本實用新型涉及一種天然氣炭黑，尤其涉及一種用天然氣炭黑制備活性炭的系統(tǒng)，屬于化工生產(chǎn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣部分氧化生產(chǎn)乙炔和合成氣是目前除電石法外的主要乙炔生產(chǎn)工藝，其中乙炔是一種基礎(chǔ)化工原料，其系列產(chǎn)品制造的最終產(chǎn)品幾乎涉及所有的應(yīng)用領(lǐng)域，包括合成材料、涂料、農(nóng)藥、燃料、醫(yī)藥、助劑、溶劑、香料等各個行業(yè)；合成氣主要成分包括一氧化碳、二氧化碳、氫氣等，另外還含有少量的甲烷，可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、尿素等或用作氣基豎爐直接還原鐵等的還原氣(一氧化碳和氫氣)。天然氣部分氧化生產(chǎn)乙炔和合成氣過程中，會產(chǎn)生大量的炭黑。
活性炭是一種具有發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)和超高比表面積的特殊多孔性炭材料。作為一種傳統(tǒng)而又新穎的炭材料，具有比表面積大、導(dǎo)電性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、再生性能較好、吸附容量大以及不溶于大多數(shù)的溶劑等特點，因此早已廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、氣體的富集和分離、食品加工、超級電容器的電極材料、藥物精制、催化劑及催化劑載體、軍事化學(xué)保護等領(lǐng)域。活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)大小差別很大，不同的孔隙結(jié)構(gòu)具有不同的機能，可將孔分成三類：孔隙的直徑小于2nm為微孔；孔隙的直徑介于2～50nm的為中孔；孔隙直徑大于50nm的為大孔。
活性炭制備方法主要包括物理活化法和化學(xué)活化法，物理活化法一般是指在一定溫度下，將炭化料與水蒸氣、二氧化碳、氧氣或它們的混合氣等活化氣體進行反應(yīng)，使炭化料活化的一類活化方法?；瘜W(xué)活化法是指利用化學(xué)試劑對活化對象進行活化的一類方法?；瘜W(xué)活化法活化溫度比物理活化法低，容易形成細的孔隙結(jié)構(gòu)，但化學(xué)活化對設(shè)備腐蝕性大，污染環(huán)境，其制得的活性炭中殘留有化學(xué)藥品活化劑，應(yīng)用方面受到限制。與化學(xué)活化相比，物理活化制備活性炭的生產(chǎn)工藝簡單、清潔，不存在設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染的問題，制得的活性炭不需要清洗，可直接使用。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是提供一種利用天然氣炭黑制備活性炭的系統(tǒng)。
具體而言，所述系統(tǒng)包括反應(yīng)室、熱量回收單元、氣固分離器、氣體分離器和活化單元；
所述反應(yīng)室、熱量回收單元以及氣固分離器順次相連；
所述氣固分離器的固體出口與所述活化單元相連，氣體出口與所述氣體分離器相連；
所述熱量回收單元上設(shè)有二氧化碳預(yù)熱通道；所述氣體分離器的二氧化碳出口經(jīng)過所述二氧化碳預(yù)熱通道與所述活化單元的氣體入口相連。
本實用新型提供的體系包括活化單元。在所述活化單元內(nèi)，經(jīng)氣體分離器分離得到的二氧化碳作為活化劑，在800～950℃下對氣固分離器分離得到的固體產(chǎn)物炭黑進行活化，得到微孔發(fā)達、高比表面積的活性炭。采用直接回收得到的炭黑作為原料，其粒徑非常均勻，適合作為活化原料制得優(yōu)質(zhì)活性炭，并且避免氣體分離的炭黑作為廢棄物處理，實現(xiàn)固體廢物資源化利用的目的。
本實用新型中，所述反應(yīng)室包括氣化爐，天然氣和氧氣經(jīng)預(yù)熱至500～700℃后，通過所述氣化爐的頂置噴嘴進入爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。所述氣化爐的外壁上可設(shè)有天然氣預(yù)熱通道，所述預(yù)熱通道的出氣口連接至所述氣化爐的原料入口。
所述氣化爐的出口直接連接至所述熱量回收單元。所述熱量回收單元可回收氣化爐合成氣的熱量，用于預(yù)熱部分二氧化碳氣體，二氧化碳被預(yù)熱至較高的溫度后進入活化單元參與制備活性炭的反應(yīng)。
具體而言，所述熱量回收單元優(yōu)選包括順次相連的一級熱量回收裝置和二級熱量回收裝置，所述二級熱量回收裝置的出口與所述氣固分離器相連。所述一級、二級熱量回收裝置上分別設(shè)有氧氣預(yù)熱通道和二氧化碳預(yù)熱通道，以確保氧氣和二氧化碳與反應(yīng)產(chǎn)物實現(xiàn)逆向熱交換。
所述一級熱量回收裝置上設(shè)有氧氣預(yù)熱通道；所述氧氣預(yù)熱通道的出口連接至所述氣化爐的原料入口。氧氣與反應(yīng)產(chǎn)物進行逆向熱交換后被預(yù)熱，進入反應(yīng)室參與反應(yīng)。
作為一種連接方式，所述一級氧氣預(yù)熱通道的出口與所述氣化爐的原料入口相連；所述二級二氧化碳預(yù)熱通道的入口與所述氣體分離器的二氧化碳出口相連；所述一級氧氣預(yù)熱通道的出口通過反應(yīng)產(chǎn)物與所述二級二氧化碳預(yù)熱通道的入口相連通。
其中，所述一級熱量回收裝置可采用管式換熱裝置，所述二級熱量回收裝置可采用蜂窩狀蓄熱裝置或旋轉(zhuǎn)換向蓄熱裝置。
反應(yīng)室內(nèi)生成的產(chǎn)物經(jīng)熱量回收后，進入所述氣固分離器進行氣固分離，分別得到氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物；其中，所述氣體產(chǎn)物主要包括乙炔和合成氣，所述固體產(chǎn)物主要包括炭黑。所述氣固分離器的固體出口與活化室的固體入口相連，所述氣體分離器的二氧化碳出口經(jīng)過所述二氧化碳預(yù)熱通道或/和所述二氧化碳預(yù)熱裝置，連接至活化室的進氣口。
本實用新型中，所述氣體分離器可采用變壓吸附塔，通過變壓吸附分離，可分別得到二氧化碳和還原性氣體。
本實用新型中，所述活化單元可包括依次連接的活化室和成品室。在連接過程中，所述活化室的固體出口連接于所述成品室的固體入口。所述成品室上可設(shè)置二氧化碳預(yù)熱裝置，對活性炭降溫的同時可對部分二氧化碳進行預(yù)熱升溫。具體而言，所述氣體分離器的二氧化碳出口與所述二氧化碳預(yù)熱裝置的入口相連，所述二氧化碳預(yù)熱裝置的出口與所述活化室的氣體入口相連。
本實用新型中，所述氣體分離器的二氧化碳出口分別經(jīng)過所述二氧化碳預(yù)熱裝置和所述二氧化碳預(yù)熱管道與所述活化室的氣體入口相連，可充分回收天然氣部分氧化過程中產(chǎn)生的以及活化室產(chǎn)物高溫活性炭的高溫?zé)崃考訜岫趸迹岣叨趸既牖罨业臏囟?，無需外供能源，即可實現(xiàn)在800～950℃下活化炭黑制得活性炭，提高活化效率和熱效率。
本實用新型所述系統(tǒng)還可以包括氣化室。所述活化單元的煙氣出口與所述氣化室相連，具體為所述活化室的煙氣出口與所述氣化室相連?；罨磻?yīng)后的煙氣與部分從氣固分離器收集的炭黑在所述氣化室進行氣化反應(yīng)，進一步制得燃氣，充分利用氣固分離得到的固體炭黑和活化后排放的廢氣制得燃氣，實現(xiàn)廢棄物回收利用的目的。
在實際生產(chǎn)過程中，天然氣和氧氣送入氣化爐內(nèi)發(fā)生部分氧化反應(yīng)，反應(yīng)所得高溫產(chǎn)物經(jīng)兩級換熱器進行換熱，冷卻合成氣并回收熱量后，分離為氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物；所述氣體產(chǎn)物經(jīng)變壓吸附分離為還原氣和二氧化碳，該二氧化碳分兩部分分別經(jīng)過活化室的產(chǎn)物高溫活性炭和氣化爐高溫合成氣換熱并被預(yù)熱；所述固體產(chǎn)物進入活化室與預(yù)熱后的二氧化碳反應(yīng)活化制得活性炭?；罨磻?yīng)后的煙氣可進入氣化室與部分從氣固分離器收集的炭黑送入氣化室進行氣化反應(yīng)，進一步制得燃氣，減少二氧化碳的排放量。
利用本實用新型所述的裝置制備活性炭的方法，包括如下步驟：
1)將天然氣和氧氣預(yù)熱至500～700℃后，通往反應(yīng)室，反應(yīng)得到1200～1500℃的高溫產(chǎn)物；
2)所述高溫產(chǎn)物經(jīng)熱量回收裝置降溫后通入氣固分離器，得到氣體產(chǎn)物和炭黑，所述氣體產(chǎn)物通向氣體分離器，所述炭黑進入活化單元；
3)所述氣體產(chǎn)物中的二氧化碳經(jīng)氣體分離器分離后，經(jīng)二氧化碳預(yù)熱通道或/和二氧化碳預(yù)熱裝置預(yù)熱至800～950℃后通入活化單元，與其中的炭黑反應(yīng)生成活性炭。
還可以包括如下步驟：活化反應(yīng)后的煙氣進入氣化室與部分從氣固分離器收集的炭黑送入氣化室進行氣化反應(yīng)，進一步制得燃氣，減少二氧化碳的排放量。
本實用新型所述的裝置具有如下有益效果：
(1)綜合利用天然氣部分氧化制備乙炔和合成氣過程中產(chǎn)生的炭黑和二氧化碳，提高了系統(tǒng)的能源利用率；
(2)利用二氧化碳作為活化劑制備活性炭，活化過程可控，能制得高比表面積的活性炭；
(3)相較于化學(xué)活化法來說，利用二氧化碳作為活化劑，活化過程對設(shè)備腐蝕小，對環(huán)境無污染；
(4)回收利用活化過程中產(chǎn)生的碳氧化合物(一氧化碳)，以及產(chǎn)物高溫活性炭的熱量，提高系統(tǒng)的能源和熱量利用率；
(5)氣化爐反應(yīng)生成的合成氣溫度高，兩級換熱后可將二氧化碳提高到高溫，使得混合進入活化室前二氧化碳達到活化溫度，滿足活化要求；無需外供熱就能直接制得活性炭，可充分回收整個系統(tǒng)的熱量；
(6)充分利用氣固分離得到的固體炭黑和活化后排放的廢氣制得燃氣，實現(xiàn)廢棄物回收利用的目的；
(7)本實用新型利用天然氣部分氧化過程中產(chǎn)生的炭黑制備活性炭，原料中不含各種氧化物(硅、鋁等灰分)存在，更有益于得到微孔發(fā)達的活性炭。
附圖說明
圖1為天然氣炭黑制備活性炭系統(tǒng)；圖中：1、氣化爐；3、熱量回收裝置a；4、氧氣預(yù)熱通道；5、氣固分離器；6、天然氣預(yù)熱通道；7、氣體分離器；8、活化室；9、成品室；10、氣化室；11、二氧化碳預(yù)熱裝置；12、熱量回收裝置b；13、二氧化碳預(yù)熱通道。
具體實施方式
以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。
實施例1
本實施例涉及一種利用天然氣炭黑制備活性炭的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)部分參考圖1所示，包括氣化爐1、熱量回收單元、氣固分離器5、氣體分離器7和活化單元；
所述氣化爐1、熱量回收單元和氣固分離器5順次相連；所述熱量回收單元上設(shè)有二氧化碳預(yù)熱通道13；
所述活化單元包括依次連接的活化室8和成品室9，所述成品室9上設(shè)有二氧化碳預(yù)熱裝置11；
所述氣固分離器5的固體出口與所述活化室8的固體入口相連，氣體出口與所述氣體分離器7的入口相連；
所述氣體分離器7的二氧化碳出口分別經(jīng)過所述二氧化碳預(yù)熱通道13和所述二氧化碳預(yù)熱裝置11與所述活化室8的氣體入口相連。
本實施例通過二氧化碳預(yù)熱通道13和所述二氧化碳預(yù)熱裝置11，回收天然氣部分氧化過程中產(chǎn)生的以及活化室產(chǎn)物高溫活性炭的高溫?zé)崃考訜岫趸?，提高二氧化碳入活化室的溫度，無需外供能源，即可實現(xiàn)在800～950℃下活化炭黑制得活性炭，提高活化效率和熱效率。
實施例2
本實施例涉及一種利用天然氣炭黑制備活性炭的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)部分參考圖1所示，與實施例1相比，其區(qū)別在于：所述熱量回收單元包括順次相連的熱量回收裝置a 3和熱量回收裝置b 12；
所述熱量回收裝置a 3和熱量回收裝置b 12上分別設(shè)有氧氣預(yù)熱通道4和二氧化碳預(yù)熱通道13；所述二氧化碳預(yù)熱通道13的入口與所述氣體分離器7的二氧化碳出口相連，出口與所述活化室8的氣體入口相連；所述氧氣預(yù)熱通道4的出口連接至所述氣化爐1的原料入口。
其中，所述熱量回收裝置a 3為管式換熱裝置，所述熱量回收裝置b 12為蜂窩狀蓄熱裝置或旋轉(zhuǎn)換向蓄熱裝置。
由于氣化爐反應(yīng)生成的合成氣溫度高，本實施例通過兩級熱量回收裝置，可充分實現(xiàn)二氧化碳的預(yù)熱，使得混合進入活化室前二氧化碳達到活化溫度，滿足活化要求；無需外供熱就能直接制得活性炭，可充分回收整個系統(tǒng)的熱量。
實施例3
本實施例涉及一種利用天然氣炭黑制備活性炭的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，與實施例2相比，其區(qū)別在于：所述系統(tǒng)還包括氣化室10；
所述氣固分離器5的固體出口分別與所述活化室8和所述氣化室10的固體入口相連；
所述活化室8的煙氣出口與所述氣化室10的煙氣入口相連。
本實施例通過設(shè)置氣化室，可充分利用氣固分離得到的固體炭黑和活化后排放的廢氣制得燃氣，實現(xiàn)廢棄物回收利用的目的。
實施例4
本實施例涉及利用實施例2所述的系統(tǒng)制備活性炭的方法，包括如下步驟：
1)將天然氣和氧氣在天然氣預(yù)熱通道和氧氣預(yù)熱通道中預(yù)熱至500～700℃后，通往氣化爐，反應(yīng)得到1200～1500℃的高溫產(chǎn)物；
2)所述高溫產(chǎn)物依次經(jīng)熱量回收裝置a和熱量回收裝置b回收熱量后通入氣固分離器，得到氣體產(chǎn)物和炭黑，所述氣體產(chǎn)物通向氣體分離器，所述炭黑進入活化室；
3)對所述氣體產(chǎn)物中的乙炔、一氧化碳和氫氣等還原氣進行收集，將在氣體分離器中分離出的二氧化碳分別通入二氧化碳預(yù)熱管道和二氧化碳預(yù)熱裝置，被充分加熱后通入活化室混合，經(jīng)上述預(yù)熱后得到的880～930℃的二氧化碳與活化室中的炭黑反應(yīng)，生成比表面積約為3480m2/g的活性炭。
實施例5
本實施例涉及利用實施例3所述的系統(tǒng)制備活性炭的方法，與實施例4相比，還包括如下步驟：
4)將活化反應(yīng)后產(chǎn)生的煙氣通入氣化室，與部分從氣固分離器收集的炭黑在氣化室進行氣化反應(yīng)，制得燃氣，同時回收熱量。
雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明、具體實施方式及試驗，對本實用新型作了詳盡的描述，但在本實用新型基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本實用新型精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本實用新型要求保護的范圍。