CN110980726A - 一种生物质基活性焦及其制备方法 - Google Patents

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尹怀刚
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Abstract

本发明公开了一种生物质基活性焦及其制备方法。该活性焦的制备方法包括如下步骤：对生物质原料进行破碎、粉磨及干燥，获得一定含水率的生物质粉末；将所述生物质粉末与黏合剂混合均匀得到混合料；通过压力成型机将所述混合料压制得机制生物质颗粒；在无氧或低氧环境下，将所述生物质机制颗粒经炭化、冷却后得到活性焦。本发明具有工艺简单、成本低、能耗小，且活性焦产品具有高强度、低灰分、高吸附性、优良的脱硫脱硝效果等特点。

Description

一种生物质基活性焦及其制备方法
技术领域
本发明属于活性焦技术领域，特别是涉及一种生物质基活性焦及其制备方法。
背景技术
活性炭(Activated Charcoal)是由木质、煤质和石油质等含碳的原料，经炭化、活化加工制备而成。具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积(800～1500m2/g)和丰富的表面化学基团，特异性吸附能力较强的炭材料的统称。由于活性炭具有优异的吸附特性，使其广泛应用于工业、农业、国防、交通、医药卫生、环境保护剂尖端科学等领域。虽然活性炭具有许多优点，但由于其原料来源，特别是工艺条件要求较高，因此其价格昂贵；且活性炭的机械强度低、易粉碎，特别是在再生过程中，由于活性炭的粉碎，使其孔隙堵塞，失去活性。这些都限制了活性炭的推广和应用。为了克服这些缺点，应寻找一种保留活性炭优点的吸附剂，这种吸附剂应具有良好的吸附性能，机械强度高，在使用过程中不易粉碎，价格低，具有实际应用的可能；并具有一定形状，便于应用。
活性焦(Activated Coke)是一种多孔的含碳物质，是没有得到充分干馏或活化的活性炭类吸附剂。活性焦的结构与活性炭的类似，具有吸附性能和催化性能，同时具有物理和化学上的稳定性，除了高温下，同氧反应或同臭氧、氯气、重铬酸盐等强氧化剂反应外，在实际使用条件下都极为稳定。但是，与活性炭相比，活性焦的比表面积较小(200～600m2/g)，综合强度(耐压、耐磨损、耐冲击)较高。活性焦在空气污染控制、水处理等领域替代活性炭，不仅在技术上可行，而且在经济上，因资源优势的存在，生产成本及生产得率均比活性炭有较为明显的优势，致使生产成本不到活性炭的50％，从而活性焦成为高性价比的产品。
传统活性焦的制备方法是以煤为原料，通过磨粉、使用煤焦油、木焦油、各类沥青等作为黏合剂，混合后经成型、炭化、活化、改性等一系列工艺而成。由于使用煤为原料。工艺过程中的炭化、活化工艺所需时间较长，原料种类较多、设备结构复杂，因而能耗和成本较高；原煤中含有的N、S等元素是造成环境污染的主要来源，并且煤作为不可再生能源，将面临着枯竭等问题。
生物质能源是以农林业等有机废弃物、畜禽粪便、生活垃圾等为原料生产的可再生性清洁能源。从生物质生态循环角度，其能源利用可实现二氧化碳的零排放，生物质原料几乎不含硫，使用生物质原料将显著减少二氧化硫等有害气体排放。中国生物质能资源丰富，据统计数据显示，中国每年农作物秸秆资源量达8亿多吨，可能源化利用量约为3亿吨，折合1.5亿吨标准煤；可能源化利用的林业剩余物资源约为1亿吨，折合5000万吨标准煤，因此，生物质能开发利用产业具有广阔的发展前景。
目前，利用生物质基原料制备活性焦的方法尚未报道，而已有的仅是生物质活性炭，即对综合强度没有太高要求的场合才被应用。本发明采用特定的工艺方法，制备得到了高性能的活性焦产品，从而填补了利用生物质基原料制备活性焦的技术空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物质基活性焦及其制备方法。本发明具有工艺简单、成本低、能耗小，且活性焦产品强度高、灰分含量低、吸附性高及脱硫脱硝效率高等优点。
为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：
一种生物质基活性焦的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：对生物质原料进行破碎、粉磨及干燥，获得一定含水率的生物质粉末；
步骤二：将步骤一所述生物质粉末与黏合剂混合均匀得到混合料；
步骤三：通过压力成型机将步骤二所述混合料压制得机制生物质颗粒；
步骤四：在无氧或低氧环境下，将步骤三所述机制生物质颗粒经炭化、冷却后得到活性焦。
进一步的，所述的生物质原料包括农林业加工剩余物或禽畜粪便；优选的，所述农林业加工剩余物包括农作物秸秆、花生壳、玉米芯、稻壳、椰壳、甘蔗渣、木加工边角料和竹加工边角料中的一种或多种。
进一步的，所述对生物质原料进行破碎和粉磨，具体是指将生物质原料破碎及粉磨至粒度≤5mm的生物质粉末。
进一步的，在所述对生物质原料进行破碎和粉磨步骤之前，先对所述生物质原料进行干燥，或者在所述对生物质原料进行破碎和粉磨步骤之后，对所述生物质粉末进行干燥；最终生物质粉末的含水率≤30％。
进一步的，所述黏合剂包括有机黏合剂和/或无机黏合剂；优选的，所述黏合剂包括煤焦油、木焦油、沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、聚丙烯酸钠、木质素、木质素磺酸盐、海藻酸盐、水玻璃、黄原胶、阿拉伯胶、黄糊精、纤维素类及淀粉类中的一种或多种。
进一步的，步骤二混合时的加热温度控制在室温～120℃。
进一步的，所述的混合料中生物质粉末与黏合剂的质量比为100：(5～100)。优选的，所述生物质粉末与黏合剂的质量比为100:(30～70)。
进一步的，所述的成型机包括螺杆挤出成型机、活塞冲压成型机、平/环磨成型造粒机和对辊挤压式成型机中的任意一种。
进一步的，所述的无氧或低氧环境是指：惰性气体保护环境，或者由炭化过程产生的尾气回收后输入炭化炉以维持无氧或低氧环境，其中惰性气体包括氮气、氦气和氩气中的至少一种。
进一步的，所述步骤四的炭化升温速率为2～30℃/min，炭化终温为300～900℃。
进一步的，所述步骤四在炭化终温时保持的炭化时间为0～3h。
进一步的，所述步骤四冷却方式包括自然冷却、风冷和水冷中的至少一种。
本发明进一步提供一种由前述方法制备得到的活性焦。
进一步的，所述活性焦的耐压强度为40-50dN，耐磨强度为98％以上。
本发明具有以下技术特点：
1)本发明采用特定的工艺方法，最终制备得到了高性能的活性焦产品，填补了利用生物质基原料制备活性焦的技术空白。
2)本发明以可再生的生物质能源替代不可再生的原煤作为原料，有效地缓解了能源供需矛盾；同时采用生物质清洁能源作基质，减少了氮氧化物、硫氧化物等造成的环境污染。
3)本发明从生物质原料出发，经一次炭化直接制备得到高性能的活性焦，无需先经炭化得到生物质炭，再经成型，二次炭化及活化等步骤而制备活性焦，该工艺具有制备时间短、能耗低的优点。
4)本发明的活性焦具有综合强度高、吸附性能好、灰分含量低及脱硫脱硝效果佳的优点。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
除非另作定义，本公开所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明具体实施例的生物质活性焦的制备工艺流程图如图1所示。
实施例1
步骤一：将竹加工边角料破碎并粉磨至粒度≤3.0mm的竹粉，然后干燥至含水率低于25％；
步骤二：取上述竹粉100份，木质素磺酸钠35份、羧甲基纤维素15份及水溶性淀粉10份于混合器中，于室温下混合均匀；
步骤三：将上述混合均匀的混合料，通过平磨造粒机制得机制竹颗粒；
步骤四：在氮气气氛保护下，将上述机制竹颗粒，以炭化升温速率为2℃/min，炭化终温为600℃，待到炭化终温时保持的炭化时间为3.0h；炭化结束，自然冷却后得到活性焦；
经本方法制得的活性焦呈柱状颗粒，测得耐压强度为41dN，耐磨强度为98％，着火点为437℃，灰分含量为3.7％，脱硫值为63mg/g，脱硝率为58％。
实施例2
步骤一：将椰壳破碎并粉磨至粒度≤1.25mm的椰壳粉，然后干燥至含水率低于5％；
步骤二：取上述椰壳粉100份、酚醛树脂25份及木质素25份于混合器中，于常温下混合均匀；
步骤三：将上述混合均匀的混合料，通过螺杆挤出成型机制得机制椰壳颗粒；
步骤四：在氮气气氛保护下，将上述机制椰壳颗粒，以炭化升温速率为10℃/min，炭化终温为750℃，待到炭化终温时保持的炭化时间为2.0h；炭化结束，自然冷却后得到活性焦；
经本方法制得的活性焦呈柱状颗粒，测得耐压强度为45dN，耐磨强度为99％，着火点为452℃，灰分含量为1.9％，脱硫值为67mg/g，脱硝率为61％。
实施例3
步骤一：将木加工边角料破碎并粉磨至粒度≤0.83mm的木粉，然后干燥至含水率低于10％；
步骤二：取上述木粉100份、聚丙烯酸钠5份、黄糊精15份及熔融成液态的高温煤焦油35份于混合器中，控制加热温度为100±5℃下混合均匀；
步骤三：将上述混合均匀的混合料，通过平膜造粒机造粒成型得到机制木颗粒；
步骤四：在氮气气氛保护下，将上述机制木颗粒，以炭化升温速率为15℃/min，炭化终温为900℃，待到炭化终温时保持的炭化时间为1.5h；炭化结束，自然冷却后得到活性焦；
经本方法制得的活性焦呈柱状颗粒，测得耐压强度为47dN，耐磨强度为99％，着火点为464℃，灰分含量为2.6％，脱硫值为73mg/g，脱硝率为65％。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。

Claims (10)

1.一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对生物质原料进行破碎、粉磨及干燥，获得一定含水率的生物质粉末；
步骤二：将步骤一所述生物质粉末与黏合剂混合均匀得到混合料；
步骤三：通过压力成型机将步骤二所述混合料压制得机制生物质颗粒；
步骤四：在无氧或低氧环境下，将步骤三所述机制生物质颗粒经炭化、冷却后得到活性焦。
2.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述对生物质原料进行破碎和粉磨，具体是指将生物质原料破碎及粉磨至粒度≤5mm的生物质粉末。
3.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，在所述对生物质原料进行破碎和粉磨步骤之前，先对所述生物质原料进行干燥，或者在所述对生物质原料进行破碎和粉磨步骤之后，对所述生物质粉末进行干燥；最终生物质粉末的含水率≤30％。
4.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述黏合剂包括有机黏合剂和/或无机黏合剂。
5.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述的混合料中生物质粉末与黏合剂的质量比为100：(5～100)。
6.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述的无氧或低氧环境是指：惰性气体保护环境，或者由炭化过程产生的尾气回收后输入炭化炉以维持无氧或低氧环境，其中惰性气体包括氮气、氦气和氩气中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述步骤四的炭化的升温速率为2～30℃/min，炭化终温为300～900℃。
8.根据权利要求1所述的一种生物质基活性焦的制备方法，其特征在于，所述步骤四在炭化终温时保持的炭化时间为0～3h。
9.一种由权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的活性焦。
10.根据权利要求9所述的活性焦，其特征在于，所述活性焦的耐压强度为40-50dN，耐磨强度为98％以上。
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