CN105858649A - 石墨高温膨化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨高温膨化炉，包括炉体和炉膛，所述炉膛内设有膨化管，炉体两端分别设有蓄热式燃烧器且炉体两侧对应位置分别设有长明火燃烧器，所述膨化管位于蓄热式燃烧器和长明火燃烧器的上方并贯穿整个炉膛上部，所述膨化管两端分别设有进料口和出料口，所述炉体外部设有与进料口连通的贫氧烟气管，所述贫氧烟气管靠近进料口的位置上设有用于添加石墨原料的下料管。与现有技术相比，该石墨高温膨化炉首次使用蓄热式燃烧器代替常规燃烧器，同时设置了用于隔离原料和燃料的膨化管，并且利用燃烧产生的贫氧烟气送料，因此，该石墨高温膨化炉具有节能高效燃烧、能耗低、生产率高、产品成品率高、产品纯度高等优点。

Description

石墨高温膨化炉

技术领域

本发明属于膨化设备技术领域，具体是一种石墨高温膨化炉。

背景技术

气液相剥离膨胀石墨法作为新材料石墨烯制备的一种生产工艺，其具有设备投资小、生产成本低、操作简单、产品质量高等优点，是目前国内石墨膜、石墨散热片等产品的主流生产方式。在整个工艺生产流程中，膨化炉担任着最重要的物料膨化工作，直接决定着下游产品质量的高低，可以说是整个生产线的核心设备。

膨化炉根据热源不同分为电加热膨化炉和燃料燃烧加热膨化炉(燃料主要为燃气，燃油及燃煤由于成本较高或排放不达标等问题，实际运用较少)。目前在国内市场上，燃气膨化炉的加热方式一般采用直燃式，即燃气与助燃风通过燃烧器喷入炉膛内燃烧产生高温，送料口一般布置在炉膛顶部或一侧，通过送风管与螺旋下料机配合将原料送入炉内与火焰进行直接接触，从而达到膨化目的。燃气加热膨化炉具有投资小、建设周期短、生产操作灵活、维护方便、原料膨化速度快、生产成本低等优点，从而被越来越多的石墨膜生产厂家所接受。但在实际生产中，燃气膨化炉也有其不足之处，主要体现在：

1、膨化炉在燃烧系统方面采用较为成熟的燃烧机集成设备，其优势在于投资成本低、结构简单、易于上手，但其在燃烧技术方面还属于常规燃烧方式，从燃烧效果及节能方面来讲均处于较低水平。由于膨化炉采用直燃式，需要将燃烧后的高温烟气与原料、部分膨化后的蠕虫石墨掺和在一起由引风机抽到下游生产设备进入除尘、除气、平整、压制等工艺流程，但实际上烟气对于产品而言完全就是副产物，不仅增大了下游抽风、除气系统的负荷，而且在完成膨化功能后为避免其高温烧坏下游设备还需延长输送管道或增加降温装置对其进行降温处理，也加大了设备投资及运营成本；

2、与螺旋下料机配合工作的送料风取用常规空气，其氧含量达到21％左右，而在石墨膨化过程中的理想状态为无氧状态，尽量避免石墨中碳元素被氧化，从而保证原料的成品率与质量，但目前的设备配合会造成即使燃气完全燃烧后在火焰外焰形成局部涡流的贫氧氛围，由于送料风带入的大量氧气使之再次转变为氧化气氛，直接增加了原料的高温氧化率，使成品率降低；

3、为使原料得到最快、最佳的膨化速度与效果，进料口一般布置在火焰外焰处，也就是燃气理论燃烧最高温度点上，参照天然气理论燃烧温度达1600℃左右，远远超过了膨胀石墨膨化工艺所需求的900～1100℃，从而造成膨化温度点超温，原料过烧。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种石墨高温膨化炉，所述石墨高温膨化炉炉膛内设有一膨化管，将石墨原料与燃烧火焰分隔开来，并且采用蓄热式燃烧器代替常规燃烧器、低温贫氧烟气送料代替常规空气送料，从燃烧、送料等方面改善石墨膨化的生产工艺。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种石墨高温膨化炉，包括炉体和炉膛，所述炉膛内设有膨化管，炉体两端分别设有蓄热式燃烧器且炉体两侧对应位置分别设有长明火燃烧器，所述膨化管位于蓄热式燃烧器和长明火燃烧器的上方并贯穿整个炉膛上部，所述膨化管两端分别设有进料口和出料口，所述炉体外部设有与进料口连通的贫氧烟气管，所述贫氧烟气管靠近进料口的位置上设有用于添加石墨原料的下料管。

进一步地，所述蓄热式燃烧器包括填满蓄热载体的填充室、燃气喷枪以及设置在填充室一侧与填充室内部相通的空气/烟气通道，所述蓄热式燃烧器进口处还设有检修门，所述填充室顶部设置有装球口，所述填充室进口处设有用于格挡蓄热载体的栅格，出口处设有多孔的挡块砖；所述燃气喷枪的出口与蓄热式燃烧器的出口相通。

进一步地，所述石墨高温膨化炉炉膛顶部设有辅助排烟管，所述辅助排烟管上设置有耐高温的蝶阀。

进一步地，所述石墨膨化炉炉体上还设有物料膨化反应观察口。

进一步地，所述石墨膨化炉外部设有一个四通换向阀和鼓风机，所述四通换向阀的其中一个接口与贫氧烟气管相连通，另外三个接口通过管道分别与两个蓄热式燃烧器的空气/烟气通道和鼓风机相连通。

进一步地，所述贫氧烟气管上还设置有引风机。

进一步地，所述贫氧烟气管上，位于引风机下游处还设置有耐高温的蝶阀及与车间外烟囱相通的排烟管。

进一步地，所述膨化管采用优质重结晶SIC管。

进一步地，所述炉膛内衬采用优质耐火纤维保温棉和高铝质耐火砖相结合的方式。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、采用蓄热式燃烧器取代常规式燃烧器，将燃气燃烧后的高温贫氧烟气的热量回收后可用于燃烧时对空气预热从而提高燃烧效率；蓄热后的高温贫氧烟气温度降低由空气/烟气通道排出后，一部分贫氧烟气用作送料风，另一部分通过车间烟道排放到外界，这样一方面减小了下游抽风除气系统的负荷，减小了对高温烟气处理的成本，另一方面相对于常规燃烧排烟温度高达700℃以上，蓄热式燃烧排烟温度不超过150℃，实现了节能和降低NO_X排放量的目的。

2、采用贫氧烟气送料取代空气送料，利用烟气的氧含量小于空气中氧含量的特点，可对石墨原料进行气氛保护，减少其高温氧化率，同时由于贫氧烟气具有一定温度，可对物料在进入膨化炉前进行烘干、预热处理，节能的同时提高了原料膨化的成品率。

3、炉膛内设有膨化管，成功实现了发热源与原料的分隔，确保了石墨产品的纯净度，同时减少了原料过烧的现象，大大降低了石墨原料烧损率。

附图说明

图1是本发明石墨高温膨化炉的结构示意图

图2是本发明中蓄热式燃烧器的主视图

图3是本发明中蓄热式燃烧器的俯视图

图4是本发明中蓄热式燃烧器的左视图

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

如图1所示，一种石墨高温膨化炉，包括炉体1和炉膛2，其特征在于，所述炉膛内设有膨化管3，炉体两端分别设有蓄热式燃烧器4、5，且炉体两侧对应位置分别设有长明火燃烧器6、7，所述膨化管3位于蓄热式燃烧器4、5和长明火燃烧器6、7的上方贯穿整个炉膛2上部，所述膨化管两端分别设有进料口8和出料口9，所述炉体1外部设有与进料口8连通的贫氧烟气管10，所述贫氧烟气管10靠近进料口8的位置上设有用于添加石墨原料的下料管11。

如图2、3、4所示，蓄热式燃烧器4(或5)包括填满蓄热载体12的填充室、燃气喷枪13以及设置在填充室一侧与填充室内部相通的空气/烟气通道14，所述蓄热式燃烧器进口处还设有检修门15，所述填充室顶部设置有装球口16，所述填充室进口处设有用于格挡蓄热载体的栅格17出口处设有多孔的挡块转18；所述燃气喷枪13的出口与蓄热式燃烧器4(或5)的出口相通。蓄热器工作时，空气由其中一个蓄热式燃烧器的空气/烟气通道进入被预热后与燃气喷枪喷出的燃气和混合燃烧，产生的烟气由另一个蓄热式燃烧器的空气/烟气通道排出。挡块砖上均匀分布着贯穿的孔，一方面限制格挡了蓄热载体，一方面又可以使空气或烟气顺利的通过。考虑到石墨膨化生产现场细微粉尘的存在，为防止蓄热载体通道的堵塞，蓄热式燃烧器内蓄热载体12选用优质高铝质陶瓷小球，其AL₂O₃含量高达70％以上，具有比表面积大、热容量大、热震稳定性好、抗高温剥离性好、方便后期清理维护、可循环利用等优点。

如图1所示，所述石墨高温膨化炉顶部设有辅助排烟管20，所述辅助排烟管20上设置有耐高温蝶阀。辅助排烟管道20的设置是避免出现故障时，炉内高温烟气浓度过高，导致炉内压力过大，造成危险。

如图1所示，所述石墨膨化炉炉体上还设有物料膨化反应观察口，反应观察口的设置有利于操作者方便观察炉内的反应情况，以根据具体情况作出恰当的操作。

如图1所示，所述石墨膨化炉外部设有一个四通换向阀(未示出)和鼓风机(未示出)，所述四通换向阀的其中一个接口与贫氧烟气管10相连通，另外三个接口通过管道分别与两个蓄热式燃烧器4、5上的空气/烟气通道14和鼓风机相连通。

如图1所示，所述贫氧烟气管10上还设置有引风机(未示出)。引风机的设置是为了提供由蓄热式燃烧器排出的贫氧烟气流动所需的动力。

如图1所示，所述贫氧烟气管10，位于引风机下游处还设置有耐高温的蝶阀和与车间外烟囱相通的排烟管(未示出)。所述排烟管上设置有用于控制烟气排出流量的蝶阀。贫氧烟气管道上蝶阀的设置用于控制贫氧烟气是否流入石墨膨化炉内的膨化管，即是否将贫氧烟气用于送料。启炉阶段产生的所有贫氧烟气经排烟管排入车间外烟囱，并未用于送料。

上述方案中，启炉阶段，将燃气与鼓风机带入的空气通入长明火燃烧器6(或7)中，在炉膛2中进行混合燃烧，燃烧后的高温烟气进入蓄热式燃烧器4(或5)内，经蓄热载体蓄热后，由空气/烟气通道14通过四通换向阀进入贫氧烟气管10，在贫氧烟气管10上引风机的作用下，由排烟管将烟气输送至车间外烟囱排出，调节四通换向阀，使蓄热式燃烧器5(或4)进行蓄热，两蓄热式燃烧器不断交替蓄热后，渐渐地蓄热式燃烧器4、5内的蓄热载体相继完成蓄热，当由炉内温度检测器检测炉温达到700度以上时，关闭长明火燃烧器6(或7)，启炉完成。调节四通换向阀，使空气由蓄热式燃烧器上的空气/烟气通道进入蓄热式燃烧器4(或5)中，空气经由蓄热式燃烧器4(或5)时被蓄热载体加热，加热后的空气与燃气喷枪带入的燃气在炉膛2内混合后自动燃烧，炉内温度持续升高。当炉温上升到850度以上，调节排烟管上的蝶阀，控制烟气排出的流量，同时打开贫氧烟气管10上的耐高温蝶阀和下料管11上的开关阀门，在贫氧烟气流量可控的条件下，使贫氧烟气带动石墨原料进入膨化管3，原料在贫氧烟气的氛围保护下，高温膨化，产生的蠕虫石墨。生产过程中，产生的高温贫氧烟气一部分用于送料，一部分被排入车间外烟囱，由于用作送料的贫氧烟气占所产生烟气的比例较小，大部分被排入车间外烟囱，因此，减小了下游抽风、除气系统的负荷，减小了对高温烟气处理的成本。

结合图1，所述膨化管3采用优质重结晶SIC管道，降低了膨化后蠕虫石墨通过料管的阻力，减小了下游引风系统的负荷，改善了生产系统的运转状况。

结合图1，所述石墨膨化炉的炉膛2内衬采用优质耐火纤维保温棉和高铝质耐火砖相结合的方式。本发明提供的石墨高温膨化炉采用全纤维炉内衬结构，只有在烧嘴砖承重、送料管支撑及挡火花墙局部采用高铝质耐火砖，鉴于耐火纤维低比重，热容量小，热震稳定性好等优势，其良好的保温性能可大大缩短膨化炉启炉升温至850℃后开始投料的升温时间，而在膨化炉正常运行中也可大大降低炉墙的散热量，节约能源的同时提高了设备生产效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种石墨高温膨化炉，包括炉体和炉膛，其特征在于，所述炉膛内设有膨化管，炉体两端分别设有蓄热式燃烧器且炉体两侧对应位置分别设有长明火燃烧器，所述膨化管位于蓄热式燃烧器和长明火燃烧器的上方并贯穿整个炉膛上部，所述膨化管两端分别设有进料口和出料口，所述炉体外部设有与进料口连通的贫氧烟气管，所述贫氧烟气管靠近进料口的位置上设有用于添加石墨原料的下料管。

2.根据权利要求1所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述蓄热式燃烧器包括填满蓄热载体的填充室、燃气喷枪以及设置在填充室一侧与填充室内部相通的空气/烟气通道，所述蓄热式燃烧器进口处还设有检修门，所述填充室顶部设置有装球口，所述填充室进口处设有用于格挡蓄热载体的栅格，出口处设有多孔的挡块砖；所述燃气喷枪的出口与蓄热式燃烧器的出口相通。

3.根据权利要求2所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述石墨高温膨化炉炉膛顶部设有辅助排烟管，所述辅助排烟管上设置有耐高温的蝶阀。

4.根据权利要求3所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述石墨膨化炉炉体上还设有物料膨化反应观察口。

5.根据权利要求4所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述石墨膨化炉外部设有一个四通换向阀和鼓风机，所述四通换向阀的其中一个接口与贫氧烟气管相连通，另外三个接口通过管道分别与两个蓄热式燃烧器的空气/烟气通道和鼓风机相连通。

6.根据权利要求5所述墨高温膨化炉，其特征在于，所述贫氧烟气管上还设置有引风机。

7.根据权利要求6所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述贫氧烟气管上，位于引风机下游处还设置有耐高温的蝶阀及与车间外烟囱相通的排烟管。

8.根据权利要求7所述石墨高温膨化炉，其特征在于，所述膨化管采用优质重结晶SIC管。

9.根据权利要求8所述的石墨高温膨化炉，其特征在于，所述炉膛内衬采用优质耐火纤维保温棉和高铝质耐火砖相结合的方式。