一種煙氣內循環的氧化炭化系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種煙氣內循環的氧化炭化系統，包括外熱式氧化爐、外熱式炭化爐、燃燒設備和第一煙氣循環設備；本發明還進一步提供了利用上述系統進行氧化炭化處理的方法。本發明將空氣與含有大量二氧化碳和水蒸氣的煙氣混合得到氧化劑，同時相應地降低了其中的氧含，對于強度較大的成型粒料，可以取得更好的氧化效果，進而可以提高炭化效果。
【專利說明】
一種煙氣內循環的氧化炭化系統及方法
技術領域
[0001] 本發明屬于煤基活性炭生產領域，特別涉及一種煤基活性炭生產中煙氣內循環的 氧化炭化系統及方法。
【背景技術】
[0002] 在傳統的煤基活性炭生產工藝中，原料煤在成型、造粒后依次經炭化、活化工藝處 理，制備活性炭。目前，先進的活性炭生產工藝中往往還包括氧化工藝，即在炭化處理前，首 先進彳丁氧化處理。
[0003] 在炭化前對炭材料進行適當的氧化處理，可以提高活性炭的吸附性能和產率。煤 氧化后再經炭化，煤的微晶結構有很大改變。隨著氧化程度的加深，炭化產物微晶的層間距 增大，微晶層片平均尺寸減小，石墨化程度下降。氧化不僅可以將煤的大分子側鏈和官能團 氧化成為含氧基團并提前脫落，初始孔隙率提高，有利于炭化反應的進行，還使煤分子的芳 香核部分破壞，微晶層面發生扭曲或變形，為活化氣體的進一步刻蝕產生新的孔隙奠定了 基礎。
[0004] 目前對原料煤進行氧化處理時，空氣由于容易獲取、成本低，常被用作氧化處理的 氧化劑。例如CN203866039U公開了一種用于煤基活性炭制備的氧炭化預處理系統，包括外 熱式氧化爐、外熱式炭化爐、冷卻爐；外熱式氧化爐的煙氣出口與煙氣凈化系統連接，外熱 式炭化爐的炭化尾氣出口與所述焚燒爐連接，焚燒爐的高溫煙氣為所述外熱式氧化爐和外 熱式炭化爐分別供熱；外熱式炭化爐的煙氣出口經換熱器與所述煙氣凈化系統連接，所述 換熱器的高溫空氣出口與所述外熱式氧化爐和焚燒爐分別連接，以提供氧化反應所需氧 氣。
[0005] CN102153079A本發明公開了一種氧炭化法工業化煤制活性炭的方法及系統，首先 將煤粉壓塊制成的成型料送入外熱式氧化爐與氧化空氣發生氧化反應生成氧化料;之后將 氧化料送入外熱式炭化爐進行炭化處理生成炭化料;然后將炭化料經過冷卻和活化處理后 制成的活性炭制品。在活性炭的預處理工序中，采用氧化工藝和炭化工藝兩道工序，其中利 用熱空氣作為氧化工藝的氧化劑對成型料表面進行氧化，使活性炭制品的吸附性能和產品 得率得到提尚。
[0006] 另外，對于高強度活性炭的需要越來越大，而高強度活性炭的制備離不開高強度 的煤炭成型粒料。然而，對于高強度的煤炭成型粒料，研究認為，直接以空氣等作為氧化劑 卻并非最佳選擇，難以有效地實現預氧化的預期效果。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種煙氣內循環的氧化炭化系統以及方法，以提高成型粒 料的氧化炭化效果。
[0008] 為實現上述目的一個方面，本發明提供的煙氣內循環的氧化炭化系統采用以下技 術方案：
[0009] -種煙氣內循環的氧化炭化系統，包括：
[0010] 所述外熱式氧化爐，用于對物料進行氧化處理，包括第一筒體和設置在所述第一 筒體外的第一外熱夾套，所述第一外熱夾套用于為所述第一筒體內物料的氧化處理提供所 需熱量；
[0011] 所述外熱式炭化爐，用于對來自所述外熱式氧化爐的物料進行炭化處理，包括第 二筒體和設置在所述第二筒體外的第二外熱夾套，所述第二外熱夾套用于為所述第二筒體 內物料的炭化處理提供所需熱量；
[0012] 燃燒設備，用于向所述第一外熱夾套和第二外熱夾套內輸入熱煙氣;和
[0013] 第一煙氣循環設備，用于將來自所述第一外熱夾套和/或第二外熱夾套的部分煙 氣與適量的空氣混合后作為氧化處理的氧化劑送入第一筒體。
[0014] 根據本發明的氧化炭化系統，利用外熱式氧化爐用于對物料進行氧化處理，利用 外熱式炭化爐對來自所述外熱式氧化爐的物料進行炭化處理，所述外熱式氧化爐和外熱式 炭化爐均為本領域所熟知，例如分別可以是CN203866039U或CN102153079A中外熱式氧化爐 和外熱式炭化爐，利用外熱夾套為筒體內的反應供熱。優選地，所述外熱式氧化爐和外熱式 炭化爐均為外熱式回轉窯。更優選地，所述第一外熱夾套和第二外熱夾套分別包括沿其軸 向設置的多個相互隔離的分段夾套，所述分段夾套上分別設有煙氣入口和煙氣出口，從而 可以分別向每個分段夾套中輸入熱煙氣時，以更好地調節氧化處理或炭化處理的溫度。所 述外熱式氧化爐和外熱式炭化爐的分段夾套的數量可以根據生產需要進行調整，例如可以 分別是3至10個等，比如4個、6個或8個。
[0015] 根據本發明的氧化炭化系統，燃燒設備產生的熱煙氣被送入外熱式氧化爐和外熱 式炭化爐，在本發明中，所述煙氣為天然氣燃燒后產生的尾氣。所述燃燒設備可以是本領域 常用的燃燒器或熱風爐等，為本領域所熟知，這里不再贅述。本領域技術人員可以理解，所 述燃燒設備可以根據需要設置為一臺或多臺，從而可以同時或分別向所述外熱式氧化爐和 外熱式炭化爐提供熱煙氣。
[0016] 根據本發明的氧化炭化系統，利用第一煙氣循環設備將煙氣與空氣的混合氣體作 為氧化處理的氧化劑送入第一筒體，其中，所述煙氣與空氣混合既可以調節煙氣成分，又可 以調節煙氣溫度；另外，由于所述煙氣可以來自第一外熱夾套和/或第二外熱夾套，本領域 技術人員了解，氧化處理和炭化處理所需的溫度并不相同，從而來自第一外熱夾套和第二 外熱夾套的煙氣溫度也不同，因此同樣可以利用來自第一外熱夾套與第二外熱夾套的煙氣 量之比調節溫度。當然，還可以其它的方式對混合氣體的溫度繼續調節，例如進一步設置換 熱器。本領域技術人員理解，所述第一煙氣循環設備可以是本領域常用的適于高溫煙氣輸 送的設備，例如循環風機或引風機等，為本領域所熟知，這里不再贅述。
[0017] 根據本發明的氧化炭化系統的一個優選實施方式，所述氧化炭化系統還包括：
[0018] 第二煙氣循環設備，用于將來自所述第一外熱夾套的部分煙氣循環至所述第一外 熱夾套內；和
[0019] 第三煙氣循環設備，用于將來自所述第二外熱夾套的部分煙氣循環至所述第二外 熱夾套內。
[0020] 根據本發明的氧化炭化系統的另一種實施方式，所述氧化炭化系統還可以包括輸 送機、除塵器、引風機、焚燒爐和余熱鍋爐，其中，所述輸送機用于將來自所述第一筒體的氧 化物料送入所述第二筒體內，為本領域所熟知，例如可以是鏈斗輸送機。
[0021] 所述除塵器和引風機用于共同處理第一筒體內的氧化尾氣，其中，所述除塵器用 于對來自所述第一筒體內的氧化尾氣進行除塵，為本領域所熟知，例如可以是布袋除塵器 等;所述引風機用于從所述第一筒體內引出氧化尾氣，從而可使除塵后的煙氣進入其他單 元加以利用。
[0022] 所述焚燒爐和余熱鍋爐用于共同處理第二筒體內的炭化尾氣，用于焚燒來自所述 第二筒體內的炭化尾氣，得到焚燒尾氣;所述余熱鍋爐用于回收所述焚燒尾氣中的熱量。
[0023] 為實現上述發明目的的另一個方面，本發明還提供了利用上述氧化炭化系統進行 氧化炭化處理的方法，所述方法包括將來自所述第一外熱夾套和/或第二外熱夾套的部分 煙氣與適量的空氣混合，以使混合氣體中氧氣的含量為6~15vol %，進一步優選為8vol % ~14vol%，例如lOvol%，并將所述混合氣體作為氧化處理的氧化劑送入第一筒體。
[0024] 其中，所述煙氣為燃料燃燒后所得，例如天然氣在燃燒設備中進行空氣燃燒或富 氧燃燒所得，其中含有較多的二氧化碳和水蒸氣。所述煙氣可以是直接來自所述燃燒設備 的煙氣，也可以是離開外熱式氧化爐和/或外熱式炭化爐的外熱夾套的煙氣，本領域技術人 員理解，這些煙氣的組成相同。優選地，所述混合氣體中二氧化碳的含量為5vol %~ 20vol%，進一步優選為lOvol%~20vol% ;水蒸氣的含量優選為lOvol%~40vol%，進一 步優選為25vol %~35vol % 〇
[0025] 根據本發明的方法，優選地，所述方法還包括直接向所述第一筒體內引入二氧化 碳氣體，以調節其中二氧化碳含量。如此，當煙氣出現波動時，仍可以保持氧化劑中一定的 二氧化碳含量。
[0026]在本發明中，造粒后的物料在進行炭化處理之前首先進行氧化處理，以使物料在 氧化劑中發生部分氧化反應。對粒料進行氧化處理和炭化處理為活性炭制備過程中的常用 處理步驟，為本領域技術人員所熟知。本發明的氧化處理條件優選為在220°C~300°C下利 用上述氧化劑對物料進行氧化處理2.5~5小時，以使物料的氧化控制在較輕的程度，以適 合于本發明的高強度粒料的預氧化。所述炭化處理的條件可以為:溫度300~500°C、炭化氣 氛氧含量不大于5vol %，炭化處理時間1.5~4小時。在炭化后，炭氫化合物中的炭原子組合 會形成一些裂隙的炭結構體，具有一定的吸附能力，這些裂隙將會在活化程序中形成更發 達的微孔結構。
[0027] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0028] (1)本發明將空氣與含有大量二氧化碳和水蒸氣的煙氣混合得到氧化劑，同時相 應地降低了其中的氧含量，與單純的空氣或氮氣與氧氣的混合氣作為氧化劑相比，二氧化 碳等氣體的引入不僅并未阻礙氧化反應的進行，發明人還意外發現，大量還原性的水蒸氣 及二氧化碳的引入不僅不會降低氧化處理的效果，而且對于強度較大的成型粒料，反而可 以取得更好的預氧化效果，進而可以相應提高炭化效果；
[0029] (2)本發明還進一步對離開氧化爐和炭化爐的外熱夾套的煙氣進行部分循環利 用，相比于直接排放，起到了非常好的節能減排的效果。例如在改造前(直接排放），氧、炭化 裝置天然氣加熱消耗量約為1〇〇〇方/小時；改造后，天然氣消耗量降低為520方/小時。按照 2.3元/方天然氣價格計算，僅天然氣每天節約資金1104元，全年節約資金883萬元。同時每 小時節約氮氣用量320方，按照每方成本0.23元計算，全年節約58萬元。
【附圖說明】
[0030] 圖1示出了本發明的氧化炭化系統的一種優選實施方式的示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖對本發明進行相應說明，但本發明并不僅限于此。
[0032] 如圖1所示，在本發明的一個實施例中，所述氧化炭化系統包括外熱式氧化爐、外 熱式炭化爐、燃燒器3、第一循環風機4、第二循環風機5和第三循環風機6。所述外熱式氧化 爐和外熱式炭化爐均為外熱式回轉窯。
[0033] 其中，所述外熱式氧化爐用于對物料進行氧化處理，包括第一筒體11和設置在所 述第一筒體11外的第一外熱夾套12,所述第一外熱夾套12用于為所述第一筒體11內物料的 氧化處理提供所需熱量;所述第一外熱夾套12由沿軸向設置的6個分段夾套13組成，每個分 段夾套13上均設有煙氣進口和煙氣出口（圖中未示出）。
[0034]所述外熱式炭化爐用于對來自所述外熱式氧化爐的物料進行炭化處理，包括第二 筒體21和設置在所述第二筒體21外的第二外熱夾套22,所述第二外熱夾套22用于為所述第 二筒體21內物料的炭化處理提供所需熱量;所述第二外熱夾套22的結構設置同第一外熱夾 套12。
[0035] 對應于每個分段夾套13的底部均設有一臺所述燃燒器3,用于向所述每個分段夾 套13內提供熱煙氣。當然，本領域技術人員可以理解，每臺燃燒器3也可以同時向多個分段 夾套13內提供熱煙氣，以減少燃燒器3的數量。
[0036] 運行時，利用燃燒器3燃燒天然氣，將得到的熱煙氣送入第一外熱夾套12和第二外 熱夾套22的分段夾套13內，從而對第一筒體11和第二筒體22進行加熱。加熱后離開第一外 熱夾套12的煙氣中的一部分經第二循環風機5循環至第一外熱夾套12中靠近氧化物料出口 的分段夾套13內；當然，本領域技術人員可以理解，在其他實施方式中也可以循環至第一外 熱夾套12的各分段夾套13內。加熱后離開第二外熱夾套22的煙氣中的一部分經第三循環風 機6循環至第二外熱夾套22中靠近氧化物料進口的分段夾套13內；當然，本領域技術人員可 以理解，在其他實施方式中也可以循環至第二外熱夾套22的各分段夾套13內。離開第一外 熱夾套12和第二外熱夾套22的剩余煙氣中的一部分與適量空氣混合，經第一循環風機4作 為氧化劑送入第一筒體內。其余煙氣放空。
[0037] 原料煤的壓塊粒料首先進入第一筒體11內，在氧化劑的氣氛下干燥、氧化，得到氧 化物料。氧化物料離開第一筒體11后進入第二筒體21內，進行炭化處理，得到炭化物料。同 時，第一筒體11內的氣體作為氧化尾氣離開第一筒體11;第二筒體21內的氣體作為炭化尾 氣離開第二筒體21。
[0038] 在本發明的另一個實施例中，所述氧化炭化系統還包括鏈斗輸送機、布袋除塵器、 引風機、焚燒爐和余熱鍋爐（圖中未示出），其中，所述鏈斗輸送機用于將來自所述第一筒體 11的氧化物料送入所述第二筒體21內。所述布袋除塵器用于對來自所述第一筒體11內的氧 化尾氣進行除塵，所述引風機用于從所述第一筒體11內引出氧化尾氣，使除塵后的氧化尾 氣進入磨煤單元以干燥原料煤。所述焚燒爐用于焚燒來自所述第二筒體21內的炭化尾氣， 得到焚燒尾氣;所述余熱鍋爐用于回收所述焚燒尾氣中的熱量，以實現節能減排。
[0039] 以下結合實驗對本發明進行進一步說明，但本發明并不局限于此。
[0040] 實施例1
[0041] 利用圖1所示的氧化炭化系統進行物料的氧化炭化處理，其中，所述氧化劑中氧含 量為14vol%，二氧化碳含量為12vol%，水蒸氣含量為24vol%。
[0042] 將壓塊料破碎造粒，得到粒徑在6.7mm~8mm之間的粒料。
[0043]在第一筒體內于230°C加熱3h以對上述粒料進行氧化處理，然后將氧化物料送至 第二筒體內，在溫度490°C下的流動狀氮氣中焙燒4h，得到炭化物料。
[0044]所述壓塊料通過如下方法制備：
[0045] (1)、將新疆哈密煤粉碎至平均粒徑為25μπι的粉煤，進行篩分，其中，粒徑大于80μπι 的粉煤含量為2.5wt% ;粒徑大于40μπι的粉煤含量為18wt% ;
[0046] (2)、將（1)得到的粉煤送入壓塊成型設備的給料倉內，并對所述給料倉內的物料 進行脫氣處理，使所述給料倉內的負壓保持在2.5kPa~3kPa;
[0047] (3 )、使所述給料倉內物料的溫度保持在7 0 °C~7 5 °C、水分含量調節為4 w t~ 5wt% ；
[0048] (4)、將所述給料倉內的物料通過螺旋強制給料機送入成型設備在進行成型，以得 到壓塊料。
[0049] 檢測型煤強度，滾筒強度(GB/T 7702.3-2008)91.7%。
[0050]所述新疆哈密煤來自新疆保利煤礦，其指標為:水分5.17wt %，空氣干燥基灰分為 1.31wt%，干燥無灰基揮發分35.54wt%，粘結指數2,屬于無粘結性煤，焦渣特征3,可磨系 數 55 %。
[0051 ]對上述炭化物料進行檢測，結果見表1。
[0052] 對比例1
[0053] 與實施例1的區別在于其氧化劑為空氣，其余同實施例1.
[0054]對其炭化物料進行檢測，結果見表1。
[0055] 實施例2
[0056] 與實施例1的區別在于:其氧化劑中氧含量為8vol%，二氧化碳含量為18vol%，水 蒸氣含量為35vol % ;同時，在第一筒體內于290°C加熱4.5h以對上述粒料進行氧化處理，然 后將氧化物料。其余同實施例1。
[0057]對其炭化物料進行檢測，結果見表1。
[0058] 對比例2
[0059]與實施例2的區別在于其氧化劑為氮氣與空氣的混合氣，其氧含量為8vol%，其余 同實施例2。
[0060]對其炭化物料進行檢測，結果見表1。
【主權項】
1. 一種煙氣內循環的氧化炭化系統，包括： 所述外熱式氧化爐，用于對物料進行氧化處理，包括第一筒體和設置在所述第一筒體 外的第一外熱夾套，所述第一外熱夾套用于為所述第一筒體內物料的氧化處理提供所需熱 量； 所述外熱式炭化爐，用于對來自所述外熱式氧化爐的物料進行炭化處理，包括第二筒 體和設置在所述第二筒體外的第二外熱夾套，所述第二外熱夾套用于為所述第二筒體內物 料的炭化處理提供所需熱量； 燃燒設備，用于向所述第一外熱夾套和第二外熱夾套內輸入熱煙氣;和 第一煙氣循環設備，用于將來自所述第一外熱夾套和/或第二外熱夾套的部分煙氣與 適量的空氣混合后作為氧化處理的氧化劑送入第一筒體。2. 根據權利要求1所述的氧化炭化系統，其特征在于，所述氧化炭化系統還包括： 第二煙氣循環設備，用于將來自所述第一外熱夾套的部分煙氣循環至所述第一外熱夾 套內；和 第三煙氣循環設備，用于將來自所述第二外熱夾套的部分煙氣循環至所述第二外熱夾 套內。3. 根據權利要求1或2所述的氧化炭化系統，其特征在于，所述外熱式氧化爐和外熱式 炭化爐均為外熱式回轉窯。4. 根據權利要求3所述的氧化炭化系統，其特征在于，所述第一外熱夾套和第二外熱夾 套分別包括沿其軸向設置的多個相互隔離的分段夾套，所述分段夾套上分別設有煙氣入口 和煙氣出口。5. -種利用根據權利要求1~4中任一項所述的氧化炭化系統進行氧化炭化處理的方 法，所述方法包括將來自所述第一外熱夾套和/或第二外熱夾套的部分煙氣與適量的空氣 混合，以使混合氣體中氧氣的含量為6~15vol%，優選8~14vol%，并將所述混合氣體作為 氧化處理的氧化劑送入第一筒體。6. 根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合氣體中二氧化碳的含量為5~ 20vol%，優選為 10~20vol%。7. 根據權利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述混合氣體中水蒸氣的含量為10~ 40vol %，優選為25~35vol %。8. 根據權利要求5~7中任一項所述的方法，其特征在于，所述氧化處理條件為:在220 °C~300°C下利用氧化劑對物料進行氧化處理2.5~5小時。9. 根據權利要求5~8中任一項所述的方法，其特征在于，所述炭化處理條件為：溫度 300~500°C、炭化氣氛氧含量不大于5vol%，炭化處理時間1.5~4小時。10. 根據權利要求5~9中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括直接向所述 第一筒體內引入二氧化碳氣體，以調節其中二氧化碳含量。
【文檔編號】C01B31/08GK105883797SQ201610200929
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】許新田, 趙龍, 韓曉林, 王洪強, 張雁江, 魯宗虎, 趙榮善
【申請人】神華集團有限責任公司, 神華新疆能源有限責任公司