一种无烟煤制备石墨化碳素的方法
技术领域
本发明涉及一种制备石墨碳化素的方法，特别涉及一种无烟煤制备石墨化碳素的方法。
背景技术
增碳材料用于补足钢铁冶炼过程中的碳烧损，确保钢铁特定牌号碳含量的要求。同时，还可用于炉后调整钢包标号、降低钢铁中硫元素的恶化影响以及防止各类机械铸件过程中铸铁过冷和白口化现象。
近几年，炼钢、铸铁行业普遍使用的冲天炉被中频感应电炉所代替。中频感应电炉污染小、产量弹性大，但是没有自增碳效果。随着国内生铁价格不断攀升，钢铁企业普遍使用在社会上沉淀存留量较多且价格较低的废钢生产球铁、灰铁等产品。增碳材料的使用，可补足中频感应电炉的铁水含碳量，提高生产铸件的综合性能，为社会节省不可再生的铁矿石资源，为企业降低生产成本，是钢铁冶炼中不可缺少的添加剂。同时废钢回收量逐年加大，石墨碳化素的用量也随之加大。
其中，在制备石墨碳化素时，在烘干工艺时往往是通过燃烧煤粉产生的高温烟气进行烘干，这样大大的消耗了能耗，从而使得制备石墨碳化素的成本也随之提高了，其次，在冷却方面，通过长时间的冷却设备才能够冷却下来，这样也随之加长了制备时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无烟煤制备石墨化碳素的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述方案得以解决：
一种无烟煤制备石墨化碳素的方法，其特征在于：无烟煤通过重介旋流工艺得到精煤，一方面，所述精煤依次通过预烘干工艺、焙烧工艺、电煅工艺、冷却工艺得到石墨化碳素，又一方面，所述精煤作为低温物料依次通过预烘干工艺、焙烧工艺、电煅工艺，成为高温物料；其中，所述预烘干工艺包括采用换热装置，所述换热装置包括由外筒和内筒组成的换热器，其中，所述内筒走高温固体物料，和/或高温固体物料与高温气体的组合，所述外筒体走低温固体物料，所述内筒走高温固体物料和/或高温固体物料与高温气体的组合的热量通过所述内筒体壁传递至所述外筒，从而通过热量间接交换，将所述外筒内的低温固体物料进行加热。
在一个实施方式中，所述内筒和所述外筒内的物料走向一致。
在一个实施方式中，低温固体物料进入所述换热器外筒前的温度为10～40℃，出料温度为60～90℃，所述内筒进料温度800～850℃，出料温度700～800℃。
在一个实施方式中，所述内筒和所述外筒内1的物料走向相反。
在一个实施方式中，低温固体物料进入所述换热器外筒前的温度为10～40℃，出料温度为80～100℃，所述内筒进料温度800～850℃，出料温度700～800℃。
在一个实施方式中，所述内筒前端设置有进口密封箱和第一进料口，所述内筒的后端设置有出口密封箱和第一出料口，所述外筒套接在所述内筒外表面上，且所述外筒前端通过动静密封装置与所述进口密封箱连接，所述外筒后端通过动静密封装置与所述出口密封箱连接。
在一个实施方式中，所述内筒的前端穿透所述进口密封箱并向外延伸，所述内筒的后端穿透所述出口密封箱并向外延伸。
在一个实施方式中，所述进口密封箱的上端开设有第二进料口和进气口，所述出口密封箱的上端开设有出气口，下端开设有第二出料口。
在一个实施方式中，所述焙烧工艺包括一级焙烧炉和二级焙烧炉，其中，所述一级焙烧炉进料温度为90～120℃，出料温度320～420℃，焙烧时间为20～50min，所述二级焙烧炉进料温度为320～420℃，出料温度为750～900℃，时间为20～40min。
在一个实施方式中，所述电煅工艺包括采用电煅炉，所述电煅炉进料温度为700～800℃，出料温度为2300～2500℃。
本发明的有益效果：
1.本发明通过预烘干工艺采用换热装置进行对低温固体物料进行预烘干，其中，所述换热装置包括由外筒和内筒组成，所述外筒体走低温固体物料，所述内筒走高温固体物料和/ 或高温固体物料与高温气体的组合，所述外筒体走低温固体物料，所述内筒走高温固体物料和/或高温固体物料与高温气体的组合的热量通过所述内筒体壁传递至所述外筒，从而通过热量间接交换，将所述外筒内的低温固体物料进行加热，这样大大的降低了制备石墨碳化素的能耗和制备成本。
2.本发明预烘干后的精煤通过焙烧工艺、电煅工艺得成为高温物料；从而将高温固体物料进入换热装置内筒与外筒内的低温固体物料进行换热，进而达到能耗循环使用，使得在制备石墨碳化素大大的减少了烘干过程的能耗，同时降低了制备成本。其次，在冷却方面，通过换热装置的热交换能够减少冷却高温固体物料的冷却时间，从而减少了高温固体物料的冷却时间。
3.本发明通过利用无烟煤制备石墨碳化素，使其成本造价却远低于常规制备增碳出料的成本。
附图说明
图1为本发明的工作流程示意图。
图2为本发明的重介旋流工艺示意图。
图3为本发明的预烘干工艺示意图。
图4为本发明的焙烧、电锻和冷却工艺。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实验例1
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
1.本发明中的无烟煤采用洗煤厂清洗过的含灰11％以下，含水8％以下，粒度0.5-15mm的无烟煤颗粒，且经过筛分机筛分小于6mm的无烟煤颗粒。
2.本发明中将配置合格的重介悬液放置在介质桶中储存，且重介悬液包括四氧化三铁、介质水。
如图1所示，一种无烟煤制备石墨化碳素的方法，无烟煤通过重介旋流工艺得到精煤，一方面，所述精煤依次通过预烘干工艺、焙烧工艺、电煅工艺、冷却工艺得到石墨化碳素，又一方面，所述精煤作为低温物料依次通过预烘干工艺、焙烧工艺、电煅工艺，成为高温物料；其中，所述预烘干工艺包括采用换热装置，所述换热装置包括由外筒和内筒组成的换热器，其中，所述内筒走高温固体物料，和/或高温固体物料与高温气体的组合，所述外筒体走低温固体物料，所述内筒走高温固体物料和/或高温固体物料与高温气体的组合的热量通过所述内筒体壁传递至所述外筒，从而通过热量间接交换，将所述外筒内的低温固体物料进行加热；其中，所述重介旋流工艺将无烟煤筛分成精煤、中煤以及矸石；所述预烘干工艺将精煤与高温物料的热量进行初步预烘干而去除无烟煤中的小部分水分；所述焙烧工艺将预烘干后的无烟煤进行焙烧将无烟煤中煤油、水分去掉，得到高温的增碳剂；所述电煅工艺将增碳剂干馏得到石墨碳化素；所述冷却工艺将高温的增碳剂进行间接冷却，然后筛分得到石墨碳化素。
此外，无烟煤均是在无氧密封的环境下依次通过重介旋流工艺、预烘干工艺、烘干工艺、焙烧工艺、电煅工艺、冷却工艺得到石墨碳化素。
重介旋流工艺
如图2所示，所述重介旋流工艺包括采用重介旋流器100、精煤初脱介弧形筛110、振动脱介筛120、精煤离心机130。无烟煤通过密闭的输送机输送至重介旋流器100的进料口处并依靠自身重力滑入重介旋流器内部，然后由介质桶出口通过渣浆泵将四氧化三铁重介悬液打入重介旋流器100内，其中，四氧化三铁重介悬液入料压力为0.1-0.15mpa，无烟煤和四氧化三铁重介液在重介旋流器内部形成旋转离心力，从而利用四氧化三铁的密度差分选出含灰6％以下精煤，含灰6％～15％中煤及煤矸石三种产品。
其中，精煤由重介旋流器100分选出后，利用高度落差，将带介质水的精煤进入精煤初脱弧形筛110中，精煤初脱弧形筛100将带介质水的精煤筛分为介质水、部分重介质及0.6mm 以下煤泥，其中，介质水、部分重介质及0.6mm以下煤泥由精煤初脱弧形筛110脱除进入分流箱，从而在分流箱中分流出轻质溢流水和重质含介质煤泥水，其中，分流箱分流的轻质溢流水则直接进入合格介质桶循环回用，重质含介质煤泥水则落入稀介质桶。进一步地，精煤则进入振动脱介筛120；振动脱介筛120的将精煤在振动筛上喷水冲洗，筛选出的0.5mm以下的煤泥、残余重介质以及精煤，其中，筛选出0.5mm以下的煤泥、介质水则进入稀介桶，而后精煤通过振动筛落入离心机130，离心机将精煤脱水得到含水6％的精煤，进而含水6％的精煤经刮板机输送入原料仓，其中，离心机分离出的含煤泥水进入离心液池。
进一步地，重介旋流器100分选出的中煤及煤矸石，利用高度落差，将带介质水的中煤和煤矸石进入中矸合用双通道初脱介弧形筛；中矸合用双通道初脱介弧形筛将带介质水的中煤和煤矸石筛分为介质水、部分重介质及0.6mm以下煤泥，
其中，介质水、部分重介质及0.6mm以下煤泥由中矸合用双通道初脱弧形筛脱除进入分流箱，从而在分流箱中分流出轻质溢流水和重质含介质煤泥水，其中，分流箱分流的轻质溢流水则直接进入合格介质桶循环回用，重质含介质煤泥水则落入稀介质桶。进一步地，中煤及煤矸石进入下级中矸合用双通道直线振动脱介筛；下级中矸合用双通道直线振动脱介筛将中煤及煤矸石在下级中矸合用双通道直线振动筛上喷水冲洗，筛选出的0.5mm以下的煤泥、残余重介质、中煤及煤矸石，其中，筛选出0.5mm以下的煤泥、残余重介质则进入稀介桶，而后中煤落入离心机，离心机将中煤脱水得到含水6％的中煤，而煤矸石则直接输入储仓；其中，离心机分离出的含煤泥水合并进入离心液池。
进一步地，精煤、中煤及煤矸石脱除出来的带介质煤泥水共同合并入稀介桶后，经渣浆泵打入磁选机，磁选出的干净介质水回到介质桶循环使用，煤泥水则进入煤泥高频筛分选，其中，磁选机出来的含水煤泥经高频筛分机筛分出0.3mm以上煤泥及0.3以下煤泥，0.3mm 以上煤泥直接合并入中煤，0.3mm以下含水煤泥进入下级污水处理系统。
进一步地，精煤、中煤、矸石弧形筛脱除的较干净的介质水及磁选机分离出的干净介质水合并进入合格介质桶，合格介质桶介质水密度由密度传感器自动检测，合格介质桶设置自动补水及自动补介质，桶底设置曝气口，防止介质沉淀。
进一步地，精煤、中煤离心机分离出的煤泥水及煤泥变频筛分选出的0.3mm以下含水煤泥，由煤泥水泵打到污水处理系统，经气浮处理后分离出高浓煤泥水及澄清水，清水由泵打回精煤、中煤及矸石直线筛冲洗脱介质。高浓煤泥水由煤泥泵打入压滤机压滤，干煤泥合并入中煤，压滤水回入气浮处理。
预烘干工艺
如图3所示，所述预烘干工艺包括由外筒210和内筒220组成的换热器，其中，内筒220 体走高温物料(将在下文详细描述)，外筒210体走低温物料，内外筒物料走向为顺流，内筒高温物料的热量通过内筒体壁传递至外筒，将外筒物料加热脱水。其中，载气从进料端进入外筒体，从出料端带走外筒体物料加热产生的惰性气体，此外，所述载气为氯气或一氧化碳，其具体结构描述如下：
换热器200由内筒220和外筒210构成，内筒220走高温物料或高温烟气，外筒210走低温物料，内筒220和外筒210物料走向为顺流，内筒220高温物料或高温烟气的热量通过内筒体壁传递至外筒210，从而将外筒210内的物料加热脱水。
进一步地，所述外筒210两端均通过密封装置连接有进口密封箱230和出口密封箱240，其中，所述进口密封箱230的上端开设有低温固体物料的第二进料口，所述出口密封箱240 的上端开设有出气口、下端开设有低温固体物料第二出料口，从而低温的固体物料通过第二进料口进入外筒内与内筒的高温固体物料间接换热，换热后带温度的物料通过第二出料口出去。
当内筒220和外筒210内的物料走向一致时，原料仓中的无烟煤(常温)通过输送机密闭输送至换热器的第一进料口进入外筒，载气则从进口密封箱的进气口进入外筒，进而外筒内的无烟煤与内筒高温物料或高温烟气(高温物料进入内筒温度为800～850℃，出内筒温度为700～800℃)的热量通过内筒体壁传递至外筒，使得外筒内的物料加热脱水，此过程中换热器仅为物料之间热传递，在热传递过程中会产生惰性气体，而惰性气体则被载气带走，从出口密封箱的出气口出去，而后经换热器配置冷凝器冷凝成液体水，在换热器加热脱水后的无烟煤(60～80℃)通过螺旋叶片输送至第一出料口，然后通过输送机输送至上料中间仓。
当内筒和外筒内的物料走向相反时，原料仓中的无烟煤(常温)通过输送机密闭输送至换热器的第一进料口进入外筒，载气则从进口密封箱的进气口进入外筒，进而外筒内的无烟煤与内筒高温物料或高温烟气(高温物料进入内筒温度为800～850℃，出内筒温度为700～ 800℃)的热量通过内筒体壁传递至外筒，使得外筒内的物料加热脱水，此过程中换热器仅为物料之间热传递，在热传递过程中会产生惰性气体，而惰性气体则被载气带走，从出口密封箱的出气口出去，而后经换热器配置冷凝器冷凝成液体水，在换热器加热脱水后的无烟煤(80～100℃)通过螺旋叶片输送至第一出料口，然后通过输送机输送至焙烧工艺(下面详细说明)。
此外，内筒高温物料为焙烧工艺(将在下文详细描述)焙烧后的高温物料通过密封输送机输送至内筒内与外筒内的物料进行换热。
焙烧工艺
如图4所示，所述焙烧工艺包括一级焙烧炉和二级焙烧炉，其中，一级焙烧炉进料温度为80～120℃，出料温度320～420℃，焙烧时间为20～50min，二级焙烧炉进料温度为320～ 420℃，出料温度为750～900℃，优选为800～850℃，时间为20～40min。
上料中间仓的无烟煤通过输送机输送至一级焙烧炉进行焙烧(进料温度为80～120℃，出料温度320～420℃，焙烧时间为20～50min)，热源来源于供热系统(将在下文详细描述)，
经过一级焙烧炉焙烧后的物料通过输送机输送至二级焙烧炉继续进行焙烧(进料温度为 320～420℃，出料温度为750～900℃，优选为800～850℃，时间为20～40min)，进而得到增碳剂(焙烧后的无烟煤)。
其中，无烟煤属于高变质程度煤种，在焙烧工艺中热解温度为550℃时仅发生微弱的分解和裂解反应，因此，一级焙烧过程主要是去除煤中未损失的自由水和化合水。二级焙烧过程损失的气态物质主要为煤气(成分为烟尘、甲烷、CO、CO2、H2、N2等)，因此，通过焙烧工艺去除无烟煤中的自由水和化合水以及煤气得到增碳剂，而除去自由水和化合水以及煤气(成分为烟尘、甲烷、CO、CO2、H2、N2等)通过煤气净化系统处置后可燃气体经焙烧炉配置燃烧器燃烧产生高温烟气(主要成分烟尘、SO2、NOX、CO2、H2O等)经尾气净化处置后由一根20m高排气筒排出。
电煅工艺
所述电煅工艺包括采用2台电煅炉，经焙烧炉焙烧过后的无烟煤通过输送机输送至换热器内筒，其中内筒进料温度800～850℃，出料温度700～800℃。从而进行内筒与外筒间接热量交换，使得高温的物料与换热器外筒内的物料进行间接换热，然后依次输送至2台电煅炉(电加热)进行煅烧，从而焙烧后的无烟煤进料温度600～650℃，优选630～670℃，出料温度可达到2300-2500℃左右的高温，进而无烟煤在电煅过程中煤的晶体结构逐步向石墨化方向转变，同时使电阻率降低，真密度提高，且无烟煤具备高温热融解降灰的条件，使排出的无烟煤灰分含量降低。进而得的石墨碳化素。
具体地，焙烧后的无烟煤进电煅炉中，通过四个阶段得到石墨碳化素：第一阶段(1000℃以下)，主要为脱水和逸出氢气；第二阶段(1000～1500℃)，通过高温热解反应，挥发分进一步析出，部分硫分也被脱除，残留的脂肪链、C—H、C＝O等结构均断裂，乱层结构层间的碳原子及其它杂原子也在这一阶段排出；第三阶段(1500～2100℃)，大部分的硫、氮及部分金属杂质在此阶段脱除，并使煤堆晶体的碳网层间距缩小，晶体表面上的位错线和晶界逐渐消失，进而逐渐提高无烟煤石墨化度和真密度，降低电阻率；第四阶段(2100℃以上)，碳网层面尺寸激增，三维有序结构趋于完善，从而得到石墨碳化素。
进一步地，供热系统包括除灰喷淋净化系统、燃烧器、加热炉，在焙烧工艺和电煅工艺过程产生的煤气，焙烧工艺和电煅工艺过程产生的煤气经除灰喷淋净化系统处置后得到可燃组分、喷淋废水，其中，可燃组分输送至50m3缓冲罐(压力2000～3000Pa)后经二级焙烧炉配置燃烧器燃烧使用。借助换热器产生的水蒸气经冷凝器冷凝后剩余蒸汽将喷淋废水通过蒸发器蒸发(损失率以90％计)，蒸发后的浓液进入燃烧器内进行燃烧处置。
其中，焙烧工艺配置燃烧器以焙烧过程产生的焙烧煤气为一级焙烧炉和二级焙烧炉以及烘干机进行热量供给，燃烧过后产生的高温烟气首先作为二级焙烧炉的热源供体；并借助高温引风机将二级焙烧炉高温烟气引至一级焙烧炉作为一级焙烧炉部分热源供体，一级焙烧炉另一部分热源供体借助天然气加热炉产生的高温烟气；二级焙烧炉和一级焙烧炉利用后的高温烟气(温度为350～400℃)通过SCR脱硝系统进行氮氧化物的去除(生成的水汽与烟气混合后进入烘干机)，后进入烘干机(温度为110～130℃)，此时烟气中水分百分比小于0.3％，进入布袋除尘器进行烟尘颗粒物的去除，后通过达标排放。
此外，二级焙烧炉为环式焙烧炉，由燃烧室、焙烧室、烟气烟道以及煤气管道等组成，焙烧室四周均为粘土耐火砖砌成。净化后的煤气经燃烧器于燃烧室内燃烧，火焰经过焙烧室底部的火道流向下一个串联生产的焙烧室，依次对串联在一起的焙烧室进行加热，煤气由煤气管道经煤气净化装置净化后循环输送至燃烧器内进行燃烧。充分利用其热量后的烟气经烟气联通器引入烟气集合道，再经过排烟机通过排气筒排入大气中。
冷却工艺
所述冷却工艺包括冷渣机和振动筛。经过电煅后无烟煤直接进入冷渣机(循环冷却水， 150m3/h)进行间接冷却，降温速率为25℃/min，冷却后的温度为40～65℃，优选55～60℃。
冷却后的高温固体物料通过输送机运至成品仓(100m3)，后通过振动筛将成品仓中物料根据粒径不同筛分出不同型号的石墨化碳素产品。
此过程会产生筛分粉尘(G2-4)，所述粉尘(G2-4)通过布袋除尘器处置后通过1根20m高排气筒排放。
对比例1
参考实施例1，不同在于，一方面，在所述预烘干工艺包括采用换热装置时，采用现有技术的高温气体，具体的是高温烟气，通过燃烧煤粉产生，又一方面，冷却时采用冷却水冷却，目的在于，比较本发明和现有技术的方法在能耗方面的差异。
检测方法参考国标《YB/T192-2015炼钢用增碳剂》。
结果见表1。
表1实施例1和对比例1制得的石墨化碳素的成分分析
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
