孫 昊, 孫云娟, 繆存標(biāo), 孫 康, 蔣劍春*

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室;國(guó)家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210042; 2.福建元力活性炭股份有限公司, 福建 南平 354200)

活性炭是指由木質(zhì)(木料、果殼、果核)、煤質(zhì)和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成的多孔性炭材料[1]?；钚蕴渴且环N常用的吸附劑,與其它吸附劑(如漂白土、酸性白土、硅凝膠、活性氧化鋁等)相比,具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、選擇性吸附能力強(qiáng)[2]、表面化學(xué)基團(tuán)豐富、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿、耐高溫,且具有催化作用和可再生等特性,被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。英國(guó)科學(xué)家Rapheal von Ostrejko于1900年申請(qǐng)了英國(guó)專(zhuān)利B.P.14224和B.P.18040,首先研究開(kāi)發(fā)了CO2和水蒸氣活化生產(chǎn)具有吸附能力的活性炭,并且成功應(yīng)用于防毒面具中,由此奠定了近代活性炭工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。1911年,奧地利的Fanto公司和荷蘭Norit公司首先生產(chǎn)糖液脫色用粉狀活性炭。在食品工業(yè)上很多產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中都要用活性炭進(jìn)行脫色精制,去除雜質(zhì)和異味。在制藥工業(yè)方面,為脫色、除臭、提高藥物純度、避免副作用等,原料藥、針劑類(lèi)等產(chǎn)品都要經(jīng)活性炭處理。在防止大氣污染方面,國(guó)外很多大型電廠(chǎng)采用活性炭脫硫工藝,美、日、西歐早在10年前就用活性炭吸附的燃油蒸發(fā)裝置控制汽車(chē)尾氣污染。時(shí)至今日,活性炭已廣泛應(yīng)用于軍工、食品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和水處理等工業(yè)和生活的各個(gè)方面[3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高,活性炭已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、生態(tài)環(huán)境和人們生活中不可或缺的炭質(zhì)吸附材料。

1 國(guó)內(nèi)外活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

100多年來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家的活性炭工業(yè)經(jīng)歷了導(dǎo)入期(1900～1950年)、成長(zhǎng)期(1950～1990年)、成熟期(1990～現(xiàn)在)的發(fā)展。2018年,全球活性炭需求量約165.0萬(wàn)噸,同比增長(zhǎng)6.7%；2013～2017年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為6.3%[4]；預(yù)計(jì)到2025年全球活性炭需求量接近210.0萬(wàn)噸。從活性炭的人均用量看,發(fā)達(dá)國(guó)家為0.7～0.85 kg,而且50%以上用于水處理和環(huán)保領(lǐng)域。2018年全球活性炭市場(chǎng)總額為54億美元,其中水處理應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)值為16億美元,空氣凈化應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)值11億美元；中國(guó)繼續(xù)主導(dǎo)亞太地區(qū)的活性炭市場(chǎng)，其次是日本和韓國(guó)。

在世界范圍內(nèi),美國(guó)卡博特(Cabot)收購(gòu)荷蘭諾瑞特(Norit)后成為全球最大的活性炭生產(chǎn)商,日本大阪燃?xì)饣瘜W(xué)有限公司收購(gòu)瑞典雅可比以來(lái)躍升至第二位。目前國(guó)際上其他主要活性炭生產(chǎn)和銷(xiāo)售企業(yè)有：日本可樂(lè)麗(Kuraray,2018年收購(gòu)了卡爾岡活性炭公司)、美國(guó)英杰維特(Ingerity)、日本吳羽化學(xué)(KUREHA)、德國(guó)Donau Carbon GmbH、德國(guó)Silcarbon Akilotonivkohle GmbH、美國(guó)Oxbow Activated Carbon、德國(guó)萊茵集團(tuán)(RWE Group)、法國(guó)阿科瑪(Arkema SA)、美國(guó)雅寶公司(Albemarle Corporation)、懿華水處理技術(shù)公司(Evoqua Water Technologies)等。世界上約有50個(gè)國(guó)家生產(chǎn)活性炭,美國(guó)、日本和歐州等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的活性炭產(chǎn)業(yè)已具備連續(xù)化、無(wú)公害化、自動(dòng)化和大型化等特點(diǎn)。國(guó)外活性炭龍頭企業(yè)主要產(chǎn)品及技術(shù)見(jiàn)表1。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

活性炭是工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中不可或缺的理想的吸附材料,已被列入我國(guó)《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)(2018)》目錄。與國(guó)外成熟市場(chǎng)相比,我國(guó)活性炭需求市場(chǎng)正處于導(dǎo)入期向成長(zhǎng)期過(guò)渡的時(shí)期,在此階段,我國(guó)下游領(lǐng)域?qū)钚蕴慨a(chǎn)品的需求迅速增加,未來(lái)消費(fèi)發(fā)展空間十分廣闊。

目前中國(guó)是世界活性炭第一生產(chǎn)和出口大國(guó),2018年中國(guó)活性炭產(chǎn)量約89.7萬(wàn)噸,其中煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量約43.0萬(wàn)噸,木質(zhì)活性炭產(chǎn)量46.7萬(wàn)噸[5],預(yù)計(jì)到2025年活性炭產(chǎn)量接近100.0萬(wàn)噸。同時(shí)，中國(guó)是世界第二大活性炭消費(fèi)國(guó),僅次于美國(guó),2018年中國(guó)活性炭需求量在44萬(wàn)噸左右,全球占比約26.7%[6]。

表1 國(guó)外活性炭龍頭企業(yè)的現(xiàn)狀Table 1 Status quo of foreign leading enterprises for activated carbon

在木質(zhì)活性炭方面,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要位于福建、江西、浙江、貴州等有豐富森林資源的省份,其中福建、江西和浙江三省的產(chǎn)量分別為22.4、 6.1和5.2萬(wàn)噸，合計(jì)占全國(guó)木質(zhì)活性炭總產(chǎn)量的70%以上。在煤質(zhì)活性炭方面,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要位于山西、寧夏及新疆等煤炭資源豐富的省區(qū),其中山西、寧夏、新疆三地的產(chǎn)量占全國(guó)煤質(zhì)活性炭總產(chǎn)量的80%以上[7]。未來(lái),受環(huán)保及煤炭行業(yè)供給側(cè)改革的影響,煤質(zhì)活性炭的產(chǎn)量將出現(xiàn)下滑[8]；而木質(zhì)活性炭產(chǎn)品的產(chǎn)量將穩(wěn)步提升[9]。2018年,中國(guó)木質(zhì)活性炭領(lǐng)域的龍頭企業(yè)福建元力活性炭股份有限公司,其活性炭產(chǎn)量在木質(zhì)活性炭市場(chǎng)占比15%以上[10]；雖然中國(guó)活性炭企業(yè)數(shù)量已由20世紀(jì)80年代初的幾十家增加到目前的近500家,但年產(chǎn)量萬(wàn)噸規(guī)模以上的企業(yè)不足10家。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,活性炭已經(jīng)逐漸從工業(yè)用吸附劑轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N用途廣泛的基礎(chǔ)性材料。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境保護(hù)、食品安全的日益重視,活性炭應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,需求增長(zhǎng)迅速。特別是中國(guó)關(guān)于環(huán)境保護(hù)的相關(guān)規(guī)則頒布后,水處理、機(jī)動(dòng)車(chē)、溶劑和廢氣回收以及空氣凈化用的活性炭市場(chǎng)需求劇增,活性炭工業(yè)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度最快的工業(yè)之一。

食品飲料、水處理、化工和醫(yī)藥行業(yè)是我國(guó)活性炭的主要消費(fèi)領(lǐng)域。2019年我國(guó)活性炭需求量約為65.85萬(wàn)噸[11],其中食品行業(yè)的活性炭需求量約為18.68萬(wàn)噸,占全年總需求量的28.37%,在食品工業(yè)方面很多產(chǎn)品都要用活性炭進(jìn)行脫色、精制、去除雜質(zhì)和異味等,如糖、味精、調(diào)味品、果膠、酒類(lèi)、飲料、食用油等；水處理市場(chǎng)是活性炭最大的消費(fèi)市場(chǎng),2019年水處理用活性炭需求量約為22萬(wàn)噸,占全年活性炭總需求量的33.40%；化工行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)領(lǐng)域活性炭需求占比分別為13.62%和 17.87%,制藥工業(yè)領(lǐng)域活性炭可用于脫色、提純、吸附熱原等,廣泛應(yīng)用于原料藥、針劑類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)；其他領(lǐng)域的需求約為6.74%。隨著世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展、人們生活水平進(jìn)一步提高以及各國(guó)對(duì)食品醫(yī)藥安全標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格化,活性炭的傳統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)將隨之穩(wěn)步擴(kuò)大。此外,隨著人們對(duì)活性炭研究的不斷深入,活性炭在新能源儲(chǔ)存、綠色催化劑、核輻射防護(hù)等新興應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)也日益加快,其未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用數(shù)量都將快速增加。預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)活性炭市場(chǎng)需求將達(dá)到93萬(wàn)噸左右[12]。

我國(guó)雖然是世界活性炭第一生產(chǎn)和出口大國(guó),但活性炭工業(yè)依然處在成長(zhǎng)期,目前存在生產(chǎn)過(guò)程有污染、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、活性炭應(yīng)用領(lǐng)域窄、高端產(chǎn)品部分依賴(lài)進(jìn)口等問(wèn)題。

1.3 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展差距分析

與國(guó)外活性炭產(chǎn)業(yè)相比，目前國(guó)內(nèi)活性炭產(chǎn)業(yè)還存在不少差距，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：1) 木質(zhì)活性炭的原料主要為林特資源提取剩余物、采伐剩余樹(shù)干、修剪枝丫、果殼(核)等,受原料資源的季節(jié)性和分散性約束,原料的收集、貯存、運(yùn)輸難度大、成本高,供給不穩(wěn)定,導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)活性炭生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多且分散、生產(chǎn)規(guī)模較小。2) 世界貿(mào)易中,近年國(guó)內(nèi)木質(zhì)活性炭的平均出口價(jià)格為1 100美元/噸,產(chǎn)品價(jià)格穩(wěn)中有升,但進(jìn)口價(jià)格保持在6 000美元/噸以上。因此,一方面，除已有活性炭產(chǎn)品外,在專(zhuān)用及精制活性炭制備及應(yīng)用技術(shù)方面,需繼續(xù)向包括電子行業(yè)、醫(yī)藥及生化行業(yè)、環(huán)境污染控制及石油化工高效催化劑載體等在內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域延伸,擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng),提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力；另一方面,國(guó)內(nèi)公司應(yīng)加大對(duì)高端產(chǎn)品的研發(fā)和市場(chǎng)推廣力度,如電化學(xué)儲(chǔ)能炭材料、碳?xì)饽z材料、炭基催化劑等創(chuàng)新領(lǐng)域,加大開(kāi)拓發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)的力度,提高對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的銷(xiāo)售份額,推動(dòng)本土品牌向國(guó)際化發(fā)展。3) 活性炭綠色制造技術(shù)和產(chǎn)品性能控制手段有待提升?；罨瘎┦腔瘜W(xué)法制備活性炭的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的技術(shù)不僅需要消耗大量的活化劑,且因?yàn)榛罨瘎╇y以回收而危害環(huán)境。近年來(lái),隨著科技的發(fā)展和活化工藝的進(jìn)步,活化劑低消耗制備工藝被越來(lái)越多的應(yīng)用。如美國(guó)企業(yè)通過(guò)活化劑低消耗工藝,以磷酸法制備活性炭,每噸活性炭的磷酸消耗低于200 kg；日本企業(yè)采用回轉(zhuǎn)爐兩段法,在較低溫度和較少氯化鋅用量下制備高端活性炭[9]。活化劑的低消耗不僅會(huì)降低生產(chǎn)的成本,還能夠?qū)崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)與保護(hù)環(huán)境。目前,國(guó)內(nèi)僅有福建元力活性炭股份有限公司等幾家大型企業(yè)可以將磷酸法活性炭生產(chǎn)的噸產(chǎn)品酸耗降至150 kg以下。

此外,國(guó)外企業(yè)通過(guò)對(duì)活性炭微孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了活性炭產(chǎn)品的多樣化、專(zhuān)用化和高端化。而國(guó)內(nèi)活性炭企業(yè)主要通過(guò)碘吸附值、甲苯吸附率等吸附標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)活性炭產(chǎn)品的優(yōu)劣,缺乏對(duì)活性炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與其在應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵性能之間的構(gòu)效關(guān)系的研究,活性炭制造企業(yè)和活性炭應(yīng)用企業(yè)之間缺乏集成開(kāi)發(fā),進(jìn)而導(dǎo)致了部分高端活性炭產(chǎn)品依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀。

2 福建元力活性炭股份有限公司案例分析

2.1 案例背景

福建元力活性炭股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)元力公司，圖1)創(chuàng)立于1999年,注冊(cè)資本24 480萬(wàn)元,于2011年2月在深圳創(chuàng)業(yè)板成功上市。目前主營(yíng)業(yè)務(wù)為木質(zhì)活性炭和硅酸鈉的研發(fā)、生產(chǎn)與銷(xiāo)售,是國(guó)內(nèi)綜合實(shí)力最強(qiáng)的木質(zhì)活性炭生產(chǎn)企業(yè),也是國(guó)內(nèi)唯一的活性炭上市公司。目前擁有3個(gè)全資子公司和一個(gè)控股子公司。

圖1 福建元力活性炭股份有限公司Fig.1 Fujian Yuanli Active Carbon Co.,Ltd.

元力公司一直致力于木質(zhì)活性炭的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售,經(jīng)過(guò)20多年的精耕細(xì)作、悉心打造,木質(zhì)活性炭的產(chǎn)銷(xiāo)量占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的15%以上,主要產(chǎn)品為以木質(zhì)、果殼等為原料的粉狀活性炭、柱狀活性炭、不定型顆?；钚蕴康取Ｔ驹诟＝掀?、福建莆田、江西玉山、內(nèi)蒙古滿(mǎn)洲里、上海設(shè)有6個(gè)活性炭生產(chǎn)基地,其中南平有2個(gè)生產(chǎn)基地。2020年活性炭生產(chǎn)能力達(dá)11萬(wàn)噸,利用當(dāng)?shù)卣翗?shù)、松樹(shù)、杉樹(shù)等林業(yè)特色木材加工剩余物資源(木屑、竹粉、木片、果殼等)為主要生產(chǎn)原料進(jìn)行生產(chǎn)。

元力公司在產(chǎn)量和銷(xiāo)售方面長(zhǎng)期穩(wěn)居全國(guó)木質(zhì)活性炭行業(yè)第一位,作為中國(guó)木質(zhì)活性炭基地的領(lǐng)軍企業(yè),公司是首家通過(guò)ISO9001認(rèn)證、ISO14000認(rèn)證、OHSAS18001認(rèn)證的活性炭企業(yè)。公司還取得了食品添加劑植物活性炭生產(chǎn)許可證,藥品生產(chǎn)許可證藥用輔料(藥用炭)相關(guān)批件和NSF水處理炭認(rèn)證。供應(yīng)活性炭產(chǎn)品憑借其高性?xún)r(jià)比與服務(wù),在國(guó)內(nèi)建立起了體系完備、響應(yīng)快速的營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)品覆蓋發(fā)酵行業(yè)、食品添加劑、醫(yī)藥行業(yè)、化工行業(yè)、水處理行業(yè)等。公司積極實(shí)施海外市場(chǎng)拓展,目前海外業(yè)務(wù)已布及法國(guó)、俄羅斯、意大利、土耳其、澳大利亞、日本、泰國(guó)、印度、阿根廷、巴西、南非等幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū),2019年活性炭出口量達(dá)2.9萬(wàn)噸,名列行業(yè)第一。

2.2 現(xiàn)有規(guī)模及主要生產(chǎn)工藝

福建元力活性炭股份有限公司從1999年起就著力研究開(kāi)發(fā)以林區(qū)再生資源(如鋸末、板坯、枝丫等)為原料生產(chǎn)木質(zhì)活性炭,并取得突破性進(jìn)展。同時(shí)企業(yè)不斷提高生產(chǎn)技術(shù),改進(jìn)生產(chǎn)裝備。2008年起自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出年產(chǎn)5 000～8 000噸物理法、化學(xué)法活性炭連續(xù)一體化生產(chǎn)線(xiàn),并開(kāi)始在6個(gè)活性炭生產(chǎn)基地推廣應(yīng)用,并于2010年優(yōu)化設(shè)計(jì)制造出年產(chǎn)10 000噸全球最大規(guī)?；瘜W(xué)法活性炭自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)。2020年元力公司活性炭總產(chǎn)能達(dá)11萬(wàn)噸,2020年預(yù)計(jì)活性炭產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)噸以上,年利用林木三剩物約30萬(wàn)噸(含生物質(zhì)燃料)。

元力公司磷酸法活性炭生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。由圖可知，生產(chǎn)過(guò)程主要包括以下幾個(gè)方面：1) 捏合。原料木屑與磷酸在捏合機(jī)內(nèi)進(jìn)行充分捏合,捏合好的原料,由螺旋送料器送入炭化活化一體化轉(zhuǎn)爐。2) 炭化、活化。捏合料與高溫?zé)煔庠谵D(zhuǎn)爐內(nèi)逆流接觸進(jìn)行炭化、活化,物料活化溫度420～480 ℃。3) 炭化、活化尾氣處理。尾氣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和高壓電場(chǎng)除塵、除焦、除酸,回收磷酸,尾氣達(dá)標(biāo)排放。4) 酸回收、洗滌。將活化炭與回收水充分混合后進(jìn)入除砂工序,除去炭中夾帶的砂質(zhì)類(lèi)物質(zhì)后送至分離洗滌工序,將炭與磷酸分離,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后用皮帶機(jī)送至壓濾系統(tǒng),經(jīng)八級(jí)壓濾洗滌后,進(jìn)行成品烘干。5) 成品烘干。利用物理炭生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的尾氣燃燒產(chǎn)生的熱能進(jìn)行干燥處理,并利用換熱器回收余熱。6) 研磨、包裝。烘干后的物料經(jīng)研磨、調(diào)質(zhì),通過(guò)無(wú)塵包裝機(jī)包裝為成品。

圖2 磷酸法活性炭生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of production

元力公司將物理炭生產(chǎn)線(xiàn)和化學(xué)炭生產(chǎn)線(xiàn)聯(lián)合考慮,使系統(tǒng)熱能實(shí)現(xiàn)充分循環(huán)回收利用,物理法工藝主要設(shè)備是沸騰爐和旋噴爐,將沸騰爐、旋噴爐的尾氣燃燒作為化學(xué)炭炭化、活化、成品烘干的熱能,利用不同溫度煙氣產(chǎn)生蒸汽,或加熱水,或加熱空氣,逐級(jí)回收余熱。而原料干燥工段所需的熱量由熱風(fēng)干燥爐提供,熱風(fēng)干燥爐以木屑等剩余物為燃料。

2.3 可推廣經(jīng)驗(yàn)

福建元力活性炭股份有限公司經(jīng)過(guò)20多年的努力，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)綜合實(shí)力最強(qiáng)的木質(zhì)活性炭生產(chǎn)企業(yè)，其發(fā)展過(guò)程中有不少可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，主要包括以下3方面。

2.3.1建立生產(chǎn)基地，保障豐富的原料來(lái)源 元力公司在福建南平、福建莆田、江西玉山、內(nèi)蒙古滿(mǎn)洲里和上海均設(shè)有生產(chǎn)基地。元力公司的南平分公司位于福建省南平市,被稱(chēng)為“綠色寶庫(kù)”,自然植被屬中亞熱帶綠闊葉林地,典型的植被為濕性常綠闊葉林、帶綠落葉闊葉林,主要人工植被以馬尾松、杉木為主,還有部分油桐、茶樹(shù)等經(jīng)濟(jì)林木,森林覆蓋率77%以上,林場(chǎng)年采伐量600多萬(wàn)m3,采伐及加工剩余物如鋸末、碎材、枝丫等約有200萬(wàn)噸/年。

荔元分公司位于福建省莆田市秀嶼區(qū),莆田秀嶼國(guó)家級(jí)木材貿(mào)易加工示范區(qū)是國(guó)家林業(yè)和草原局、商務(wù)部、海關(guān)總署批準(zhǔn)的進(jìn)口原木加工鋸材出口試點(diǎn)基地,國(guó)家質(zhì)檢總局批準(zhǔn)加拿大BC省1 000萬(wàn)m3原木進(jìn)口我國(guó)只能經(jīng)過(guò)秀嶼進(jìn)口木材檢疫除害處理區(qū)。該區(qū)已落地木材加工企業(yè)數(shù)十家，每年有幾十萬(wàn)噸的廢棄鋸末、沙光粉、刨花、樹(shù)皮產(chǎn)生。

懷玉山分公司位于江西省上饒市玉山縣玉山工業(yè)園區(qū)內(nèi),玉山地處閩、浙、贛交界處,林業(yè)資源極為豐富。浙江賀村竹木工業(yè)專(zhuān)業(yè)區(qū)距公司30多公里,運(yùn)輸方便,專(zhuān)業(yè)區(qū)內(nèi)有木材加工企業(yè)1 080家。其中，木材深加工企業(yè)200多家,年木材交易量達(dá)150萬(wàn)m3,年加工木材近105萬(wàn)m3,產(chǎn)生加工剩余物35萬(wàn)m3。

滿(mǎn)洲里元力活性炭有限公司位于內(nèi)蒙古滿(mǎn)洲里市扎區(qū)重化工基地。滿(mǎn)洲里地處中俄邊境,滿(mǎn)洲里口岸承擔(dān)著一半的中俄木材貿(mào)易。2017年滿(mǎn)洲里口岸共進(jìn)口木材1 184.1萬(wàn)m3,其中進(jìn)口原木393.3萬(wàn)m3,生產(chǎn)木質(zhì)活性炭所需的木屑資源極為豐富,為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn),目前其年加工剩余物產(chǎn)生量達(dá)到130萬(wàn)m3。

2.3.2創(chuàng)新研發(fā)活性炭先進(jìn)制造技術(shù)及裝備，為活性炭的高效生產(chǎn)提供保障 與中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)8 000噸/年的物理法-化學(xué)法活性炭連續(xù)一體化生產(chǎn)技術(shù)(圖3),并在4個(gè)分公司建設(shè)投產(chǎn)。利用物理法的炭化尾氣為化學(xué)法生產(chǎn)供熱,替代燃煤供熱,降低成本,提高活性炭品質(zhì),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)燃煤消耗,同時(shí)得到物理法活性炭和化學(xué)法活性炭。優(yōu)化設(shè)計(jì)制造出年產(chǎn)10 000噸全球最大規(guī)?；瘜W(xué)法自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)(圖4)，并通過(guò)技術(shù)集成,噸產(chǎn)品磷酸消耗從傳統(tǒng)的200 kg以上降低至150 kg以下,實(shí)現(xiàn)了磷酸法活性炭的低消耗清潔生產(chǎn)。創(chuàng)新回轉(zhuǎn)爐九段供熱技術(shù),提升活性炭產(chǎn)品質(zhì)量,顯著降低尾氣中顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等的排放量。創(chuàng)制顆粒廢炭控氧熱解技術(shù),實(shí)現(xiàn)再生活性炭的低灰分和高得率,得率達(dá)90%以上。

圖3 集成生物質(zhì)燃?xì)夤崤c木質(zhì)活性炭生產(chǎn)一體化裝備Fig.3 Integrated equipment for biomass gas heating and production of wooden activated carbon

圖4 10 000噸/年磷酸法活性炭生產(chǎn)線(xiàn)Fig.4 10 000 tons/year equipment for phosphoric acid activated carbon

2.3.3重視產(chǎn)學(xué)研合作,開(kāi)發(fā)高端活性炭產(chǎn)品 元力公司通過(guò)不斷學(xué)習(xí)和研究國(guó)內(nèi)外活性炭先進(jìn)技術(shù),加強(qiáng)與高校及科研機(jī)構(gòu)的合作,聘請(qǐng)行業(yè)資深專(zhuān)家教授作為企業(yè)技術(shù)顧問(wèn),公司在行業(yè)內(nèi)確立了較強(qiáng)的自主創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)和核心競(jìng)爭(zhēng)能力,在活性炭生產(chǎn)技術(shù)和新型活性炭應(yīng)用研究方面填補(bǔ)了很多國(guó)內(nèi)技術(shù)空白,開(kāi)發(fā)了高性能的藥用炭、注射藥劑精制用活性炭、食品添加劑專(zhuān)用活性炭、顆粒糖液吸附炭、催化劑載體炭等高端產(chǎn)品。公司實(shí)驗(yàn)室已于2015年被認(rèn)定為“福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,并與中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所聯(lián)合成立活性炭研發(fā)中心。公司現(xiàn)已獲得51項(xiàng)國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專(zhuān)利權(quán)的授權(quán),并參與完成了多項(xiàng)省級(jí)以上課題的研究。

2.4 存在的問(wèn)題

2.4.1活性炭生產(chǎn)技術(shù)智能化水平不高 元力公司雖然是國(guó)內(nèi)木質(zhì)活性炭行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，但依然在生產(chǎn)線(xiàn)智能化水平、廢炭再生和產(chǎn)品性能等方面亟需提升改進(jìn)。近幾年國(guó)內(nèi)活性炭生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速,但與國(guó)外大公司相比,在生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化和智能化方面差距較大。國(guó)外企業(yè)通過(guò)遠(yuǎn)程信息化控制,大量使用機(jī)器人等手段減少用工,提升生產(chǎn)穩(wěn)定性。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人力成本越來(lái)越高,活性炭生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化和智能化改造升級(jí)勢(shì)在必行。

2.4.2廢炭再生技術(shù)仍需提升 目前活性炭應(yīng)用企業(yè)為減少活性炭廢棄物量,提高活性炭資源利用率,降低成本,對(duì)活性炭再生技術(shù)需求迫切。國(guó)內(nèi)粉狀活性炭再生技術(shù)落后,難以滿(mǎn)足批量生產(chǎn)和環(huán)保的要求；同時(shí)廢炭烘干過(guò)程中揮發(fā)性氣體的處理技術(shù)仍有待開(kāi)發(fā)。

2.4.3木質(zhì)顆?；钚蕴啃阅苡写岣?與煤質(zhì)活性炭相比，木質(zhì)活性炭的性能仍有待提升，雖然木質(zhì)活性炭比煤質(zhì)活性炭具有更發(fā)達(dá)的孔道、豐富的表面基團(tuán)和較強(qiáng)的吸附能力,但仍需提高木質(zhì)活性炭的著火點(diǎn),避免在許多有機(jī)溶劑吸附及再生過(guò)程中存在易著火的問(wèn)題；木質(zhì)活性炭的親水性強(qiáng),導(dǎo)致產(chǎn)品對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的濕度要求較高,需提高木質(zhì)活性炭的疏水性能；木質(zhì)活性炭的磨失率高,導(dǎo)致連續(xù)吸附過(guò)程床層阻力逐漸增加,降低過(guò)濾速度和吸附效率；木質(zhì)活性炭的特定吸附性仍需提升。

3 未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求分析

3.1 國(guó)家戰(zhàn)略層面

3.1.1保障國(guó)家食品、藥品和軍事安全 民以食為天,食以安為先。在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中,食品工業(yè)占有重要的地位。活性炭在食品生產(chǎn)中具有脫色、脫臭、除去膠體和雜質(zhì)、提高結(jié)晶、增強(qiáng)穩(wěn)定性、調(diào)香以及有效物質(zhì)精制、回收和分離等多種功能,廣泛用于糖、味精、釀造、飲料、乳制品、食用油以及食品添加劑等領(lǐng)域[13],如表2所示。因此,活性炭在現(xiàn)代食品工業(yè)中具有舉足輕重的地位,可有效保障國(guó)家食品安全。

表2 木質(zhì)活性炭在食品工業(yè)的應(yīng)用Table 2 Application of wood activated carbon in food industry

活性炭具有良好的穩(wěn)定性和選擇性吸附能力,因此在制藥行業(yè)常用來(lái)吸附熱原、除雜(細(xì)菌內(nèi)毒素、懸浮物等)精制、脫色、助濾等,無(wú)論是化學(xué)合成藥、生物制劑、維生素、抗生素、激素還是針劑、大輸液等均需要用到活性炭[14],活性炭是制藥生產(chǎn)中重要的吸附材料。在藥物制備過(guò)程中去除熱原是當(dāng)今生物技術(shù)領(lǐng)域中的一大難題,生產(chǎn)中避免熱原污染制品及清除熱原的工作顯得尤為重要。當(dāng)注射液(針劑或大輸液)中含有熱原時(shí),注射到人體內(nèi)將會(huì)危害病人的健康[15]。因此,活性炭產(chǎn)業(yè)的健康與快速發(fā)展,將促進(jìn)制藥工業(yè)的安全發(fā)展,保障人民群眾的身體健康和生命安全。

超級(jí)電容活性炭可用于軍用坦克、裝甲車(chē)的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng),高導(dǎo)電炭材料具有吸收電磁波的功能,可以用于軍事隱身材料,高吸附性活性炭對(duì)機(jī)油洗除效果優(yōu)良,用于軍用車(chē)輛可延長(zhǎng)機(jī)油使用壽命3倍,提高部隊(duì)持續(xù)作戰(zhàn)能力。

3.1.2促進(jìn)節(jié)能減排 木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)是利用林業(yè)加工剩余物為原料制備功能型多孔炭材料,既可降低木質(zhì)剩余物對(duì)環(huán)境的危害,改善生態(tài)環(huán)境,同時(shí)活性炭對(duì)氣液相污染物排放的治理效果顯著。活性炭本身具有良好的吸附性能,在工業(yè)廢水處理、有毒有害氣體凈化、揮發(fā)性有機(jī)溶劑吸附和回收、室內(nèi)空氣凈化、脫硫脫硝脫汞及土壤修復(fù)等領(lǐng)域是不可或缺的,可以有效推動(dòng)我國(guó)打贏(yíng)“碧水藍(lán)天”保衛(wèi)戰(zhàn)。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的要求越來(lái)越高,活性炭產(chǎn)業(yè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。林業(yè)生物質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)的顯著特點(diǎn)在于資源和環(huán)境的雙贏(yíng)。

3.1.3推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè) 通過(guò)將可再生林業(yè)資源轉(zhuǎn)化為活性炭后再利用,可拓展資源利用途徑,提高資源利用水平,推進(jìn)資源節(jié)約和循環(huán)利用,改善農(nóng)村的人居環(huán)境。同時(shí),活性炭的原料收集可以為農(nóng)民增收,為“三農(nóng)”提供一個(gè)新的增收渠道。因此,大力發(fā)展活性炭產(chǎn)業(yè),將給農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)民帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,有利于建設(shè)資源節(jié)約型的新農(nóng)村,進(jìn)而建設(shè)文明和諧的新農(nóng)村。

3.2 行業(yè)層面

3.2.1精準(zhǔn)扶貧 我國(guó)經(jīng)濟(jì)林和竹林種植面積大,生物產(chǎn)量高,且多在偏遠(yuǎn)山區(qū)。按照全國(guó)木質(zhì)活性炭40萬(wàn)噸產(chǎn)量來(lái)計(jì)算,可每年利用林木剩余物150萬(wàn)噸以上,按照林木剩余物400元/噸計(jì)算,可實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收6億元,扶貧效果明顯。木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)是兼具經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及生態(tài)效益的產(chǎn)業(yè)。

3.2.2延伸產(chǎn)業(yè)鏈 活性炭不僅在液相吸附、氣體凈化、溶劑回收、土壤修復(fù)等產(chǎn)業(yè)中作為良好的吸附材料,有效保障我國(guó)食品、醫(yī)藥的安全,同時(shí)在其他一些創(chuàng)新領(lǐng)域也是不可或缺的多孔功能材料。在工業(yè)催化方面,活性炭作為催化劑或催化劑載體,能夠廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、生物質(zhì)液體燃料提質(zhì)、醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體合成等領(lǐng)域[16-18],推動(dòng)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；在儲(chǔ)能領(lǐng)域,活性炭可以用于物理/化學(xué)儲(chǔ)氫、雙電層儲(chǔ)電、電極材料等[19]；在醫(yī)用領(lǐng)域,活性炭可用于外傷治療、口服藥、癌癥治療、血液凈化等；在防輻射領(lǐng)域,活性炭可以用于放射碘的補(bǔ)集、核反應(yīng)堆排放廢氣治理、電磁屏蔽等產(chǎn)業(yè)[20]。由此可見(jiàn),活性炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將促進(jìn)眾多傳統(tǒng)和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4 措施與建議

4.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式創(chuàng)新

我國(guó)木質(zhì)活性炭的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)及設(shè)備仍有待進(jìn)一步改進(jìn),應(yīng)當(dāng)加大科技支撐力度,促進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合,從3方面入手，加快活性炭綠色高端制備及大規(guī)模智能化裝置創(chuàng)新，創(chuàng)新活性炭產(chǎn)品的孔隙結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù),開(kāi)發(fā)活性炭產(chǎn)品的多樣化、專(zhuān)用化和高端化應(yīng)用技術(shù),加強(qiáng)科技成果轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步提高活性炭產(chǎn)業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益,保障活性炭產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

1) 生產(chǎn)設(shè)備大型化和現(xiàn)代化,企業(yè)規(guī)模大型化。推動(dòng)活性炭生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)化、大型化、自動(dòng)化、智能化,明顯提高生產(chǎn)效率,擴(kuò)大活性炭企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模至5萬(wàn)噸以上,提高與國(guó)外大型活性炭企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著活性炭生產(chǎn)的規(guī)?；l(fā)展,活性炭生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量將逐步縮減,可有效地改善中國(guó)活性炭市場(chǎng)的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀。

2) 產(chǎn)品多樣化、專(zhuān)用化和高端化。除已有的食品、藥品、環(huán)保等行業(yè)廣泛使用的活性炭產(chǎn)品外,在專(zhuān)用及精制活性炭制備及應(yīng)用技術(shù)方面繼續(xù)向電子行業(yè)、軍工、儲(chǔ)氣、醫(yī)藥及生化行業(yè)及石油化工高效催化劑等應(yīng)用領(lǐng)域延伸,擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng),為活性炭產(chǎn)品提供新的生命力,也為活性炭的研制提出新的要求,進(jìn)一步提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,有針對(duì)性地研制具有特殊性能的專(zhuān)用活性炭產(chǎn)品是今后重要的研究方向之一。闡明林業(yè)剩余物熱化學(xué)轉(zhuǎn)化形成多孔炭材料的機(jī)理,突破高端活性炭產(chǎn)品微觀(guān)結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控核心技術(shù),創(chuàng)制軍工、電子行業(yè)、輻射防護(hù)、醫(yī)藥、催化領(lǐng)域用活性炭新產(chǎn)品,力爭(zhēng)提升我國(guó)高端活性炭應(yīng)用在創(chuàng)新領(lǐng)域的市場(chǎng)份額,提高活性炭噸產(chǎn)品出口價(jià)格。

3) 節(jié)能減排常態(tài)化?；钚蕴可a(chǎn)過(guò)程通過(guò)余熱鍋爐、煙氣循環(huán)等方式節(jié)約能源,并通過(guò)二次燃燒、洗滌除塵等方式降低有毒有害氣體的排放,創(chuàng)新化學(xué)法活性炭的綠色制備技術(shù),突破磷酸綠色活化關(guān)鍵技術(shù),降低磷酸法活性炭生產(chǎn)過(guò)程的噸產(chǎn)品酸耗。鼓勵(lì)活性炭定向再生產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新研發(fā),盡可能實(shí)現(xiàn)吸附飽和活性炭的循環(huán)利用。

4.2 將活性炭產(chǎn)業(yè)列入資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)目錄

由于活性炭在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中的重要作用,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)活性炭產(chǎn)品的需求逐年增加,已成為林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新亮點(diǎn)。人工林種植區(qū)域主要在山區(qū),勞動(dòng)力為當(dāng)?shù)亓洲r(nóng)。目前木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)被列入化工產(chǎn)業(yè)目錄,阻礙了以農(nóng)林剩余物為主要原料的活性炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。建議將活性炭產(chǎn)業(yè)列入資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)目錄,同時(shí)建立保護(hù)農(nóng)民增收的原料收、儲(chǔ)、運(yùn)制度和綠色證書(shū)交易機(jī)制,有利增加林農(nóng)收入,助力山區(qū)扶貧,同時(shí)滿(mǎn)足工業(yè)和民用市場(chǎng)對(duì)活性炭產(chǎn)品的迫切需求。

4.3 設(shè)立科研專(zhuān)項(xiàng)

建議從國(guó)家層面設(shè)立科研專(zhuān)項(xiàng),從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化利用等方面開(kāi)展研究,形成活性炭高效綜合利用科學(xué)技術(shù)和工程示范,建立產(chǎn)業(yè)化基地,加快活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。促進(jìn)有關(guān)科研院校加大科技研發(fā)力度,解決活性炭技術(shù)方面的諸多難題,為中國(guó)在活性炭制造和應(yīng)用服務(wù)方面早日超越世界先進(jìn)水平而共同努力。

4.4 政策建議

建議地方財(cái)政和銀行等金融機(jī)構(gòu)對(duì)木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)給予階段性的低息和貼息貸款資金支持。建議林草局、發(fā)改委和稅務(wù)部門(mén)繼續(xù)給予木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)減免和部分減免增值稅的優(yōu)惠政策。建議通過(guò)政策導(dǎo)向,鼓勵(lì)和引導(dǎo)投資、融資機(jī)構(gòu)加大對(duì)活性炭產(chǎn)業(yè)的資金注入。