CN114751411B - 石油焦制备活性炭的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油焦制备活性炭的装置，包括活化单元，该活化单元进一步包含：环形炉体，其为密封的壳体结构，包括进出料区、高温区以及降温区；转盘，其设于壳体结构内并沿炉体的环形空间布置，该转盘可相对于壳体转动；接收石油焦和活化剂的混合进料后，转盘依次进入高温区和降温区后出料。本发明通过环形炉活化设备，微波辅助加热，活化效率高，可有效保证产品性质稳定。通过活化剂回收单元，可以将活化剂回收再利用，有效降低工艺成本。

Description

石油焦制备活性炭的装置

技术领域

本发明涉及石油焦活化技术领域，特别涉及一种石油焦活化制备活性炭的装置。

背景技术

石油焦是炼油厂延迟焦化装置的产物，具有热值高、水分高、挥发分低等特点，其产量约为焦化原料油的25%～30%。随着延迟焦化技术的进一步发展，如何解决石油焦有效利用，以提高石油焦的附加值是面临的一个难题。以石油焦为原料制备多孔碳材料是近年来兴起的石油焦增值利用的有效途径之一。

石油焦基多孔碳材料杂质含量低、比表面积高、物理性质与化学性质稳定，广泛应用于工业、农业、国防、科技等各个领域。与生物质、煤炭、沥青等原料相比，石油焦石墨化程度较高，相对难于活化，一般采用氢氧化钾等碱金属氢氧化物作为活化剂，在活化过程中存在设备腐蚀严重、产品性质不稳定等问题。

美国专利US4082694公开了一种活性炭及制备方法，将粉碎的煤、煤焦炭、石油焦或其混合物的进料在相当大重量比的含水氢氧化钾的存在下，在第一较低温度下搅拌加热，以使混合物脱水。将其升至第二更高温度以活化结合物，然后冷却并洗涤，以除去无机物以形成较高比表面积的活性炭，该活性炭具有笼状结构，具有微孔性，具有良好的堆积密度和总有机碳指数。例如，该方案可将石油焦与三倍的氢氧化钾混合，在300-500℃的温度下进行预活化，再在700-800℃的温度下活化，活化后的混合物经水洗制得比表面积达到2600m²/g的活性炭。

中国专利申请CN1304788A 公开了一种活性炭, 它具有如下表征:比表面积3500～3871m²/g, 碘值3300～3551mg/g, 亚甲基兰500～540mg/g, 灰分小于0.65Wt%。该活性炭原料为石油焦, 具有高比表面积, 吸附量大, 扩大了活性炭的应用范围和领域。例如，该方案可将氢氧化钾与石油焦按5:1的比例混合，在高温下活化制备出比表面积超过3500m²/g 的活性炭。

石油焦活化过程具有比较大的碱焦比，设备腐蚀性严重，活化剂消耗量大，产品性质不稳定的问题，是制约石油焦碱活化制备大比表面活性炭技术商业应用的因素。因此，亟需一种保证产品性质稳定且能进行活化剂再生的装置，从而解决现有技术中的上述问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石油焦活化制备活性炭的装置，通过环形炉活化设备，微波辅助加热，活化效率高，可有效保证产品性质稳定。

本发明的另一目的在于通过活化剂回收单元，可以将活化剂回收再利用，有效降低工艺成本。

为实现上述目的，本发明提供了一种石油焦制备活性炭的装置，包括活化单元，该活化单元进一步包含：环形炉体，其为密封的壳体结构，包括进出料区、高温区以及降温区；转盘，其设于壳体结构内并沿炉体的环形空间布置，该转盘可相对于壳体转动；接收石油焦和活化剂的混合进料后，转盘依次进入高温区和降温区后出料。

进一步，上述技术方案中，高温区可包括：升温段，其采用燃气或电热辐射加热方式，升温温度为700至1000℃，升温时间为30至300分钟；恒温段，其采用微波加热方式，恒温温度为700至1000℃，恒温时间为10至120分钟。

进一步，上述技术方案中，升温段的升温温度可以为800至950℃，升温时间可以为60至180分钟；恒温段的恒温温度可以为800至950℃，恒温时间可以为20至60分钟。

进一步，上述技术方案中，降温区可通过水冷盘管将经过恒温段的混合进料冷却至300-500℃。

进一步，上述技术方案中，活化单元还包含：载气入口，其设于进出料区且数量为多个；挡板，其固定在壳体上且均匀间隔布设在转盘上方；该挡板上设有多个导流孔；气体出口，其设于高温区。载气入口的数量可以设置为三个，分设于进出料区的起点位置、中间位置以及终点位置。

进一步，上述技术方案中，挡板垂直于转盘表面设置；多个导流孔集中设置在挡板上部三分之一至二分之一位置处，导流孔的开孔率可以设置为20%至30%。导流孔的进气截面尺寸设置为大于出气截面尺寸。导流孔可呈圆台形。

进一步，上述技术方案中，气体出口可设于高温区的恒温段。

进一步，上述技术方案中，进出料区设有进料器，该进料器可包括：星型阀，其数量为一个或多个，用于防止壳体内气体进入混合进料的料仓；布料器，其用于将进入壳体内的混合进料均匀布设在转盘上。

进一步，上述技术方案中，进出料区设有出料系统，该出料系统固定在壳体内，包括：螺旋出料器，其将从顶部进入的出料横向输出；传送带，其倾斜设置且一端位于螺旋出料器的顶部；提升面，其倾斜设置并将位于转盘上的出料提升至传送带的另一端。

进一步，上述技术方案中，提升面可包括：一级提升面，其将粒度分布D10直径以上的物料颗粒提升至传送带；二级提升面，其将粒度分布D10直径以下的物料颗粒提升至传送带。

进一步，上述技术方案中，一级提升面的最下端可与所转盘表面为非接触状态，该最下端采用刚性材料制作且呈锯齿状。二级提升面的最下端可与转盘表面为接触状态，该最下端采用柔性材料制作。

进一步，上述技术方案中，本发明的装置还可包括：活化剂回收单元，其将经洗涤、分离的出料中的液相产品进行苛化回收，生成可回收利用的活化剂。

进一步，上述技术方案中，本发明的装置还可包括：预处理单元，其将石油焦和活化剂按照预设比例进行混合、破碎，并在预活化回转窑中将混合料加热至400-500℃后送入活化单元。预设比例可以是活化剂与石油焦的重量比为1:1至5:1。

进一步，上述技术方案中，本发明的装置还可包括：气体处理单元，其将经活化单元处理后产生的气相产品进行净化、分离后输出氢气。

进一步，上述技术方案中，本发明的装置还可包括：洗涤精制单元，其将活化单元的出料进行洗涤并分离，并将分离后的固相产品进行烘干制得活性炭。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明的石油焦活化制备活性炭的装置包括原料预处理、活化、气体处理、产品洗涤精制、活化剂回收等五个单元，可实现石油焦制备多孔碳材料工艺连续生产；

2）活化单元采用环形炉设计，物料与动部件相对静止，无扰动，可保证产品性质均一，避免回转窑粘壁、隧道窑柔性传送结构性塌腰等问题；

3）活化单元结合燃气辐射加热与微波辅助加热各自优势，利用微波体加热的非热效应优势，加热效果更佳，同时克服全部使用微波加热能耗大的缺点；

4）活化单元转盘上方的挡板以及挡板上的导流孔设计，不仅可将混合进料受热后馏出的高温气体移出壳体，减少返混，还能将热转化过程中产生的细灰渣沉降在挡板处，有效避免细灰渣在气体出口处堵塞管线；

5）活化单元出料系统的的两级提升面可以将不同粒径的物料颗粒输送至螺旋出料器，避免细颗粒物料残留在转盘上，同时有效保护转盘表面；

6）通过活化剂回收单元对活化剂进行再生，降低活化剂消耗量，节约成本；

7）本发明使用的载气、洗涤水等公用工程资源可循环利用，减少排放，符合绿色经济要求。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明石油焦制备活性炭的装置工艺流程示意图。

图2是本发明石油焦制备活性炭的装置中活化单元立体示意图（主要示意环形炉体和微波辅助加热布置方式）。

图3是本发明石油焦制备活性炭的装置中活化单元俯视示意图。

图4是本发明石油焦制备活性炭的装置中活化单元剖视示意图（主要示意转盘的局部剖视）。

图5是本发明活化单元中挡板的截面示意图（示出挡板上的导流孔结构）。

图6是本发明活化单元中出料系统结构示意图。

图7是本发明出料系统中一级提升面最下端结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向（旋转90度或其他取向）且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，本发明通过石油焦活化制备活性炭的装置包括预处理单元、活化单元、气体处理单元、洗涤精制单元以及活化剂回收单元，可实现石油焦制备多孔碳材料工艺连续生产。具体工艺过程如下：将一定比例的石油焦和活化剂（本发明实施例采用氢氧化钾）进行粉碎、混合，并通过预处理单元进行预转化；预转化后的物料进入活化单元的环形炉进行高温活化；高温活化后的出料通过洗涤精制单元进行洗涤分离，分离后的固相产品经干燥制得活性炭，分离后的液相产品通过活化剂回收单元进行苛化再生，形成活化剂回用再与石油焦进行混合循环使用；高温活化产生的气相产品经净化、分离过程可制得氢气。

预处理单元将石油焦和活化剂按照预设比例（可以设置为活化剂与石油焦的重量比为1:1至5:1）进行混合、破碎，并在预活化回转窑（通入氮气保护气）中将混合料加热至400℃后送入活化单元。

如图2至4所示，本发明的活化单元为一个密封的环形炉，体系压力可设置为10-100Pa（表压），优选为20-50 Pa（表压）。环形炉包括环形炉体2和转盘25，环形炉体2为密封的壳体结构，包括进出料区（图3中的圆环左上部分）、高温区（图3中的圆环右半部分）以及降温区（图3中的圆环左下部分）。转盘25设于环形炉体2壳体结构内并沿炉体的环形空间布置，转盘25可通过其底部的传动机构250进行驱动，使得转盘25相对于壳体转动。进出料区的进料器21将混合进料布设在转盘25上，转盘25接收石油焦和活化剂的混合进料后，依次进入高温区进行高温活化和降温区冷却后再进入进出料区的出料系统出料。本发明的活化单元采用环形炉设计，物料与动部件（即转盘25）相对静止，可有效避免扰动，保证产品性质均一，可避免现有技术中的回转窑粘壁、隧道窑柔性传送结构性塌腰等问题。

进一步如图3所示，优选而非限制性地，为了保证物料具备稳定的活化温度，高温区分为升温段和恒温段，升温段可采用燃气或电热辐射加热方式，物料在升温段可加热至700-1000℃，优选加热至800-950℃，升温时间可控制在30至300分钟，优选60至180分钟。恒温段采用微波加热方式（可在整个恒温段均采用微波加热或者如图3所示，将恒温段分为常规恒温段和微波恒温段，在常规恒温段仍采用燃气或电热辐射的加热方式），热辐射管202穿设在壳体200上的升温段的相应位置（参考图4），物料在恒温段保持温度为700-1000℃，优选为800-950℃，恒温时间控制在10至120分钟，优选为20至60分钟。本发明通过环形炉体2的结构尺寸设计、分区面积和转盘25的旋转速度等来控制升温和恒温的时间。高温处理后的物料需要进入降温区进行冷却处理，降温区可通过水冷盘管将已经过恒温段的混合进料冷却至300-500℃。本发明在升温段使用燃气热辐射加热方式，在恒温段使用微波加热方式，结合燃气辐射加热与微波辅助加热的各自优势，有效利用了微波体加热的非热效应优势，同时克服全部使用微波加热能耗大的缺点。

进一步如图2所示，恒温段的微波源11可按照如图所示的方式进行布置，冷却水通过冷却水进出总管120输送给冷却水管12，进而在降温区对经过高温活化处理的物料进行冷却。通过弱电电缆桥架13和强电电缆桥架14进行微波供电和控制线路的布置，线缆进入电控柜15，操作或维修人员可在平台16上进行电控线路维护等工作。

由于石油焦活化过程中需要使用氮气作为载体，本发明的活化单元还包括载气入口和气体出口，如图3所示，为了保证载气的通入量和均匀，载气入口可设计为多个且设置在进出料区的位置，优选而非限制性地，载气入口的数量可以为三个，分设于进出料区的起点位置、中间位置以及终点位置。气体出口可设于高温区的恒温段。进一步如图4、5所示，为了保证载气A以及活化过程中馏出的高温气体能穿过均匀间隔设置在转盘25上方的挡板24，并最终从气体出口排出壳体（即图3中的气体B），在挡板24上设有多个导流孔240（如图4、5所示）。优选而非限制性地，挡板24垂直于转盘25表面设置，多个导流孔240集中设置在挡板上部三分之一至二分之一位置处，导流孔240的开孔率为20%至30%。转盘25上的混合进料受热后，会馏出高温气体，向环形炉体的壳体上部集中，为有效将这部分气体移出壳体，减少返混影响转化过程，在挡板24的上部开设导流孔，形成冷的载气在下部流动，生成的热气在挡板24上部移出的循环环境；同时，在混合进料热转化过程中，会产生细灰渣，随热气向上运动，为避免这部分细灰渣在气体出口处富集，堵塞管线，利用导流孔240处的气流速度的变化，将灰渣沉降于挡板24内，并随固体物料移出环形炉体。进一步地，导流孔240的进气截面尺寸大于出气截面尺寸，出气截面尺寸可以设置为进气截面尺寸的40%至60%，导流孔的形状可以是圆台形或类似圆台形的其他结构形式。

进一步如图4所示，活化单元的环形炉体的壳体200底部设有密封层201，使得壳体200与地表基底隔绝，壳体200形成一个独立的密封空间，转盘25在该密封空间中在传动机构250的作用下相对于环形炉体的壳体200旋转，如图3所示，通过进料器21实现转盘25的进料和布料，进料在转盘25上依次进入升温段、常规恒温段、微波恒温段和降温段，最终通过出料系统22输送到环形炉体2的外部。

进一步如图3所示，进料器21设置在进出料区，进料器21包括星型阀和布料器（图中未示出），星型阀的数量可以为一个或多个，可防止壳体200内的气体进入混合进料的料仓。布料器用于将进入壳体内的混合进料均匀布设在转盘25上。

进一步如图3所示，出料系统22也设在进出料区，出料系统22固定在壳体200内，如图6、7所示，出料系统22包括螺旋出料器221、传送带222以及提升面。提升面包括一级提升面223和二级提升面224，两级提升面相对于转盘表面均略倾斜设置，其中一级提升面223可将粒度分布D10直径以上的物料颗粒提升至传送带222，二级提升面224可将粒度分布D10直径以下的物料颗粒提升至传送带222。经高温活化并冷却的物料具有一定的粘性，和转盘25的表面会有粘连现象，因此一级提升面223的最下端采用刚性材料制作且呈锯齿状（参见图7的锯齿2230结构），为了不破坏转盘25表面，最下端与转盘25表面为非接触状态，与转盘25表面的间隔距离为粒度分布的D10值，既可以保护转盘，又能将粒度分布D10直径以上的物料颗粒提升上来。二级提升面224的最下端与转盘25表面为接触状态，为了保护转盘表面，二级提升面224的最下端采用柔性材料制作，从一级提升面最下端漏掉的物料颗粒（即粒度分布D10直径以下的物料颗粒）可通过二级提升面提升起来。传送带222也呈倾斜设置，两级提升面随着转盘25的移动，物料逐渐堆积运送至传送带222的下端，进而至传送带上端并落入螺旋出料器221。螺旋出料器221将从顶部进入的出料横向输出，最后通过物料输送器23输出至环形炉体2的壳体外。

本发明的石油焦活化制备活性炭的装置中的洗涤精制单元，可将活化单元的出料进行洗涤并分离，并将分离后的固相产品进行烘干制得活性炭。

由于石油焦的活化过程中，活化剂的使用量较大，本发明的装置通过活化剂回收单元实现活化剂的再生回收，可有效降低活化剂的消耗量，节约成本。具体地，本发明的活化剂回收单元可将经洗涤、分离的出料中的液相产品与氢氧化钙反应进行苛化回收，生成可回收利用的活化剂（即氢氧化钾），同时苛化再生产生的净化水还可返回给洗涤精制单元用于洗涤。

进一步地，本发明装置中的气体处理单元可将经活化单元处理后产生的气相产品进行净化、分离后输出氢气，剩余气体通过火炬燃烧进行排放。

本发明的石油焦活化制备活性炭的装置包括原料预处理、活化、气体处理、产品洗涤精制、活化剂回收等五个单元，可实现石油焦制备多孔碳材料工艺连续生产。活化单元采用环形炉设计，物料与动部件相对静止，无扰动，可保证产品性质均一，避免回转窑粘壁、隧道窑柔性传送结构性塌腰等问题，活化单元结合燃气辐射加热与微波辅助加热各自优势，利用微波体加热的非热效应优势，加热效果更佳，同时克服全部使用微波加热能耗大的缺点。通过活化剂回收单元对活化剂进行再生，降低活化剂消耗量，节约成本。载气、洗涤水等公用工程资源可循环利用，减少排放，符合绿色经济要求。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，包括活化单元，该活化单元进一步包含：

环形炉体，其为密封的壳体结构，包括进出料区、高温区以及降温区；所述高温区包括：采用燃气或电热辐射加热方式的升温段和采用微波加热方式的恒温段；

转盘，其设于所述壳体结构内并沿所述炉体的环形空间布置，该转盘可相对于所述壳体转动；接收石油焦和活化剂的混合进料后，所述转盘依次进入所述高温区和降温区后出料；

所述活化单元还包含：载气入口，其设于所述进出料区且数量为多个；挡板，其固定在所述壳体上且均匀间隔布设在所述转盘上方；该挡板上设有多个导流孔；气体出口，其设于所述高温区；所述挡板垂直于所述转盘表面设置；多个所述导流孔集中设置在所述挡板上部三分之一至二分之一位置处，所述导流孔的开孔率为20%至30%；所述导流孔的进气截面尺寸大于出气截面尺寸。

2.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，

升温段的升温温度为700至1000℃，升温时间为30至300分钟；

恒温段的恒温温度为700至1000℃，恒温时间为10至120分钟。

3.根据权利要求2所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述升温段的升温温度为800至950℃，升温时间为60至180分钟；所述恒温段的恒温温度为800至950℃，恒温时间为20至60分钟。

4.根据权利要求2所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述降温区通过水冷盘管将经过所述恒温段的所述混合进料冷却至300-500℃。

5.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述载气入口的数量为三个，分设于所述进出料区的起点位置、中间位置以及终点位置。

6.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述导流孔呈圆台形。

7.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述气体出口设于所述高温区的恒温段。

8.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述进出料区设有进料器，该进料器包括：

星型阀，其数量为一个或多个，用于防止壳体内气体进入混合进料的料仓；

布料器，其用于将进入壳体内的混合进料均匀布设在所述转盘上。

9.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述进出料区设有出料系统，该出料系统固定在所述壳体内，包括：

螺旋出料器，其将从顶部进入的出料横向输出；

传送带，其倾斜设置且一端位于所述螺旋出料器的顶部；

提升面，其倾斜设置并将位于所述转盘上的所述出料提升至所述传送带的另一端。

10.根据权利要求9所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述提升面包括：

一级提升面，其将粒度分布D10直径以上的物料颗粒提升至所述传送带；

二级提升面，其将粒度分布D10直径以下的物料颗粒提升至所述传送带。

11.根据权利要求10所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述一级提升面的最下端与所述转盘表面为非接触状态，该最下端采用刚性材料制作且呈锯齿状。

12.根据权利要求10所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述二级提升面的最下端与所述转盘表面为接触状态，该最下端采用柔性材料制作。

13.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述装置还包括：

活化剂回收单元，其将经洗涤、分离的出料中的液相产品进行苛化回收，生成可回收利用的活化剂。

14.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述装置还包括：

预处理单元，其将所述石油焦和活化剂按照预设比例进行混合、破碎，并在预活化回转窑中将混合料加热至400-500℃后送入所述活化单元。

15.根据权利要求14所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述预设比例是活化剂与石油焦的重量比为1:1至5:1。

16.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述装置还包括：

气体处理单元，其将经所述活化单元处理后产生的气相产品进行净化、分离后输出氢气。

17.根据权利要求1所述的石油焦制备活性炭的装置，其特征在于，所述装置还包括：

洗涤精制单元，其将所述活化单元的出料进行洗涤并分离，并将分离后的固相产品进行烘干制得活性炭。