一种活性焦的制备方法和制备装置技术领域
本发明涉及活性焦技术领域，尤其涉及一种活性焦的制备方法和制备装置。
背景技术
活性焦是一种多孔含碳物质，具有很多的介孔和大孔结构，常作为吸附剂用于烟
气净化和水处理等技术领域中。
在现有的活性焦的制备方法中，通常以煤为原料，将煤通过破碎、炭化和活化来制
备活性焦，所获得的活性焦的比孔容和比表面积较小，使得活性焦的活性低，吸附性能较
差，限制了活性焦的应用。由于活性焦的比孔容、比表面积以及吸附性能与整个反应过程中
的反应条件都有关，因此，寻求一种活性较高，吸附性能较好的活性焦的制备工艺成为研究
热点。
发明内容
本发明的实施例提供一种活性焦的制备方法和制备装置，能够获得比孔容较大、
比表面积较高、吸附性能较好的活性焦。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种活性焦的制备方法，包括：
步骤1)将煤粉发生气化反应或热解反应，以获得具有预设结构参数的半焦；其中，
所述预设结构参数是指所述半焦的含碳量大于等于80％，比孔容大于等于0.2cm3/g，粒度
小于等于250微米；
步骤2)将所获得的半焦与活化剂发生活化反应获得活性焦。
优选的，所述气化反应的温度为850-1000℃，压力为5-10MPa；
所述热解反应的温度为800-1200℃，压力为0.5-10MPa。
可选的，所述活化剂为温度为400-550℃的水蒸气。
可选的，所述活化反应的温度为800-900℃，所述活化反应的时间为0.5-3h。
可选的，所述半焦中的碳与所述活化剂的质量比为1:1-8:1。
可选的，在所述步骤2)之前所述方法还包括：
将所述半焦的温度保持在第一温度；或者，当所述半焦的温度小于所述第一温度
时，将所述半焦预热至所述第一温度；其中，所述第一温度与所述活化反应的温度之间的差
值的绝对值小于等于300℃。
可选的，所述预热的速率为20-30℃/min。
可选的，所述煤粉为挥发分大于等于30％，灰分小于等于20％的低阶煤。
另一方面，本发明实施例提供一种活化焦的制备装置，应用于如上所述的制备方
法，包括：
气化炉，所述气化炉包括排焦口，所述气化炉用于使煤粉发生气化反应或热解反
应生成半焦；
柱状壳体，所述柱状壳体倾斜设置，所述柱状壳体的内部从上到下分别为预热区
域和活化区域，所述柱状壳体的顶部设置有半焦进口，所述活化区域所对应的侧壁上设置
有活化剂进口，所述气化炉的排焦口与所述柱状壳体的半焦进口连通，所述活化剂进口用
于通入活化剂。
可选的，所述活化区域设置有搅拌装置；
所述搅拌装置用于对进入所述活化区域的半焦进行搅拌，使得所述半焦在搅拌下
由上到下运动。
可选的，所述柱状壳体向上倾斜的一端设置有预热气体进口，所述预热区域靠近
所述预热气体进口处设置有气体分布器，所述气体分布器包括中心分布板以及环绕在所述
中心分布板外围的环形分布板，所述环形分布板的内侧与所述中心分布板的外围固定连
接，所述环形分布板的外围与所述柱状壳体的内壁固定连接，所述环形分布板上分布有第
一通孔，所述中心分布板上分布有第二通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直
径。
可选的，所述环形分布板为喇叭状，且朝远离所述预热气体进口的方向渐扩。
可选的，所述气体分布器还包括气体分布管，所述气体分布管的第一端与所述中
心分布板的外围固定连接，第二端朝靠近所述预热气体进口的方向延伸，并与所述预热气
体进口连通，所述气体分布管上分布有第三通孔。
可选的，所述活化剂进口为多个，且从上到下由密到疏排列在所述活化区域所对
应的侧壁上。
可选的，所述活化区域的侧壁外围设置有加热夹层；
所述活化区域的侧壁与所述加热夹层之间设置有盘管，所述盘管上开设有进口，
以及与所述活化区域的活化剂进口连通的出口，所述盘管的进口用于通入水或水蒸气。
可选的，所述制备装置还包括活性焦收集装置，所述活性焦收集装置包括壳体，所
述壳体上设有活性焦进口、固体出口和气体出口，其中，所述固体出口设置在所述壳体的底
部，所述气体出口设置在所述壳体的顶部；
所述柱状壳体向下倾斜的一端与所述壳体的活性焦进口连通。
本发明实施例提供了一种活性焦的制备方法和制备装置，通过将煤粉通过气化反
应或热解反应生成具有预设结构参数的半焦，使得所述半焦的含碳量较高，比孔容较大，粒
度较小，在所述半焦与所述活化剂进行活化反应制备活性焦时，由于所述半焦的含碳量较
高，因此，有利于半焦与活化剂反应进行造孔，由于所述半焦的比孔容较大，在活化时所述
活化剂能够进入所述半焦内部，有利于扩孔，而由于所述半焦的粒度较小，能够增大所述半
焦与所述活化剂的接触面积，增大活化率，综上所述，本发明实施例通过对所活性焦的反应
原料半焦的结构进行优化，当所述半焦与所述活化剂进行活化反应时，能够提高所述半焦
与所述活化剂的活化效果，从而能够获得比孔容较大、比表面积较高以及吸附性能较好的
活性焦。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种活性焦的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种活性焦的制备装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种气体分布器在B-B’方向上的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例提供的一种活性焦的制备方法和制备装置进行详
细描述。
一方面，本发明实施例提供一种活性焦的制备方法，参见图1，包括：
步骤1)将煤粉发生气化反应或热解反应，以获得具有预设结构参数的半焦；其中，
所述预设结构参数是指所述半焦的含碳量大于等于80％，比孔容大于等于0.2cm3/g，粒度
小于等于250微米；
步骤2)将所获得的半焦与活化剂发生活化反应获得活性焦。
其中，气化反应是指在中温(800-1000℃)、高压(5-10MPa)条件下，煤粉与气化剂
反应生成甲烷，焦油和半焦的过程。热解反应是指煤在无氧或贫氧条件下受热分解为粗煤
气和焦油的过程。
本发明实施例提供了一种活性焦的制备方法，通过将煤粉通过气化反应或热解反
应生成具有预设结构参数的半焦，使得所述半焦的含碳量较高，比孔容较大，粒度较小，在
所述半焦与所述活化剂进行活化反应制备活性焦时，由于所述半焦的含碳量较高，因此，有
利于半焦与活化剂反应进行造孔，由于所述半焦的比孔容较大，在活化时所述活化剂能够
进入所述半焦内部，有利于扩孔，而由于所述半焦的粒度较小，能够增大所述半焦与所述活
化剂的接触面积，增大活化率，综上所述，本发明实施例通过对所活性焦的反应原料半焦的
结构进行优化，当所述半焦与所述活化剂进行活化反应时，能够提高所述半焦与所述活化
剂的活化效果，从而能够获得比孔容较大、比表面积较高以及吸附性能较好的活性焦。
其中，预设结构参数的半焦可以通过控制气化反应的条件或者热解反应的条件获
得。
本发明的一实施例中，所述气化反应的温度为850-1000℃，压力为5-10MPa；所述
热解反应的温度为800-1200℃，压力为0.5-10MPa。
通过实验发现，在以上温度和压力范围内，能够获得具有所述预设结构参数的半
焦，为制取活性较高的活性焦做准备。
其中，需要说明的是，气化反应是在气化剂氛围中对煤进行气化的过程，热解反应
是在无氧或贫氧氛围中对煤进行热解的过程。
其中，对所述气化反应所采用的气化剂不做限定，所述气化剂可以选自氢气、水蒸
气、一氧化碳和二氧化碳中的一种或者几种混合气体。
优选的，所述气化反应所采用的气化剂为富氢气体。这样所获得的半焦具有活性
高的特点，这是因为：在富氢气氛中，氢气优先占据活性位，避免了表面活性炭位被气化生
成的副产物或其他气化剂破坏，保证了半焦的孔结构和含碳量，并且在活化过程中能够优
先脱附，利于活性位与活化剂发生活化反应。
其中，对所述活化剂不做限定，活化剂是指能够与半焦(主要成分为碳)发生物理
或者化学反应，对所述半焦进行造孔的物质。最常用的如水蒸气、水蒸气和氧气的混合气体
等。
本发明的一实施例中，所述活化剂为温度为400-550℃的水蒸气。一方面，水蒸气
廉价易得，另一方面，由于水蒸汽的比热较大，在加热至一定温度时所需要的热量较多，因
此，对于相同的加热装置而言，水蒸汽加热至较高的温度较为困难。在气化过程中半焦通过
冷凝水换热所获得的水蒸气通常保持在该温度范围内，故该温度范围内的水蒸气方便易
得。
当然，也可以在所述半焦中分散钾盐或者采用钾盐蒸汽对所述半焦进行活化，这
是因为：钾盐中的钾离子能够与所述半焦中的活性位结合生成活性中间体，从而能够促进
活化反应的进行。
其中，对所述半焦与所述活化剂发生活化反应的质量比不做限定。由于在活化反
应过程中，半焦与所述活化剂的活化反应，其实是半焦中的碳在活化剂的作用下进行造孔
的过程，若所述半焦中的碳与水蒸气的质量比过低，则过量的水蒸气会造成孔隙坍塌，使得
活性焦的收率较低，强度过低，若所述半焦中的碳与水蒸气的质量比过高，则使得所述半焦
中的碳活化不充分，导致所获得的活性焦孔隙率和活性较低。
优选的，所述半焦中的碳与所述活化剂的质量比为1:1-8:1。将所述半焦中的碳和
所述活化剂的质量比保持在该范围内，能够使得半焦中的碳充分活化的同时，避免发生孔
隙坍塌，提高活性焦的活性和孔隙率。
其中，对所述活化反应的温度和时间不做限定。所述活化反应的温度和时间对所
述半焦的活化性能具有很大的影响，若所述活化反应的温度过低则活化不充分，反之，则所
获得的活性焦的收率较低。
优选的，所述活化反应的温度为800-900℃，所述活化反应的时间为0.5-3h。保持
所述第二温度和活化反应的时间在上述范围内，所获得的活性焦收率可以达到50-60％，且
吸附性能最优。
其中，需要说明的是，当所获得的半焦冷却至室温时，将所述半焦加热至活化反应
所需的温度进行活化反应，这时，所述半焦由于温升过大而会造成孔壁表面开裂，孔隙坍
塌，同时，半焦的温度和所述活化反应的温度温差过大会出现烧结现象，从而会影响所述活
性焦的活化性能。
本发明的一优选实施例中，在所述步骤2)之前所述方法还包括：
将所述半焦的温度保持在第一温度；或者，当所述半焦的温度小于所述第一温度
时，将所述半焦预热至所述第一温度；其中，所述第一温度与所述活化反应的温度之间的差
值的绝对值小于等于300℃。这样，能够使所述半焦的温度和所述活化反应的温度的温差保
持在300℃以内，从而能够避免温升过大而造成孔壁表面开裂，孔隙坍塌，同时，还能够避免
半焦的温度和所述活化反应的温度之间的温差过大而发生烧结现象，从而能够提高所述活
性焦的活化性能。
其中，对所述保持所述半焦的温度为第一温度的具体操作不做限定，在所述煤粉
发生气化反应或者热解反应生成半焦之后，所述半焦通过气化炉中的冷凝水冷却堆积在所
述气化炉的底部，这时，所述半焦的温度为400-700℃，因此，可以通过连续进行的气化反应
或者热解反应来保持所述半焦的温度在所述第一温度，在需要对所述半焦进行活化时，将
其排至活化反应区域中与所述活化剂在活化反应的温度下进行活化反应，当然，也可以将
半焦排至保温器中对其进行保温，将其保持在所述第一温度。
其中，对所述预热的具体操作也不做限定，可以将所述半焦排至温度更高的环境
中进行预热，通过热量交换之后将其温度加热至所述第一温度。
其中，对所述预热的速率不做限定。
优选的，所述预热的速率为20-30℃/min。通过预热对所述半焦进行缓慢升温，能
够减少孔壁开裂和孔隙坍塌，保持所述半焦的结构参数在预设范围内。
其中，对所述煤粉不做限定。由于优质煤挥发分含量低，在制备活性焦的过程中所
产生的副产物如甲烷、焦油等的产率比较低，不利于资源优化配置。
优选的，所述煤粉为挥发分大于等于30％，灰分小于等于20％的低阶煤。这样，还
能够在制备高性能的活性焦的同时降低成本。
另一方面，本发明实施例提供一种活化焦的制备装置，应用于如上所述的制备方
法，参见图2，包括：
气化炉1，所述气化炉1包括排焦口，所述气化炉1用于使煤粉发生气化反应或热解
反应生成半焦；
柱状壳体2，所述柱状壳体2倾斜设置，所述柱状壳体2的内部从上到下分别为预热
区域A和活化区域B，所述柱状壳体2的顶部设置有半焦进口，所述活化区域B所对应的侧壁
上设置有活化剂进口，所述气化炉1的排焦口与所述柱状壳体2的半焦进口连通，所述活化
剂进口用于通入活化剂。
本发明实施例提供了一种活性焦的制备装置，通过设置气化炉1和柱状壳体2，煤
粉在所述气化炉1中发生气化反应或者热解反应生成半焦，所述半焦可以经所述气化炉1的
排焦口排至所述柱状壳体2中，在所述柱状壳体2中进入所述预热区域A能够将所述半焦预
热至一定的温度，这样，所述半焦能够沿倾斜设置的所述柱状壳体1下料至活化区域B与活
化剂发生活化反应，为实现上述制备方法提供一种简单可行的制备装置，从而为制备高比
孔容、高比表面积和高吸附性能的活性焦提供保障。
其中，需要说明的是，所述气化炉1中产生半焦之后可以通过冷凝水冷凝之后堆积
在所述气化炉1中，在将所述半焦作为活性焦的原料用于制备活性焦时，可以将所述气化炉
1停车，将所述半焦排至所述柱状壳体1内对其预热，并使其发生活化反应；也可以在所述气
化炉1运行过程中，将所产生的半焦排至所述柱状壳体1中使其与所述活化剂发生活化反
应，这时，还能够通过所述气化炉1将所述半焦保持在一定的温度，避免半焦温升过大而出
现孔壁开裂的现象，并且能够防止温差过大出现烧结现象。
但是，在所述气化炉1运行过程中，将所产生的半焦排至所述柱状壳体1中时，需要
保持所述气化炉1内的反应氛围(例如惰性气体氛围)，以避免对所述气化炉1中的气化反应
或热解反应产生影响。
优选的，所述制备装置还包括排焦锁斗3，所述排焦锁斗3包括集焦口和排焦口，所
述排焦锁斗3的集焦口与所述气化炉1的排焦口连通，所述排焦锁斗3的排焦口与所述柱状
壳体1的半焦进口连通。
通过所述排焦锁斗3，能够将所述半焦先通过所述排焦锁斗3上的集焦口集中在所
述排焦锁斗3中，再通过所述排焦锁斗3的排焦口将排至所述排焦锁斗3中的半焦排至所述
柱状壳体2中。这样，在需要将半焦排至所述柱状壳体2中时，可以先关闭所述排焦锁斗3的
集焦口和所述气化炉1之间的阀门，通过充压装置对所述排焦锁斗3进行充压，使得所述排
焦锁斗3的压力与所述气化炉1中的压力一致或者略小(当然，在充压时可以选择与所述气
化炉中的气体一致的气体，例如，当所述气化炉中进行的是气化反应时，可以向所述排焦锁
斗3中通入粗煤气对其进行充压)，开启所述排焦锁斗3的集焦口和所述气化炉1之间的阀
门，所述半焦会被排放至所述排焦锁斗3中，然后再关闭所述排焦锁斗3的集焦口和所述气
化炉1之间的阀门，对所述排焦锁斗3进行泄压至常压，而后将所述排焦锁斗3中的半焦排放
至所述柱状壳体2中，这样，能够实现对所述气化炉1的间断性排焦，并保持所述气化炉1的
高压、气化剂氛围或者惰性氛围。
当然，所述排焦锁斗2可以为两个，且分别与所述气化炉1的排焦口和所述柱状壳
体3的半焦进口连通，这样，能够实现交替排焦。
其中，对所述柱状壳体2的倾斜角度不做限定，只要能够使所述半焦沿所柱状壳体
2的内壁向下运动即可。
本发明的一实施例中，所述活化区域B设置有搅拌装置4；
所述搅拌装置4用于对进入所述活化区域B的半焦进行搅拌，使得所述半焦在搅拌
下由上到下运动。
在本发明实施例中，通过设置搅拌装置4，能够使得所述半焦在较为分散的状态与
所述活化剂进行充分接触，从而能够避免半焦聚集而与活化剂发生活化反应时发生烧结现
象，提高活化反应的效果，同时，还能够在所述柱状壳体2的倾斜角度(即所述柱状壳体2的
中心线与竖直方向的直线之间的夹角)较大时，将所述半焦在搅拌下边往下运动边与活性
剂反应。
其中，对所述预热区域A的具体结构不做限定，只要能够对所述半焦进行预热即
可。
本发明的一优选实施例中，所述柱状壳体2向上倾斜的一端设置有预热气体进口，
所述预热区域A靠近所述预热气体进口处设置有气体分布器5，参见图3，所述气体分布器5
包括中心分布板51以及环绕在所述中心分布板51外围的环形分布板52，所述环形分布板52
的内侧与所述中心分布板51的外围固定连接，所述环形分布板52的外围与所述柱状壳体2
的内壁固定连接，所述环形分布板52上分布有第一通孔，所述中心分布板51上分布有第二
通孔，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径。
通过在所述预热气体进口处布置气体分布器5，使得靠近所述柱状壳体2的内壁处
的环形分布板52上的通孔的直径大于远离所述柱状壳体2的内壁的中心分布板51上的通孔
的直径，这样，当从所述预热气体进口通入预热气体时，所述预热气体经所述气体分布器5
分配后，使得靠近所述柱状壳体2的器壁处的气速较大，能够提高对所述柱状壳体2中靠近
器壁处的半焦的吹送速度，从而能够实现对所述半焦的均匀吹送。
其中，所述预热气体可为任何可以携带热量与半焦进行热量交换的气体。
本发明的一实施例中，所述预热气体为粗煤气。由于气化反应或热解反应产生粗
煤气，且粗煤气携带大量热量，因此，将所述粗煤气作为预热气体能够实现能量的循环利
用，减少能耗。
其中，需要说明的是，在现有技术中，从所述气化炉1中出来的粗煤气携带大量的
热量还被用于余热回收单元对其热量进行回收，余热回收单元中通常采用水或水蒸气作为
换热介质，通过与换热介质进行换热，能够获得过热水蒸汽，这时，所述过热水蒸气能够作
为活化剂用于所述活化反应，从而能够进一步提高资源利用效率。同时，由于所述粗煤气经
过换热之后温度会发生下降，因此，可以通过加热器对粗煤气进行加热之后，再将所述粗煤
气作为预热气体对所述半焦进行预热。
当然，在现有技术中，气化炉1中产生的半焦通过冷凝水冷凝堆积在气化炉底部，
而冷凝水通过所述半焦换热能够获得过热水蒸汽，这儿所获得的过热水蒸气同样能够作为
活化剂用于所述活化反应。
其中，所述环形分布板52与所述中心分布板51可以在同一平面内，也可以与所述
中心分布板51成一定夹角。
本发明的一实施例中，所述环形分布板52为喇叭状，且朝远离所述预热气体进口
的方向渐扩。
在本发明实施例中，采用渐扩的结构可以有效降低气体流速变化大造成的扰动问
题。
本发明的又一优选实施例中，所述气体分布器5还包括气体分布管53，所述气体分
布管53的第一端与所述中心分布板51的外围固定连接，第二端朝靠近所述预热气体进口的
方向延伸，并与所述预热气体进口连通，所述气体分布管53上分布有第三通孔。
在本发明实施例中，通过设置气体分布管53，可以直接通过所述气体分布管53将
预热气体导流至所述中心分布板51，然后部分气体经过所述中心分布板51后，以一定的速
度沿所述柱状壳体2的轴线方向流动，另外一部分气体则经过所述气体分布管53后沿所述
柱状壳体2的径向方向扩散，然后再通过所述环形分布板52后以一定的速度沿所述柱状壳
体2的器壁流动，这样，能够解决所述预热气体进口较小时，柱状壳体2横截面处气体分布不
均匀、偏流的问题，有利于实现半焦顺利下料和充分疏松。
其中，对所述活化剂进口的个数不做限定，所述活化剂进口可以为一个，也可以为
多个。
本发明的一实施例中，所述活化剂进口为多个，且从上到下由密到疏排列在所述
活化区域B所对应的侧壁上。在本发明实施例中，通过将活化剂按照从上往下由密变疏分散
于所述活化区域B中，符合半焦与活化剂的反应规律，能够最大程度上提高活化效果。
本发明的又一实施例中，所述活化区域B的侧壁外围设置有加热夹层6；
所述活化区域B的侧壁与所述加热夹层6之间设置有盘管7，所述盘管7上开设有进
口，以及与所述活化区域B的活化剂进口连通的出口，所述盘管7的进口用于通入水或水蒸
气。
在本发明实施例中，当将水通入所述盘管7时，通过加热夹层6对水进行加热能够
制取水蒸气，当即将水蒸汽通入所述盘管7时，通过加热夹层6能够对水蒸气进行进一步加
热或者保温。
本发明的一实施例中，所述制备装置还包括活性焦收集装置8，所述活性焦收集装
置8包括壳体，所述壳体上设有活性焦进口、固体出口和气体出口，其中，所述固体出口设置
在所述壳体的底部，所述气体出口设置在所述壳体的顶部；
所述柱状壳体2向下倾斜的一端与所述壳体的活性焦进口连通。
在本发明实施例中，所述预热气体能够通过所述气体出口被排至外部，这样，能够
降低对所述柱状壳体2的承压能力的要求。
需要说明的是，在活化反应过程中也会产生气体，所产生的气体也可以通过所述
壳体上的气体出口排出，这时，可以将从所述壳体上的气体出口排出的气体再次作为预热
气体对所述半焦进行预热，能够不断循环为制取活性焦提供热量。
当然，从所述壳体上的气体出口排出的气体(包括所述粗煤气与所述活化反应产
生的气体)可以分为两部分，一部分通入加热器中加热至一定的温度，然后再通入所述预热
气体进口对所述半焦进行进一步加热，另一部分可以通过引射器加压引入粗煤气的净化单
元对其进行净化。
优选的，所述壳体内在所述活性焦进口和所述气体出口之间设置有挡板9。所述挡
板9可以对从所述壳体上的气体出口排出的气体中夹带的活性焦进行阻挡。从而能够气体
将粒径较小的活性焦带出。
其中，所述挡板9可以为两个，且沿所述壳体的侧壁交错设置，两个挡板9在所述活
性焦出口的投影与所述活性焦出口重合。采用该结构，能够最大程度上将活性焦阻挡下来。
当然，还可以在所述活性焦收集装置8的气体出口处设置粉尘过滤袋，能够对从所
述壳体上的气体出口排出的气体携带的活性焦颗粒进行过滤。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵
盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。