利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法

摘要

本发明涉及一种利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，属于活性炭制备技术领域。首先对落叶松木材进行快速热解，得到热解炭和热解气；对上述热解气进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，使不可冷凝气体在空气中燃烧，得到活化气体；用活化气体作为活化剂，对热解炭进行活化，冷却至室温，得到活性炭，使活化过程中产生的高温尾气循环使用。本发明方法，在活化过程中不需要加入外部热源和活化剂，热解产物综合利用率高，环境污染小；制备活性炭的工艺简单，能源利用率高，实现了热量循环利用，节约能源。得到的活性炭吸附性能良好，各项指标符合国家标准，可以广泛应用于气相吸附和化工产品的脱色。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，属于活性炭制备技术领域。

背景技术

活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、独特的表面官能团，较强的吸附能力以及良好的化学稳定性，因此被广泛应用于制药、化工、食品等工业生产的各个领域。制备活性炭的传统原料主要是煤、实木等天然矿植物，但是煤的储量有限，木质原料的来源受限，因此选择一种合适的原料，替代传统原料用于生产活性炭是十分必要的。

生物质能是一种清洁可再生能源，生物质快速热解技术是将生物质转化为生物质能的一种有效手段，已经成为国内外的研究重点。但是目前为止，关于生物质快速热解产物的应用研究大多集中在液态产物生物油制备工艺优化以及应用方面，对于热解固态产物炭，尤其是林木生物质热解固态产物炭的应用研究比较少。现阶段热解炭的应用方式主要有直接燃烧、做有机肥料或土壤缓释剂等，但是一方面直接燃烧的能量损失很大，另一方面热解炭本身的灰分含量较高，不利于直接做燃料或缓释剂，这些应用方式并不能体现出热解炭的经济价值。研究表明，快速热解炭本身具有较为发达的孔隙结构，比表面积一般高于250m²/g，微孔容积可以占总孔容的40％以上，具有一定的吸附能力，但是不能达到商业活性炭的要求，因此需要经过进一步处理以提高其吸附能力。提高快速热解产物利用率和附加值，提高快速热解技术的经济效益是本发明需要解决的主要问题。

目前国内外关于热解炭制备活性炭的研究大多集中在以废轮胎热解炭黑为原料，通过物理或化学活化法制备活性炭上，很少有采用林木生物质热解炭，特别是生物质快速热解炭制备活性炭的研究。

专利公开号CN 1491886A，煤炭科学研究总院北京煤化学研究所张文辉等人以煤、木材及果壳为炭化原料，采用氧化气体(水蒸气、二氧化碳、烟气及氧气)和还原气体(氨气、氢气、甲胺、乙烯或乙炔)的混合气体作为活化剂制备活性炭。由于混合气体改变了活性炭表面的性质，从而提高了活性炭吸附性能和物理性能，其吸附能力和脱硫能力均提高了10～30％，产品孔径分布均匀度提高，气体分离能力增强，产品收率提高了2～15％。这种制备活性炭的过程需要经过炭化、活化两个步骤，混合气体活化剂中的还原性气体成本较高，活化时间较长，导致活性炭制备成本高，能耗高、能源利用率低等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，以落叶松快速热解副产物炭为原料，利用其高含碳率、较为发达的孔隙结构、较大的比表面积等优势，将快速热解过程中产生的不可冷凝气体直接燃烧或与天然气混合后燃烧获得的高温二氧化碳和水蒸气作为活化剂通入活化炉内进行活化，以实现落叶松快速热解产物的高效利用。

本发明提出的利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，包括以下步骤：

(1)对落叶松木材在450℃～600℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在20℃～40℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：750℃～1100℃，升温速率为3℃/分钟～15℃/分钟，活化时间为10分钟～120分钟，冷却至室温，得到活性炭；或用上述重质热解油与上述热解炭进行混合，混合的质量百分比为：重质热解油∶热解炭＝1∶(3～15)，使混合物成型为棒形或球形，最后对成型后的混合物进行活化，活化反应温度为：750℃～1100℃，升温速率为3℃/分钟～15℃/分钟，活化时间为10分钟～120分钟，冷却至室温，得到活性炭；

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

本发明提出的利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，利用热解产生的不可冷凝气体直接燃烧或与天然气混合后燃烧产生的高热二氧化碳和水蒸气为活化剂，活化过程中不需要加入外部热源和活化剂，热解产物综合利用率高，环境污染小；制备活性炭的工艺简单，得到的活性炭吸附性能良好，各项指标符合国家标准，可以广泛应用于气相吸附和化工产品的脱色；能源利用率高，实现了热量循环利用，节约能源。

附图说明

图1是本发明的活性炭制备流程图。

具体实施方式

本发明提出的利用落叶松木材快速热解副产物炭制备活性炭的方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)对落叶松木材在450℃～600℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在20℃～40℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：750℃～1100℃，升温速率为3℃/分钟～15℃/分钟，活化时间为10分钟～120分钟，冷却至室温，得到活性炭；或用上述重质热解油与上述热解炭进行混合，混合的质量百分比为：重质热解油∶热解炭＝1∶(3～15)，使混合物成型为棒形或球形，最后对成型后的混合物进行活化，活化反应温度为：750℃～1100℃，升温速率为3℃/分钟～15℃/分钟，活化时间为10分钟～120分钟，冷却至室温，得到活性炭；

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

以下介绍本发明方法的实施例：

实施例1：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在35℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：800℃，升温速率为6℃/分钟，活化时间为15分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。其得率为42.6％，碘吸附值936mg/g，亚甲基蓝吸附值173mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例2：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在25℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：850℃，升温速率为10℃/分钟，活化时间为30分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。其得率为36.8％，碘吸附值987mg/g，亚甲基蓝吸附值136mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例3：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在30℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：900℃，升温速率为8℃/分钟，活化时间为20分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。其得率为40.2％，碘吸附值962mg/g，亚甲基蓝吸附值168mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例4：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)  对上述热解气在30℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：1000℃，升温速率为8℃/分钟，活化时间为10分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。其得率为39.8％，碘吸附值902mg/g，亚甲基蓝吸附值147mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例5：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在30℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：900℃，升温速率为10℃/分钟，活化时间为20分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。为了增加活性炭吸附能力，利用稀酸对其进行酸洗处理，稀酸可以为稀盐酸、稀硝酸或稀硫酸，酸洗处理后得到的活性炭碘吸附值1208mg/g，亚甲基蓝吸附值237mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例6：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在30℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：900℃，升温速率为8℃/分钟。由于热解尾气不易燃烧，通入甲烷气体助燃，待热解尾气正常燃烧后停止通入甲烷气体，活化20分钟，冷却至室温，得到活性炭产品。其得率为42.6％，碘吸附值936mg/g，亚甲基蓝吸附值173mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。

实施例7：

(1)对落叶松木材在550℃进行快速热解，得到热解炭和热解气；

(2)对上述热解气在30℃进行冷凝，得到热解油和不可冷凝气体，热解油中含有重质热解油、中质热解油和轻质热解油；

(3)使上述不可冷凝气体在空气中燃烧，得到由二氧化碳和水蒸气组成的活化气体；

(4)取上述热解炭100g，与热解重质油均匀混合，混合质量比为：热解重质油∶热解炭＝1∶10，将混合物成型为球形，利用上述活化气体作为活化剂，对上述热解炭进行活化，活化反应温度为：1000℃，升温速率为8℃/分钟，活化时间为10分钟，冷却至室温，得到颗粒活性炭产品。颗粒活性炭的碘吸附值850mg/g，亚甲基蓝吸附值128mg/g。

(5)使活化过程中产生的高温尾气回流至活化炉中，循环使用。