CN115974078A - 煤基压块活性炭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤基压块活性炭及其制备方法。该方法包括：将长焰煤和配焦煤混合，得到原料煤，按重量百分比计，包括75～95％的长焰煤和5～25％的配焦煤；将原料煤依次进行压块成型和造粒，得到煤颗粒依次进行氧化、炭化、活化处理，得到煤基压块活性炭。本发明利用长焰煤和配焦煤为原料进行配煤，经过造粒、氧化、炭化、活化处理后，得到了指标合格的煤基压块活性炭产品；利用特定配比的长焰煤和配焦煤进行配煤，通过配焦煤的引入提升活性炭强度，通过长焰煤的引入促进活性炭孔隙的发育，从而很好地结合了上述原料的性质与配合作用，可以保证活性炭产品能够兼顾高强度和良好的吸附性能。

Description

煤基压块活性炭及其制备方法

技术领域

本发明涉及活性炭制备技术领域，具体而言，涉及一种煤基压块活性炭及其制备方法。

背景技术

以纯长焰煤为原料制备的活性炭产品吸附性能优良，但产品强度低下；以纯配焦煤为原料制备的活性炭产品强度优良，即使活化很长时间，依然能保证产品强度大于95％，但产品的孔隙发育能力较弱，制得出的产品碘吸附值＜1000mg/g。其中，由于长焰煤内部煤化程度低，导致压块过程、氧炭化过程和活化过程的产品强度会逐渐下降，很少有人单独使用长焰煤生产活性炭。而配焦煤虽然具有一定的粘结性，能够提升产品强度，但不利于活化阶段的造孔反应，难以制备出吸附性能合格的产品。

专利CN 105858655 A公开了一种调节产品堆比重的煤基压块活性炭的制备方法，使用长焰煤和气肥煤组合制备活性炭；专利CN 105905898 A公开了一种高亚甲蓝值的煤基压块活性炭的制备方法，采用高活性长焰煤和粘结性气肥煤制备活性炭。但是，上述方案均使用强粘结性气肥煤，同时需要使用无烟煤或者沥青进行配比，原料复杂，成本较高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种煤基压块活性炭及其制备方法，以解决现有技术中压块活性炭制备时原料单一、无法兼顾高强度和良好的吸附性能的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤基压块活性炭的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将长焰煤和配焦煤混合，得到原料煤；步骤S2，将原料煤依次进行压块成型和造粒，得到煤颗粒；步骤S3，将煤颗粒进行氧化处理，得到氧化料；然后，将氧化料进行炭化处理，得到炭化料；步骤S4，将炭化料进行活化处理，得到煤基压块活性炭；其中，按重量百分比计，原料煤包括75～95％的长焰煤和5～25％的配焦煤。

进一步地，长焰煤的挥发分≥35wt％，灰分≤4wt％，粘结指数≥10。

进一步地，配焦煤的挥发分≤35wt％，灰分≤10wt％，粘结指数≥30。

进一步地，步骤S1中，还包括将原料煤进行磨粉的步骤；优选地，磨粉后的原料煤中，粒径＜44μm的原料煤的重量百分含量≥70％，更优选为75～80％。

进一步地，步骤S2中，压块成型的压力为20～30Mpa；优选地，煤颗粒的粒径为1～10mm，更优选为3～8mm。

进一步地，步骤S3中，以3～5℃/min的升温速率升温至200～255℃进行氧化处理，氧化处理的时间为2～4h；优选地，氧化处理的温度为240～255℃；更优选地，氧化处理过程在氧化气氛中进行，且氧化气氛中氧体积百分含量为6～12vol％。

进一步地，步骤S3中，以8～10℃/min的升温速率升温至500～555℃进行炭化处理，炭化处理的时间为2～3h；优选地，炭化处理过程在炭化气氛中进行，且炭化气氛中氧体积百分含量≤3vol％。

进一步地，步骤S4中，以≤20℃/min的升温速率升温至900～920℃进行活化处理，活化处理的时间为4～5h。

进一步地，步骤S4中，将炭化料升温至880～900℃后，再通入活化剂进行活化处理。

根据本发明的另一方面，提供了一种煤基压块活性炭，由本发明上述的制备方法得到，且煤基压块活性炭的滚筒强度＞93％，灰分＜13％，堆比重＞450g/L，亚甲蓝吸附值＞180mg/g，碘吸附值＞1000mg/g。

应用本发明的技术方案，利用长焰煤和配焦煤为原料进行配煤，经过造粒、氧化、炭化、活化处理后，得到了指标合格的煤基压块活性炭产品。本发明利用特定配比的长焰煤和配焦煤进行配煤制备煤基压块活性炭，通过配焦煤的引入提升活性炭强度，通过长焰煤的引入，利用其较高的活性进一步促进活性炭孔隙的发育，从而很好地结合了上述原料的性质与配合作用，制备得到的煤基压块活性炭可以保证活性炭产品能够兼顾高强度和良好的吸附性能。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在压块活性炭制备时原料单一、无法兼顾高强度和良好的吸附性能的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种煤基压块活性炭的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将长焰煤和配焦煤混合，得到原料煤；步骤S2，将原料煤依次进行压块成型和造粒，得到煤颗粒；步骤S3，将煤颗粒进行氧化处理，得到氧化料；然后将氧化料进行炭化处理，得到炭化料；步骤S4，将炭化料进行活化处理，得到煤基压块活性炭；其中，按重量百分比计，原料煤包括75～95％的长焰煤和5～25％的配焦煤。

本发明先将长焰煤和配焦煤混合，得到原料煤，其次依次进行压块成型和造粒，得到煤颗粒依次进行氧化处理、炭化处理和活化处理，得到煤基压块活性炭。本发明利用特定配比的长焰煤和配焦煤进行配煤制备煤基压块活性炭，其中长焰煤为年轻煤种，内部煤化程度低，活性高，后续易于扩孔，在与本发明的配焦煤配合使用时，能增大活化反应活性，便于活性炭造孔，从而提升活性炭的碘吸附值。上述配焦煤为强粘结性的煤种，添加配焦煤不仅能增大煤粉颗粒之间的粘结性，提升压块料强度，同时，在与本发明的长焰煤配合使用时，配焦煤的引入还有利于后续碳骨架的形成与产品强度提升。本发明的方法很好地结合了长焰煤和配焦煤原料的性质与配合作用，制备得到的煤基压块活性炭能够兼顾高强度和良好的吸附性能。

原料煤中长焰煤的用量低于75％、配焦煤的用量高于25％时，会导致煤基压块活性炭产品的孔隙发育能力较弱，制得出的产品吸附能力差。原料煤中长焰煤的用量高于95％、配焦煤的用量低于5％时，又会导致煤基压块活性炭产品强度低下。因此，本发明限定原料煤包括75～95％的长焰煤和5～25％的配焦煤。典型的但非限定性的，原料煤中长焰煤的用量可以为75％、80％、85％、90％、95％或任意两个数值组成的范围值，配焦煤的用量可以为5％、10％、15％、20％、25％或任意两个数值组成的范围值。

为进一步利用长焰煤较高的活性促进活性炭孔隙的发育，在一种优选的实施方式中，长焰煤的挥发分≥35wt％，灰分≤4wt％，粘结指数≥10；优选地，长焰煤包括托克逊黑山煤，以更好地实现发明目的。典型的但非限定性的，长焰煤的挥发分可以为35wt％、36wt％、37wt％、38wt％、39wt％或40wt％或任意两个数值组成的范围值，灰分可以为1wt％、2wt％、3wt％或4wt％或任意两个数值组成的范围值，粘结指数可以为10、11、12、13、14或15或任意两个数值组成的范围值。

为进一步利用配焦煤的强粘结性提升活性炭强度，在一种优选的实施方式中，配焦煤的挥发分≤35wt％，灰分≤10wt％，粘结指数≥30；优选地，配焦煤包括哈密黑眼泉煤，以更好地实现发明目的。典型的但非限定性的，配焦煤的挥发分可以为30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％或35wt％或任意两个数值组成的范围值，灰分可以为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％或任意两个数值组成的范围值，粘结指数可以为30、31、32、33、34或35或任意两个数值组成的范围值。

在一种优选的实施方式中，步骤S1中，还包括将原料煤进行磨粉的步骤，优选地，磨粉后的原料煤中，粒径＜44μm的原料煤的重量百分含量≥70％；更优选为75～80％。具体配煤和磨煤过程为本领域所熟知，可以使用一定量的长焰煤和配焦煤混合均匀并磨粉至较细的、具有特定粒度分布的粉末，例如通过180目、200目、325目泰勒标准筛，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。上述参数可以在成型过程中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，有利于后续活化介质的进入，还能使得两种原料混合地更均匀，便于后续压块过程。

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，例如可以利用对辊压块成型机进行煤粉成型，利用破碎机进行破碎，然后筛分得到一定粒径范围的煤颗粒，在一种优选的实施方式中，步骤S2中，压块成型的压力为20～30Mpa，可以进一步提高制备效率；破碎造粒包括破碎和筛分，以得到滚筒强度＞90％，粒径优选为1～10mm，更优选为3～8mm的煤颗粒。

在一种优选的实施方式中，步骤S3中，以3～5℃/min的升温速率升温至200～255℃进行氧化处理，氧化处理的时间为2～4h；优选地，氧化处理的温度为240～255℃；更优选地，氧化处理过程在氧化气氛中进行，且氧化气氛中氧体积百分含量为6～12vol％，例如以氮气与空气的混合气为氧化剂形成氧化气氛，上述氧化条件下可以使物料的氧化控制在较轻的程度，还能使部分氧结合于煤中，在煤表层形成一层粘结性低的氧化膜，从而降低煤的粘结性和膨胀性，还可以加快活化反应速率。

在炭化处理后，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，出于进一步提高活性炭吸附性能的目的，在一种优选的实施方式中，步骤S3中，以8～10℃/min的升温速率升温至500～555℃进行炭化处理，炭化处理的时间为2～3h；优选地，炭化处理过程在炭化气氛中进行，且炭化气氛中氧体积百分含量≤3vol％；更优选地，炭化料的滚筒强度＞96％。相对传统炭化反应，上述炭化条件能够更好地结合原料煤的特点，更有利于后续活化造孔。

在一种优选的实施方式中，步骤S4中，以≤20℃/min的升温速率升温至900～920℃进行活化处理，活化处理的时间为4～5h；优选地，活化剂为水蒸气，可以进一步提高活化效果，保证活性炭强度的同时增加吸附能力，同时防止出现表面过度活化。

通过预热可以使得炭化料的活化更加均匀，在一种优选的实施方式中，步骤S4中，将炭化料升温至880～900℃后，再通入活化剂进行活化处理。

在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种煤基压块活性炭，由本发明的制备方法得到，且煤基压块活性炭的滚筒强度＞93％，灰分＜13％，堆比重＞450g/L，亚甲蓝吸附值＞180mg/g，碘吸附值＞1000mg/g。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

按重量百分比计，原料煤包括80％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和20％的哈密黑眼泉煤矿原煤，其中，新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤的挥发分38％，灰分3％，粘结指数12，哈密黑眼泉煤矿原煤的挥发分34％，灰分9％，粘结指数31；

将上述两种原料混合加入球磨机磨粉，磨粉细度达到325目通过率(即粒径＜44μm)70％，然后利用对辊压块成型机进行在25Mpa进行煤粉压块成型，然后利用破碎机进行破碎，然后筛分得到粒径在3～8mm范围的煤颗粒，煤颗粒的滚筒强度大于90％；

在氧体积百分含量为9vol％的氧化气氛中，对煤颗粒进行250℃氧化处理3h，升温速率为4℃/min，得到氧化料；然后在氧体积百分含量≤3vol％的炭化气氛中，对氧化料进行550℃炭化处理2.5h，升温速率为9℃/min，得到炭化料，炭化料滚筒强度大于96％；

将炭化料升温至890℃后，再通入蒸馏水120滴/分钟，使用小型活化炉在920℃进行活化处理300分钟，升温速率为18℃/min，得到煤基压块活性炭。

实施例2

实施例2与实施例1的区别仅在于，按重量百分比计，原料煤包括75％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和25％的哈密黑眼泉煤矿原煤。

实施例3

实施例3与实施例1的区别仅在于，按重量百分比计，原料煤包括95％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和5％的哈密黑眼泉煤矿原煤。

实施例4

实施例4与实施例1的区别仅在于，按重量百分比计，原料煤包括70％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和30％的哈密黑眼泉煤矿原煤。

实施例5

实施例5与实施例1的区别仅在于，按重量百分比计，原料煤包括98％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和2％的哈密黑眼泉煤矿原煤。

实施例6

按重量百分比计，原料煤包括80％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和20％的哈密黑眼泉煤矿原煤，其中，新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤的挥发分38％，灰分3％，粘结指数12，哈密黑眼泉煤矿原煤的挥发分34％，灰分9％，粘结指数31；

将上述两种原料混合加入球磨机磨粉，磨粉细度达到325目通过率(即粒径＜44μm)70％，然后利用对辊压块成型机进行在25Mpa进行煤粉压块成型，然后利用破碎机进行破碎，然后筛分得到粒径在3～8mm范围的煤颗粒，煤颗粒的滚筒强度大于90％；

在氧体积百分含量为9vol％的氧化气氛中，对煤颗粒进行240℃氧化处理4h，升温速率为4℃/min，得到氧化料；然后在氧体积百分含量≤3vol％的炭化气氛中，对氧化料进行550℃炭化处理2.5h，升温速率为9℃/min，得到炭化料，炭化料滚筒强度大于96％；

将炭化料升温至880℃后，再通入蒸馏水120滴/分钟，使用小型活化炉在900℃进行活化处理240分钟，升温速率为20℃/min，得到煤基压块活性炭。

实施例7

按重量百分比计，原料煤包括80％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和20％的哈密黑眼泉煤矿原煤，其中，新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤的挥发分38％，灰分3％，粘结指数12，哈密黑眼泉煤矿原煤的挥发分34％，灰分9％，粘结指数31；

将上述两种原料混合加入球磨机磨粉，磨粉细度达到325目通过率(即粒径＜44μm)70％，然后利用对辊压块成型机进行在25Mpa进行煤粉压块成型，然后利用破碎机进行破碎，然后筛分得到粒径在3～8mm范围的煤颗粒，煤颗粒的滚筒强度大于90％；

在氧体积百分含量为9vol％的氧化气氛中，对煤颗粒进行255℃氧化处理4h，升温速率为4℃/min，得到氧化料；然后在氧体积百分含量≤3vol％的炭化气氛中，对氧化料进行550℃炭化处理2.5h，升温速率为9℃/min，得到炭化料，炭化料滚筒强度大于96％；

将炭化料升温至900℃后，再通入蒸馏水120滴/分钟，使用小型活化炉在920℃进行活化处理300分钟，升温速率为20℃/min，得到煤基压块活性炭。

实施例8

按重量百分比计，原料煤包括80％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和20％的哈密黑眼泉煤矿原煤，其中，新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤的挥发分38％，灰分3％，粘结指数12，哈密黑眼泉煤矿原煤的挥发分34％，灰分9％，粘结指数31；

将上述两种原料混合加入球磨机磨粉，磨粉细度达到325目通过率(即粒径＜44μm)70％，然后利用对辊压块成型机进行在20Mpa进行煤粉压块成型，然后利用破碎机进行破碎，然后筛分得到粒径在1～10mm范围的煤颗粒，煤颗粒的滚筒强度大于90％；

在氧体积百分含量为12vol％的氧化气氛中，对煤颗粒进行200℃氧化处理2h，升温速率为3℃/min，得到氧化料；然后在氧体积百分含量≤3vol％的炭化气氛中，对氧化料进行500℃炭化处理2h，升温速率为8℃/min，得到炭化料，炭化料滚筒强度大于96％；

将炭化料升温至890℃后，再通入蒸馏水120滴/分钟，使用小型活化炉在920℃进行活化处理300分钟，升温速率为18℃/min，得到煤基压块活性炭。

实施例9

按重量百分比计，原料煤包括80％的新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤和20％的哈密黑眼泉煤矿原煤，其中，新疆托克逊县国能黑山煤矿烟煤的挥发分38％，灰分3％，粘结指数12，哈密黑眼泉煤矿原煤的挥发分34％，灰分9％，粘结指数31；

将上述两种原料混合加入球磨机磨粉，磨粉细度达到325目通过率(即粒径＜44μm)70％，然后利用对辊压块成型机进行在30Mpa进行煤粉压块成型，然后利用破碎机进行破碎，然后筛分得到粒径在1～10mm范围的煤颗粒，煤颗粒的滚筒强度大于90％；

在氧体积百分含量为6vol％的氧化气氛中，对煤颗粒进行255℃氧化处理4h，升温速率为5℃/min，得到氧化料；然后在氧体积百分含量≤3vol％的炭化气氛中，对氧化料进行555℃炭化处理3h，升温速率为10℃/min，得到炭化料，炭化料滚筒强度大于96％；

将炭化料升温至890℃后，再通入蒸馏水120滴/分钟，使用小型活化炉在920℃进行活化处理300分钟，升温速率为18℃/min，得到煤基压块活性炭。

对比例1

原料煤由80wt％的长焰煤、10wt％的不粘煤和10wt％气肥煤组成；将以上原煤在球磨机内研磨5h后，使煤粉过170目筛子取筛下物。然后压块成型，造粒，得到煤颗粒；将得到的煤颗粒依次进行氧化处理，炭化处理和活化处理，其中，氧化条件为：在电热转炉内氧化，温度控制在220～250℃范围内，自然通风地情况下氧化2.5h；炭化条件为：氧化后，将转炉升温，温度控制在520～550℃的范围内，并封住通风孔，物料炭化2h，得到炭化料；活化条件为：转炉中的温度控制在910℃～930℃左右，以水蒸气作为活化介质活化3.5h，活化介质用量为炭化料重量的3.5倍。得到活性炭过筛，取粒度在8～30目的颗粒产品。

对实施例1至9和对比例1的煤基压块活性炭进行检测，结果见表1。

检测方法：

滚筒强度：GB/T 7702.3-2008；

灰分：GB/T 7702.15-2008；

堆比重：GB/T 7702.4-1997；

亚甲蓝吸附值：GB/T 7702.6-2008；

碘吸附值：GB/T 7702.7-2008。

表1

	滚筒强度％	灰分％	堆比重g/L	亚甲蓝吸附值mg/g	碘吸附值mg/g
						实施例1	97	11.80	539	210	1060
实施例2	97	12.02	525	185	1035
						实施例3	93	10.36	460	215	1039
实施例4	93	12.52	507	169	949
						实施例5	90	10.28	447	206	1002
实施例6	97	10.98	535	180	1005
						实施例7	95	12.30	502	202	1045
实施例8	96	12.03	539	210	1029
						实施例9	95	12.12	537	208	1027
对比例1	85	10.36	542	156	934

由上可知，与对比例相比，本发明各实施例利用长焰煤和配焦煤为原料进行配煤，经过造粒、氧化、炭化、活化处理后，得到了指标合格的煤基压块活性炭产品；利用特定配比的长焰煤和配焦煤进行配煤制备煤基压块活性炭，通过配焦煤的引入提升活性炭强度，通过长焰煤的引入，利用其较高的活性进一步促进活性炭孔隙的发育，从而很好地结合了上述原料的性质与配合作用，制备得到的煤基压块活性炭可以保证活性炭产品能够兼顾高强度和良好的吸附性能。此外可以看出，当各工艺参数均在本发明优选范围内时，可以更好地兼顾高强度和良好的吸附性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种煤基压块活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，将长焰煤和配焦煤混合，得到原料煤；

步骤S2，将所述原料煤依次进行压块成型和造粒，得到煤颗粒；

步骤S3，将所述煤颗粒进行氧化处理，得到氧化料；然后，将所述氧化料进行炭化处理，得到炭化料；

步骤S4，将所述炭化料进行活化处理，得到所述煤基压块活性炭；

其中，按重量百分比计，所述原料煤包括75～95％的所述长焰煤和5～25％的所述配焦煤。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述长焰煤的挥发分≥35wt％，灰分≤4wt％，粘结指数≥10。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述配焦煤的挥发分≤35wt％，灰分≤10wt％，粘结指数≥30。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括将所述原料煤进行磨粉的步骤；优选地，磨粉后的所述原料煤中，粒径＜44μm的所述原料煤的重量百分含量≥70％，更优选为75～80％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述压块成型的压力为20～30Mpa；优选地，所述煤颗粒的粒径为1～10mm，更优选为3～8mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，以3～5℃/min的升温速率升温至200～255℃进行所述氧化处理，所述氧化处理的时间为2～4h；优选地，所述氧化处理的温度为240～255℃；更优选地，所述氧化处理过程在氧化气氛中进行，且所述氧化气氛中氧体积百分含量为6～12vol％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，以8～10℃/min的升温速率升温至500～555℃进行所述炭化处理，所述炭化处理的时间为2～3h；优选地，所述炭化处理过程在炭化气氛中进行，且所述炭化气氛中氧体积百分含量≤3vol％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，以≤20℃/min的升温速率升温至900～920℃进行所述活化处理，所述活化处理的时间为4～5h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，将所述炭化料升温至880～900℃后，再通入所述活化剂进行所述活化处理。

10.一种煤基压块活性炭，其特征在于，由权利要求1至9中任一项所述的制备方法得到，且所述煤基压块活性炭的滚筒强度＞93％，灰分＜13％，堆比重＞450g/L，亚甲蓝吸附值＞180mg/g，碘吸附值＞1000mg/g。