[发明专利]具有分子筛效应的煤基颗粒活性炭制备方法及其在变压吸附分离浓缩气体中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及通过水蒸气活化方法制备煤基活性炭作为一种具有分子筛效应 的颗粒活性炭的制备方法，此煤基颗粒活性炭可用于多种混合气体的变压吸附 浓缩分离，特别是能够在顺放步骤浓缩甲烷和二氧化碳等强吸附气体产品。

背景技术

抽采的煤层气、油田气和垃圾填埋气的主要成分为甲烷、氮气、二氧化碳 等组分的混合气体；烟道气中含有二氧化碳。甲烷可用作高效洁净的能源和化 工原料，二氧化碳是重要的C₁资源。抽采煤层气、油田气、烟道气的排放严重 污染大气，而且浪费了有用的资源，从这些气体中回收甲烷、二氧化碳气体具 有重要应用意义。但是，要高效利用这些混合气体中的甲烷、二氧化碳等气体， 需要对其中的甲烷、二氧化碳分离并浓缩。

变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)工艺是混合气体中气体组分分 离的关键技术之一。影响PSA分离最为关键的因素是吸附剂。目前用于PSA的 吸附剂主要有两大类：即沸石分子筛与碳质吸附剂。合成的沸石分子筛价格一 般很高，而碳质吸附剂成本较低，且碳质吸附剂的化学性质非常稳定，能耐酸、 碱，能经受高温高压的作用。用不同吸附剂，PSA分离气体主要有基于动力学 和平衡分离两种原理，它们用于含甲烷的混合气体，分别在PSA过程的顺放步 骤和逆向抽真空步骤得到浓缩的甲烷，但在PSA过程的顺放步骤浓缩甲烷的能 耗更低。

碳质吸附剂中普通的活性炭吸附剂主要是基于平衡效应而炭分子筛是基于 动力学效应进行气体分离。炭分子筛最成功的应用是从空分中制取氮气和氧气， 用于此类气体分离的炭分子筛种类很多；这些炭分子筛也可应用于甲烷/氮气、 二氧化碳/氮气、甲烷/二氧化碳/氮气等混合气体中不同组分的分离。

比表面积是吸附剂性能的决定因素。现有高比表面积活性炭吸附剂用于甲 烷/氮气平衡分离系数已可达到几十；但现有活性炭吸附剂都是粉状，易堵塞管 道，不能够应用于PSA过程。因此，制备新的活性炭吸附剂，尤其具有分子筛 效应的碳质吸附剂，用于PSA过程低能耗浓缩混合气中甲烷、二氧化碳等气体 有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本很低的具有分子筛效应的煤基 颗粒活性炭的制备方法，此颗粒活性炭可用于变压吸附通过顺放步骤和逆向抽 真空步骤浓缩分离混合气体中的强吸附组分气体；该颗粒活性炭具有筛分效应， 能够将混合气体的强吸附组分，如甲烷/氮气中的低浓度甲烷，二氧化碳/氮气中 的低浓度二氧化碳，甲烷/二氧化碳/氮气中的低浓度二氧化碳等，在PSA过程的 顺放步骤得到很好浓缩。顺放步骤没有放出的甲烷或二氧化碳在逆向抽真空步 骤得到，其浓度进一步提高。

本发明所述具有分子筛效应的煤基颗粒活性炭制备包括如下步骤：

(a)粉碎，即以煤炭为原料，将其粉碎到160～200目；

(b)混捏，即向煤粉中加入煤焦油或其它粘结剂，再加水混合均匀。

(c)成型，即在成型机上成型为底面直径3～4mm、高5～7mm的圆柱体 颗粒，再在80～120℃温度下干燥3～4h；

(d)碳化，即将成型后的煤放入加热炉中，在氮气保护下，以5～15℃/min 的升温速度加热至400～800℃，在此温度下恒温0.5～2h；

(e)活化，即将碳化后的样品，在氮气保护下，进行水蒸气活化。水蒸气 活化的条件是：水蒸气的温度在700～850℃，活化时间为0.5～5h。

(f)冷却至室温出料，再经水洗、干燥后即得到颗粒状活性炭吸附剂。

变压吸附技术是60年代起步近十几年快速发展的气体分离技术，其原理 是基于压力和循环条件下让多组分混合气体通过吸附塔，基于各组分气体的吸 附平衡或吸附速率行为的差异进行快速的吸附-脱附循环，达到气体分离和吸 附剂循环使用的目的，已广泛应用于多个领域各种混合气体的分离提纯。