CN106044766A - 一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：利用不粘煤、强粘结性煤为原料进行配煤并与沥青、强碱性化合物混合、粉碎以得到原料煤，其中，以所述原料煤的总重量计，所述不粘煤的用量为80wt％‑90wt％，强粘结性煤的用量为5wt％‑15wt％，沥青的用量为3wt％‑7wt％，强碱性化合物的用量为0.2wt‑1wt％；将所述原料煤压块成型、造粒，得到煤颗粒；以及对所述煤颗粒进行氧化处理、炭化处理和活化处理，以制得活性炭。本发明利用一定量的不粘煤与强粘结性煤配煤制备活性炭，在使活性炭产品在具有高堆比重的同时也保持较高的吸附性，解决了以解决传统方法制备煤质压块活性炭时难以兼顾活性炭吸附性与堆比重的问题。

Description

一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法

技术领域

本发明属于活性炭制备领域，涉及一种具有高吸附性、高堆比重的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，对活性炭的吸附性能提出了新的、更高的要求。

活性炭按照形态来分，包括成型活性炭和粉状活性炭，其中粉状活性炭相比于成型活性炭具备较大的吸附性(碘值和/或亚甲蓝值)，但是由于其粉状形态，限制了应用领域。

另外，制备活性炭的原料有煤炭、木质材料或果壳等，其中，以果壳为原料制备的果壳活性炭常用于水处理中，木质活性炭或果壳活性炭等由于原料来源容易受限，难以长期大规模生产，而随着社会的发展，水污染成分也日益复杂，大分子化工有机污染物逐渐增加，社会对水处理活性炭的需要日益增大，导致果壳活性炭难以满足社会需求。

中国煤炭资源丰富，产量大，来源可靠，煤基压块活性炭的产量逐年增加，然而，常规工艺生产的煤基压块活性炭其吸附性较差，为提高其吸附性，通常需要对煤基压块活性炭进行深入活化，然而往往无法在满足其吸附性(碘值)的基础上保证产品堆比重。一般吸附性越高，堆比重越低，例如，常规工艺生产的压块活性炭，碘值>1050mg/g时，堆比重一般小于450g/l。

另一方面，目前常见的水处理装置和空气净化装置中活性炭储罐的体积都是一定的，因此装填同样吸附指标的活性炭产品，而对于堆比重较低的活性炭，其单位体积的吸附效果及使用时间同样会相对较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法，以解决传统方法制备煤质压块活性炭时难以兼顾活性炭吸附性与堆比重的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:

一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：

a、利用不粘煤、强粘结性煤为原料进行配煤并与沥青、强碱性化合物混合、粉碎以得到原料煤，其中，以所述原料煤的总重量计，所述不粘煤的用量为80wt％-90wt％，强粘结性煤的用量为5wt％-15wt％，沥青的用量为3wt％-7wt％，强碱性化合物的用量为0.2wt-1wt％；

b、将所述原料煤压块成型、造粒，得到煤颗粒；

c、对所述煤颗粒进行氧化处理、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，步骤a为利用不粘煤与强粘结性煤为原料进行配煤并与沥青和强碱性化合物混合、粉碎以得到原料煤，具体配煤和粉碎过程为本领域所熟知，可以使一定量的不粘煤、强粘结性煤、沥青和强碱性化合物混合均匀并粉碎至较小的颗粒尺寸，例如过170目、180目或200目筛(泰勒标准筛)。研究发现，当采用上述原料并以上述比例配煤时，有利于在保证压块活性炭吸附性的同时提高其堆比重，优选地，所述原料煤中，所述不粘煤的用量为85wt％-90wt％；所述强粘结性煤的用量为5wt％-10wt％；所述沥青的用量为4wt％-6wt％；所述强碱性化合物的用量为0.4wt％-0.8wt％。

本发明制备活性炭的原料以不粘煤这一年轻煤种为主，并添加强粘结性煤以及作为粘结剂的沥青，从而以多煤种替代单一煤种，实现不同煤种的配煤。所述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。在本发明中，优选地，所述不粘煤的粘结指数为≤2，进一步优选地，所述不粘煤的视密度不小于1.30g/cm³，更优选为不小于1.35g/cm³，在源头上就保证其具有一定的堆比重，所述不粘煤可以选自新疆乌鲁木齐宽沟不粘煤或新疆哈密保利煤。

通常高堆比重的原煤，由于内部结构密度较大，不利于后期加工，而本发明采用配煤技术，加入部分强粘结性煤的原料，可在不降低其对比重的基础上提升反应活性，很好的解决了这一矛盾，优选地，所述强粘结性煤的粘结指数为70-90，更优选地，所述强粘结性煤的CO₂反应性大于90％，优选95～100％，以更好的与不粘煤配合，使活性炭产品在具有高堆比重的同时也保持较高的吸附性。所述强粘结性煤选自气肥煤和/或焦煤，例如新疆准东红山洼气肥煤或新疆富康顺通焦煤。

在本发明中，加入沥青则能保证在压块工段具有一定的初始强度，所述沥青可以是煤焦油沥青、石油沥青、煤直接液化沥青或高温改质煤沥青等；优选地，所述沥青的软化点>105℃，更优选为高温改质煤沥青。

在本发明中，将配好的原煤中加入强碱性化合物，有利于从内部发生造空反应，从而与强粘结性煤相配合，使活性炭产品在具有高堆比重的同时也保持较高的吸附性。在本发明中，所述强碱性化合物为碱金属的氢氧化物，优选为氢氧化钾和/或氢氧化钠。

在本发明的一个优选实施方式中，对原料煤进行粉碎以得到具有特定粒度分布的煤粉，其中，粉碎后的原料煤的平均粒径不小于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％。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，保证成型强度的同时具有良好的初始空隙分布。优选地，所述原料煤中，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。

需要说明的是，如果上述不粘煤和/或强粘结性煤的灰分超标，使得最终活性炭产品的灰分不符合要求时，本领域技术人员容易想到在配煤前对上述不粘煤和/或强粘结性煤的灰分进行控制，例如通过洗选脱灰等处理使所述无烟的灰分小于3％，当然具体的控制程度以最终活性炭产品的灰分可以符合要求为准，例如小于10％。这一点为本领域所熟知，这里不再赘述。

在本发明中，步骤b为对上述原料煤进行压块成型、造粒，以得到煤颗粒。在煤基压块活性炭的制备中，对煤粉进行成型以及破碎造粒的处理为本领域的常规处理过程，例如利用对辊压块成型机进行煤粉成型，例如采用破碎机进行破碎，然后筛分得到一定粒径范围的煤颗粒，其具体过程为本领域所熟知，在一种实施方式中，所述原料煤的压块成型压力为10-15t/cm；所述的造粒包括破碎和筛分，以得到粒径在1mm-10mm，更优选3mm-8mm之间的煤颗粒。优选地，步骤b中，压块成型所得的压块煤的堆重比为660g/L-720g/L，例如670或700g/L，可以通过控制成型压力、温度或优选通过返料成型的方式控制压块煤的堆重比，其中所述返料成型方式为将部分压块成型后的压块煤破碎为粒径不大于3mm，优选为0.5-2.5mm，例如1mm或2mm的煤颗粒，并将占所述原料煤质量10wt％-30wt％，优选15wt％-25wt％的煤颗粒返回与所述原料煤混合均匀，以用于压块成型。研究发现，上述煤颗粒在和原料煤混合后用于步骤b中的压块成型时，在压块过程中可以更好地成为压块煤骨架的核心，从而在保证压块煤强度和堆比重的基础上，进一步有利于活性炭内部颗粒的优化集配，保持丰富的空隙，有利于后续活化剂的进入，从而使活性炭产品在具有高堆比重的同时也保持较高的吸附性。

在本发明中，步骤c为对所述煤颗粒进行氧化处理、炭化处理和活化处理，以制得活性炭；对造粒所得煤颗粒进行氧化处理、炭化处理和炭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。在本发明中，所述氧化处理的条件可以为：在200℃-260℃下，例如230-250℃下，对物料进行氧化处理3-6小时，氧化气氛中氧含量为8-14vol％，例如以氮气与空气的混合气作为氧化剂形成氧化气氛，以使物料的氧化控制在较轻的程度，使部分氧结合于煤中，加快活化反应速率。

所述炭化处理的条件可以为：温度400-450℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间3-5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；优选地，炭化时，将物料从250℃以1-3℃/min升温速率升温至450℃-500℃。

在本发明中，所述活化处理的条件为：：以水蒸气作为活化介质、于850℃～950℃、优选900℃～920℃下进行活化反应，反应时间为4～6小时，比如5h或5.5h，活化介质用量可以为炭化料重量的3-4倍，例如3.2或3.5倍。

与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下优点：

1、本发明利用一定量的不粘煤与强粘结性煤配煤制备活性炭，很好地结合了上述原料的性质以及相互之间的配合作用，与传统的煤基压块活性炭相比，在使活性炭产品在具有高堆比重的同时也保持较高的吸附性，解决了以解决传统方法制备煤质压块活性炭时难以兼顾活性炭吸附性与堆比重的问题；根据本发明生产的煤基压块活性炭，在碘值>1050mg/g时，可保证堆比重大于550mg/g。

2、采用本发明生产的活性炭产品，在保证吸附性的基础上，可延长活性炭更换时间、减少更换频次，提高经济效应。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步说明，但本发明并不仅限于这些实施例。

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；

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，所用化学试剂为分析纯；

实例1

所述不粘煤为乌鲁木齐宽沟煤矿原煤，收到基挥发分32.27，视密度1.37g/cm³，粘结指数0。强粘结性煤为准东红山洼气肥煤，CO₂反应性大于95％。所述沥青为河北邯郸宝利化工出产的高温改质煤沥青，其软化点为113-118℃。强碱性化合物为氢氧化钾。

原料煤中，不粘煤含量为90wt％、强粘结性煤含量为5wt％、沥青含量为4.5wt％、氢氧化钾含量为0.5wt％。将原料煤粉碎、筛分至平均粒径为29μm的煤粉，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％。

利用压块成型机对原料煤进行压块成型，成型压力约为13t/cm，通过返回料方式将约为原料煤重量30％的粒径为1mm-3mm的煤颗粒返回压块，压制出的物料堆比重690g/l，强度92.8。

得到的压块料经初级破碎和次级破碎后筛分，合格的粒料依次进行氧化处理和炭化处理活化处理，其中氧化处理条件为：在电加热外热式转炉中以氧含量11％的空气和天然气燃烧后的尾气混合气体作为氧化剂在230-250℃下对粒料进行为时3h的氧化处理；炭化处理条件为：在电加热外热式转炉中将物料从250℃以1.5-2℃/min升温速率升温至480℃-520℃，保温3小时进行炭化处理，炉内气氛中氧浓度控制在低于5vol％。活化处理条件为：以水蒸气作为活化介质，使转炉中的炭化颗粒在900-920℃下活化5小时，活化介质的用量为炭化料质量的3-3.5倍，得到活性炭产品。制成的活性炭的各项指标如下：产品碘值1076，强度97，堆比重572。

实施例2

与实施例1的不同之处在于：所述不粘煤为哈密保利煤矿原煤，干燥无灰基挥发分35.54，粘结指数2，视密度1.35g/cm³。强粘结性煤为新疆富康顺通焦煤，CO₂反应性大于95％。

原料煤中，不粘煤含量为85wt％、强粘结性煤含量为10wt％、沥青含量为4.5wt％、氢氧化钾含量为0.5wt％。压制出的物料堆比重670g/l，强度93.3。

制成的活性炭的各项指标如下：产品碘值1091，强度96.87，堆比重557。

实施例3

与实施例2的不同之处在于：压块前，粉碎后的原料煤筛分至平均粒径为22μm的煤粉，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％。压制出的物料堆比重700g/l，强度93.1。

制成的活性炭的各项指标如下：产品碘值1092，强度96.32，堆比重568。

对比例1

与实施例2的不同之处在于，原料煤中不含强粘结性煤，其中，不粘煤含量为92wt％,、沥青含量为7wt％、氢氧化钾含量为1wt％。

制成的活性炭的各项指标如下：产品碘值985，强度96.32，堆比重542。

Claims (10)

1.一种具有高吸附性、高堆比重的煤基压块活性炭的制备方法，所述方法包括以下步骤：

a、利用不粘煤、强粘结性煤为原料进行配煤并与沥青、强碱性化合物混合、粉碎以得到原料煤，其中，以所述原料煤的总重量计，所述不粘煤的用量为80wt％-90wt％，强粘结性煤的用量为5wt％-15wt％，沥青的用量为3wt％-7wt％，强碱性化合物的用量为0.2wt-1wt％；

b、将所述原料煤压块成型、造粒，得到煤颗粒；

c、对所述煤颗粒进行氧化处理、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，所述强碱性化合物为碱金属的氢氧化物，优选为氢氧化钾和/或氢氧化钠。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述原料煤中，所述不粘煤的用量为85wt％-90wt％；所述强粘结性煤的用量为5wt％-10wt％；所述沥青的用量为4wt％-6wt％；所述强碱性化合物的用量为0.4wt％-0.8wt％。

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，所述不粘煤的粘结指数为≤2，所述强粘结性煤的粘结指数为70-90，所述沥青选自煤焦油沥青、石油沥青、煤直接液化沥青和高温改质煤沥青中的一种或多种，软化点不小于105℃。

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，所述不粘煤的视密度不小于1.30g/cm³；所述强粘结性煤的CO₂反应性95～100％；所述沥青为高温改质煤沥青。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤a中，粉碎后的原料煤的平均粒径不小于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％；

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％。

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b中，压块成型所得的压块煤的堆重比为660g/L-720g/L。

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c中，氧化处理条件为：在200℃-260℃下对物料进行氧化处理3-6小时，氧化气氛中氧含量为8-14％。

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，炭化处理条件为：温度450-500℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间3-5h。

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c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，活化时间为4-6小时。