CN105883797A - 一种烟气内循环的氧化炭化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气内循环的氧化炭化系统，包括外热式氧化炉、外热式炭化炉、燃烧设备和第一烟气循环设备；本发明还进一步提供了利用上述系统进行氧化炭化处理的方法。本发明将空气与含有大量二氧化碳和水蒸气的烟气混合得到氧化剂，同时相应地降低了其中的氧含，对于强度较大的成型粒料，可以取得更好的氧化效果，进而可以提高炭化效果。

Description

一种烟气内循环的氧化炭化系统及方法

技术领域

本发明属于煤基活性炭生产领域，特别涉及一种煤基活性炭生产中烟气内循环的氧化炭化系统及方法。

背景技术

在传统的煤基活性炭生产工艺中，原料煤在成型、造粒后依次经炭化、活化工艺处理，制备活性炭。目前，先进的活性炭生产工艺中往往还包括氧化工艺，即在炭化处理前，首先进行氧化处理。

在炭化前对炭材料进行适当的氧化处理,可以提高活性炭的吸附性能和产率。煤氧化后再经炭化,煤的微晶结构有很大改变。随着氧化程度的加深,炭化产物微晶的层间距增大,微晶层片平均尺寸减小,石墨化程度下降。氧化不仅可以将煤的大分子侧链和官能团氧化成为含氧基团并提前脱落,初始孔隙率提高,有利于炭化反应的进行,还使煤分子的芳香核部分破坏,微晶层面发生扭曲或变形,为活化气体的进一步刻蚀产生新的孔隙奠定了基础。

目前对原料煤进行氧化处理时，空气由于容易获取、成本低，常被用作氧化处理的氧化剂。例如CN203866039U公开了一种用于煤基活性炭制备的氧炭化预处理系统，包括外热式氧化炉、外热式炭化炉、冷却炉；外热式氧化炉的烟气出口与烟气净化系统连接，外热式炭化炉的炭化尾气出口与所述焚烧炉连接，焚烧炉的高温烟气为所述外热式氧化炉和外热式炭化炉分别供热；外热式炭化炉的烟气出口经换热器与所述烟气净化系统连接，所述换热器的高温空气出口与所述外热式氧化炉和焚烧炉分别连接，以提供氧化反应所需氧气。

CN102153079A本发明公开了一种氧炭化法工业化煤制活性炭的方法及系统，首先将煤粉压块制成的成型料送入外热式氧化炉与氧化空气发生氧化反应生成氧化料；之后将氧化料送入外热式炭化炉进行炭化处理生成炭化料；然后将炭化料经过冷却和活化处理后制成的活性炭制品。在活性炭的预处理工序中，采用氧化工艺和炭化工艺两道工序，其中利用热空气作为氧化工艺的氧化剂对成型料表面进行氧化，使活性炭制品的吸附性能和产品得率得到提高。

另外，对于高强度活性炭的需要越来越大，而高强度活性炭的制备离不开高强度的煤炭成型粒料。然而，对于高强度的煤炭成型粒料，研究认为，直接以空气等作为氧化剂却并非最佳选择，难以有效地实现预氧化的预期效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烟气内循环的氧化炭化系统以及方法，以提高成型粒料的氧化炭化效果。

为实现上述目的一个方面，本发明提供的烟气内循环的氧化炭化系统采用以下技术方案：

一种烟气内循环的氧化炭化系统，包括：

所述外热式氧化炉，用于对物料进行氧化处理，包括第一筒体和设置在所述第一筒体外的第一外热夹套，所述第一外热夹套用于为所述第一筒体内物料的氧化处理提供所需热量；

所述外热式炭化炉，用于对来自所述外热式氧化炉的物料进行炭化处理，包括第二筒体和设置在所述第二筒体外的第二外热夹套，所述第二外热夹套用于为所述第二筒体内物料的炭化处理提供所需热量；

燃烧设备，用于向所述第一外热夹套和第二外热夹套内输入热烟气；和

第一烟气循环设备，用于将来自所述第一外热夹套和/或第二外热夹套的部分烟气与适量的空气混合后作为氧化处理的氧化剂送入第一筒体。

根据本发明的氧化炭化系统，利用外热式氧化炉用于对物料进行氧化处理，利用外热式炭化炉对来自所述外热式氧化炉的物料进行炭化处理，所述外热式氧化炉和外热式炭化炉均为本领域所熟知，例如分别可以是CN203866039U或CN102153079A中外热式氧化炉和外热式炭化炉，利用外热夹套为筒体内的反应供热。优选地，所述外热式氧化炉和外热式炭化炉均为外热式回转窑。更优选地，所述第一外热夹套和第二外热夹套分别包括沿其轴向设置的多个相互隔离的分段夹套，所述分段夹套上分别设有烟气入口和烟气出口，从而可以分别向每个分段夹套中输入热烟气时，以更好地调节氧化处理或炭化处理的温度。所述外热式氧化炉和外热式炭化炉的分段夹套的数量可以根据生产需要进行调整，例如可以分别是3至10个等，比如4个、6个或8个。

根据本发明的氧化炭化系统，燃烧设备产生的热烟气被送入外热式氧化炉和外热式炭化炉，在本发明中，所述烟气为天然气燃烧后产生的尾气。所述燃烧设备可以是本领域常用的燃烧器或热风炉等，为本领域所熟知，这里不再赘述。本领域技术人员可以理解，所述燃烧设备可以根据需要设置为一台或多台，从而可以同时或分别向所述外热式氧化炉和外热式炭化炉提供热烟气。

根据本发明的氧化炭化系统，利用第一烟气循环设备将烟气与空气的混合气体作为氧化处理的氧化剂送入第一筒体，其中，所述烟气与空气混合既可以调节烟气成分，又可以调节烟气温度；另外，由于所述烟气可以来自第一外热夹套和/或第二外热夹套，本领域技术人员了解，氧化处理和炭化处理所需的温度并不相同，从而来自第一外热夹套和第二外热夹套的烟气温度也不同，因此同样可以利用来自第一外热夹套与第二外热夹套的烟气量之比调节温度。当然，还可以其它的方式对混合气体的温度继续调节，例如进一步设置换热器。本领域技术人员理解，所述第一烟气循环设备可以是本领域常用的适于高温烟气输送的设备，例如循环风机或引风机等，为本领域所熟知，这里不再赘述。

根据本发明的氧化炭化系统的一个优选实施方式，所述氧化炭化系统还包括：

第二烟气循环设备，用于将来自所述第一外热夹套的部分烟气循环至所述第一外热夹套内；和

第三烟气循环设备，用于将来自所述第二外热夹套的部分烟气循环至所述第二外热夹套内。

根据本发明的氧化炭化系统的另一种实施方式，所述氧化炭化系统还可以包括输送机、除尘器、引风机、焚烧炉和余热锅炉，其中，所述输送机用于将来自所述第一筒体的氧化物料送入所述第二筒体内，为本领域所熟知，例如可以是链斗输送机。

所述除尘器和引风机用于共同处理第一筒体内的氧化尾气，其中，所述除尘器用于对来自所述第一筒体内的氧化尾气进行除尘，为本领域所熟知，例如可以是布袋除尘器等；所述引风机用于从所述第一筒体内引出氧化尾气，从而可使除尘后的烟气进入其他单元加以利用。

所述焚烧炉和余热锅炉用于共同处理第二筒体内的炭化尾气，用于焚烧来自所述第二筒体内的炭化尾气，得到焚烧尾气；所述余热锅炉用于回收所述焚烧尾气中的热量。

为实现上述发明目的的另一个方面，本发明还提供了利用上述氧化炭化系统进行氧化炭化处理的方法，所述方法包括将来自所述第一外热夹套和/或第二外热夹套的部分烟气与适量的空气混合，以使混合气体中氧气的含量为6～15vol％，进一步优选为8vol％～14vol％，例如10vol％，并将所述混合气体作为氧化处理的氧化剂送入第一筒体。

其中，所述烟气为燃料燃烧后所得，例如天然气在燃烧设备中进行空气燃烧或富氧燃烧所得，其中含有较多的二氧化碳和水蒸气。所述烟气可以是直接来自所述燃烧设备的烟气，也可以是离开外热式氧化炉和/或外热式炭化炉的外热夹套的烟气，本领域技术人员理解，这些烟气的组成相同。优选地，所述混合气体中二氧化碳的含量为5vol％～20vol％，进一步优选为10vol％～20vol％；水蒸气的含量优选为10vol％～40vol％，进一步优选为25vol％～35vol％。

根据本发明的方法，优选地，所述方法还包括直接向所述第一筒体内引入二氧化碳气体，以调节其中二氧化碳含量。如此，当烟气出现波动时，仍可以保持氧化剂中一定的二氧化碳含量。

在本发明中，造粒后的物料在进行炭化处理之前首先进行氧化处理，以使物料在氧化剂中发生部分氧化反应。对粒料进行氧化处理和炭化处理为活性炭制备过程中的常用处理步骤，为本领域技术人员所熟知。本发明的氧化处理条件优选为在220℃～300℃下利用上述氧化剂对物料进行氧化处理2.5～5小时，以使物料的氧化控制在较轻的程度，以适合于本发明的高强度粒料的预氧化。所述炭化处理的条件可以为：温度300～500℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间1.5～4小时。在炭化后，炭氢化合物中的炭原子组合会形成一些裂隙的炭结构体，具有一定的吸附能力，这些裂隙将会在活化程序中形成更发达的微孔结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明将空气与含有大量二氧化碳和水蒸气的烟气混合得到氧化剂，同时相应地降低了其中的氧含量，与单纯的空气或氮气与氧气的混合气作为氧化剂相比，二氧化碳等气体的引入不仅并未阻碍氧化反应的进行，发明人还意外发现，大量还原性的水蒸气及二氧化碳的引入不仅不会降低氧化处理的效果，而且对于强度较大的成型粒料，反而可以取得更好的预氧化效果，进而可以相应提高炭化效果；

(2)本发明还进一步对离开氧化炉和炭化炉的外热夹套的烟气进行部分循环利用，相比于直接排放，起到了非常好的节能减排的效果。例如在改造前(直接排放)，氧、炭化装置天然气加热消耗量约为1000方/小时；改造后，天然气消耗量降低为520方/小时。按照2.3元/方天然气价格计算，仅天然气每天节约资金1104元，全年节约资金883万元。同时每小时节约氮气用量320方，按照每方成本0.23元计算，全年节约58万元。

附图说明

图1示出了本发明的氧化炭化系统的一种优选实施方式的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行相应说明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述氧化炭化系统包括外热式氧化炉、外热式炭化炉、燃烧器3、第一循环风机4、第二循环风机5和第三循环风机6。所述外热式氧化炉和外热式炭化炉均为外热式回转窑。

其中，所述外热式氧化炉用于对物料进行氧化处理，包括第一筒体11和设置在所述第一筒体11外的第一外热夹套12，所述第一外热夹套12用于为所述第一筒体11内物料的氧化处理提供所需热量；所述第一外热夹套12由沿轴向设置的6个分段夹套13组成，每个分段夹套13上均设有烟气进口和烟气出口(图中未示出)。

所述外热式炭化炉用于对来自所述外热式氧化炉的物料进行炭化处理，包括第二筒体21和设置在所述第二筒体21外的第二外热夹套22，所述第二外热夹套22用于为所述第二筒体21内物料的炭化处理提供所需热量；所述第二外热夹套22的结构设置同第一外热夹套12。

对应于每个分段夹套13的底部均设有一台所述燃烧器3，用于向所述每个分段夹套13内提供热烟气。当然，本领域技术人员可以理解，每台燃烧器3也可以同时向多个分段夹套13内提供热烟气，以减少燃烧器3的数量。

运行时，利用燃烧器3燃烧天然气，将得到的热烟气送入第一外热夹套12和第二外热夹套22的分段夹套13内，从而对第一筒体11和第二筒体22进行加热。加热后离开第一外热夹套12的烟气中的一部分经第二循环风机5循环至第一外热夹套12中靠近氧化物料出口的分段夹套13内；当然，本领域技术人员可以理解，在其他实施方式中也可以循环至第一外热夹套12的各分段夹套13内。加热后离开第二外热夹套22的烟气中的一部分经第三循环风机6循环至第二外热夹套22中靠近氧化物料进口的分段夹套13内；当然，本领域技术人员可以理解，在其他实施方式中也可以循环至第二外热夹套22的各分段夹套13内。离开第一外热夹套12和第二外热夹套22的剩余烟气中的一部分与适量空气混合，经第一循环风机4作为氧化剂送入第一筒体内。其余烟气放空。

原料煤的压块粒料首先进入第一筒体11内，在氧化剂的气氛下干燥、氧化，得到氧化物料。氧化物料离开第一筒体11后进入第二筒体21内，进行炭化处理，得到炭化物料。同时，第一筒体11内的气体作为氧化尾气离开第一筒体11；第二筒体21内的气体作为炭化尾气离开第二筒体21。

在本发明的另一个实施例中，所述氧化炭化系统还包括链斗输送机、布袋除尘器、引风机、焚烧炉和余热锅炉(图中未示出)，其中，所述链斗输送机用于将来自所述第一筒体11的氧化物料送入所述第二筒体21内。所述布袋除尘器用于对来自所述第一筒体11内的氧化尾气进行除尘，所述引风机用于从所述第一筒体11内引出氧化尾气，使除尘后的氧化尾气进入磨煤单元以干燥原料煤。所述焚烧炉用于焚烧来自所述第二筒体21内的炭化尾气，得到焚烧尾气；所述余热锅炉用于回收所述焚烧尾气中的热量，以实现节能减排。

以下结合实验对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1

利用图1所示的氧化炭化系统进行物料的氧化炭化处理，其中，所述氧化剂中氧含量为14vol％，二氧化碳含量为12vol％，水蒸气含量为24vol％。

将压块料破碎造粒，得到粒径在6.7mm～8mm之间的粒料。

在第一筒体内于230℃加热3h以对上述粒料进行氧化处理，然后将氧化物料送至第二筒体内，在温度490℃下的流动状氮气中焙烧4h，得到炭化物料。

所述压块料通过如下方法制备：

(1)、将新疆哈密煤粉碎至平均粒径为25μm的粉煤，进行筛分，其中，粒径大于80μm的粉煤含量为2.5wt％；粒径大于40μm的粉煤含量为18wt％；

(2)、将(1)得到的粉煤送入压块成型设备的给料仓内，并对所述给料仓内的物料进行脱气处理，使所述给料仓内的负压保持在2.5kPa～3kPa；

(3)、使所述给料仓内物料的温度保持在70℃～75℃、水分含量调节为4wt～5wt％；

(4)、将所述给料仓内的物料通过螺旋强制给料机送入成型设备在进行成型，以得到压块料。

检测型煤强度，滚筒强度(GB/T 7702.3-2008)91.7％。

所述新疆哈密煤来自新疆保利煤矿，其指标为：水分5.17wt％，空气干燥基灰分为1.31wt％，干燥无灰基挥发分35.54wt％，粘结指数2，属于无粘结性煤，焦渣特征3，可磨系数55％。

对上述炭化物料进行检测，结果见表1。

对比例1

与实施例1的区别在于其氧化剂为空气，其余同实施例1.

对其炭化物料进行检测，结果见表1。

实施例2

与实施例1的区别在于:其氧化剂中氧含量为8vol％，二氧化碳含量为18vol％，水蒸气含量为35vol％；同时，在第一筒体内于290℃加热4.5h以对上述粒料进行氧化处理，然后将氧化物料。其余同实施例1。

对其炭化物料进行检测，结果见表1。

对比例2

与实施例2的区别在于其氧化剂为氮气与空气的混合气，其氧含量为8vol％，其余同实施例2。

对其炭化物料进行检测，结果见表1。

表1

Claims (10)

1.一种烟气内循环的氧化炭化系统，包括：

所述外热式氧化炉，用于对物料进行氧化处理，包括第一筒体和设置在所述第一筒体外的第一外热夹套，所述第一外热夹套用于为所述第一筒体内物料的氧化处理提供所需热量；

所述外热式炭化炉，用于对来自所述外热式氧化炉的物料进行炭化处理，包括第二筒体和设置在所述第二筒体外的第二外热夹套，所述第二外热夹套用于为所述第二筒体内物料的炭化处理提供所需热量；

燃烧设备，用于向所述第一外热夹套和第二外热夹套内输入热烟气；和

第一烟气循环设备，用于将来自所述第一外热夹套和/或第二外热夹套的部分烟气与适量的空气混合后作为氧化处理的氧化剂送入第一筒体。

2.根据权利要求1所述的氧化炭化系统，其特征在于，所述氧化炭化系统还包括：

第二烟气循环设备，用于将来自所述第一外热夹套的部分烟气循环至所述第一外热夹套内；和

第三烟气循环设备，用于将来自所述第二外热夹套的部分烟气循环至所述第二外热夹套内。

3.根据权利要求1或2所述的氧化炭化系统，其特征在于，所述外热式氧化炉和外热式炭化炉均为外热式回转窑。

4.根据权利要求3所述的氧化炭化系统，其特征在于，所述第一外热夹套和第二外热夹套分别包括沿其轴向设置的多个相互隔离的分段夹套，所述分段夹套上分别设有烟气入口和烟气出口。

5.一种利用根据权利要求1～4中任一项所述的氧化炭化系统进行氧化炭化处理的方法，所述方法包括将来自所述第一外热夹套和/或第二外热夹套的部分烟气与适量的空气混合，以使混合气体中氧气的含量为6～15vol％，优选8～14vol％，并将所述混合气体作为氧化处理的氧化剂送入第一筒体。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合气体中二氧化碳的含量为5～20vol％，优选为10～20vol％。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述混合气体中水蒸气的含量为10～40vol％，优选为25～35vol％。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述氧化处理条件为：在220℃～300℃下利用氧化剂对物料进行氧化处理2.5～5小时。

9.根据权利要求5～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述炭化处理条件为：温度300～500℃、炭化气氛氧含量不大于5vol％，炭化处理时间1.5～4小时。

10.根据权利要求5～9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括直接向所述第一筒体内引入二氧化碳气体，以调节其中二氧化碳含量。