多孔高反应性炭材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种多孔高反应性炭材料，以及该材料的制备方法和应用，属于炭化燃料。

背景技术：

1、中国富煤、贫油和少气的能源结构使得在可预见的未来煤炭资源依旧是支撑国内国民经济建设的主要能源。在我国的煤炭资源产储量中，优质的无烟煤和炼焦煤所占比例较低，而高挥发分含量的低阶煤产储量丰富，如何高效利用低阶煤成为煤炭加工和使用行业关注的重点。

2、高炉炼铁需要消耗大量的优质焦炭和无烟煤资源，将低阶煤应用于炼铁生产是当前降低钢铁生产成本的一个技术方向。目前多数钢铁企业已经将烟煤应用于高炉的喷吹生产，替代昂贵的焦炭和无烟煤，但由于烟煤挥发分含量高、具有较低的着火点和强的爆炸性，使得高炉使用量受到了限制。

3、为了进一步提升高挥发分低阶煤在钢铁生产中的应用比例，部分企业将兰炭应用于高炉喷吹的生产。兰炭是高挥发分煤在中低温干馏条件下得到的产物，属于半焦一类产品，不在政府对企业用煤额度限制的范围。兰炭的可磨性、燃烧性、喷吹特性与喷吹煤（通常为无烟煤和烟煤的混合煤）的性质有不少差别。其中，兰炭的可磨性较无烟煤和烟煤有较大的下降，烟煤可磨性一般在60～75，无烟煤在55～65，而兰炭一般在45～55的范围。兰炭可磨性的劣化，限制了其在炼铁生产中的应用。

4、公开号cn104411838a的中国专利公开了一种“高炉喷吹煤及其制造方法”，该方法只涉及到提高兰炭产品的燃烧性能，未涉及提高兰炭产品的可磨性能。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：通过低阶煤生产出具有多孔、高反应性且可磨性高的炭材料，从而作为燃料应用于高炉喷吹煤中。

2、本发明为解决上述技术问题提出的技术方案一是：一种多孔高反应性炭材料，其特征在于，以低阶煤中温热解后生成中温热解炭再掺混富钙镁改性剂并通入高温蒸汽制备得到，所述多孔高反应性炭材料的比表面积大于30 m2/g，总孔体积大于25 cm³/g，可磨性指数大于55，co2反应性大于60。

3、进一步，低阶煤包括褐煤、长焰煤、烟煤中的一种或几种混合物；富钙镁改性剂为石灰石、白云石中的一种或者两种混合物，改性剂的添加量为中温热解炭质量的2%-8%。

4、本发明为解决上述技术问题提出的技术方案二是：提供上述技术方案一的一种多孔高反应性炭材料的制备方法，包括如下步骤：

5、（1）将低阶煤粉碎后输送至干燥炉进行脱水干燥；

6、（2）将干燥后的低阶煤输送至中温热解，制备获得中温热解炭；

7、（3）以中温热解炭为原料，掺混富钙镁改性剂后通入高温蒸汽进行高温活化，制备出多孔高反应性炭材料。

8、进一步，上述技术方案二步骤（1）中，粉碎后低阶煤颗粒粒度小于5 mm的比例超过（大于）90%；干燥采用热烟气为干燥介质，干燥温度150℃-200℃，干燥时间20min-120min，干燥后低阶煤中水分含量小于5%。

9、进一步，上述技术方案二步骤（2）中，中温热解的温度650 ℃-750 ℃，热解过程升温速率大于20 ℃/min。

10、进一步，上述技术方案二步骤（2）中，所述中温热解炭的比表面积大于10m2/g，其总孔体积大于15 cm³/g，其可磨性指数大于45，其co2反应性大于55。

11、进一步，上述技术方案二步骤（3）中，富钙镁改性剂是石灰石、白云石中的一种或者两种的混合物，富钙镁改性剂的添加量占中温热解炭质量的2%-8%。

12、进一步，上述技术方案二步骤（3）中，高温蒸汽是温度800℃-950℃的过热蒸汽，高温活化时间是30min-120min；活化反应结束后冷却，当温度低于150℃后排出炉外，再进行自然冷却到自然温度。

13、本发明为解决上述技术问题提出的技术方案三是：上述技术方案一的一种多孔高反应性炭材料的应用，将所述多孔高反应性炭材料与高炉喷吹煤混合后粉碎，再输送至高炉风口喷吹燃烧。

14、本发明的有益效果是：1）本发明提供的一种多孔高反应性炭材料，由于其可磨性指数大于55，co2反应性大于60，因此可以克服现有低阶煤制备的碳材料可磨性底和反应性差的缺陷，更加适用于作为高炉喷吹煤的燃料。2）本发明提供了一种多孔高反应性炭材料的制备方法，由于热解温度在700 ℃-750 ℃范围，热裂解反应快速进行，热裂解过程挥发分大量析出使制备获得的具有较高孔隙结构的热解炭，同时结合富钙镁改质剂和高温蒸汽的活化作用，制备出的多孔炭材料具有高的比表面积和孔隙体积；大的比表面积和孔体积，增加炭材料反应过程中与气体的接触面积；因此当将本发明制备的多孔高反应性炭材料应用于高炉喷吹煤时，可以显著提高燃烧的反应性能，较高的反应特性有利于高炉喷煤在高炉风口前的快速着火燃烧，减少未燃煤粉含量，改善高炉冶炼的稳定顺行，可大幅度提高高炉的煤比。

15、本发明上述有益效果的进一步理论分析如下：经研究发现，在低阶煤热解提质过程中，通过控制煤的热解温度、反应时间以及反应速度，可以控制煤热解过程的解聚和缩合两大反应，最终会对热解碳的孔隙和碳微晶结构产生影响，进而对热解碳的可磨性能、燃烧性能、及co2的反应性能产生较大的影响。控制热解炭化反应温度和活化温度是制备多孔高反应性炭材料的关键工艺参数，可磨性和反应性的高低与炭材料中碳微晶结构有重要的相关性，热解过程中，随着温度的升高原煤分子的侧链发生断裂，形成大量的自由基分子并逸出，当温度控制在某范围时，残留下来的碳原子还未能聚合形成致密的芳香环结构，残留炭材料具有较高的活性，同时，热解过程中原煤致密的碳基质被破坏，生成大量的孔洞结构，改善了热解获得炭材料的可磨性和反应性。采用蒸汽活化一方面能够促进热解炭的孔洞结构进一步扩大，进一步增加比表面积和孔体积，降低孔壁的厚度的强度，改善可磨性能和反应性能。采用钙镁改性剂一方面可以改善热解炭的活化效果，另一方面作为燃烧反应的催化剂，还能够促进喷吹煤粉在风口前的高效燃烧，提高喷吹燃料在高炉内的燃烧效率。利用石灰石和白云石在高温改性过程中生成氧化钙和氧化镁，氧化钙和氧化镁在冷却过程中会吸收空气中的水分生成氢氧化钙和氢氧化镁，对细小的热解碳粉末进行粘附，减少多孔反应性炭材料产生的粉尘。

技术特征：

1.一种多孔高反应性炭材料，其特征在于，以低阶煤中温热解后生成中温热解炭再掺混富钙镁改性剂并通入高温蒸汽制备得到，所述多孔高反应性炭材料的比表面积大于30m2/g，总孔体积大于25 cm³/g，可磨性指数大于55，co2反应性大于60。

2.根据权利要求1所述的多孔高反应性炭材料，其特征在于：所述低阶煤包括褐煤、长焰煤、烟煤中的一种或两种及以上的混合物；所述富钙镁改性剂为石灰石、白云石中的一种或者两种混合物，改性剂的添加量为中温热解炭原料质量的2%-8%。

3.根据权利要求1所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，粉碎后低阶煤颗粒粒度小于5 mm的比例超过90%，所述干燥采用热烟气为干燥介质，干燥温度150℃-200℃，干燥时间20min-100min，干燥后低阶煤中水分含量小于5%。

5.根据权利要求3所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述中温热解温度是650 ℃-750 ℃，热解时间是30-50min，热解过程升温速率大于20 ℃/min。

6.根据权利要求3所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述中温热解炭的比表面积大于10m2/g，其总孔体积大于15 cm³/g，其可磨性指数大于45，其co2反应性大于55。

7.根据权利要求3所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述富钙镁改性剂是石灰石、白云石中的一种或者两种混合物，所述富钙镁改性剂的添加量占所述中温热解炭质量的2%-8%。

8.根据权利要求3所述多孔高反应性炭材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述高温蒸汽是温度为800℃-950℃的过热蒸汽，所述高温活化的时间是30min-120min；高温活化反应结束后冷却，当温度低于150℃后排出炉外，再进行自然冷却到自然温度。

9.根据权利要求1所述多孔高反应性炭材料的应用，其特征在于：将所述多孔高反应性炭材料与高炉喷吹煤混合后粉碎，再输送至高炉风口喷吹燃烧。

10.根据权利要求9所述多孔高反应性炭材料的应用，其特征在于：所述多孔高反应性炭材料与高炉喷吹煤粉的百分比为5%-90%，粉碎后高炉喷吹燃料粒度小于0.074 mm的比例大于60 %，水分含量小于1.6%；所述高炉风口的热风温度大于1100 ℃，富氧率大于3 %，鼓风湿度小于1.4 %，风口回旋区理论燃烧温度为2100 ℃～2300 ℃。

技术总结本发明涉及一种多孔高反应性炭材料及其制备方法和应用，属于炭化燃料技术领域。该材料采用低阶煤为原料，通过中温热解方法制备获得中温热解炭，再以中温热解为原料，掺混富钙镁改性剂后在水蒸气条件下进行高温活化的方法最终制备而成。该材料的比表面积大于30 m2/g，总孔体积大于25 cm³/g，可磨性指数大于55，CO2反应性大于60。将该材料与高炉喷吹煤粉混合后粉碎，利用喷吹装置喷入高炉风口与热风混合燃烧，可以显著提高燃烧的反应性能，改善高炉冶炼的稳定顺行，可大幅度提高高炉的煤比。技术研发人员：毕传光受保护的技术使用者：上海梅山钢铁股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/3/11