CN106495153B - 生产碳材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了生产碳材料的方法，由生活垃圾热解炭化和进一步改性制备炭材料，该炭材料可以用作吸附剂。本发明方法制得的炭材料成本低，吸附效果好。

Description

生产碳材料的方法

技术领域

本发明属于炭材料生产技术领域，具体涉及由生活垃圾热解炭化制备炭材料、尤其是活性炭的方法。

背景技术

活性炭是一种多孔性的含炭物质，它具有高度发达的孔隙构造，具有很高的比表面积，是一种极优良的吸附剂和催化剂载体。而其吸附作用是通过物理性吸附力与化学性吸附力达成。其组成物质除了炭元素外，尚含有少量的氢、氮、氧等元素，其结构则为炭形成六环物堆积而成。由于六环炭的不规则排列，使得活性炭具有多微孔体积及高表面积的特性。

城市生活垃圾通常是指城市固体废弃物，是城市居民在日常生活或为城市日常生活提供服务的活动中所产生的固体废弃物，其主要成分包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃陶瓷碎片、砖瓦渣土、粪便、废家用什具、废旧电器和庭院废物等。随着经济快速发展，城市化进程持续加快，使得城市的数量和城市的规模也不断地发生变化，发生膨胀，由于城市中的居住人口和城市面积急剧增大，城市生活垃圾总量随之大幅度增加。

目前，我国城市生活垃圾的年产量高达1.8亿吨，城市人均垃圾年产量约为440公斤，且每年以超过10％的速度迅猛增加，预测到2030年，中国城市生活垃圾年产量将达到4.09亿吨。大中城市，尤其是特大城市的人均垃圾产生量相对较高，其增长速率到达20％左右。

如果对这些垃圾不能妥善的处理和处置，那其中的有毒有害物质(重金属、病原微生物等)就会通过一定的环境介质如土壤、大气、地表或地下水进入生态系统中并形成污染。这不仅会破坏生态环境，导致不可逆的生态变化，而且还会对动植物安全以及人类的健康造成危害。

目前垃圾处理只能通过焚烧处理来减少垃圾容量。焚烧处理法会产生二噁英等各种危害环境的污染物质，安全的垃圾焚烧处理设备价格高、投资规模大，焚烧处理只能通过处理费用来维持运营，一般垃圾中树脂、塑料类占10％左右，剩下的就是餐厨、纸、木片等。

CN103949214A公开了一种以中药渣为原料的重金属吸附活性炭，其是将中药渣按根茎残渣质量百分含量分类后分别经高温炭化及水蒸汽活化，再混合后与过氧化氢进行氧化反应，然后经甲基丙烯酸进行改性及利用交联剂固化，最后烘干、粉碎制备而成。

CN104150480A公开了一种吸附重金属用超高比表面积活性炭的制备方法，通过将生物质原料干燥、粉碎至60～100目后放入微波反应器中，通入N₂，控制微波功率、碳化温度进行微波碳化，微波碳化50～100min后，冷却得炭化料。取炭化料与有机醇盐活化剂按1:1～10的质量比研磨混合均匀后，放入气氛炉中升温至800～1000℃并保温100～300min，冷却至室温取出，经盐酸洗后，再水洗至中性，干燥，即得活性炭。

CN102746903A公开了一种把生活垃圾干馏-气化炉分割成多个标准干馏处理单元，根据不同处理能力的需要，组合成大型的生活垃圾干馏-气化炉，标准干馏处理单元为立方形炉体，上方设置垃圾的干馏段和干燥段，利用垃圾处于无氧状态下先把垃圾干馏，分解出干馏煤气和碳化物残渣，碳化物在下方燃烧层燃烧产生高温，以水蒸汽和空气作气化剂，还原层高温状态下的碳化物把燃烧产生的CO₂和水蒸气还原，生成气化煤气，就不产生二噁英；高温的气化煤气在上升的过程中把垃圾干馏段的垃圾加热、干馏，继续上升把干燥段的垃圾加烘干，把垃圾中的有机物转变为清洁燃气，收集干馏煤气和气化煤气进行利用，实现无二噁英、无废气排放。

CN104263388A公开了一种垃圾炭化反应系统包括反应釜、反应箱、蒸汽发生器和控制装置，其中，蒸汽发生器连接反应釜，所述蒸汽发生器用于向所述反应釜提供蒸汽；所述反应箱用于放置垃圾，当反应时，将所述反应箱推入所述反应釜反应生成碳化混合物，当反应完成后，将所述反应箱从所述反应釜中拉出。

CN102606236A公开了一种内置蒸汽管式垃圾处理废热发电系统，包括有垃圾气化炉和汽轮蒸汽发电装置，其中，汽轮蒸汽发电装置包括有蒸汽发生器、蒸汽排出管、蒸汽包、汽轮机和发电机，蒸汽包、汽轮机和发电机依次连接，所述蒸汽发生器设在垃圾气化炉内；蒸汽发生器是由上环形管、多个直管和下环形管构成的圆柱笼形结构，每个直管的两端分别和上环形管和下环形管相连通；所述上环形管与蒸汽排出管的一端连通，蒸汽排出管的另一端与蒸汽包相连通，所述下环形管上连通有进水管。

CN104976621A公开了一种生活垃圾热解气化炉，炉体由外向内包括焚烧炉外壳、耐火砖层、焚烧炉内胆；炉体底部设有排渣部件，水密封部件；其特征在于，炉体上部设有空气进气口、可燃气出口；炉体底部设有水蒸气进口；炉体顶部设有水蒸气出口；在耐火砖层和焚烧炉内胆之间设有一中空夹层；该夹层底部与炉体内底部连通，该夹层上部与可燃气出口连通；该夹层中设有空气进气通道，该空气进气通道上部与炉体上部所设的空气进气口连通，空气进气通道的下部与炉体内底部连通。

CN204325273U公开了一种以水蒸汽为气化介质的垃圾等离子体气化炉，包括上部的垃圾气化室与下部的高温水蒸汽发生室，垃圾气化室与高温水蒸汽发生室之间设置有间隔排列的水冷炉拱，水冷炉拱将垃圾气化室与高温水蒸汽发生室分开；所述高温水蒸汽发生室的内壁周向布置两个等离子体炬，采用低温水蒸汽作为等离子体炬的工作气体。

WO2011/000513A1公开了一种综合垃圾处理系统和方法，其包括可燃垃圾源的使用，用于从可回收材料中分离所述的可燃垃圾的分离器，用于将所述的可燃垃圾干燥以产生热解原料的真空干燥器和用于将所述的热解原料高温分解以生成焦炭和热解气体的热解器。

GB2006/002409A公开了一种用于处理垃圾的方法，所述方法包括：(i)(a)气化步骤，所述气化步骤包括在氧和蒸汽存在下在气化单元中处理所述垃圾，以产生废气和炭，或者(b)热解步骤，所述热解步骤包括在热解单元中处理所述垃圾，以产生废气和炭；和(ii)等离子体处理步骤，所述等离子体处理步骤包括在氧存在下和任选地在蒸汽存在下在等离子体处理单元中对所述废气和炭进行等离子体处理。

在“浅析城市生活垃圾的资源化处理方式”，章备，中国市政工程，2013年6月，第3期(总第166期)，53-55中，介绍了城市生活垃圾的处理已从传统的填埋、焚烧和生化处理方式逐步过渡至循环经济和资源化处理，并且介绍了生活垃圾封闭式低温炭化处理和有机质固废处理厂的项目建设，指出生活垃圾封闭式内循环低温炭化技术是一种固体生物质的热化学加工方法，该工艺产生高热值气态燃料，该技术资源化程度较高，部分垃圾渗滤液、喷淋水经过生化处理后也可达标排放。

在上述文献和其它现有技术中，对垃圾的综合利用程度不高，并且制得炭化物即炭材料产品品质较低，难以满足高标准的应用。因此需要一种能够使垃圾得到综合利用的资源化处理方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明人经过深入和系统研究，充分结合城市生活垃圾的组成，在整个垃圾处理的全流程工艺环节进行了全面研究和优化，提供了一种生产碳材料的方法。

在本发明的一方面，提供了一种生产碳材料的方法，该方法包括将城市生活垃圾热解得到的炭化物进行改性，制备炭材料。

优选地，所述热解得到的炭化物用碱进行改性。更优选地，所述碱为KOH。KOH以水溶液形式使用。KOH溶液的浓度优选为500-1000g/L。

所述改性优选通过以下方法进行：将制得的炭化物(即炭材料)用KOH水溶液进行浸渍，KOH的浓度为500-1000g/L，浸渍时间为16-30h，然后过滤，将浸渍后的炭材料在600-800℃的热解炉中热解1-2h，室温冷却过夜，然后用5-15％的HCl溶液洗涤除去碱性物质和杂质，接着用热水洗涤至pH呈中性，在98-105℃的温度下干燥至恒重。

该方法与一般的碱改性方法相比，使用了极高浓度的碱溶液，KOH能够与活性炭发生反应，使更多的不期望的有机物(例如分解不完全的纤维素物质)和挥发物释出，并且使活性炭的结晶度更高，从而使改性制得的炭材料在用作导电材料时，具有更高的导电性。不期望的有机物的释放还致使产生更大的孔隙率。在用本发明的方法进行炭材料的改性后，孔隙率(以碘吸附值表征)由原来的35.0-110mg/g，大幅度提高到610.5-1104.8mg/g。

与一般的热处理方法相比，本发明的改性方法得到的活性炭表现出很多不同特性，例如形貌、方向性和导电性，从图2明显可以看出，经改性后的活性炭与改性前相比，形貌主要为球形，并且性状比较均匀，基本不出现二次集聚。推测其原因，高浓度的KOH能够释放更多的副产物气体例如CO、CO₂，并且能够与炭芳香性基团反应，使产生芳香性的π体系更加沿水平方向分布。

经本发明方法改性后的活性，平均孔径为1.5-3.0nm，BET表面积为1000-1800m²/g，其中大孔表面积为900-1600m²/g，总孔体积为0.5-1.8cc/g，大孔体积占总孔体积的85％以上。

所述炭化物优选通过包括以下步骤的方法进行热解制备：(1)将作为废物的城市生活垃圾进行分拣预处理，除去垃圾中的不可燃固体物，然后将垃圾装入垃圾输运装置；(2)使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；(3)从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；(4)使该气体物流以气态形式通过催化剂床；(5)将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；(6)从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭材料即热解炭化物。

所述不可燃固体物可以包括渣土、玻璃、石块、陶瓷和金属。

高温蒸馏炭化装置可通过高温无氧蒸汽进行加热。

优选地，所述高温无氧蒸汽的温度为270-600℃。

所述高温无氧蒸汽中优选包含氮气。

本领域一般认为，垃圾制得的炭材料由于含有的杂质例如有机质过多，比表面积偏小，孔隙结构不合理，不能够用于高规格吸附剂的制备，只能用于普通吸附剂的制备。然而，本发明人经研究发现，本发明制得的炭材料能够非常良好的用于吸附剂的制备。推测其原因，在垃圾高温蒸馏炭化过程中，会产生酸例如HCl，其在高温蒸汽环境下对形成过程中的炭和最后制得的炭起到了良好的活化作用，同时，由于高温高压蒸汽的作用，有机质随蒸汽物料被充分除去，使炭材料中的有机质含量极低。

优选地，所述预处理还包括将除去渣土、玻璃、石块、陶瓷和金属后的垃圾进行粉碎。当然，本领域技术人员可以认识到，要去除的物质不限于渣土、玻璃、石块、陶瓷和金属，只要是不可炭化的无机或金属固体物等物质，都尽可能予以去除。

从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流优选以连续方式进行。

高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热。

所述高温无氧蒸汽的温度优选为250-600℃，更优选270-400℃，最优选300-350℃。所述高温无氧蒸汽的压力优选为0.2-1.0MPa。

优选地，其中所述高温无氧蒸汽中包含氮气。更优选地，氮气含量为10-80v.％，更优选20-60v.％。

就本发明而言，与现有技术中的单纯干馏相比，氮气的存在能够避免垃圾在碳化过程中发生燃烧，使产生的炭具有较高的热值。另外，与现有技术中纯粹的蒸汽气化相比，氮气的存在还可以增加加热介质热值，提高加热效率从而提高炭化效率，同时还可以节约蒸汽用量，更重要地，通过氮气的加入，可以为后续馏出物的催化提质提供所需的催化条件，例如调节所需的蒸汽分压，因为过高的蒸汽压会导致催化提质难以有效进行，氮气的加入可以降低气体物流即馏出物中的蒸汽分压。

本发明人发现，在现有的垃圾蒸汽处理技术中，往往忽略了针对垃圾的组成有选择性地选择蒸汽处理条件，忽略了垃圾组成的差异，导致垃圾处理效率较低。本发明人经过大量研究，根据不同的垃圾组成选择不同的蒸汽处理条件，获得了良好的蒸汽处理效果。特别地，选择如下高温蒸馏炭化处理条件：高温无氧蒸汽的温度为250-450℃，优选280-320℃；高温无氧蒸汽中的氮气含量为10-30v.％，优选10-20v.％；在高温蒸馏炭化装置中的停留时间为5-12h，优选6-10h。

在本发明中，发明人研究进一步发现，选择本发明的高温蒸馏炭化条件，是由于塑料橡胶类物质是高温蒸馏炭化过程中生物油的来源之一，相比较厨余垃圾和木草等成分，其对水蒸汽蒸馏炭化条件非常敏感，当其含量高时，需要应用较高的温度和水蒸汽使其分解，但是蒸馏炭化时间又不能过长，否则很容易使产生的生物油分解成小分子气体，导致生物油收率降低，并产生有害副产物。

当垃圾中有机类物质含量较高时，上述蒸汽处理条件特别有利于产生液体可燃物的产生；而有机类物质含量较低时，特别有利于炭材料的产生。

在一个优选实施方式中，所述催化剂床中的催化剂为炭负载的铁基催化剂。

在本发明的一个特别优选的实施方式中，本发明人经过大量研究，开发了一种能够有效地对从高温蒸馏炭化装置上部取出的气体物流中的生物油进行加氢提质的催化剂，该催化剂包含载体和负载在所述载体上的活性成分，其中载体优选为氧化铝，催化活性组分可以为Fe₂O₃与至少两种过渡金属以及至少一种贵金属的混合物。所述过渡金属选自Ni、Cu、Fe、Ce等，所述贵金属选自Pt、Pd、Ru等。

在一个特别优选的实施方案中，炭负载的催化剂可以为下式所示的催化剂：Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/Al₂O₃，其中Ni、Cu、Pd、Co、Fe的摩尔比为(1-2):(5-10):(0.1-0.5):(1-2):(10-20)，基于催化剂总重量计，Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃活性成分的含量为1-10％，优选2-8％，更优选5％。

生物油的成分通常比较复杂，主要可包括酸类、醛类、酮类、醇类、酚类、呋喃类、酯类、醚类和少量含氮化合物以及其他多功能化合物。由于生物油热稳定性差、酸性和腐蚀性强、含水量高、热值低以及不易与石油基产品互溶等特性，因此目前生物油只能实现初级应用例如用于工业窑炉和燃油锅炉等热力设备，不能替代石油产品直接应用于内燃机或涡轮机的燃烧，无法满足现代高品位的工业应用。为了提高生物油应用性，需要将其转变为高品位的液体燃料，达到运输燃料的要求，从而实现替代或部分替代石油产品，这就必须对生物油进行改性提质，使其化学组分由碳氢氧化合物转化为碳氢化合物。如何有效地对生物油进行提质的关键之一在于催化剂的开发。

研究发现，在本发明的上述催化剂中，Ni^δ+比常规的Mo^δ+具有更高的活性，Ni的使用可以高选择性地获得C6-C12烃(优选烷烃)，Cu的使用可以高选择性地获得C16烃(优选烷烃)，Ni、Cu的同时使用，惊奇地发现，还可以确保获得一定量的C18和C19烃，表面Ni、Cu的使用能够使生物油中的C-O键有效发生氢解反应。

与一般的生物质油提质不同，在本发明的气体物流中，含有较高比例的蒸汽，因此对催化剂的水热稳定性提出了非常高要求。常规的用于生物质油提质的催化剂不能用于本发明的气体物流的提质。铁催化剂是脱除植物基物料中氧的一种常见催化剂，然而铁催化剂遇水时失效，而钯催化剂遇水时虽然有效，但它除氧的效果不是很好，并且较为昂贵，而在铁中加入极少量的钯，可获得很好的协同作用。发明人研究发现，少量钯的加入有助于氢覆盖于催化剂中铁的表面，使反应加速，并防止水阻断反应，因而氢耗小，在活性、稳定性和选择性方面远远好于单独的铁催化剂，其催化寿命可提高2倍以上。

本发明人经研究还发现，Co的加入有利于降低催化活性组分的晶粒尺寸，使活性组分在载体中的分散度高，并且可以减少催化剂附聚，这对于提高催化活性组分的活性、选择性和稳定性有非常积极的意义。然而，如果Co量过大，则Co会覆盖加氢活性中心Ni、Cu等，从而降低催化剂的活性。

上述特别优选的催化剂在先前文献中尚未见报道，其是本发明针对从垃圾回收的气体物流和生物油的具体组成特点有针对性地设计的，取得了良好的提质效果。

该催化剂可以采用本领域常规的浸渍煅烧法进行制备。具体地，按上述比例称取一定量的前体盐如Ni(NO₃)₂、Cu(NO₃)₂、Pd(NO₃)₂、Co(NO₃)₂、Fe(NO₃)₃(或它们的水合物形式)和柠檬酸，加去离子水溶解，搅拌均匀，配成浓度为0.5-1.5mol/L的溶液，称取一定量的Al₂O₃(优选α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃的混合物，其二者重量比优选为1:3)放入反应容器中，将配好的溶液倒入反应容器内，置于带有搅拌器的恒温加热油浴装置内加热，在60-120℃温度下搅拌1h-10h，然后放入干燥箱中100℃-120℃干燥12h，随后将得到的催化剂前驱体置于马弗炉中于氮气气氛下在300℃-600℃煅烧1h-6h，然后在H₂存在下于200-300℃下还原活化，制得Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/Al₂O₃催化剂。

就本发明而言，所述气体物流优选基本不含二噁英。因在无氧状态下升温蒸馏，所以不会产生二噁英等有害物质，可以保护大气环境。这相比于普通的焚烧法具有很大的优势。

优选地，其中高温蒸馏炭化装置中使用的高温无氧蒸汽来自高压贯流蒸汽炉。

在本发明的另一方面，提供了根据前述方法获得的液体可燃物。优选地，所述液体可燃物中氧含量低于10重量％，优选低于5重量％，更优选低于2重量％。进一步地，该液体可燃物的高位热值大于40MJ/kg。

附图说明

图1是根据本发明的高温蒸馏炭化装置的俯视图；

图2是根据本发明实施例1获得的炭材料经改性后的SEM图。

具体实施方案

下面结合以下实施例和对比例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

选取来自北京市海淀区五路居垃圾压缩转运站的城市生活垃圾，所述垃圾的组成经检测如下表1所示：

表1：城市生活垃圾成分组成

通过以下步骤对上述垃圾进行高温蒸馏炭化：通过垃圾分选机例如比重分选机除去垃圾中的渣土、玻璃、石块、陶瓷和金属后，将垃圾装入垃圾输运装置，然后将垃圾粉碎；使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；使该气体物流以气态形式通过催化剂床；将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭材料。所述高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热，高温无氧蒸汽的温度为320℃，高温无氧蒸汽中的氮气含量为12v.％，处理平均时间为8.0小时。将制得的炭材料用800g/L的KOH水溶液进行浸渍，浸渍时间为24h，然后过滤，将浸渍后的炭材料在800℃的热解炉中热解2h，室温冷却过夜，然后用10％的HCl溶液洗涤除去碱性物质和杂质，接着用热水洗涤至pH呈中性，在100℃的温度下干燥至恒重。经检测，碘吸附值为1002.5mg/g。

对比例1

重复实施例1的操作，不同之处在于制得的炭材料不进行改性。碘吸附值为102.3mg/g，

由上述实施例和对比例可以看出，本发明方法获得的炭材料经改性后具有明显提高的碘吸附值，能够很好地满足对孔隙率有较高要求的活性炭应用。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (4)

1.生产碳材料的方法，该方法包括将城市生活垃圾热解得到的炭化物进行改性，来制备炭材料，所述改性包括将制得的炭化物用KOH水溶液进行浸渍，KOH的浓度为500-1000g/L，浸渍时间为16-30h，然后过滤，将浸渍后的炭材料在800℃的热解炉中热解1-2h，室温冷却过夜，然后用5-15％的HCl溶液洗涤除去碱性物质和杂质，接着用热水洗涤至pH呈中性，在98-105℃的温度下干燥至恒重；所述碳材料的平均孔径为1.5-3.0nm，BET表面积为1000-1800m²/g，其中大孔表面积为900-1600m²/g，总孔体积为0.5-1.8cc/g，大孔体积占总孔体积的85％以上；

所述城市生活垃圾热解制备炭化物包括以下步骤：(1)将作为废物的垃圾进行分拣预处理，除去垃圾中的不可燃固体物，然后将垃圾装入垃圾输运装置；(2)使垃圾输运装置穿过高温蒸馏炭化装置；(3)从高温蒸馏炭化装置上部取出气体物流；(4)使该气体物流以气态形式通过催化剂床；(5)将来自催化剂床的流出物进行冷凝和分离，获得液体可燃物和水；(6)从穿过高温蒸馏炭化装置的垃圾输运装置获得炭材料即热解炭化物；

所述催化剂为下式所示的催化剂：Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃/Al₂O₃，其中Ni、Cu、Pd、Co、Fe的摩尔比为(1-2):(5-10):(0.1-0.5):(1-2):(10-20)，基于催化剂总重量计，Ni-Cu-Pd-Co₂O₃-Fe₂O₃活性成分的含量为1-10％。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不可燃固体物包括渣土、玻璃、石块、陶瓷和金属。

3.根据权利要求1所述的方法，其中高温蒸馏炭化装置通过高温无氧蒸汽进行加热。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述高温无氧蒸汽中包含氮气。