CN109470061A - 一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，包括：a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体回收；b、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，回收尾气中的氮气，分离出渗透气体；c、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离。该高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法将高温炉尾气进行分离回收，对于不同组分的气体分别回收，得到的气体纯度高。利用尾气各组分的相变温度不同，分离尾气，不仅分离效果好，可得到纯度较高的尾气各组分，而且经济环保，具有实用推广价值。

Description

一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法

技术领域

本发明涉及环境保护领域，尤其涉及一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法。

背景技术

目前，国内外合成金刚石企业其原料石墨的纯化均为干法生产，所用设备大多是高温炉，且炉内工作温度一般在2800℃以上，由于石墨耐氧化性差，尤其是高温下更易氧化为二氧化碳而挥发，故高温下对石墨提纯时必须在绝氧、有惰性气体的环境中进行，以确保石墨有较高的产率和回收率，随着石墨产品的回收同时也伴随着杂质气体以及惰性气体的排出，一般杂质气体排出炉体后经冷却即可固化，由固气分离装置进行收集，而惰性气体和其它气体则可直接排入大气亦可回收再利用。

干法生产金刚石惰性气体则以充氩气者为最多，其次为氮气，由于大多数金刚石原料生产高温炉在提纯石墨时，炉内环境是绝氧且有惰性气体的，理论上炉体排出的尾气应为纯惰性气体，但实际上，由于原料、工艺的变化以及炉子上各阀门的密封效果不佳等原因，使得高温炉排放的尾气成分较为复杂，故此时在对尾气处理时除考虑氩、氮气外，还应考虑氧及氧化碳的问题。目前，干法生产金刚石的尾气处理方面耗费成本较高，然而收集得到的惰性气体中掺杂有氧、二氧化碳以及其它杂质气体。

因此，提供一种结构合理、降低尾气处理成本、提高收集得到的惰性气体纯度、去除其中对环境造成污染的杂质气体的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法是本领域需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种成本低，对环境友好、高效、结构新颖、设计合理、符合国情、具有实用推广价值的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法。

根据本发明的一个方面，提供一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，包括：a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体回收；b、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，回收尾气中的氮气，分离出渗透气体；c、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离。

可选择地，步骤b中，将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统进行分离回收的具体步骤为：将步骤a中除杂后的尾气通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体。

可选择地，步骤b中，还包括以下步骤：当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.1～0.3个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气，当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气。

其中，步骤c中含氩、氧的气体进行精馏分离的具体步骤为：c1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩；c2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳；c3、再将除杂后的渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。

可选择地，步骤c1中透平压缩机将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为295-305K。

可选择地，步骤c中进一步包括步骤c2之后，步骤c3之前的步骤：将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中进行二次冷却，再次进入除杂交换器，通过除杂交换器进入分馏塔。

其中，透平膨胀机中将除杂后的渗透气体二次冷却至温度为98～101K。

可选择地，步骤a中，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收。

可选择地，在步骤a之后，步骤b之前，还包括以下步骤：将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质。

作为本发明的一个优选方案，一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，包括以下步骤：

a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收。

b、将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质。

c、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体。

其中，当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止向分子筛膜床供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.1～0.3个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气，当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气。

d、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离：

d1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩，将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为295-305K。

d2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳。

d3将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中二次冷却至温度为98～101k，再次将渗透气体通入除杂交换器。

d4、再将除杂交换器中渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。

本发明的有益效果为：

本发明的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法将高温炉尾气进行分离回收，防止尾气直接排放到空气中污染环境；利用该方法分离尾气的效果好。对于不同组分的气体分别回收，得到的气体纯度高。将这些气体回收再利用可减少资源与能源浪费。利用尾气各组分的相变温度不同，分离尾气，不仅分离效果好，可得到纯度较高的尾气各组分，而且经济环保，具有实用推广价值。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征向量可以相互任意组合。

一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，包括：

a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体回收。

b、将步骤a中除杂后的尾气通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体。

其中，当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.1～0.3个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气。当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气。

c、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离，具体步骤包括：c1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩；c2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳；c3、再将除杂后的渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。

其中，步骤c1中透平压缩机将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为295-305K。例如，在实际操作过程中，可以选择将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3兆帕、0.4兆帕、0.5兆帕、0.6兆帕或0.7兆帕。优选地，将含氩、氧的渗透气体冷却到温度为300-303K，例如，在实际操作过程中，可以选择，将含氩、氧的渗透气体冷却到温度为300K、301K、302K或303K。

优选地，步骤c中进一步包括步骤c2之后，步骤c3之前的步骤：将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中进行二次冷却，再次进入除杂交换器，通过除杂交换器进入分馏塔。透平膨胀机中将除杂后的渗透气体二次冷却至温度为98～101K。优选地，透平膨胀机中将除杂后的渗透气体二次冷却至温度为98～101K，在此条件下，渗透气体的温度接近临界液化温度。

优选地，步骤a中，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收。

优选地，在步骤a之后，步骤b之前，还包括以下步骤：将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质，以除去尾气中掺杂的杂质气体固体颗粒。

作为本发明的一种非限制性实施方式，一种高温炉干法生产金刚石的含氩尾气处理方法，包括以下步骤：

a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收。

b、将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质。

c、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体。

其中，当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止向分子筛膜床供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.2个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气，当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气。

d、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离：

d1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩，将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为303K。

d2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳。

d3将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中二次冷却至温度为101k，再次将渗透气体通入除杂交换器。

d4、再将除杂交换器中渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。

当高温炉系统启动运行时，炉体排出的含氩、氮及杂质气体等尾气首先进入外围有冷却循环水进行冷却的固气分离装置。从石墨中挥发的杂质气体遇冷固化沉降由底部卸料器卸下并回收，而未固化的含氩、氮气体则由固气分离装置顶部直接进入后面的气体分离系统。

含氩、氮气体首先经过滤器过滤，再由分子筛膜床对含氩、氮气体进行处理，由于分子筛对气体组分的选择性吸附，从而使氮气被吸附于分子筛膜床上，而其它气体如氩、氧等则透过分子筛膜床，从而达到氮气与其它气体分离之目的，再对吸附于分子筛膜床上的氮气，通过对分子筛膜床进行减压使其解吸，从而回收氮气，回收氮气需停止含氩、氮气体的供应才能进行。

透过分子筛膜床的含氩、氧等气体进入分离系统，透平压缩机、除杂交换器、透平膨胀机和分馏塔。首先进入分离系统的含氩、氧的气体由透平压缩机压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K左右，再进入除杂交换器清除其中的氧化碳，进入透平膨胀机冷却到接近液化温度(101K)后送入分馏塔的下塔。含氩、氧气体自下而上与分馏塔中冷凝器中的低温回流液体充分接触并进行热传递，使部分气体冷却为液体。由于氧属难挥发物质，而氩、氮属易挥发物质，故在冷凝过程中氧比氩、氮冷凝的要多，从而使气体中氮、氩的纯度提高。同时气体冷凝时释放的冷凝潜热，会使回流液体部分汽化，而氮、氩比氧要蒸发的多，从而使液体中氧的纯度提高。气体由下而上与每一块塔板上的回流液体进行热传递，而每经过一块塔板，气相中的氮、氩浓度就提高一次，当气体到达下塔顶部时，最上部余氮的浓度可达99.99％以上，中部氩的浓度可达99.999％。同时上塔底部的液氧汽化、上升并参与上塔的精馏。将下塔底部得到的富氧液(含氧40％左右)由上部送入上塔，作为上塔的部分回流液与上升气体接触并传热，其中部分富氧液汽化，还是由于氧难于挥发而氮易挥发，使得氮比氧要蒸发的多，从而使液体氧纯度提高。同样，液体由上而下与上升气体经多块塔板进行多次传热传质，使液流中氧不断提高，当液体到达上塔底部时，其液氧的纯度可达99.6％。

实施例1

实测尾气排量为1490L/min，经快速测定所排放的气体中氩气为70.0％、氮气为20.0％(均为体积百分数)，通过固气分离装置底部回收杂质固体(回收数量约0.069kg/min；)，而顶部排出的含氩、氮气体首先经过滤器，而后通过分子筛膜床吸附氮气，解吸后可得258L/min的纯度为99.6％的氮气；未被吸附的含氩气体则依次进入后续的透平压缩机压缩到压力为0.5兆帕、冷却到温度为303K左右，再进入除杂交换器进行除杂，气体进入透平膨胀机冷却到接近液化温度(101K)后送入分馏塔的下塔，而后自下而上与低温回流液体充分接触并进行热传递，使部分气体冷凝为液体，由于液氮沸点比液氩沸点低，而液氩沸点比液氧沸点低，故通过多次的液化循环和上下塔的精馏分馏后，最终塔底回收纯度为99.6％(量60L/min)的液氧，中部回收纯度99.999％(量为1030L/min)液氩，顶部回收微量的纯度为99.999％的液氮。

实施例2

实测尾气排量为1600L/min，经快速测定所排放的气体中氩气为72.0％、氮气为19.0％(均为体积百分数)，通过固气分离装置底部回收杂质固体(回收数量约0.069kg/min；)，而顶部排出的含氩、氮气体首先经过滤器，而后通过分子筛膜床吸附氮气，解吸后可得277L/min的纯度为99.5％的氮气。未被吸附的含氩气体则依次进入后续的透平压缩机压缩到压力为0.5兆帕、冷却到温度为303K左右，再进入除杂交换器进行除杂，气体进入透平膨胀机冷却到接近液化温度(101K)后送入分馏塔的下塔，而后自下而上与低温回流液体充分接触并进行热传递，使部分气体冷凝为液体，由于液氮沸点比液氩沸点低，而液氩沸点比液氧沸点低，故通过多次的液化循环和上下塔的精馏分馏后，最终塔底回收纯度为99.6％(量65L/min)的液氧，中部回收纯度99.999％(量为1135L/min)液氩，顶部回收微量的纯度为99.999％的液氮。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅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精神和范围，均应涵盖。

Claims (10)

1.一种高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，包括：

a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体回收；

b、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，回收尾气中的氮气，分离出渗透气体；

c、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离。

2.如权利要求1所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，所述步骤b中，将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统进行分离回收的具体步骤为：将步骤a中除杂后的尾气通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体。

3.如权利要求2所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，还包括以下步骤：当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.1～0.3个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气，当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气。

4.如权利要求1所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，所述步骤c中含氩、氧的气体进行精馏分离的具体步骤为：

c1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩；

c2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳；

c3、再将除杂后的渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。

5.如权利要求4所述的高温炉干法生产金刚石的含氩尾气处理方法，其特征在于，所述步骤c1中透平压缩机将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为295-305K。

6.如权利要求4所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，步骤c中进一步包括步骤c2之后，步骤c3之前的步骤：将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中进行二次冷却，再次进入除杂交换器，通过除杂交换器进入分馏塔。

7.如权利要求6所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，透平膨胀机中将除杂后的渗透气体二次冷却至温度为98～101K。

8.如权利要求6所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，所述步骤a中，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收。

9.根据权利要求1所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，在所述步骤a之后，所述步骤b之前，还包括以下步骤：将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质。

10.如权利要求1～9中任一项所述的高温炉干法生产石墨的含氩尾气处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将高温炉排出的尾气通入外周设有冷却装置的固气分离装置中，尾气中的杂质气体因骤冷固化而被除去，将固化的杂质气体通过固气分离装置底部的卸料器进行回收；

b、将固气分离装置输出的尾气进行过滤，滤除其中未沉降的固体杂质；

c、将除去杂质气体的尾气通入到氮气收集系统中，通过分子筛膜床吸附氮气，其余气体透过分子筛膜床，得到含氩、氧的渗透气体；

其中，当分子筛膜床吸附的氮气接近饱和时，停止向分子筛膜床供应尾气，并降低分子筛膜床内的压力降低为0.1～0.3个标准大气压，使吸附于分子筛膜床上的氮气解吸，回收得到氮气，当分子筛膜床内的氮气解吸完成后，将分子筛膜床内的压力重新升为标准大气压，继续向分子筛膜床供应尾气；

d、将渗透气体通入分离系统进行精馏分离：

d1、将含氩、氧的渗透气体通过透平压缩机进行冷却压缩，将含氩、氧的渗透气体压缩到压力为0.3-0.7兆帕、冷却到温度为295-305K；

d2、将冷却压缩后的渗透气体通入除杂交换器去除渗透气体中的氧化碳；

d3、将除杂后的渗透气体通入透平膨胀机中二次冷却至温度为98～101k，再次将渗透气体通入除杂交换器；

d4、再将除杂交换器中渗透气体通入分馏塔内进行精馏，由于渗透气体各组分的沸点不同而被分离，最后从上塔顶部得到纯化的氮气，从上塔底部得到纯化的氩气，从下塔底部得到纯化的氧气。