一种活性炭的制备方法及装置

1.本发明属于活性炭技术领域，具体涉及一种活性炭的制备方法及装置。


背景技术：

2.一步法制焦炉分为炭化段和活化段，先后进行原料的炭化及活化。炭化在隔绝空气的条件下进行，通过加热的方式使原料中的挥发组分析出，转化为炭化料；炭化料在活化炉内通入水蒸气作为活化介质，与炭化料发生活化反应，生成活性炭或活性焦。
3.当前工艺广泛使用的制焦炉为外热式，炉内物料的表层温度高，内部温度低，温度分布不均匀，导致所产出活性炭品质具有一定差异。
4.因此，如何使制焦炉内温度分布均匀，制备品质均一的活性炭是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：
6.cn105645407a公开了一种外热式炭化法工业化麻杆制活性炭的方法及系统，该方法在麻杆的预处理烘干程序中，采用炭化炉的可燃气体尾气干燥，去除原料中的水分和部分挥发份，既能提高活性炭制品的吸附性能和产品得率，又可以实现大规模工业化麻杆类制备活性炭。但是该方法采用外部加热的方法进行炭化，加热速率较慢，且料层内温度不均匀，导致活化反应速率不一致，使得活性炭的品质不稳定。
7.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种活性炭的制备方法，通过与铁矿粉掺混后机械活化，能够提高煤粉颗粒的反应性，形成煤粉颗粒与铁矿颗粒的嵌合体，使用微波辅助加热，能够平衡炉内区域温度，使煤粉颗粒由于机械活化形成的缺陷进一步发展，进而提高活性焦品质，降低热解气中焦油含量。
8.本发明实施例的活性炭的制备方法，包括以下步骤
9.(1)将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理；
10.(2)将经过步骤(1)处理后的物料进行炭化处理，得到炭化料；
11.(3)将所述步骤(2)得到的炭化料进行活化处理得到活性炭；其中，所述活化处理所述活化处理阶段采用间接加热的方式进行加热，同时采用微波辅助加热。
12.本发明实施例的活性炭的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，对煤粉和铁矿粉进行机械活化处理，能够增大物料的比表面积、表面自由能以及内能，并使物料处于激发状态，使发生反应的活化能降低，从而提高反应速率，并且机械活化所造成的裂纹和缺陷也会提高制得的活性炭的吸附能力和反应性；2、本发明实施例的方法，将煤粉和铁矿粉混合进行机械活化，在活化过程中物料极高的反应性会促使铁氧化物对碳的氧化反应的进行，此外，经过机械活化剧烈的撞击、挤压会使硬度更大的铁矿颗粒嵌入煤粉颗粒中，形成嵌合体结构；3、本发明实施例中，与铁矿粉掺混后并经过机械活化的煤粉，在炭化和活化阶段均会受到铁矿粉的催化作用，在炭化段，铁矿粉的存在会使物料中的挥发
组分析出地更彻底，有利于造孔，在活化段，以嵌合体结构存在的铁氧化合物能有效促进气化反应下炭颗粒的造孔更加深入，使孔隙结构进一步发展；4、本发明实施例的方法，采用间接加热的方式和微波辅助的方法同时进行加热，微波加热属于内热方式，具有加热速率高、升温快的特点，微波对料层进行加热，温度场分布为内部温度高、外部温度低，间接加热的方式对料层加热，料层温度场分布为外部温度高、内部温度低，外部和微波协同加热使料层温度场均匀，保证活性反应的恒速进行，提高活性炭品质；5、本发明实施例的方法，使用的煤粉和铁矿粉均为吸波介质，微波催化能够使机械活化所产生的缺陷、裂缝进一步发展，提高活性炭的吸附能力。
13.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述煤粉与铁矿粉的质量比为(4～20)：1；和/或，所述铁矿粉包括赤铁矿、褐铁矿中的至少一种；所述煤粉包括气煤、肥煤、主焦煤、瘦煤、无烟煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤、天然焦中的至少一种。
14.在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述机械活化处理在500～4500r/min的搅拌速度下进行0.5～2h。
15.在一些实施例中，所述步骤(1)中，进行所述机械活化前先将煤粉与铁矿粉在5～30r/min的搅拌速度下混合处理。
16.在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述炭化处理阶段的温度为300～500℃；和/或，所述炭化处理在氮气气氛下进行。
17.在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述活化处理阶段的温度为700～1000℃；和/或，所述活化处理采用水蒸气作为活化剂。
18.在一些实施例中，将所述步骤(2)炭化处理和/或所述步骤(3)活化处理产生的尾气进行重整处理和换热后得到可燃气。
19.本发明实施例还提供了一种活性炭的制备装置，包括煤粉仓、铁矿粉仓、给料机、高速矿磨机和制炭炉；
20.所述煤粉仓的出口和所述铁矿粉仓的出口分别与所述高速矿磨机的进口连接；
21.所述高速矿磨机用于将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理，所述高速矿磨机的出口与所述制炭炉的进口相连；
22.所述制炭炉包括炭化段和活化段，其中，所述活化段采用间接加热的方式和微波辅助的方式进行加热。
23.在一些实施例中，所述磨矿机包括球磨机、棒磨机、砾磨机、自磨机中的至少一种。
24.在一些实施例中，所述装置还包括依次连接的高温重整装置、高温换热器和低温换热器，所述高温重整装置的气体进口与所述制炭炉的气体出口连接，用于将炭化段和活化段产生的尾气进行重整处理，经重整处理后的尾气依次经过所述高温换热器和低温换热器处理，得到可燃气。
附图说明
25.图1是实施例1制备活性炭的装置示意图；
26.附图标记；1-煤粉仓，2-铁矿粉仓，3-低速矿磨机，4-高速矿磨机，5-制炭炉，6-高温重整装置，7-高温换热器，8-低温换热器。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.本发明实施例的活性炭的制备方法，包括以下步骤
29.(1)将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理；
30.(2)将经过步骤(1)处理后的物料进行炭化处理，得到炭化料；
31.(3)将所述步骤(2)得到的炭化料进行活化处理得到活性炭；其中，所述活化处理所述活化处理阶段采用间接加热的方式进行加热，同时采用微波辅助加热。
32.本发明实施例的活性炭的制备方法，对煤粉和铁矿粉进行机械活化处理，能够增大物料的比表面积、表面自由能以及内能，并使物料处于激发状态，使发生反应的活化能降低，从而提高反应速率，并且机械活化所造成的裂纹和缺陷也会提高制得的活性炭的吸附能力和反应性；将煤粉和铁矿粉混合进行机械活化，在活化过程中物料极高的反应性会促使铁氧化物对碳的氧化反应的进行，此外，经过机械活化剧烈的撞击、挤压会使硬度更大的铁矿颗粒嵌入煤粉颗粒中，形成嵌合体结构；与铁矿粉掺混后并经过机械活化的煤粉，在炭化和活化阶段均会受到铁矿粉的催化作用，在炭化段，铁矿粉的存在会使物料中的挥发组分析出地更彻底，有利于造孔，在活化段，以嵌合体结构存在的铁氧化合物能有效促进气化反应下炭颗粒的造孔更加深入，使孔隙结构进一步发展；采用间接加热的方式和微波辅助的方法同时进行加热，微波加热属于内热方式，具有加热速率高、升温快的特点，微波对料层进行加热，温度场分布为内部温度高、外部温度低，间接加热的方式对料层加热，料层温度场分布为外部温度高、内部温度低，外部和微波协同加热使料层温度场均匀，保证活性反应的恒速进行，提高活性炭品质；使用的煤粉和铁矿粉均为吸波介质，微波催化能够使机械活化所产生的缺陷、裂缝进一步发展，提高活性炭的吸附能力。
33.在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述煤粉与铁矿粉的质量比为(4～20)：1；和/或，所述铁矿粉包括赤铁矿、褐铁矿中的至少一种；所述煤粉包括气煤、肥煤、主焦煤、瘦煤、无烟煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤、天然焦中的至少一种。再优选地，所述赤铁矿包括原矿、精矿、矿渣中的至少一种；所述褐铁矿包括原矿、精矿、矿渣中的至少一种。
34.本发明实施例中，优选了煤粉与铁矿粉的用量比，能够保证形成均匀的嵌合体结构，有利于提高炭颗粒的造孔效果，若是煤粉的用量过多，则铁矿粉对炭颗粒的成孔效果减弱，不利于形成发达的孔隙结构；若是煤粉的用量过少，则铁矿粉的成孔作用强烈，导致活性炭收率降低，且活性炭强度下降。
35.在一些实施例中，优选地，所述步骤(1)中，所述机械活化处理在500～4500r/min的搅拌速度下进行0.5～2h。进一步优选地，所述步骤(1)中，进行所述机械活化前先将煤粉与铁矿粉在15～30r/min的搅拌速度下混合处理。再优选地，所述混合处理的时间为下进行15～30min。
36.本发明实施例中，进一步优选了机械活化的条件，能够保证在尽可能短的时间内，充分对物料进行机械活化，不能能够保证机械活化的处理的效果，还能降低生产的时间成本，并在机械活化之前先在低转速条件下进行混合处理，能够使煤粉和铁矿粉掺混均匀，进一步提高制得的活性炭品质的均一性。
37.在一些实施例中，优选地，所述步骤(2)中，所述炭化处理阶段的温度为300～500℃；和/或，所述炭化处理在氮气气氛下进行。
38.在一些实施例中，优选地，所述步骤(3)中，所述活化处理阶段的温度为700～1000℃；和/或，所述活化处理采用水蒸气作为活化剂。
39.在一些实施例中，优选地，所述步骤(3)中，所述的间接加热的方式包括电加热和可燃气体加热中的至少一种。
40.如图1所示，本发明实施例还提供了一种活性炭的制备装置，包括煤粉仓1、铁矿粉仓2、高速矿磨机4和制炭炉5；
41.所述煤粉仓1的出口和所述铁矿粉仓2的出口分别与所述高速矿磨机4的进口连接；
42.所述高速矿磨机4用于将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理，所述高速矿磨机4的出口与所述制炭炉5的进口相连；
43.所述制炭炉5包括炭化段和活化段，其中，所述活化段采用间接加热的方式和微波辅助的方式进行加热。
44.在一些实施例中，优选地，所述磨矿机包括球磨机、棒磨机、砾磨机、自磨机中的至少一种。
45.在一些实施例中，优选地，所述装置还包括依次连接的高温重整装置6、高温换热器7和低温换热器8，所述高温重整装置6的气体进口与所述制炭炉5的气体出口连接，用于将炭化段和活化段产生的尾气进行重整处理，经重整处理后的尾气依次经过所述高温换热器7和低温换热器8处理，得到可燃气。
46.下面结合具体的实施例和附图，对本发明的技术方案进行详细描述。
47.实施例1
48.该实施例采用图1所述的装置制备活性炭。
49.(1)将褐铁矿和褐煤分别存储在铁矿粉仓2和煤粉仓1中，通过给料机精确控制给料量，按褐煤：褐铁矿质量为10:1的比例将物料输送至低速磨矿机3；
50.(2)混合物料首先在20r/min的低速磨矿机3中初步破碎、混合30min，然后在1000r/min的高速磨矿机4中进行机械活化1h；
51.(3)将机械活化后的物料送入制炭炉5内，进行炭化和活化；炭化段以n2为反应气氛，控制反应温度为400℃，反应时间为1h；活化段以高温水蒸气为反应气氛，使用电加热及微波辅助协同加热，控制反应温度在900℃，活化时间为30min；
52.(4)所得含铁活性炭通过冷却水降低温度后产出，并将冷却水加热为低温水蒸气，来自制炭炉5出口含有co等的还原性烟气，其中一部分作为燃料燃烧后随烟气排空，另一部分经高温重整装置6高温重整后降低焦油含量，提高其中h2等含量，然后依次经过高温换热器7和低温换热器8将温度降低后作为气态产物产出，而来自冷却段的水蒸气则通过高温换热器7进一步提高温度得到高温水蒸气，高温水蒸气进入活化段参与活化反应。
53.实施例2
54.(1)将赤铁矿和焦煤分别存储在铁矿粉仓2和煤粉仓1中，通过给料机精确控制给料量，按焦煤：赤铁矿质量为20:1的比例将物料输送至低速磨矿机3；
55.(2)混合物料首先在20r/min的低速磨矿机3中初步破碎、混合20min，然后在
2000r/min的高速磨矿机4中进行机械活化1h；
56.(3)将机械活化后的物料送入制炭炉5内，进行炭化和活化；炭化段以n2为反应气氛，控制反应温度为500℃，反应时间为1h；活化段以高温水蒸气为反应气氛，使用可燃气体加热及微波辅助协同加热，控制反应温度在800℃，活化时间为30min；
57.(4)所得含铁活性炭通过冷却水降低温度后产出，并将冷却水加热为低温水蒸气，来自制炭炉5出口含有co等的还原性烟气，其中一部分作为燃料燃烧后随烟气排空，另一部分经高温重整装置6高温重整后降低焦油含量，提高其中h2等含量，然后依次经过高温换热器7和低温换热器8将温度降低后作为气态产物产出，而来自冷却段的水蒸气则通过高温换热器7进一步提高温度得到高温水蒸气，高温水蒸气进入活化段参与活化反应。
58.对比例1
59.(1)赤铁矿和焦煤分别存储在铁矿粉仓2和煤粉仓1中，通过给料机精确控制给料量，按焦煤：赤铁矿质量为10:1的比例将物料输送至磨矿机中；
60.(2)混合物料首先在20r/min的低速磨矿机3中混合30min，然后在1000r/min的高速磨矿机4中进行机械活化1h；
61.(3)将机械活化物料送入制炭炉5内，进行炭化和活化；炭化段以n2为反应气氛，控制反应温度为400℃，反应时间为1h；活化段以高温水蒸气为反应气氛，使用电加热，控制反应温度在900℃，活化时间为30min；
62.(4)所得含铁活性炭通过冷却水降低温度后产出，并将冷却水加热为低温水蒸气，来自制炭炉5出口含有co等的还原性烟气，其中一部分作为燃料燃烧后随烟气排空，另一部分经高温重整装置6高温重整后降低焦油含量，提高其中h2等含量，然后依次经过高温换热器7和低温换热器8将温度降低后作为气态产物产出，而来自冷却段的水蒸气则通过高温换热器7进一步提高温度得到高温水蒸气，高温水蒸气进入活化段参与活化反应。
63.对比例2
64.(1)将赤铁矿和焦煤分别存储在铁矿粉仓2和煤粉仓1中，通过给料机精确控制给料量，按焦煤：赤铁矿质量为10:1的比例将物料输送至低速磨矿机3；
65.(2)混合物料在20r/min的低速磨矿机3中混合30min，然后送入制炭炉5内，进行炭化和活化；炭化段以n2为反应气氛，控制反应温度为400℃，反应时间为1h；活化段以高温水蒸气为反应气氛，使用电加热及微波辅助协同加热，控制反应温度在900℃，活化时间为30min；
66.(3)所得含铁活性炭通过冷却水降低温度后产出，并将冷却水加热为低温水蒸气，来自制炭炉5出口含有co等的还原性烟气，其中一部分作为燃料燃烧后随烟气排空，另一部分经高温重整装置6高温重整后降低焦油含量，提高其中h2等含量，然后依次经过高温换热器7和低温换热器8将温度降低后作为气态产物产出，而来自冷却段的水蒸气则通过高温换热器7进一步提高温度得到高温水蒸气，高温水蒸气进入活化段参与活化反应。
67.将实施例1～2和对比例1～2制得的含铁活性炭用于固定床h2s脱除和催化氧化，通过定硫仪测试其脱硫性能，结果如表1所示。
68.表1
[0069] h2s吸附量(mmol/g)实施例16.3
实施例25.3对比例14.8对比例24.2
[0070]
从表1中的数据中可以看出，实施例1和实施例2制得的活性炭对h2s具有非常好的吸附性能；对比例1在活化阶段仅采用间接加热的方式进行加热，导致料层的温度分布不均匀，制得的活性炭的品质不均一，对h2s的吸附量明显降低；对比例2没有进行机械活化处理，导致在炭化和活化阶段反应活性较低，且活性炭没有产生足够的裂纹和孔隙结构，对h2s的吸附量比较低，无法满足使用要求。
[0071]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0072]
尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理；(2)将经过步骤(1)处理后的物料进行炭化处理，得到炭化料；(3)将所述步骤(2)得到的炭化料进行活化处理得到活性炭；其中，所述活化处理采用间接加热的方式进行加热，同时采用微波辅助加热。2.根据权利要求1所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述煤粉与铁矿粉的质量比为(4～20)：1；和/或，铁矿粉包括赤铁矿、褐铁矿中的至少一种；所述煤粉包括气煤、肥煤、主焦煤、瘦煤、无烟煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤、天然焦中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述机械活化处理在500～4500r/min的搅拌速度下进行0.5～2h。4.根据权利要求3所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，进行所述机械活化前先将煤粉与铁矿粉在15～30r/min的搅拌速度下混合处理。5.根据权利要求1所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述炭化处理阶段的温度为300～500℃；和/或，所述炭化处理在氮气气氛下进行。6.根据权利要求1所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述活化处理阶段的温度为700～1000℃；和/或，所述活化处理采用水蒸气作为活化剂。7.根据权利要求1所述的活性炭的制备方法，其特征在于，将所述步骤(2)炭化处理和/或所述步骤(3)活化处理产生的尾气进行重整处理和换热后得到可燃气。8.一种活性炭的制备装置，其特征在于，包括煤粉仓、铁矿粉仓、高速矿磨机和制炭炉；所述煤粉仓的出口和所述铁矿粉仓的出口分别与所述高速矿磨机的进口连接；所述高速矿磨机用于将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理，所述高速矿磨机的出口与所述制炭炉的进口相连；所述制炭炉包括炭化段和活化段，其中，所述活化段采用间接加热的方式和微波辅助的方式进行加热。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述磨矿机包括球磨机、棒磨机、砾磨机、自磨机中的至少一种。10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括依次连接的高温重整装置、高温换热器和低温换热器，所述高温重整装置的气体进口与所述制炭炉的气体出口连接，用于将炭化段和活化段产生的尾气进行重整处理，经重整处理后的尾气依次经过所述高温换热器和低温换热器处理，得到可燃气。

技术总结
本发明属于活性炭技术领域，具体涉及一种活性炭的制备方法及装置。本发明实施例提供的活性炭的制备方法，包括以下步骤：(1)将煤粉与铁矿粉进行机械活化处理；(2)将经过处理后的物料进行炭化处理，得到炭化料；(3)将所述步骤(2)得到的炭化料进行活化处理得到活性炭；其中，所述活化处理采用间接加热的方式进行加热，同时采用微波进行辅助加热。通过与铁矿粉掺混后机械活化，能够提高煤粉颗粒的反应性，形成煤粉颗粒与铁矿颗粒的嵌合体，使用微波辅助加热，能够平衡炉内区域温度，使煤粉颗粒由于机械活化形成的缺陷进一步发展，进而提高活性焦品质，降低热解气中焦油含量。降低热解气中焦油含量。降低热解气中焦油含量。


技术研发人员：周杰 李阳 杨成龙 张立强 张军 楚良 张宝华 朱鹏 李勇 赵瀚辰 蔡铭 贾晨光 王哲帆 崔义 井庆贺 李德军
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司 山东大学 扎赉诺尔煤业有限责任公司
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/10/19