CN105692615B - 一种天然气炭黑制备活性炭的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统和方法，包括反应室，热量回收单元，气固分离器、气体分离器和活化单元；所述反应室、热量回收单元和气固分离器顺次相连；所述气固分离器的固体出口与所述活化单元相连，气体出口与所述气体分离器相连；所述气体分离器的二氧化碳出口与所述活化单元相连。本发明所述的装置和方法综合利用天然气部分氧化制备乙炔和合成气过程中产生的炭黑和二氧化碳，提高了系统的能源利用率，活化过程可控，能制得高比表面积的活性炭。相较于化学活化法来说，活化过程对设备腐蚀小，对环境无污染。

Description

一种天然气炭黑制备活性炭的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种天然气炭黑，尤其涉及一种用天然气炭黑制备活性炭的方法和系统，属于化工生产领域。

背景技术

天然气部分氧化生产乙炔和合成气是目前除电石法外的主要乙炔生产工艺，其中乙炔是一种基础化工原料，其系列产品制造的最终产品几乎涉及所有的应用领域，包括合成材料、涂料、农药、燃料、医药、助剂、溶剂、香料等各个行业；合成气主要成分包括一氧化碳、二氧化碳、氢气等，另外还含有少量的甲烷，可用于生产合成氨、甲醇、尿素等或用作气基竖炉直接还原铁等的还原气(一氧化碳和氢气)。天然气部分氧化生产乙炔和合成气过程中，会产生大量的炭黑。

活性炭是一种具有发达的微孔结构和超高比表面积的特殊多孔性炭材料。作为一种传统而又新颖的炭材料，具有比表面积大、导电性能好、化学稳定性好、再生性能较好、吸附容量大以及不溶于大多数的溶剂等特点，因此早已广泛应用于化学工业、气体的富集和分离、食品加工、超级电容器的电极材料、药物精制、催化剂及催化剂载体、军事化学保护等领域。活性炭的孔隙结构大小差别很大，不同的孔隙结构具有不同的机能，可将孔分成三类：孔隙的直径小于2nm为微孔；孔隙的直径介于2～50nm的为中孔；孔隙直径大于50nm的为大孔。

活性炭制备方法主要包括物理活化法和化学活化法，物理活化法一般是指在一定温度下，将炭化料与水蒸气、二氧化碳、氧气或它们的混合气等活化气体进行反应，使炭化料活化的一类活化方法。化学活化法是指利用化学试剂对活化对象进行活化的一类方法。化学活化法活化温度比物理活化法低，容易形成细的孔隙结构，但化学活化对设备腐蚀性大，污染环境，其制得的活性炭中残留有化学药品活化剂，应用方面受到限制。与化学活化相比，物理活化制备活性炭的生产工艺简单、清洁，不存在设备腐蚀和环境污染的问题，制得的活性炭不需要清洗，可直接使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统，包括反应室，热量回收单元，气固分离器、气体分离器和活化单元；

所述反应室、热量回收单元和气固分离器顺次相连；

所述气固分离器的固体出口与所述活化单元相连，气体出口与所述气体分离器相连；

所述气体分离器的二氧化碳出口与所述活化单元相连。

本发明中，所述活化单元包括依次连接的活化室和成品室，在连接过程中，所述活化室的固体出口连接于所述成品室的固体入口；所述成品室上设有二氧化碳预热装置；

所述气固分离器的固体出口与活化室相连的固体入口相连，所述气体分离器的二氧化碳出口连接至所述二氧化碳预热装置，所述二氧化碳的预热装置的出口连接至活化室的进气口。

本发明中，所述气体分离器为变压吸附塔。

本发明中，所述反应室和热量回收单元的设置包括两种情况，第一种情况为：

所述反应室包括气化炉，所述气化炉的外壁上设有天然气预热通道，所述预热通道的出气口连接至所述气化炉的原料入口；

所述反应室还包括设于所述气化炉底部的急冷室，所述气化炉的下降管插入所述急冷室的冷却腔中，所述急冷室的气体出口连接至所述热量回收单元；

所述热量回收单元包括一个热量回收装置，所述热量回收装置上设有氧气预热通道，所述氧气预热通道的出口连接至所述气化炉的原料入口，所述热量回收装置为管式换热装置；

所述热量回收装置的进气口与所述急冷室的气体出口相连，所述热量回收装置的出气口与所述气固分离器相连。

另一种情况为：

所述反应室包括气化炉，所述气化炉的外壁上设有天然气预热通道，所述预热通道的出气口连接至所述气化炉的原料入口；

气化炉的出口连接至所述热量回收装置；

所述热量回收单元包括两个串联的热量回收装置，所述第一个热量回收装置的进气口与所述气化炉的出气口相连；

所述第一个热量回收装置的外壁上设有氧气预热通道，所述氧气预热通道的出口连接至所述气化炉的原料入口；

所述第二个热量回收装置上设有二氧化碳预热通道，所述二氧化碳预热通道的进口与所述气体分离器的二氧化碳出口相连，出口与所述活化单元相连；

第二个热量回收装置的出气口与所述气固分离器相连；

所述第一个热量回收装置为管式换热装置，所述第二个热量回收装置为蜂窝状蓄热装置或旋转换向蓄热装置。

本发明所述的装置，还包括一端连接至活化单元且另一端连接至气固分离器和气体分离器之间的烟气净化装置；

所述烟气净化装置与所述活化室的出气口相连；

所述烟气净化装置为除尘净化装置。

本发明所述的装置制备活性炭的方法，包括如下步骤：

1)将天然气和氧气预热至500～700℃后，通往反应室，反应得到1200～1500℃的高温产物；

2)所述高温产物经热量回收装置降温后通入气固分离器，得到气体产物和炭黑，所述气体产物通向气体分离器，所述炭黑进入活化单元；

3)所述气体产物中的二氧化碳经气体分离器分离后通入活化单元，在800～950℃下，与其中的炭黑反应生成活性炭。

若本发明所述的装置中包括烟气净化装置，还包括如下步骤：活化过程中所产生的烟气经过烟气净化装置除尘，经过气体分离器分离后提取还原气一氧化碳。

本发明所述的装置具有如下有益效果：

(1)综合利用天然气部分氧化制备乙炔和合成气过程中产生的炭黑和二氧化碳，提高了系统的能源利用率；

(2)利用二氧化碳作为活化剂制备活性炭，活化过程可控，能制得高比表面积的活性炭；

(3)相较于化学活化法来说，利用二氧化碳作为活化剂，活化过程对设备腐蚀小，对环境无污染；

(4)回收利用活化过程中产生的碳氧化合物(一氧化碳)，以及产物高温活性炭的热量，提高系统的能源和热量利用率；

(5)本发明利用天然气部分氧化过程中产生的炭黑制备活性炭，原料中不含各种氧化物(硅、铝等灰分)存在，且原料粒度为超细粉末，原料与活化剂二氧化碳接触充分，更有益于得到微孔发达的活性炭。

附图说明

图1为天然气炭黑制备活性炭系统1；

图2为天然气炭黑制备活性炭系统2；

图中：1、气化炉；2、急冷室；3、热量回收装置a；4、氧气预热通道；5、气固分离器；6、天然气预热通道；7、气体分离器；8、活化室；9、成品室；10、烟气净化装置；11、二氧化碳预热装置；12、热量回收装置b；13、二氧化碳预热通道。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统，包括反应室，热量回收单元，气固分离器5、气体分离器7和活化单元；

所述反应室、热量回收单元和气固分离器顺次相连；

所述气固分离器5的固体出口与所述活化单元相连，气体出口与所述气体分离器7相连；

所述气体分离器7的二氧化碳出口与所述活化单元相连。

所述活化单元包括依次连接的活化室8和成品室9，所述成品室9上设有二氧化碳预热装置11；

所述气固分离器5的固体出口与所述活化室8相连，所述气体分离器7的二氧化碳出口连接至所述二氧化碳预热装置11，所述二氧化碳预热装置11的出气口连接至活化室8的进气口。

实施例2

本实施例涉及一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统，其示意图如图1，与实施例1相比，其区别在于：

所述反应室包括气化炉1，所述气化炉的外壁上设有天然气预热通道6，所述预热通道的出气口连接至所述气化炉1的原料入口；

所述反应室还包括设于所述气化炉底部的急冷室2，所述气化炉的长筒状出气管插入所述急冷室2的冷却腔中，所述急冷室的气体出口连接至所述热量回收单元；

所述热量回收单元包括热量回收装置a3，所述热量回收装置a3上设有氧气预热通道4，所述氧气预热通道4的出口连接至所述气化炉1的原料入口，所述热量回收装置为管式换热装置；

所述热量回收装置a3的进气口与所述急冷室2的气体出口相连，所述热量回收装置的出气口与所述气固分离器5相连。

所述活化室8与所述气体分离器7之间设有烟气净化装置10。

实施例3

本实施例涉及一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统，其示意图如图2，与实施例1相比，其区别在于：

所述反应室包括气化炉1，所述气化炉的外壁上设有天然气预热通道6，所述预热通道6的出气口连接至所述气化炉1的原料入口；

气化炉的出口连接至热量回收装置a3,热量回收装置a3与热量回收装置b12相连；

所述热量回收装置a3的外壁上设有氧气预热通道4，所述氧气预热通道的出口连接至所述气化炉1的原料入口；

所述热量回收装置b12上设有二氧化碳预热通道13，所述二氧化碳预热通道13的进口与所述气体分离器7的二氧化碳出口相连，出口与所活化室8相连；

热量回收装置b12的出气口与所述气固分离器5相连；

所述热量回收装置a为管式换热装置，所述热量回收装置b为蜂窝状蓄热装置或旋转换向蓄热装置。

所述活化室8与所述气体分离器7之间设有烟气净化装置10。

实施例4

本实施例涉及利用实施例2所述的系统制备活性炭的方法，包括如下步骤：

1)将天然气和氧气在天然气预热通道和氧气预热通道中预热至500～700℃后，通往气化炉，反应得到1200～1500℃的高温产物；

2)所述高温产物经急冷室降温后停止反应，经热量回收装置a回收热量后通入气固分离器，得到气体产物和炭黑，所述气体产物通向气体分离器，所述炭黑进入活化室；

3)对所述气体产物中的乙炔、一氧化碳和氢气等还原气进行收集，二氧化碳分离后通入成品室上的二氧化预热装置，加热至930℃后，与活化室中的炭黑反应生成比表面积为3480m²/g的活性炭。

4)活化过程中所产生的烟气经过烟气净化装置除尘，经过气体分离器分离后回收利用还原气一氧化碳。

实施例5

本实施例涉及利用实施例3所述的装置制备活性炭的方法，包括如下步骤：

1)将天然气和氧气在天然气预热通道和氧气预热通道中预热至500～700℃后，通往气化炉，反应得到1200～1500℃的高温产物；

2)所述高温产物经热量回收装置a和热量回收装置b回收热量后通入气固分离器，所述气体产物通向气体分离器，所述炭黑进入活化室；

3)经气体分离器分离后，对所述气体产物中的乙炔、一氧化碳和氢气等还原气进行收集，将二氧化碳通入热量回收装置b上的二氧化碳预热通道，进行初步加热，初步加热后的二氧化碳进入成品室中的二氧化碳预热装置，进行再次加热，加热至880℃后，与活化室中的炭黑反应生成比表面积为3275m²/g的活性炭。

4)活化过程中所产生的烟气经过烟气净化装置除尘，经过气体分离器分离后回收利用一氧化碳。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种利用天然气炭黑制备活性炭的系统，其特征在于，包括反应室，热量回收单元，气固分离器、气体分离器和活化单元；

所述反应室、热量回收单元和气固分离器顺次相连；

所述气固分离器的固体出口与所述活化单元相连，气体出口与所述气体分离器相连；

所述气体分离器的二氧化碳出口与所述活化单元相连；所述活化单元包括依次连接的活化室和成品室，所述成品室上设有二氧化碳预热装置；

所述气固分离器的固体出口与所述活化室的固体入口相连，所述气体分离器的二氧化碳出口连接至所述二氧化碳预热装置连接，所述二氧化碳预热装置的出气口连接至所述活化室的进气口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体分离器为变压吸附塔。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应室包括气化炉，所述气化炉的外壁上设有天然气预热通道，所述预热通道的出气口连接至所述气化炉的原料入口。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述反应室还包括设于所述气化炉底部的急冷室，所述气化炉的下降管插入所述急冷室的冷却腔中，所述急冷室的气体出口连接至所述热量回收单元；

所述热量回收单元包括一个热量回收装置，所述热量回收装置上设有氧气预热通道，所述氧气预热通道的出口连接至所述气化炉的原料入口。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热量回收单元包括两个串联的热量回收装置，所述第一个热量回收装置上设有氧气预热通道，所述氧气预热通道的出口连接至所述气化炉的原料入口；

所述第二个热量回收装置上设有二氧化碳预热通道，所述二氧化碳预热通道的进口与所述气体分离器的二氧化碳出口相连，出口与所述活化单元相连。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一个热量回收装置为管式换热装置，所述第二个热量回收装置为蜂窝状蓄热装置或旋转换向蓄热装置。

7.根据权利要求1～6任一项所述的系统，其特征在于，还包括一端连接至活化单元且另一端连接至气固分离器和气体分离器之间的烟气净化装置；

所述烟气净化装置的进气口与所述活化室的出气口相连。

8.利用权利要求1～7任一项所述的系统制备活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将天然气和氧气预热至500～700℃后，通往反应室，反应得到1200～1500℃的高温产物；

2)所述高温产物经热量回收单元降温后通入气固分离器，得到气体产物和炭黑，所述气体产物通向气体分离器，所述炭黑进入活化单元；

3)所述气体产物中的二氧化碳经气体反应器分离后通入活化单元，在800～950℃下，与其中的炭黑反应生成活性炭。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：活化过程中所产生的烟气经过烟气净化装置除尘，与合成气混合后经过气体分离器分离后得到还原气。