一种环保型焦炭及其制备方法发明专利

专利名称：一种环保型焦炭及其制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410769791.8

专利申请（专利权）人：山西晋南钢铁集团有限公司
权利人地址：山西省临汾市曲沃县高显镇立恒大道南侧(高显工业园区内)

专利发明（设计）人：张天福,武建伟,李小勇,薛志强,赵安会

专利摘要：本发明涉及焦炭制备技术领域，具体是提供了一种环保型焦炭及其制备方法，所述环保型焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤20~30份、主焦煤40~50份、瘦煤5~10份、肥煤10~15份、沥青5~8份、生物质石墨烯1~2份、碳酸钾1~3份。本发明通过合理配置原料比例，并引入生物质石墨烯及碳酸钾，提高焦炭机械强度，使其保持结构完整性的能力增强，同时提高焦炭气孔率，增加焦炭的透气性，使焦炭充分燃烧，提高能源利用率及冶炼效率。

主权利要求：
1.一种环保型焦炭，其特征在于，所述环保型焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤20 30份、主焦煤40 50份、瘦煤5 10份、肥煤10 15份、沥青5 8份、生物质石墨烯1 2~ ~ ~ ~ ~ ~份、碳酸钾1 3份；
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所述生物质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：①、将生物质废料破碎为直径1 5mm的生物质粉末，用清水清洗三次，放置在烘箱中，~
250 300℃炭化60min，得到炭化生物质；
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②、称取10g步骤①所制的炭化生物质加入在100mL98wt%的浓硫酸中，缓慢加入12~
16gKMnO4，在10~15℃条件下300rpm搅拌30min，然后转移至35~40℃的水浴中继续搅拌
3h，继续加入100mL蒸馏水，加热至95℃搅拌15 20min，过滤得到棕色混合物；
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③、将步骤②所制的棕色混合物加入100mL去离子水中，混合均匀后缓慢加入40 50~mL30wt%H2O2溶液，300rpm搅拌30min，溶液颜色变为浅黄色，过滤得到浅黄色沉淀，蒸馏水洗涤浅黄色沉淀三次，再利用超声浴超声剥离30min，放入烘箱中80℃烘干12h，得到生物质石墨烯；
所述的环保型焦炭的制备方法，具体包括以下步骤：S1、按重量份称取各原料，放入混合搅拌中，并进行充分的混合搅拌，得到混合前驱体；
S2、将混合前驱体送入焦炭成型设备中，采用压制成型将混合物压制成所需形状的焦炭块；
S3、将焦炭块状的混合前驱体置于焦炉内，以8℃/min升温速率升温至300 350℃，保~持5h，继续以6℃/min升温速率升温至400 450℃，保持5h，再以4℃/min升温速率升温至~
800 850℃，保持5h，最后冷却至室温后得到焦炭。
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2.根据权利要求1所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述无烟煤的挥发份含量为5~
8%，灰分含量为3 5%，硫分含量为0.5 0.8%，粒径为40 80目。
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3.根据权利要求2所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述主焦煤的挥发份含量20~
26%，灰分含量为5 8%，硫分含量为0.4 0.6%，粒径为10 30目。
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4.根据权利要求3所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述瘦煤的挥发份含量为22~
26%，灰分含量为6 8%，硫分含量为0.6 1%，粒径为10 50目。
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5.根据权利要求4所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述肥煤的挥发份含量为20~
25%，灰分含量为5 8%，硫分含量为0.4 0.8%，粒径为20 50目。
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6.根据权利要求5所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述沥青的挥发份含量为30~
40%，灰分含量为0.1 0.4%，甲苯不溶物含量为0.5 0.8%，软化点为60 80℃。
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7.根据权利要求6所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述步骤①中生物质废料为玉米秸秆、甘蔗渣、小麦秸秆、棉花秸秆、稻壳的任何一种。
8.根据权利要求7所述的一种环保型焦炭，其特征在于，所述步骤S2中，压制成型的温度为180 220℃，压力为28MPa。
~ 说明书 : 一种环保型焦炭及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及焦炭制备技术领域，具体涉及一种环保型焦炭及其制备方法。背景技术[0002] 焦炭是一种由煤炭等含碳材料在高温下部分氧化而成的固体燃料，是钢铁行业不可或缺的原料之一，其在高温炼铁过程中扮演着至关重要的热源和还原剂角色。通过高温反应，焦炭能够有效地将铁矿石中的氧化物还原成金属铁，从而促进钢铁的生产。在高炉炼铁过程中，焦炭在高炉上部形态相对稳定，但随着下部温度的升高以及受到高温热应力、气化溶蚀和碱金属等因素的影响，其强度逐渐降低，颗粒逐渐变小，粉末含量增加，这使得焦炭的结构骨架和支撑作用逐渐减弱。因此，研究改善入炉焦炭的性能变得日益迫切。[0003] 同时，焦炭的生产和使用过程中产生的排放物成为了环境的一大挑战。在高温炼铁过程中，焦炭释放的有害气体，如二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等，对环境造成了严重影响。这些气体不仅污染了大气，还可能导致酸雨和光化学烟雾等问题的产生，从而影响了环境的整体质量和人类的健康状况。随着全球环境问题日益突出，对于清洁生产和环境保护的需求也日益增长，焦炭生产领域迫切需要一种更为环保、高效的制备方法，以应对这一严峻的挑战。发明内容[0004] 针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种环保型高质量焦炭及其制备方法，通过合理配置原料比例，并引入生物质石墨烯及碳酸钾，提高焦炭机械强度，使其保持结构完整性的能力增强，并提高气孔率，增加焦炭的透气性，提高能源利用率及冶炼效率。[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：本发明提出了一种环保型高质量焦炭，所述环保型高质量焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤20 30份、主焦~煤40 50份、瘦煤5 10份、肥煤10 15份、沥青5 8份、生物质石墨烯1 2份、碳酸钾1 3份。~ ~ ~ ~ ~ ~[0006] 优选地，所述无烟煤的挥发份含量为5 8%，灰分含量为3 5%，硫分含量为0.5~ ~ ~0.8%，粒径为40 80目。~[0007] 优选地，所述主焦煤的挥发份含量20 26%，灰分含量为5 8%，硫分含量为0.4~ ~ ~0.6%，粒径为10 30目。~[0008] 优选地，所述瘦煤的挥发份含量为22 26%，灰分含量为6 8%，硫分含量为0.6 1%，~ ~ ~粒径为10 50目。~[0009] 优选地，所述肥煤的挥发份含量为20 25%，灰分含量为5 8%，硫分含量为0.4~ ~ ~0.8%，粒径为20 50目。~[0010] 优选地，所述沥青的挥发份含量为30 40%，灰分含量为0.1 0.4%，甲苯不容物含量~ ~为0.5 0.8%，软化点为60 80℃。~ ~[0011] 优选地，所述生物质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：[0012] ①、将生物质废料破碎为直径1 5mm的生物质粉末，用清水清洗三次，放置在烘箱~中，250 300℃炭化60min，得到炭化生物质；~[0013] ②、称取10g步骤①所制的炭化生物质加入在100mL98wt%的浓硫酸中，缓慢加入12~16gKMnO4，在10~15℃条件下300rpm搅拌30min，然后转移至35~40℃的水浴中继续搅拌3h，继续加入100mL蒸馏水，加热至95℃搅拌15 20min，过滤得到棕色混合物；~[0014] ③、将步骤②所制的棕色混合物加入100mL去离子水中，混合均匀后缓慢加入40~50mL30wt%H2O2溶液，300rpm搅拌30min，溶液颜色变为浅黄色，过滤得到浅黄色沉淀，蒸馏水洗涤浅黄色沉淀三次，再利用超声浴超声剥离30min，放入烘箱中80℃烘干12h，得到生物质石墨烯。[0015] 优选地，所述步骤①中生物质废料为玉米秸秆、甘蔗渣、小麦秸秆、棉花秸秆、稻壳的任何一种。[0016] 本发明还提出一种环保型高质量焦炭的制备方法，具体包括以下步骤：[0017] S1、按重量份称取各原料，放入混合搅拌中，并进行充分的混合搅拌，得到混合前驱体；[0018] S2、将混合前驱体送入焦炭成型设备中，采用压制成型将混合物压制成所需形状的焦炭块；[0019] S3、将焦炭块状的混合前驱体置于焦炉内，以8℃/min升温速率升温至300 350~℃，保持5h，继续以6℃/min升温速率升温至400 450℃，保持5h，再以4℃/min升温速率升~温至800 850℃，保持5h，最后冷却至室温后得到焦炭。~[0020] 优选地，所述步骤S2中，压制成型的温度为180 220℃，压力为28MPa。~[0021] 本发明取得的有益效果如下：[0022] 本发明提出了一种环保型高质量焦炭及其制备方法，通过合理配置原料配比和引入生物质石墨烯、碳酸钾等新材料，提高了焦炭的质量，可以充分燃烧，减少污染气体排放。其中，生物质石墨烯具有良好的耐高温性能、机械性能，在干馏后均匀分散在焦炭中，有效增强了焦炭的机械强度，同时降低焦炭在高炉内的变形，并且石墨烯具有优异的热传导能力，可以提高焦炭的整体热传导能力，提高能源利用率，且生物质石墨烯的原料为废弃生物质材料，提高焦炭制备的环保性能。添加的碳酸钾可以在高温800℃左右分解释放气体，形成微小气泡，使焦炭内部形成更多的孔隙，这些孔隙可以增加焦炭的透气性，提高冶炼效率。附图说明[0023] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0024] 图1是实施例1所制备生物质石墨烯的扫描电子显微镜图；[0025] 图2是实施例1‑3所制备生物质石墨烯的XRD图谱。具体实施方式[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。[0027] 需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。[0028] 实施例1：本实施例提出了一种环保型高质量焦炭，所述环保型高质量焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤20份、主焦煤50份、瘦煤5份、肥煤15份、沥青8份、生物质石墨烯2份、碳酸钾3份。[0029] 所述无烟煤的挥发份含量为8%，灰分含量为5%，硫分含量为0.5%，粒径为60目。[0030] 所述主焦煤的挥发份含量24%，灰分含量为6%，硫分含量为0.4%，粒径为20目。[0031] 所述瘦煤的挥发份含量为22%，灰分含量为8%，硫分含量为0.6%，粒径为10目。[0032] 所述肥煤的挥发份含量为24%，灰分含量为6%，硫分含量为0.4%，粒径为20目。[0033] 所述沥青的挥发份含量为40%，灰分含量为0.4%，甲苯不容物含量为0.6%，软化点为80℃。[0034] 所述生物质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：[0035] ①、将玉米秸秆破碎为直径5mm的生物质粉末，用清水清洗三次，放置在烘箱中，300℃炭化60min，得到炭化生物质；[0036] ②、称取10g步骤①所制的炭化生物质加入在100mL98wt%的浓硫酸中，缓慢加入14gKMnO4，在10℃条件下300rpm搅拌30min，然后转移至40℃的水浴中继续搅拌3h，继续加入100mL蒸馏水，加热至95℃搅拌20min，过滤得到棕色混合物；[0037] ③、将步骤②所制的棕色混合物加入100mL去离子水中，混合均匀后缓慢加入50mL30wt%H2O2溶液，300rpm搅拌30min，溶液颜色变为浅黄色，过滤得到浅黄色沉淀，蒸馏水洗涤浅黄色沉淀三次，再利用超声浴超声剥离30min，放入烘箱中80℃烘干12h，得到生物质石墨烯。[0038] 本实施例还提出一种环保型高质量焦炭的制备方法，具体包括以下步骤：[0039] S1、按重量份称取各原料，放入混合搅拌中，并进行充分的混合搅拌，得到混合前驱体；[0040] S2、将混合前驱体送入焦炭成型设备中，设置温度为180℃，压力为28MPa将混合物压制成所需形状的焦炭块；[0041] S3、将焦炭块状的混合前驱体置于焦炉内，以8℃/min升温速率升温至350℃，保持5h，继续以6℃/min升温速率升温至450℃，保持5h，再以4℃/min升温速率升温至850℃，保持5h，最后冷却至室温后得到焦炭。[0042] 实施例2：本实施例提出了一种环保型高质量焦炭，所述环保型高质量焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤30份、主焦煤40份、瘦煤10份、肥煤10份、沥青5份、生物质石墨烯1.5份、碳酸钾2份。[0043] 所述无烟煤的挥发份含量为5%，灰分含量为3%，硫分含量为0.8%，粒径为40目。[0044] 所述主焦煤的挥发份含量20%，灰分含量为8%，硫分含量为0.5%，粒径为30目。[0045] 所述瘦煤的挥发份含量为24%，灰分含量为6%，硫分含量为1%，粒径为30目。[0046] 所述肥煤的挥发份含量为20%，灰分含量为8%，硫分含量为0.8%，粒径为30目。[0047] 所述沥青的挥发份含量为30%，灰分含量为0.1%，甲苯不容物含量为0.8%，软化点为60℃。[0048] 所述生物质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：[0049] ①、将小麦秸秆破碎为直径3mm的生物质粉末，用清水清洗三次，放置在烘箱中，250℃炭化60min，得到炭化生物质；[0050] ②、称取10g步骤①所制的炭化生物质加入在100mL98wt%的浓硫酸中，缓慢加入12gKMnO4，在15℃条件下300rpm搅拌30min，然后转移至35℃的水浴中继续搅拌3h，继续加入100mL蒸馏水，加热至95℃搅拌15min，过滤得到棕色混合物；[0051] ③、将步骤②所制的棕色混合物加入100mL去离子水中，混合均匀后缓慢加入40mL30wt%H2O2溶液，300rpm搅拌30min，溶液颜色变为浅黄色，过滤得到浅黄色沉淀，蒸馏水洗涤浅黄色沉淀三次，再利用超声浴超声剥离30min，放入烘箱中80℃烘干12h，得到生物质石墨烯。[0052] 本实施例还提出一种环保型高质量焦炭的制备方法，具体包括以下步骤：[0053] S1、按重量份称取各原料，放入混合搅拌中，并进行充分的混合搅拌，得到混合前驱体；[0054] S2、将混合前驱体送入焦炭成型设备中，设置温度为220℃，压力为28MPa将混合物压制成所需形状的焦炭块；[0055] S3、将焦炭块状的混合前驱体置于焦炉内，以8℃/min升温速率升温至300℃，保持5h，继续以6℃/min升温速率升温至400℃，保持5h，再以4℃/min升温速率升温至800℃，保持5h，最后冷却至室温后得到焦炭。[0056] 实施例3：本实施例提出了一种环保型高质量焦炭，所述环保型高质量焦炭的合成原料包括以下重量份的组分：无烟煤25份、主焦煤46份、瘦煤8份、肥煤14份、沥青6份、生物质石墨烯1份、碳酸钾1份。[0057] 所述无烟煤的挥发份含量为6%，灰分含量为4%，硫分含量为0.7%，粒径为80目。[0058] 所述主焦煤的挥发份含量26%，灰分含量为5%，硫分含量为0.4%，粒径为10目。[0059] 所述瘦煤的挥发份含量为26%，灰分含量为7%，硫分含量为0.8%，粒径为50目。[0060] 所述肥煤的挥发份含量为25%，灰分含量为5%，硫分含量为0.4%，粒径为50目。[0061] 所述沥青的挥发份含量为35%，灰分含量为0.2%，甲苯不容物含量为0.5%，软化点为70℃。[0062] 所述生物质石墨烯的制备方法，包括以下步骤：[0063] ①、将稻壳破碎为直径1mm的生物质粉末，用清水清洗三次，放置在烘箱中，270℃炭化60min，得到炭化生物质；[0064] ②、称取10g步骤①所制的炭化生物质加入在100mL98wt%的浓硫酸中，缓慢加入16gKMnO4，在13℃条件下300rpm搅拌30min，然后转移至37℃的水浴中继续搅拌3h，继续加入100mL蒸馏水，加热至95℃搅拌18min，过滤得到棕色混合物；[0065] ③、将步骤②所制的棕色混合物加入100mL去离子水中，混合均匀后缓慢加入45mL30wt%H2O2溶液，300rpm搅拌30min，溶液颜色变为浅黄色，过滤得到浅黄色沉淀，蒸馏水洗涤浅黄色沉淀三次，再利用超声浴超声剥离30min，放入烘箱中80℃烘干12h，得到生物质石墨烯。[0066] 本实施例还提出一种环保型高质量焦炭的制备方法，具体包括以下步骤：[0067] S1、按重量份称取各原料，放入混合搅拌中，并进行充分的混合搅拌，得到混合前驱体；[0068] S2、将混合前驱体送入焦炭成型设备中，设置温度为200℃，压力为28MPa将混合物压制成所需形状的焦炭块；[0069] S3、将焦炭块状的混合前驱体置于焦炉内，以8℃/min升温速率升温至320℃，保持5h，继续以6℃/min升温速率升温至420℃，保持5h，再以4℃/min升温速率升温至820℃，保持5h，最后冷却至室温后得到焦炭。[0070] 对比例1：本对比例提出了一种环保型高质量焦炭，其与实施例1的区别仅在于不加入生物质石墨烯，其余组分、组分含量、实验步骤均与实施例1相同。[0071] 对比例2：本对比例提出了一种环保型高质量焦炭，其与实施例1的区别仅在于不加入碳酸钾，其余组分、组分含量、实验步骤均与实施例1相同。[0072] 实验例1：利用扫描电子显微镜分析实施例1所制备生物质石墨烯的微观形貌，利用X射线衍射仪分析实施例1‑3所制备生物质石墨烯的结构特征。[0073] 图1是实施例1所制备生物质石墨烯的扫描电子显微镜图，如图所示，材料表面为明显的石墨烯层状结构。进一步对生物质石墨烯的结构特征进行分析，图2是实施例1‑3所制备生物质石墨烯的XRD图谱，如图所示，石墨烯的（002）锋面特征峰出现在20 30°之间，具~有较高的石墨化程度，表明生物质石墨烯的成功合成。[0074] 实验例2：本发明实施例1‑3及对比例1‑2所制备的焦炭的物理化学性能依据国家标准GB/T8729‑2017《铸造焦炭》、GB/T1997‑2017《冶金焦炭》的方法测定，测定结果如表1所示。[0075] 表1物理化学性能测试数据[0076][0077] 如表1所示，实施例1‑3及对比例1‑2的灰分、硫分、水分、挥发份均较低，固定碳含量较高，粒度大小适宜；表明制备的焦炭中不燃烧的矿物质含量较低，燃烧释放二氧化硫较少，对环境影响较小，较低的水分含量表明可直接用于炼铁，不需要再进行干燥处理；挥发份较低，表明干馏处理过程完全，制备的焦炭燃烧过程中产生的污染物较少，环保性能提升；固定碳含量较高，表明制备的焦炭燃烧可以产生稳定的热量，具有较好的燃烧性能。实施例1‑3及对比例2制备的焦炭抗碎强度M40优于对比例1，表明焦炭中掺杂少量生物质石墨烯可以有效提高其机械强度，保持结构完整性的能力增强；实施例1‑3及对比例1制备的焦炭气孔率大于对比例2，表明掺杂的碳酸钾可以有效提高焦炭的气孔率；实施例1‑3制备的焦炭发热量大于对比例1及对比例2，其中对比例2发热量最小，表明本发明提出的掺杂生物质石墨烯可以提高焦炭热传导能力，碳酸钾增加的气孔率也有利于焦炭的完全燃烧，提高能源利用率。[0078] 以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的应用并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

专利地区：山西

专利申请日期：2024-06-14

专利公开日期：2024-08-27

专利公告号：CN118344893B