专利名称：用于对电热式流化床炉内的颗粒热处理的方法和装置以及得到的产物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对电热式加热流化床内的含碳颗粒进行连续高温处理的方法和装置以及由上述处理得到的产物，所述含碳颗粒包括具有较宽的颗粒尺寸分布范围的细小或不规则形状的颗粒。更具体地说，本发明一方面涉及用于对含碳颗粒进行高温处理的喷流型流化床的用途，所述含碳颗粒由于其细小的颗粒尺寸、颗粒尺寸分布范围以及形状的原因而不能在起泡式(bubble-type)流化床内得到有效的处理。
背景技术：
采用电热式流化床(EFB)炉用于对含碳材料进行高温提纯和用于高温化学合成是公知的(分别参见美国专利No.4,160,813和No.4,547,430)。
这些工艺如美国专利No.4,543,240所示采用流化床炉，其中，EFB炉的流化床部分(或“流化区”)的截面沿其高度大体上恒定并且流化气体通过基本上竖直定位的多个气体喷口导入炉内，所述气体喷口在炉底部延伸穿过板式分配器。这种类型的EFB炉通常被称为“起泡式”EFB炉。
采用起泡式EFB炉进行提纯和化学合成的方法很适用于106μm(140mesh)小的颗粒。但是，起泡式EFB炉对于更小的颗粒尤其是那些小于75μm(200mesh)的颗粒却不能处理好。另外，这种炉不能有效地用于不规则形状的颗粒例如薄片状或针状颗粒，也不能用于具有较宽颗粒尺寸分布(多分散的)范围的颗粒，尤其是在材料包括较高含量(大于30％)的、粒径小于106μm(140mesh)的细小颗粒的情况下。
采用起泡式EFB炉处理和/或合成多分散的材料导致106μm(140mesh)小的颗粒的流失。也就是说，这些颗粒被流化气体带到EFB炉的有效区的外部。这样导致了作为原料百分比的处理后产物的回收率较低。已经证实原料在流化床顶部被引入并且处理后的颗粒从炉的底部被排出的起泡式EFB炉内尤其存在这种情况。
对于细小颗粒，尤其是那些小于45μm(325mesh)的颗粒以及那些不规则形状的颗粒，已经证实由于流化气体的气路的原因，在起泡式EFB炉内均匀地流化这些颗粒是非常困难或者有时是不可能的。这被认为是由于在小颗粒之间存在较高的粘合力，这种较高的粘合力是由细小颗粒相对较大的表面面积造成的，并且还由于在流化床的底部形成有停滞区的缘故。
这些缺陷产生于起泡式EFB炉特殊的流体动力学特性。尤其是板式气体分配器和其多个竖直定位的气体喷口形成了具有颗粒/气体混合物向上流动和颗粒向下流动的多个局部流动区，每个区在分配器板上环绕单个喷口或喷口组形成。
因此，本发明的一个目的是提供一种在电热式流化床炉内处理细小的、不规则形状的和/或多分散的颗粒物质的方法。与其相关的一个目的是提供一种实施所述方法的炉子。
发明内容
参照以下详细的描述和附图将会清楚地了解到这些目的以及其它目的，通过一种电热式流化床炉实现所述目的，其中炉体具有上圆柱形部分和下圆柱形部分，上圆柱形部分具有比下圆柱形部分更大的直径。在下圆柱形部分的下方设置有圆锥形部分，使得圆锥形部分和下圆柱形部分限定了流化区而上圆柱形部分限定了过床区(overbedzone)。所述炉子包括延伸穿过上圆柱形部分和下圆柱形部分的至少一个电极以及在圆锥形部分下端的处理后材料的出料管。进料管被设置来用于将原料导入下圆柱形部分，并且在所述炉体顶部设置至少一个气道用于排放流化气体。多个喷口设置在圆锥形部分上用于将流化气体导入炉子，喷口布置在大体上水平的平面上并且被定位成使得通过喷口被导入的流化气体流在炉体的中心部分交叉并形成向上的流动。
这种电热式流化床炉适于被用在连续地对颗粒物质进行热处理的工艺中，在该工艺中，以预定流量(rate)通过炉子的喷口连续地导入惰性流化气体并以预定流量通过炉子的进料管连续地导入未处理的颗粒物质从而形成流化床，给电极通电以加热流化床，并且从出料管连续地收集处理后的颗粒物质。用于这种工艺的原材料有利地是包括各种类型的焦炭(例如流化焦炭、柔性焦炭(flexi-coke)、沥青焦炭、延迟焦炭以及针状焦炭(neddle coke))和石墨材料(例如片状石墨、人造石墨、无定形石墨以及脉石墨(vein graphite))。
图1是根据本发明的喷流式EFB炉的垂直剖面图。
图2是图1所示的喷流式EFB炉的顶视图。
图3是沿图1所示的线3-3截取的EFB炉的剖面图，示出了流化气体分配喷口。
图4与图3类似，只是其示出了用于流化气体分配喷口的备选结构。
具体实施例方式
借助于附图可见根据本发明的、总体由10表示的喷流式EFB炉。喷流式流化床(也被称为“喷口式”或“喷射式”流化床)的主要特征是其具有强有力的流动轮廓，该流动轮廓具有在流化床中心的颗粒-气体混合物的中心向上流动以及颗粒沿着炉壁进行的外部向下流动。高速的中心向上流动吸引并带走固体颗粒。避免了在该流化床内形成细小颗粒族和气路。垂直速度梯度使多分散的颗粒物质的所有部分完全流化。
参照图1，炉子10包括炉壳11，其通常由装纳炉体12的钢制成。如果炉子的操作温度高于1500℃，则炉体由石墨制成并构成了反馈电极。如果操作温度小于1500℃，则炉体可由其它材料制成。绝缘材料14设置在炉壳11和炉体12之间。炉体12包括下圆柱形部分16、设置在下圆柱形部分上方并具有比中间圆柱形部分16更大直径的上圆柱形部分18。(为了描述炉子10，术语“圆柱形”意思是具有竖直壁体以及在其高度上恒定的横截面。)圆锥形气体分配器20设置在中间圆柱形部分16的下方，并具有多个流化气体分配喷口22。喷口22与压力通风室24流体连通，流化气体通过进气口26导入压力通风室24内。圆锥形气体分配器20限定了30°-90°优选是40°-60°的中心角α(alpha)。在这种炉体12内，气体分配喷口22以上到下圆柱形部分16顶部的空间基本上限定了流化床区域28。流化床区域以上基本与上圆柱形部分18相一致的空间被称为过床空间(overbed space)或超高区域(free board zone)30。在本发明的炉子中，流化床区域28的操作高度HFB大体上与喷口22和下圆柱体部分18的上端之间的距离一致。为了防止在流化床区域28的顶部形成起泡流化区，HFB优选小于或等于下圆柱形部分16内径IDFB的1.5倍到两倍。超高区域或过床空间HOV.S的最小高度优选是流化床高度Hfb的1.5倍以确保任何被带走的颗粒与气流分离并回到炉子的流化床空间。
优选地，圆柱形部分16、18和圆锥形气体分配器20中的每一个都具有圆形或椭圆形横截面。其它形状的横截面(例如正方形、矩形、八边形等)也可以具有合乎要求的流体动力学特性。但是，由于在使用过程中炉子要遭受一定量的热膨胀，因此这些形状在实际中是难以工作的。
细长电极32从顶部34分别穿过上、下圆柱形部分18、16延伸到炉体12内。电极32优选是由导电的耐热材料例如石墨制成并且必须与炉体12电绝缘。当采用单个电极时，电极32必须在炉体内居中定位并与炉体的竖直轴线Y对齐。可选择地是，可采用多个电极，在这种情况下，所述电极环绕中心轴线Y对称布置。
进料管38被设置来连续地将原料供给到炉体12的流化床区域28内。如图所示，进料管38竖直定位并延伸穿过炉体12的顶部34，向下穿过上圆柱形部分18，并且其出口与下圆柱形部分16顶端处或顶端下方的壁靠近。这样，原料从进料管38被导入到流化床内或至少在流化床的上表面而处于在流化床内流动的固体颗粒向下流动的区域中。这样使得可以更容易地将原料装入流化床，减小了未处理的颗粒被向上流动的流化气体带走并送入过床空间(overbed space)的可能性，同时使处理后的颗粒和原料更好地混合。
炉体的底部包括出料口40，流出的固体通过重力作用穿过所述出料口40连续地被排出。出料口40从圆锥形气体分配器20下垂，出料口40的入口通常与圆锥形气体分配器20的顶点重合。
气体排出物可通过在炉体12的顶部34上的一个或多个排气管或气道42被排出。这种排出的气体很容易被净化和处理以按需要控制颗粒和气体污染物。
按照本发明，圆锥形气体分配器20包括多个流化气体进气喷口22(所示为8个)，流化气体通过所述进气喷口22导入炉体12。喷口22沿径向朝向圆锥形分配器20的中心，使得流化气体形成具有极均匀的向上流动的交叉喷射。可以认识到，流化气体排出喷口的速度和在流化床部分16内的平均气体速度取决于颗粒尺寸、密度以及被流化的材料的形状。在本发明所述方法的内容中，流化气体通常是氮气、氩气或其它惰性气体。
在一种实施方式中，在图3中最好地示出，喷口22被布置成它们的轴线X沿径向相对，从而流化气体直接被导引向圆锥形气体分配器20的中心。可选择地，如在图4中清楚地示出的那样，喷口22可被定位成它们的轴线X相对于圆锥形气体分配器20在喷口位置的切线成10-20°角β。喷口22的布置使得它们的轴线X与喷口圆周大体上相切，这样使流化床可以转动，从而使得流化床更稳定并很少受细长电极32相对于中心轴线Y产生的任何偏离的影响。该角度有助于防止流化颗粒在高速下与圆锥形气体分配器20接触，这种接触导致了气体分配器20的壁由于刮擦而过度磨损。
为了防止流化气体干扰或妨碍处理后的颗粒从炉子10中排出，喷口22优选被设置在气体分配器20和出料口40入口的连接点上方高度HN处。优选地是，HN是圆锥形气体分配器20的总高度HTC的0.5-0.75倍，更优选地是HTC的0.6-0.65倍。
每个喷口22优选具有与其轴线X垂直的环形横截面，自由截面面积被限定在轴线X处。横截面形状可以是圆形或具有其它形状例如矩形、椭圆形等。喷口22总的自由截面面积应该是流化床圆柱形部分的横截面面积也就是下圆柱形部分16的横截面面积的0.15％-0.5％。优选地是，喷口22的自由横截面面积在流化床横截面面积的0.25％到0.4％之间。
根据以上描述，用于在本发明的EFB炉内处理细小颗粒材料的方法应该是显而易见的。首先，未处理的颗粒材料在重力作用下穿过进料管38连续地被进给到EFB炉10的反应区内。未处理的颗粒材料可以包括细小的、不规则形状的或多分散的材料。在试运行中，多分散材料包括颗粒尺寸在1.7mm(12mesh)到5μm之间的颗粒。另外，未处理的颗粒可以是导电或半导电材料，例如像碳黑、焦炭(流化焦炭、柔性焦炭(flexi-coke)、延迟焦炭、针状焦炭、沥青焦炭等)、以及石墨(片状石墨、人造石墨、脉石墨、无定形石墨等)那样的含碳材料。各种焦炭可以是未经处理的或焙烧过的，可以是石油焦或冶金焦，广泛地来自各种焦源。石墨可从本申请的受让人伊利诺斯州芝加哥(Chicago Illinois)的Superior Graphite公司得到。未处理的颗粒物质在向下流动颗粒的流化区的顶端处或该流化区的刚好内部处从进料管38排出。
从进料管排出的材料在炉子与下圆柱形部分16大致对应的区域内被保持处于流化状态，并且电流通过流化床以均匀地将所述材料加热到通常2,200℃-2,400℃的高温。
处理后的颗粒材料在重力作用下连续地从出料口40被排出。排放流量被设置成使得颗粒材料在流化床内的处理时间足以进行所需的热处理或化学反应。在本发明的EFB炉的使用中，不需要在炉子10内设有机械装置或移动部件。
在通过管40被排出后，处理后的材料在冷却室(未示出)内被冷却。气体排出物在炉体12的顶部34穿过气道42被排出。这种气体排出物很容易被净化和处理以将污染物控制在所要求的程度。
通过利用本发明的EFB炉热处理细小颗粒，已经导致与采用现有技术的起泡式EFB炉的回收率(其中所述回收率通常少于64％)相比处理后的颗粒的回收率显著提高(在试运行中为90.3％)。另外，流化的临界速度相对于起泡式EFB炉减少了10％-15％，例如在本发明的EFB炉中从大约0.30英尺/秒到大约0.25英尺/秒。
以下表1比较了几种不同的石墨和焦炭材料在依照本发明的热处理之前和之后的纯度特征。所比较的纯度特征是灰分和硫磺的百分比(重量)。
表1
因此，已经提出了一种用于细小颗粒处理的改进的EFB炉和处理方法。尽管已经根据优选实施方式和方法描述了本发明，但是其目的不是要将本发明限制在这些实施方式和方法中。例如，所述炉子和方法同样很好地适用于细小颗粒的化学处理，在这种情况下流化气体可以是还原性气体，例如一氧化碳、氢气、甲烷等。相反，本发明由附加的权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种电热式流化床炉，包括具有第一圆柱形部分、第二圆柱形部分和圆锥形部分的炉体，所述第一圆柱形部分具有一高度，所述第二圆柱形部分设置在所述第一圆柱形部分上方并具有比第一圆柱形部分更大的直径，所述圆锥形部分设置在所述第一圆柱形部分下方，所述第一圆柱形部分和圆锥形部分限定了流化区，并且所述第二圆柱形部分限定了过床区；设置在所述炉体内并延伸穿过所述第一和第二圆柱形部分的至少一个电极；在所述圆锥形部分下端的处理后材料的出料管；用于将原料导入所述第一圆柱形部分的原料进料管；在所述炉体顶部用于排放流化气体的至少一个气道；以及设置在所述圆锥形部分上用于将所述流化气体导入所述炉子的多个喷口，所述喷口布置在基本水平的平面上并且所述喷口被定位成使得穿过喷口被导入的流化气体流在所述炉体的中心部分交叉并形成向上的流动。
2.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述电极具有末端，并且所述末端位于所述炉体的第一圆柱形部分内。
3.如权利要求1所述的电热式流化床炉，包括在中心延伸穿过所述炉体的单个电极。
4.如权利要求1所述的电热式流化床炉，包括延伸穿过所述炉体并环绕所述炉体的中心轴线对称布置的多个电极。
5.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分限定了30°-90°的中心角。
6.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分限定了40°-60°的中心角。
7.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口被布置成使得流化气体流相对于所述圆锥形部分的壁的切线成锐角进入所述圆锥形部分。
8.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述喷口具有中心轴线，并且所述喷口相对于所述圆锥形部分的壁被定位成使得每个喷口的所述轴线与所述圆锥形部分的壁在所述喷口位置的切线限定了10°-20°的角。
9.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分具有总高度HTC，并且所述喷口设置在所述圆锥形部分底端上方0.5HTC-0.75HTC距离处的所述圆锥形部分上。
10.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述喷口设置在所述圆锥形部分底端上方0.6HTC-0.6HTC距离处的所述圆锥形部分上。
11.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述流化床区的高度小于或等于所述第一圆柱形部分的高度的2倍。
12.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口具有环形横截面面积并且所述喷口总的环形横截面面积是所述炉体的第一圆柱形部分的横截面面积的0.15％-0.5％。
13.如权利要求1所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口具有环形横截面面积并且所述喷口总的环形横截面面积是所述炉体的第一圆柱形部分的横截面面积的0.25％-0.4％。
14.一种电热式流化床炉，包括具有第一圆柱形部分、第二圆柱形部分和圆锥形部分的炉体，所述第一圆柱形部分具有一高度，所述第二圆柱形部分设置在所述第一圆柱形部分上方并具有比第一圆柱形部分更大的直径，所述圆锥形部分设置在所述第一圆柱形部分下方，所述第一圆柱形部分和圆锥形部分限定了流化区，并且所述第二圆柱形部分限定了过床区；设置在所述炉体内并延伸穿过所述第一和第二圆柱形部分的至少一个电极；在所述圆锥形部分下端的处理后材料的出料管；用于将原料导入所述第一圆柱形部分的原料进料管；在所述炉体顶部用于排放流化气体的至少一个气道；改进包括设置在所述圆锥形部分上用于将所述流化气体导入所述炉子的多个喷口，所述喷口布置在基本水平的平面上并且所述喷口被定位成使得通过喷口被导入的流化气体流在所述炉体的中心部分交叉并形成向上的流动。
15.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述电极具有末端，并且所述末端位于所述炉体的第一圆柱形部分内。
16.如权利要求14所述的电热式流化床炉，包括在中心延伸穿过所述炉体的单个电极。
17.如权利要求14所述的电热式流化床炉，包括延伸穿过所述炉体并环绕所述炉体的中心轴线对称布置的多个电极。
18.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分限定了30°-90°的中心角。
19.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分限定了40°-60°的中心角。
20.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口被布置成使得流化气体流相对于所述圆锥形部分的壁的切线成锐角进入所述圆锥形部分。
21.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述喷口具有中心轴线并且所述喷口相对于所述圆锥形部分的壁被定位成使得每个喷口的所述轴线与所述圆锥形部分的壁在所述喷口位置的切线限定了10°-20°的角。
22.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述圆锥形部分具有总高度HTC，并且所述喷口设置在所述圆锥形部分底端上方0.5HTC-0.75HTC距离处的所述圆锥形部分上。
23.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述喷口设置在所述圆锥形部分底端上方0.6HTC-0.6HTC距离处的所述圆锥形部分上。
24.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，所述流化床区的高度小于或等于所述第一圆柱形部分的高度的2倍。
25.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口具有环形横截面面积并且所述喷口总的环形横截面面积是所述炉体的第一圆柱形部分的横截面面积的0.15％-0.5％。
26.如权利要求14所述的电热式流化床炉，其特征在于，每个喷口具有环形横截面面积并且所述喷口总的环形横截面面积是所述炉体的第一圆柱形部分的横截面面积的0.25％-0.4％。
27.一种连续处理颗粒物质的方法，包括提供如权利要求1所述的电热式流化床炉；以预定流量穿过所述炉子的喷口连续地导入流化气体；以预定流量穿过所述炉子的进料管连续地导入未处理的颗粒物质，使得所述颗粒物质主要在所述炉子的第一圆柱形部分内形成流化床；给所述电极通电以加热所述流化床；以及从所述炉子的出料管连续地收集处理后的颗粒物质。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述未处理的颗粒物质具有小于180μm(80mesh)的颗粒尺寸。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述未处理的颗粒物质包括含碳材料。
30.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述未处理的颗粒物质包括从由片状石墨、人造石墨、无定形石墨以及脉石墨组成的组中选择出的石墨。
31.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述未处理的颗粒物质包括从由流化焦炭、柔性焦炭、沥青焦炭、延迟焦炭以及针状焦炭组成的组中选择出的焦炭。
32.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述未处理的颗粒物质包括导电或半导电材料。
33.一种根据权利要求27所述的方法对从由流化焦炭、柔性焦炭、沥青焦炭、延迟焦炭以及针状焦炭组成的组中选择出的颗粒焦炭进行处理所得到的产物。
34.一种根据权利要求27所述的方法对从由片状石墨、人造石墨、无定形石墨以及脉石墨组成的组中选择出的颗粒石墨进行处理所得到的产物。
全文摘要
本发明公开了一种电热式流化床炉，其中炉体具有上圆柱形部分和下圆柱形部分，上圆柱形部分具有比下圆柱形部分更大的直径。圆锥形部分设置在下圆柱形部分的下方，使得圆锥形部分和下圆柱形部分限定了流化区而上圆柱形部分限定了过床区。多个喷口设置在圆锥形部分上用于将流化气体导入炉子，所述喷口布置在基本水平的平面上并且被定位成使得通过喷口被导入的流化气体流在炉体的中心部分交叉并形成向上的流动。这种电热式流化床炉适于被用在连续地对细小颗粒物质进行热处理的连续工艺中。
文档编号C01B31/00GK1871487SQ200480030707
公开日2006年11月29日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月18日
发明者M·S·扎克, W·M·哈里森, J·E·多宁格 申请人:高级石墨公司