CN105800610A - 一种无粘结剂煤基压块活性炭的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤基压块活性炭的制备方法，所述成型过程包括将原料煤经过成型过程制成型煤，和将上述得到的型煤破碎造粒，然后进行炭化处理和活化处理，以制得活性炭。本发明的制备方法中的原料煤成型过程对煤种适应性广，即使以成型难度最大的无粘结性煤作为原料煤，同样可以在不需要采用任何粘合剂的情况下，制成强度>90％的型煤产品，有利于提高活性炭的强度等品质。

Description

一种无粘结剂煤基压块活性炭的制备方法
技术领域
本发明属于煤基活性炭制备领域，特别涉及一种无粘结剂煤基压块活性炭的制备方法。
背景技术
由于活性炭具有高度发达的孔隙结构和极大的比表面积，其应用范围从用于食品和医药的脱色与除味、防毒面具，发展到大规模用于溶剂精制与回收、水深度处理、烟气净化、血液净化等，对活性炭的吸附性和强度等性质能提出了新的、更高的要求。
另外，在活性炭生产中，以煤为原料制备煤基活性炭的方法已被广泛应用，为了使得到的活性炭在使用时具有较高强度，通常需要在煤进行炭化活化前进行成型处理，因此，煤炭高强度成型也是制备高强度活性炭的基础。
虽然煤粉成型技术已经广泛的用于原煤的深加工领域，而大多数煤粉成型技术仍需要添加煤沥青等各种粘结剂，不仅增加成本，而且制成的型煤需要进行晾晒或加热烘烤，降低生产效率；此外由于常用的煤沥青、煤焦油等粘结剂在加热后会融化和挥发，使得最终产品的强度也不高，而且在活性炭生产中，煤沥青等的残留物还会堵塞活性炭的孔隙，不利于提高活性炭的品质，因此也限制了无粘结性煤在煤基活性炭制备中的应用。
目前，无粘结剂的煤基活性炭制备研究也越来越成为人们研究的热点。CN101402454A公开了一种成型活性炭的制备方法，其中煤粉在进行炭化活化处理前进行压制成型，然而为了不外加粘结剂，其煤粉原料中不得不加入大量的弱粘结性煤和粘结性较强的肥煤，而由于大量粘结性煤的加入，需要在炭化过程中缓慢地增温以防止颗粒在炭化过程中发泡，并且需要很长的活化时间以使得到的活性炭具有足够大的表面积。
CN1033262A公开了一种制备活性炭的方法，包括将无粘结性煤粉碎至10μm以下然后进行压制成型。该专利指出原煤粉碎后的粒径越小，越有利于增加微粒之间单位重量的接触点的数目，以增加颗粒中亚微粒之间的粘合力。然而，煤粉粉碎粒径越小，其团聚可能性越大，考虑到后续压制成型需要水分，因此水分控制难度大，并且粉碎难度也大，对设备要求高，难以推广利用。同时，研究发现，煤粉粒径太细，容易导致压块成型后其内部孔隙过细，在制备活性炭时影响后续炭化挥发份的逸出以及活化用气体向内部孔隙的扩散。
为此，有必要提出一种新的无粘结剂煤基压块活性炭的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤基压块活性炭的制备方法，以解决现有技术中不使用粘结剂时，煤基压块活性炭制备中由于难以制备出合适的型煤进而影响活性炭品质的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种煤基压块活性炭的制备方法，所述制备方法包括：
I、将原料煤经过成型过程制成型煤，所述成型过程包括：
a、将原料煤进行粉碎以得到煤粉的步骤，所述煤粉的平均粒径不小于20μm，其中，粒径不大于80μm的煤粉含量不小于90wt％；粒径为40μm～80μm的煤粉含量不小于10wt％；
b、将步骤a得到的煤粉送入压块成型设备的给料仓内，并对所述给料仓内的物料进行脱气处理的步骤；
c、使所述给料仓内物料的温度为50℃～100℃、水分含量为2wt％～8wt％的调节步骤；和
d、将所述给料仓内的物料送入成型设备进行成型，以得到型煤的步骤；
II、将步骤I得到的型煤破碎造粒，然后进行炭化处理和活化处理，以制得活性炭。
在本发明的制备方法中，所述原料煤的适应性广泛，可以是无粘结性煤、弱粘结性煤、中等偏弱粘结性煤、中等偏强粘结性煤或强粘结性煤中的一种或多种的混合物。所述无粘结性煤、弱粘结性煤、中等偏弱粘结性煤、中等偏强粘结性煤或强粘结性煤为本领域所熟知，即，按粘结指数G分类，0～5为无粘结性煤，5～20为弱粘结性煤，20～50为中等偏弱粘结性煤，50～65为中等偏强粘结性煤，大于65为强粘结性煤。
本领域技术人员理解，原料煤的粘结指数越高，越有利于成型制备强度较高的型煤，而原料煤的粘结指数越低，则成型制备强度较高的型煤的难度越大。本发明的成型过程通过对原料煤的多方面进行调整，使得不论是粘结指数较高的原料煤还是粘结指数较低的原料煤均可以成功制备出高强度型煤，因此特别适用于以无粘结性煤或以无粘结性煤为主的原料煤的成型，例如，所述原料煤全部为无粘结性煤，或者所述原料煤中无粘结性煤的含量大于50wt％，比如为60wt％、70wt％、80wt％或90wt％，其余部分可以是弱粘结性煤等。在本发明中，优选地，所述原料煤为无粘结性煤；进一步优选的，所述无粘结性煤的粘结指数为≤2，例如为0、1或2。
在本发明的制备方法中，步骤a为对原料煤进行粉碎以得到具有特定粒度分布的煤粉。研究发现，当所述煤粉具有上述力度分布时，在成型过程中可以实现不同粒径煤粉的合理级配，提高成型强度。优选地，步骤a所得的煤粉中，粒径不大于80μm的煤粉含量不小于95wt％；粒径不大于40μm的煤粉含量不小于70wt％；进一步优选地，所述煤粉的平均粒径为20μm～40μm，例如30μm；更优选地，所述煤粉的粒径不大于200μm，例如不大于150μm，或者不大于100μm。本领域技术人员理解，可以通过选用相应的标准筛对粉碎后的原料煤进行筛分，从而得到具有上述粒度分布的煤粉。当然，本领域人员理解，本发明的原料煤在使用前最好经过脱除矸石和/或降低灰分等处理，例如使灰分含量不大于6wt％，例如3wt％。
在本发明的制备方法中，步骤b为将所述煤粉送入压块成型设备的给料仓内，并对所述给料仓内的物料进行脱气处理，以减少煤粉颗粒间及表面吸附的空气，从而有利于提高成型强度。本领域技术人员了解，可以通过对所述给料仓进行抽气(或抽真空)以达到脱气的目的，例如可以在所述给料仓的顶部和/或侧壁上设置滤板(确保气体能逸出而煤粉不会逸出)，在所述滤板背面连接抽真空设备，以使煤粉中吸附的气体通过滤板及真空系统排出。优选地，步骤b中，所述给料仓内的压力为负压，其负压为0～3kPa(本领域技术人员理解，由于是负压，其中0这一端点值不可包含在内)，例如0.6kPa、1kPa或2kPa进一步优选地调节所述给料仓的负压为2.5kPa～3kPa。
在本发明的制备方法中，步骤c为对所述煤粉的温度和水分进行调整，以使所述给料仓内物料的温度为50℃～100℃、水分含量为2wt％～8wt％；优选地，使所述给料仓内物料的温度为70℃～85℃、水分含量为2wt％～6wt％，例如3wt％或4wt％。其中，合理的水分含量可在后续的压制成型过程中起到物料粘结剂的作用，但过高的水分会影响煤粉颗粒之间的结合，并会导致后续脱气处理困难；另外，上述温度范围有利于煤粉颗粒的软化，进而有利于成型，但温度过高会导致煤粉中的水分析出。因此，上述的脱气处理以及温度和水分的调节这三者之间息息相关，又分别对煤粉的成型产生重要影响，经过大量研究发现，当所述给料仓内的物料的温度和水分含量保持在上述范围内时，有利于煤粉的粘结成型。本领域技术人员理解，对温度和水分进行调节的过程即可以在所述给料仓中进行，也可以在其他处理过程和/或煤粉输送过程中进行，例如在原料煤粉碎时调节水含量以使所述给料仓内物料的水分含量符合要求，在煤粉输送过程中对煤粉进行加热以使所述给料仓内物料的温度符合要求，为本领域熟知，这里不再赘述。
在本发明的制备方法中，步骤d为将所述给料仓内的物料送入成型设备进行成型。根据本发明的一个优选实施方式，所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入所述成型设备，使得煤粉在给入成型设备中时，受到强制给料螺旋的压力而缩小体积，吸附的气体被挤出，从而有利于进一步脱气。在本发明中，物料的成型方式可以为多种，例如挤压成型、压缩成型或滚扎成型等，所述成型设备相应的也可以有多种，为本领域所熟知，优选地，所述成型设备为对辊压块成型机；进一步优选地，成型时，所述对辊压块成型机的对辊间线压力为7t/cm～15t/cm，优选为10t/cm～15t/cm，以提高成型效果。
根据本发明的制备方法，优选的，所述成型过程还包括e、将部分型煤破碎至粒径为不大于3mm，优选0.5～2.5mm，例如1mm或2mm的煤颗粒，并将占所述给料仓内的煤粉质量10wt％～40wt％，优选25wt％～30wt％的煤颗粒送入所述给料仓的步骤。研究意外发现，上述煤颗粒在和煤粉混合后成型时，在压制过程中可以成为型煤骨架的核心，从而有效提高型煤的强度。
根据本发明的制备方法，优选的，所述成型过程还包括f、在原料煤粉碎前进行配煤，以使所述原料煤的可磨系数不小于55％，优选为60％～80％，例如为65％或75％的步骤。可磨系数反应了原料煤的硬度和脆性，研究发现，通过配煤将原料煤的可磨系数调节至上述范围内时，有利于进一步提高后续成型效果。
根据本发明的制备方法，优选的，所述成型过程还包括g、在所述煤粉进入给料仓前，将所述煤粉送入搅拌仓进行搅拌、预脱气的步骤，以使预脱气后的煤粉的密度为0.6kg/L～0.8kg/L。例如，采用封闭式搅拌仓对煤粉进行搅拌，边搅拌边抽气，以便于后期压制成型。根据本发明的一个优选实施方式，利用双螺杆给料机或星型阀将所述搅拌仓内的煤粉送入所述给料仓。所述双螺杆给料机和星型阀两类设备在输送煤粉过程中对煤粉有挤压作用，有利于减少煤粉在转运过程中重新吸附和混入气体，实现煤粉的平稳输送。
在本发明的制备方法中，步骤II为将步骤I得到的型煤破碎造粒，然后进行炭化处理和活化处理，以制得活性炭。对型煤进行破碎造粒，以及对造粒所得粒料进行炭化处理和活化处理为活性炭制备过程中的常用处理步骤，为本领域技术人员所熟知。
根据本发明的制备方法，对物料进行破碎造粒可以采用本领域技术人员所熟知的那些方式，例如采用破碎机进行破碎造粒，优选地，通过造粒是物料粒径在1mm～10mm，更优选6.7mm～8mm之间。在本发明中，所述炭化处理的条件可以为：温度300～500℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间1.5～4小时，在炭化后，炭氢化合物中的炭原子组合会形成一些裂隙的炭结构体，具有一定的吸附能力，这些裂隙将会在活化程序中形成更发达的微孔结构。所述活化处理的条件可以为：以水蒸气作为活化介质、于850℃～950℃下进行活化反应，反应时间为3～8小时。
根据本发明的一个优选实施方式，步骤II中，造粒后的物料在进行炭化处理之前首先进行氧化处理，以使物料在氧化剂中发生部分氧化反应。本发明的氧化处理条件可以为：在200℃～250℃下用含氧量为8～15vol％的氮气与空气的混合气作为氧化剂对物料进行氧化处理1.5～4小时，以使物料的氧化控制在较轻的程度，有利于本发明的高强度粒料的预氧化。
与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下优点：
1、本发明中的原料煤成型过程对煤种适应性广，即使以成型难度最大的无粘结性煤作为原料煤，同样可以在不需要采用任何粘合剂的情况下，制成强度>89％的型煤产品，有利于提高活性炭的强度等品质；
2、压块过程中不添加粘结剂，降低了成本，同时也避免了后续晾晒及烘干过程，提升生产效率；
3、本发明在原料煤成型过程中无需将原料煤粉碎至过小的粒径，有利于在制备活性炭时内部孔隙的形成；
4、本发明特别适合于特别适用于以无粘结性煤或以无粘结性煤为主的混合煤作为原料煤制备活性炭，由于原料煤整体的粘结指数低，有利于进一步提高活性炭的品质。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不仅限于此。
以下实施例/对比例中，相关参数的表征方法说明如下：
平均粒度-GB/T19077.1-2008粒度分析激光衍射法
可磨系数-GB/T2565-2014煤的可磨性指数测定方法(即哈德格罗夫法)
滚筒强度-根据GB/T7702.3-2008进行测定。
对活性炭的相关参数的表征方法说明如下：
碘吸附值-根据GB/T7702.3-2008进行测定；
亚甲蓝吸附值-根据GB/T7702.6-2008进行测定；
比表面积-通过BET法计算；
强度-根据GB/T7072.3-2008进行测定。
其余参数均采用国标或本领域常规表征方式进行表征。
以下实施例/对比例中，所述原料煤选自以下煤种中的一种或多种：
新疆哈密煤，来自新疆保利煤矿，其指标为：水分5.17wt％，空气干燥基灰分为1.31wt％，干燥无灰基挥发分35.54wt％，粘结指数2，属于无粘结性煤，焦渣特征3，可磨系数55％；
黑山矿区长烟煤，来自新疆托克逊黑山煤矿，其指标为：水分3.43wt％，空气干燥基灰分3.52wt％，干燥无灰基挥发分37.16wt％，粘结指数0，属于无粘结性煤，焦渣特性3，可磨系数68％。
以下实施例/对比例中，所述成型设备为对辊压块成型机，生产厂家：BEPEX公司；型号：MS150。
实施例1
(1)、将新疆哈密煤粉碎至平均粒径为29μm的煤粉，进行筛分，其中，粒径大于80μm的煤粉含量为2.5wt％；粒径大于40μm的煤粉含量为28wt％；
(2)、将(1)得到的煤粉送入压块成型设备的给料仓内，并对所述给料仓内的物料进行脱气处理，使所述给料仓内的负压保持在2.5kPa～3kPa；
(3)、使所述给料仓内物料的温度保持在50℃～55℃、水分含量调节为7wt～8wt％；
(4)、将所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约11～12t/cm，以得到成型压块料(型煤)。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)89.2％。
实施例2
与实施例1的不同之处在于原料煤为新疆哈密煤与黑山矿区长烟煤按质量比1:1混合物。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)91.4％。
实施例3
(1)、将新疆哈密煤与黑山矿区长烟煤按质量比1:1混合均匀，并粉碎至平均粒径为35μm的煤粉，进行筛分，其中，粒径大于80μm的煤粉含量为8.2wt％；粒径大于40μm的煤粉含量为22wt％；
(2)、将(1)得到的煤粉送入搅拌仓进行搅拌脱气，搅拌仓顶端设有抽气管线，使搅拌后的煤粉密度达到0.60～0.65kg/L，然后经星型阀将所述搅拌仓内的煤粉送入压块成型设备的给料仓。
(3)、对所述给料仓内的物料进行脱气处理，使所述给料仓内的负压保持在2.5kPa～3kPa；
(4)、使所述给料仓内物料的温度保持在80℃～85℃、水分含量调节为2wt～3wt％；
(5)、将所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约11～12t/cm，以得到成型压块料。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)91.8％。
实施例4
(1)、将新疆哈密煤粉碎至平均粒径为22μm的煤粉，进行筛分，其中，粒径大于80μm的煤粉含量为2wt％；粒径大于40μm的煤粉含量为15wt％；
(2)、将(1)得到的煤粉送入压块成型设备的给料仓内，并且将实施例1制得的型煤破碎至粒径为1mm～3mm的煤颗粒，并将占所述给料仓内的煤粉质量25wt％煤颗粒送入所述给料仓；
(3)对所述给料仓内的物料进行脱气处理，使所述给料仓内的负压保持在2kPa～2.5kPa；
(4)、使所述给料仓内物料的温度保持在50℃～55℃、水分含量调节为5wt～6wt％；
(5)、将所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约11～12t/cm，以得到成型压块料。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)92.6％。
实施例5
(1)、将实施例4得到的煤粉送入搅拌仓进行搅拌脱气，搅拌仓顶端设有抽气管线，使搅拌后的煤粉密度达到0.75～0.80kg/L；
(2)经双螺杆给料机将所述搅拌仓内的煤粉送入压块成型设备的给料仓，并且将实施例3制得的型煤破碎至粒径为1mm～3mm的煤颗粒，并将占所述给料仓内的煤粉质量35wt％煤颗粒送入所述给料仓。
(3)、对所述给料仓内的物料进行脱气处理，使所述给料仓内的负压保持在2.5kPa～3kPa；
(4)、使所述给料仓内物料的温度保持在70℃～75℃、水分含量调节为2wt～3wt％；
(5)、将所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约11～12t/cm，以得到成型压块料。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)94.3％。
对比例1
向新疆哈密煤中喷洒水以调节其水含量至12wt％，然后将新疆哈密煤粉碎至平均粒度为8.1μm，以得到煤粉。将所得煤粉送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约11～12t/cm，以得到成型压块料。
检测成型压块料强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)90.4％。
对比例2
将新疆哈密煤破碎至10mm以下的颗粒，加入10wt％的煤沥青，粉碎过筛制备成粒径在64μm～80μm的煤粉。将所得的煤粉送入成型设备在进行成型，成型时对辊间线压力约为11～12t/cm，以得到成型压块料。
检测成型压块料强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)85％。
对比例3
将新疆哈密煤粉碎过筛制备成粒径在64μm～80μm的煤粉，加入30wt％的煤焦油。在搅拌机中搅拌均匀后，进入压条机，制备成标准尺寸型煤。于20℃下晾干48小时，然后于200℃下烘干2小时。
检测型煤强度，滚筒强度(GB/T7702.3-2008)91.8％。
实施例6-10
分别将实施例1-5制备的型煤造粒、氧化、炭化和活化处理，其中，所述型煤通过造粒得到粒径在6.7mm～8mm之间的粒料。
所述粒料的氧化条件为：在电加热外热式转炉中通入氮气与氧气的混合气体。控制氧含量在8vol％左右，于220℃反应4h。炭化条件为：在电加热外热式转炉中与500℃下的流动状氮气中焙烧4h而使所述粒料炭化。活化条件为：活化剂，即流速为1.5千克蒸汽/千克炭化颗粒的流动蒸汽存在下，使转炉中的炭化颗粒在900℃下活化4小时，得到活性炭产品。
对上述活性炭分别进行表征，具体见表1。
表1

Claims (12)

1.一种煤基压块活性炭的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
I、将原料煤经过成型过程制成型煤，所述成型过程包括：
a、将原料煤进行粉碎以得到煤粉的步骤，所述煤粉的平均粒径不小于20μm，其中，粒径不大于80μm的煤粉含量不小于90wt％；粒径为40μm～80μm的煤粉含量不小于10wt％；
b、将步骤a得到的煤粉送入压块成型设备的给料仓内，并对所述给料仓内的物料进行脱气处理的步骤；
c、使所述给料仓内物料的温度为50℃～100℃、水分含量为2wt％～8wt％的调节步骤；和
d、将所述给料仓内的物料送入成型设备进行成型，以得到型煤的步骤；
II、将步骤I得到的型煤破碎造粒，然后进行炭化处理和活化处理，以制得活性炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成型过程还包括e、将部分型煤破碎至粒径为不大于3mm，优选0.5～2.5mm的煤颗粒，并将占所述给料仓内的煤粉质量10wt％～40wt％的煤颗粒送入所述给料仓的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤d中，所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入所述成型设备；优选地，所述成型设备为对辊压块成型机。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成型过程还包括f、在原料煤粉碎前进行配煤，以使所述原料煤的可磨系数不小于55％，优选为60％～80％的步骤。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成型过程还包括g、在所述煤粉进入给料仓前，将所述煤粉送入搅拌仓进行搅拌、预脱气的步骤，以使预脱气后的煤粉的密度为0.6kg/L～0.8kg/L。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，利用双螺杆给料机或星型阀将所述搅拌仓内的煤粉送入所述给料仓。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤a所得的煤粉中，粒径不大于80μm的煤粉含量不小于95wt％；粒径不大于40μm的煤粉含量不小于70wt％。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤b中，所述给料仓内压力为负压，其负压为0～3kPa，优选为2.5kPa～3kPa。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤c中，使所述给料仓内物料的温度为70℃～85℃、水分含量为2wt％～6wt％。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，破碎造粒后物料在进行炭化处理之前首先进行氧化处理，所述氧化处理条件为：在200℃～250℃下用含氧量为8～15vol％的氮气与空气的混合气作为氧化剂对物料进行氧化处理1.5～4小时。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，炭化处理条件为：温度300～500℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间1.5～4小时。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，活化处理条件为：以水蒸气作为活化介质、于850℃～950℃下进行活化反应，反应时间为3～8小时。
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