分布在一个狭窄的范围内，且微孔孔径的大小与被分离的气体分子直径相当，通常在0.3～0.7nm，孔隙形状为狭缝形。沸石分子筛的孔隙形状为墨水瓶形。由于炭分子筛含有分子大小的均一微孔结构，只有较小分子气体可以进入，而较大分子的气体则进不去，因而可用于某些气体的分离。工业用粒状吸附剂的一般特性见下页表。炭分子筛分离气体的有效性取决于对某一组分的选择性吸附和被分离组分的吸附速度比2个因素。

炭分子筛是20世纪60年代发展起来的一种新型吸附剂，主要用于各种气体的分离和浓缩，已工业化的是以炭分子筛为吸附剂的变压吸附工艺分离空气中的氮和氧。

炭素耐火材料以无烟煤或焦炭为原料经特殊加工获得能够满足高温条件下使用要求的炭质材料。其制品主要包括各种炭砖(砖制品)、炭块和各种炭糊类制品。

工业用粒状吸附剂的一般特性

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生产工艺炭素耐火材料的制造方法与一般炭素制品基本相同，其生产工艺流程如图4。

(1)煅烧。目的是排除原料中的挥发分，提高原料的密度、强度和热稳定性，降低比电阻。

(2)破碎与筛分。煅烧后的原料应破碎成适当粒度再筛分成不同的粒级，以实现正确的配料。

(3)配料。颗粒与粉末的配比须以混合料的视密度达到最大值为宜。

(4)混捏。将配合好的原料和预先准备好的粘结剂一起放在混捏机里加热到120～160℃进行混捏，以使各种不同骨料均匀混合提高糊料的密实程度。

(5)成型。将混捏好的糊料用加压设备压制成所需要的形状和尺寸。炭砖、炭块类制品一般采用振动成型。

(6)焙烧。除糊类产品外，为使炭素制品具备使用时所需要的一系列物理化学性能，必须将生制品按一定的工艺条件进行焙烧，最高温度为1200～1750℃，通常在倒焰式焙烧炉、隧道式焙烧炉、环式焙烧炉中焙烧。生制品周围用焦粉或石英砂等材料作为保护介质，在隔绝空气的条件下按一定的升温速度进行间接加热。

(7)加工。焙烧后的一些炭素制品，根据使用要求再机械加工成必要的形状，尺寸。

(8)应用。炭素耐火材料能耐高温，在化学性质上是稳定的，耐酸碱浸蚀，热导率高，热膨胀系数小，而且热变形少，在高温下抗碎强度大，广泛用于砌筑各种冶金炉的内衬。例如用炭块砌筑高炉的炉底、炉缸及炉腹等。

炭素电极材料以无烟煤和冶金焦为主要原料制成的炭质导电材料。其制品有用于电弧冶金炉的石墨化电极，用于铝电解槽的炭块，用于中、小型电炉及铁合金炉冶炼一些普通电炉钢及铁合金的炭素电极。炭素电极比电阻要比石墨化电极大一些，但导热性及抗氧化性均不如石墨化电极。炭素电极的生产工艺与炭素耐火材料基本相同，成型采用挤压成型，此外还有属自熔电极的电极糊等。

中国宁夏汝箕沟无烟煤是优质炭素电极材料的原料。

煤基橡胶填料将煤磨细并加入适量的化学添加剂制取的橡胶补强填充材料。它可以代替半补强炭黑、通用炭黑、碳酸钙、陶土、立德粉等，用于橡胶制品的生产。

制取橡胶填料用煤以较高可磨性的贫煤、贫瘦煤和瘦煤为宜。煤经磨细后其比表面积增加，加入的化学添加剂与煤发生作用;进一步提高了煤的表面活性，使其与橡胶分子的亲合能力增加，从而具有增容、填充和补强作用。煤基橡胶填料与炭黑相比、经橡胶样片测试具有密度小、弹性好、永久变形小、抗冲击、耐低温、电绝缘性能优良等特点，而且在橡胶混炼和压延过程中工艺性能良好，可用于输水胶管、非机动车胎、密封垫圈、电缆、胶鞋和蓄电池外壳等的生产。

生产工艺：原料煤经干燥、破碎、筛选、研磨至一定程度后，加入化学添加剂并混合均匀，再进行超细粉碎，直到粒度、碘吸附值、pH值等符合要求。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学