CN111099590A - 煤基活性炭生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤基活性炭生产工艺，包括以下步骤：混匀步骤：将铁氧化物和煤混匀，得到混匀料；炭化步骤：将所述混匀料加热到300～850℃，所述煤发生炭化生成炭；活化步骤：所述炭化步骤之后升温到1000～1200℃，使所述炭化步骤中生成的所述炭的一部分与所述铁氧化物反应生成CO2气体和单质铁，所述CO2气体作为活性剂使所述炭的另一部分发生活化生成活性炭。本发明工艺将用于还原铁生产工艺中的煤基竖炉用于活性炭的生产(本发明中称为立式炉)，将活性炭生产过程中的炭化与活化步骤设置在同一装置中，同时利用铁氧化物还原产生的CO2气体作为煤的活化剂，炭为铁氧化物的还原剂，使二者工况高度耦合，同时生产出两种产品，有效提高生产效率，降低生产成本。

Description

煤基活性炭生产工艺
技术领域
本发明涉及活性炭生产技术领域，特别是涉及一种煤基活性炭生产工艺。
背景技术
活性炭具有发达孔隙结构和巨大比表面积的炭质多孔材料，具有优异吸附性能、良好化学稳定性等优点，广泛应用于食品、制药、医药卫生及环保等领域。
商业活性炭产品主要为煤基活性炭、木质活性炭和果壳活性炭，其他含碳材料(如化工及生活废弃物制备活性炭)多见于试验研究及特殊用途。与木屑、果壳类和石油焦等为原材料制备的活性炭相比，煤是廉价且来源稳定的活性炭生产原料，以煤为原料生产的活性炭兼具易再生、抗磨损等优点。尽管活性炭法已成功用于烟气脱硫脱硝，但是，活性炭制备工艺还存在以下缺点：(1)生产工艺流程长，需经过加粘结剂成型、炭化、活化等多个步骤，其生产成本高从而导致活性炭价格目前相对较高；(2)活性炭机械强度低，在吸附、再生、往返使用中损耗大；(3)活性炭挥发分较低，不利于脱硝。
煤是一种可燃的黑色或棕黑色沉积岩，主要是由碳构成，连同由不同数量的其它元素构成，主要是氢，硫，氧和氮。煤含有水分、灰分、挥发分和固定碳，炭化是煤中挥发分挥发的过程。
活性炭的活化是指：采用水蒸汽、烟道气(主要成分为CO2)或其混合气体等含氧气体作为活化剂，在高温下与炭接触发生氧化还原反应进行活化，生成一氧化碳、二氧化碳、氢气或其它碳氢化合物气体，通过碳的气化反应(“烧失”)达到在碳粒中造孔的目的。
常规的两步法制备工艺是：炭化炉中，炭化温度500～600℃，炭化时间为30分钟，出炭化炉冷却后送入活化炉中，用水蒸气做活化剂进行活化，活化温度930℃，活化时间5小时，收得率在40％，水蒸气单耗为4吨。可见，炭化、活化过程都需要消耗能量，且过程温度降低损失大，产品单一，能耗高。
发明内容
为解决现有煤基活性炭制备流程长、工艺复杂、成本高、且产品机械强度差等技术问题，本发明提供了一种活性炭的制备方法，活化与还原一步完成，省去炭化及成型单元，简化工艺流程，得到高品质活性炭，副产物还原球团可循环使用，最大化利用资源，旨在简化制备工艺、降低制备成本，提升制得的活性炭的吸附性能及机械强度，提高该工艺的竞争力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种煤基活性炭生产工艺，包括以下步骤：
混匀步骤：将铁氧化物和煤混匀，得到混匀料；
炭化步骤：将所述混匀料加热到300～850℃，所述煤发生炭化生成炭；
活化步骤：所述炭化步骤之后升温到1000～1200℃，使所述炭化步骤中生成的所述炭的一部分与所述铁氧化物反应生成CO2气体和单质铁，所述CO2气体作为活性剂使所述炭的另一部分发生活化生成活性炭。
上述“炭化+活化”反应在一个活化膛内发生，实际生产使用的立式炉可以具有多个活化膛，活化膛内不同高度具有不同的温度，反应所需热量来源于立式炉内气体燃料的燃烧，气体燃料所处位置与活化膛之间设有隔墙，热源位于活化膛。反应时将混匀料从活化膛顶部加入，根据时间的变化，按所需反应温度，将混匀料向下移动到活化膛的不同高度，最后从活化膛底部排出。
炭化指煤中挥发分的挥发，固定碳含量增加的过程。
活化指CO2气体在高温环境中与炭接触发生氧化还原反应，炭中的碳气化,从而生成具有发达的空隙及与其相应比表面积的活性炭。
进一步地，在所述活化步骤之后，还包括冷却步骤和磁选步骤，所述冷却步骤将经过所述活化步骤的产物冷却到室温，所述磁选步骤将所述冷却步骤后的产物通过磁选装置，分离所述活性炭与所述单质铁。
进一步地，混匀步骤中铁氧化物与煤的重量比为100:40～80。
进一步地，炭化需要时间为4～8小时。
进一步地，活化需要时间为8～16小时。
进一步地，混匀步骤中煤为选自无烟煤、烟煤、兰炭中的一种或多种；混匀步骤中煤为干燥的粒度为3～15mm的颗粒、粉末或型煤。
粒度是指颗粒的大小，通常球状颗粒的粒度用直径表示。生产中通过圆孔筛，筛出直径在3～15mm的煤颗粒。
其中前述型煤是以粉煤为主要原料，按具体用途所要求的配比，机械强度，和形状大小经机械加工压制成型的，具有一定强度和尺寸及形状各异的煤成品。
进一步地，混匀步骤中铁氧化物可以为颗粒状。
本发明采用上述技术方案，优点在于将用于还原铁生产工艺中的装置——煤基竖炉用于活性炭的生产(即上述立式炉)，基于煤基竖炉直接还原过程的特点，在立式炉上部为低温干馏炭化阶段，在立式炉中部为高温活化阶段，即利用铁氧化物还原产生的CO2气体作为炭的活化剂，炭作为铁氧化物的还原剂，炭的活化和铁的还原同时发生，工况高度耦合，可以同时生产出两种产品。
与现有技术相比，具有如下有益技术效果：
(1)两者生产工艺技术要求、工艺参数控制重合度高，能同时满足两种产品的质量要求，且在各自行业内都有较为广泛的应用前景和发展潜力。
(2)活性炭生产过程中的炭化步骤需要的热量完全由下部活化步骤的余热供应，能耗大幅度降低，在同一个装置内的不同高度空间完成，而传统是现在炭化炉经过800℃高温后冷却至常温再加入活化炉进行高温活化，能耗高30％以上，本工艺同时生产活性炭和还原铁，活性炭作为产品之一，综合生产成本降低50％以上，市场竞争力大大增强，生产步骤显著简化。
(3)由于同时生产了两种高附加值的产品，极大的降低了活性炭的生产成本，产品具有较好的市场竞争力。
附图说明
图1是本发明一种煤基活性炭生产工艺的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，将煤颗粒或型煤和含铁团块混匀，得到混匀料，将混匀料加入到多膛立式炉内，混匀料在多膛立式炉内发生炭化和活化生成活性炭和单质铁，反应后的混匀料从炉底部排出，通过磁选装置，分离得到活性炭和还原铁。
实施例1：一种使用颗粒烟煤和赤铁块矿的活性炭生产工艺，其主要生产步骤为：
(1)使用5～20mm烟煤颗粒，其中烟煤挥发分为25％，固定碳为45％；
(2)使用5～30mm的赤铁天然块矿，其中全铁为58％；
(3)将烟煤颗粒和天然块矿按重量比60:100进行混匀；
(4)布料设施将上述混匀料送入多膛立式炉内，由上向下运行，炭化段温度为300～800℃，活化段温度为1000～1100℃；炉料在活化段停留时间为10～12小时；炉料最后从下部冷却区域冷却至50～100℃排出；
(5)将混匀料等进行磁选分离，收得活性炭和海绵铁，活性炭的产率为45％，碘吸附值为650mg/g，海绵铁的金属化率为93％，全铁为85％。
实施例2：一种使用粉煤烟煤和磁铁矿冷压球团活性炭生产工艺，其主要生产步骤为：
(1)使用小于50目含量大于90％的烟煤粉末，其中烟煤挥发分为25％，固定碳为45％，烟煤通过加入粘接剂后挤压成
Figure BDA0002086062320000051
的型煤；
(2)使用
Figure BDA0002086062320000052
的磁铁矿冷压球团，其中全铁为68％；
(3)将型煤和球团重量比50:100进行混匀；
(4)布料设施将上述混匀料送入多膛立式炉内，由上向下运行，炭化段温度为300～800℃，活化段温度为1000～1100℃；炉料在活化段停留时间为10～12小时；炉料最后从下部冷却区域冷却至50～100℃排出；
(5)将混匀料等进行磁选分离，收得活性炭和海绵铁，活性炭的产率为55％，碘吸附值为550mg/g，海绵铁的金属化率为93％，全铁为91％。
实施例3：一种使用无烟煤颗粒和氧化铁皮球团活性炭生产工艺，其主要生产步骤为：
(1)使用5～20mm的无烟煤颗粒，挥发分为10％，固定碳为80％；
(2)使用
Figure BDA0002086062320000053
的氧化铁皮冷压球团，全铁为71％；
(3)将型煤和球团重量比70:100进行混匀；
(4)布料设施将上述混匀料送入多膛立式炉内，由上向下运行，炭化段温度为300～800℃，活化段温度为1100～1200℃；炉料在活化段停留时间为12～14小时；炉料最后从下部冷却区域冷却至50～100℃排出；
(5)将混匀料等进行磁选分离，收得活性炭和海绵铁，活性炭的产率为70％，碘吸附值为550mg/g，海绵铁的金属化率为93％，全铁为95％。
实施例4：一种使用兰炭颗粒和氧化铁皮球团活性炭生产工艺，其主要生产步骤为：
(1)使用5～20mm的兰炭颗粒，挥发分为10％，固定碳为80％；
(2)使用
Figure BDA0002086062320000061
的氧化铁皮冷压球团，全铁为71％；
(3)将型煤和球团重量比70:100进行混匀；
(4)布料设施将上述混匀料送入多膛立式炉内，由上向下运行，炭化段温度为400～850℃，活化段温度为1000～1200℃；炉料在活化段停留时间为8～16小时；炉料最后从下部冷却区域冷却至50～100℃排出；
(5)将混匀料等进行磁选分离，收得活性炭和海绵铁，活性炭的产率为70％，碘吸附值为650mg/g，海绵铁的金属化率为93％，全铁为95％。
以上所述仅为本发明的示例实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种煤基活性炭生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
混匀步骤：将铁氧化物和煤混匀，得到混匀料；
炭化步骤：将所述混匀料加热到300～850℃，所述煤发生炭化生成炭；
活化步骤：所述炭化步骤之后升温到1000～1200℃，使所述炭化步骤中生成的所述炭的一部分与所述铁氧化物反应生成CO2气体和单质铁，所述CO2气体作为活性剂使所述炭的另一部分发生活化生成活性炭。
2.根据权利要求1所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
在所述活化步骤之后，还包括冷却步骤和磁选步骤，所述冷却步骤将所述活化步骤的产物冷却到50～100℃，所述磁选步骤将经过所述冷却步骤后的产物通过磁选装置，分离所述活性炭与所述单质铁产品。
3.根据权利要求1所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
所述混匀步骤中所述铁氧化物与所述煤的重量比为100:40～80。
4.根据权利要求1或3所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
所述炭化需要时间为4～8小时。
5.根据权利要求1或3所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
所述活化需要时间为8～16小时。
6.根据权利要求1所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
所述混匀步骤中所述煤为选自无烟煤、烟煤、兰炭中的一种或多种；
所述混匀步骤中所述煤为干燥的粒度为3～15mm的颗粒、粉末或型煤。
7.根据权利要求1所述的煤基活性炭生产工艺，其特征在于，
所述混匀步骤中所述铁氧化物为颗粒状。
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