一种联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统和方法与流程

本发明属于石墨生产加工领域，具体涉及一种联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统和方法。

背景技术：

高碳石墨、可膨胀石墨作为重要的工业原料，在冶金、化工、机械和国防等行业有着广泛的应用，具有广阔的市场空间。目前大多数企业都是根据市场需求，在同一条生产线上先后完成高碳石墨和可膨胀石墨的制备，市场变通能力较差。由于高碳石墨和可膨胀石墨的需求变化较快，很多企业想到直接建设两条独立的生产线来同时制备高碳石墨和可膨胀石墨，但是投资建设成本又较高。另外，可膨胀石墨的制备方法中化学氧化法是最为常用的方法之一，化学氧化法就是将氧化剂、插层剂与天然石墨混合后，使其发生反应并最终制得可膨胀石墨。而化学氧化法中常用的插层剂都是强酸，因此在制备过程中会产生大量的酸液，使得污水的处理负荷很大，从而增加了生产制造成本。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的是提供一种联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统和方法，该系统和方法不但能够同时制备高碳石墨和可膨胀石墨，而且能够减少可膨胀石墨制备过程中的污水处理负荷，降低生产制造成本。

本发明的第一方面，提供了一种联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统，其包括：高碳石墨生产线，其沿着加工顺序方向依次包括第一配料装置、熔融炉、清洗罐、第一固液分离装置、第一烘干装置和第一破碎装置；可膨胀石墨生产线，其沿着加工顺序方向依次包括第二配料装置、反应釜、脱酸装置、第二固液分离装置、第二烘干装置和第二破碎装置；存储装置，所述存储装置与脱酸装置的酸液出口相连，用以接收所述脱酸装置排出的酸液，而所述存储装置还与所述清洗罐相连，用以向所述清洗罐提供能够作为清洗剂的所述酸液。

优选地，还包括ph调节池和沉淀池，所述ph调节池的进口与所述第一固液分离装置和第二固液分离装置的液体出口均相连，其出口与所述沉淀池的污水进口相连，所述沉淀池的清水出口分别与所述第一配料装置和第二配料装置相连。

优选地，还包括第一除尘器和第二除尘器，所述第一除尘器的进口与所述第一破碎装置的气体出口相连，而其出口与所述熔融炉相连，而所述第二除尘器的进口与所述第二破碎装置的气体出口相连，而其出口与所述反应釜相连。

优选地，所述第一配料装置和第二配料装置均为配料槽；所述第一固液分离装置和第二固液分离装置均包括板框压滤机；所述第一烘干装置包括烘干机和导热油炉，所述第二烘干装置包括烘干机；所述存储装置还与所述第二配料装置相连，且所述存储装置选为储酸池；所述第一破碎装置和第二破碎装置均包括筛分机和破碎机。

根据本发明的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统，设置的两条生产线能够分别制备可膨胀石墨和高碳石墨，使得二者可以同时进行生产。在高碳石墨生产线和可膨胀石墨生产线之间设置储存装置，该储存装置接收并存放可膨胀石墨生产线的脱酸装置中排出的酸液，并将该酸液供应到高碳石墨生产线的清洗罐中作为清洗剂。通过这样的设置，使得可膨胀石墨生产线的脱酸装置排出的酸液被直接回收利用，同时又无需再为高碳石墨生产线另外供应酸液(或提供大量的酸液)来作为清洗剂，从而大大降低了生产制造成本。

本发明的第二方面，提供了一种联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的方法，该方法包括：利用所述高碳石墨生产线生产高碳石墨的第一工序和利用所述可膨胀石墨生产线生产可膨胀石墨的第二工序；

所述第一工序包括以下步骤：第一工序步骤1、在所述第一配料装置中使用氢氧化钠溶液来浸泡天然石墨；第一工序步骤2、在所述熔融炉中将所述第一工序步骤1中得到的物料进行熔融，使得所述天然石墨中的杂质与所述氢氧化钠发生反应；第一工序步骤3、在所述清洗罐中使用所述存储装置内的酸液对所述第一工序步骤2中得到的物料进行酸洗；第一工序步骤4、将所述第一工序步骤3中得到的物料通过所述第一固液分离装置进行固液分离，然后将所得的固态高碳石墨半成品在所述第一烘干装置中进行烘干，并通过所述第一破碎装置将其破碎成规定粒径的高碳石墨颗粒；

所述第二工序包括以下步骤：第二工序步骤1、在所述第二配料装置中利用硫酸和双氧水的混合溶液来浸泡天然石墨；第二工序步骤2、在所述反应釜中加热并搅拌所述第二工序步骤1中得到的物料使所述天然石墨与硫酸和双氧水发生反应；第二工序步骤3、在所述脱酸装置中将所述第二工序步骤2中得到的物料进行脱酸处理，并脱出的酸液排放到所述存储装置中；第二工序步骤4、将所述第二工序步骤3中得到的物料通过第二固液分离装置进行固液分离，将得到所述固态可膨胀石墨半成品通过第二烘干装置进行烘干，并通过第二破碎装置将其破碎成规定粒径的可膨胀石墨颗粒。

优选地，所述可膨胀石墨与所述高碳石墨的产量的比值是4～5:1，在所述第二工序步骤1中，所述硫酸部分来源于所述存储装置中，所述存储装置为所述第二工序步骤1提供的酸液量和其为所述第一工序步骤3提供的酸液量的比值为1:0.6～0.7。

优选地，在所述第一工序步骤1中，所述氢氧化钠溶液的浓度为30～40％，所述氢氧化钠溶液与所述天然石墨的质量比为2:3～4，浸泡时间为10～15h；在所述第一工序步骤2中，所述熔融炉中的温度为200～250℃，熔融的时间为1～1.5h。

优选地，在所述第一工序步骤4中，将所述固态的高碳石墨半成品进行烘干的操作包括两次烘干步骤：第一次烘干，烘干的温度为100～150℃，烘干的时间为2～2.5h；第二次烘干，烘干的温度为100～110℃，烘干的时间为0.5～0.7h。

优选地，在所述第二工序步骤1中，所述硫酸的浓度为90～95％，所述双氧水的浓度为90～95％，所述硫酸、所述双氧水和所述天然石墨的质量比为2:1.5～1.8:4～6，浸泡时间为10h～15h；在所述第二工序步骤2中，所述反应釜中的反应温度为220～300℃，反应时间为1～1.2h。

优选地，在所述第二工序步骤4中，烘干的温度为110～150℃，烘干的时间为1～1.5h。

根据本发明的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的方法，能够同时制备可膨胀石墨和高碳石墨。更重要的是，将制备可膨胀石墨的过程中产生的酸液合理利用，将其用来对在高碳石墨的制备中进行酸洗操作，也就是使其与制备高碳石墨的过程中未反应完的氢氧化钠中和而最终被消耗掉。通过将这样的方法将可膨胀石墨与高碳石墨的制备工序有机结合，对于可膨胀石墨的制备而言，制备过程中需要处理的酸液的量大大减小，降低了污水处理负荷；而对于高碳石墨的制备而言，无需再另外准备酸液(或大量酸液)来进行酸洗操作，同样降低了生产制造成本。本发明的石墨制备方法实用性强，操作简单，便于广泛地推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是根据本发明实施例的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的方法的流程图。

附图标记说明：11、第一配料装置；12、熔融炉；13、清洗罐；14、第一固液分离装置；15、第一烘干装置；16、第一破碎装置；17、第一除尘器；21、第二配料装置；22、反应釜；23、脱酸装置；24、第二固液分离装置；25、第二烘干装置；26、第二破碎装置；27、第二除尘器；30、存储装置；41、ph调节池；42、沉淀池。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是根据本发明实施例的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统的示意图，如图1所示，其包括：高碳石墨生产线1、可膨胀石墨生产线2和存储装置30。高碳石墨生产线1沿着加工顺序方向依次包括第一配料装置11、熔融炉12、清洗罐13、第一固液分离装置14、第一烘干装置15和第一破碎装置16。可膨胀石墨生产线2沿着加工顺序方向依次包括第二配料装置21、反应釜22、脱酸装置23、第二固液分离装置24、第二烘干装置25和第二破碎装置26。存储装置30与可膨胀石墨生产线2上的脱酸装置23的酸液出口相连，用以接收脱酸装置23排出的酸液，而存储装置30还与高碳石墨生产线1上的清洗罐13相连，用以向清洗罐13提供能够作为清洗剂的酸液。存储装置30还与第二配料装置21相连，且存储装置30选为储酸池。存储装置30与脱酸装置23以及与清洗罐13之间可以是直接通过管道、导流槽或沟渠等结构或部件来连接，也可是通过带有输送泵的管道来实现酸液的输送。

根据本发明的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的系统，设置的两条生产线能够分别制备可膨胀石墨和高碳石墨，使得二者可以同时进行生产。在高碳石墨生产线1和可膨胀石墨生产线2之间设置储存装置30，该储存装置30接收并存放可膨胀石墨生产线2的脱酸装置23中排出的酸液，并将该酸液供应到高碳石墨生产线1的清洗罐13中作为清洗剂。通过这样的设置，使得可膨胀石墨生产线2的脱酸装置23排出的酸液被直接回收利用，同时又无需再为高碳石墨生产线1另外供应酸液(或提供大量的酸液)来作为清洗剂，从而大大降低了生产制造成本。

本系统还包括ph调节池41和沉淀池42，ph调节池41的进口与第一固液分离装置14和第二固液分离装置24的液体出口均相连，其出口与沉淀池42的污水进口相连，沉淀池42的清水出口分别与第一配料装置11和第二配料装置21相连。将第一固液分离装置14和第二固液分离分离出的液体依次送入ph调节池41和沉淀池42中进行处理，固液分离后产生的废液先在ph调节池41中被调节成中性液体，然后在沉淀池42中将固态污染物沉淀后得到清水，再进行回收利用，作为第一配料装置11和第二配料装置21中的原料。

本系统还包括第一除尘器17和第二除尘器27，第一除尘器17的进口与第一破碎装置的气体出口相连，而其出口与熔融炉12相连，而第二除尘器27的进口与第二破碎装置的气体出口相连，而其出口与反应釜22相连。第一破碎装置产生的含尘废气被送入第一除尘器17中，并将第一除尘器17中收集到的除尘灰输送到熔融炉12中，该除尘灰中含有大量的粉末状高碳石墨，因此可以送入熔融炉12中重新作为反应原料。同样地，第二破碎装置中产生的含尘废气也被送入第二除尘器27中，并将第二除尘器27中收集到的含有大量粉末状可膨胀石墨的除尘灰输送到反应釜22中。将本来需要排放的污染物实现回收再利用，进一步降低了生产制造成本。优选地，上述第一除尘器17和第二除尘器27均为脉冲布袋除尘器。该除尘器具有净化效率高、处理气体能力大、性能稳定、操作方便和维修工作量小等优点。

在本实施例中，第一配料装置11和第二配料装置21均为配料槽。第一固液分离装置14和第二固液分离装置24均包括板框压滤机。板框过滤机具有结构简单、制造容易、设备紧凑、过滤面积大而占地面积小以及得到的滤饼含水量少等优点。第一烘干装置15包括烘干机和导热油炉，第二烘干装置25包括烘干机。第一破碎装置和第二破碎装置均包括筛分机和破碎机。筛分机能够将石墨颗粒进行筛分，并将大于规定粒径的石墨颗粒送入破碎机中破碎，以得到小于规定粒径的石墨颗粒。优选地，高碳石墨和可膨胀石墨的规定粒径为50mm，也就是在筛分机和破碎机的作用下需使得高碳石墨和可膨胀石墨的粒径小于50mm。

图2是根据本发明实施例的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的方法的流程图，使用上述系统来联合生产高碳石墨和可膨胀石墨，如图2所示，该方法包括利用高碳石墨生产线1生产高碳石墨的第一工序和利用可膨胀石墨生产线2生产可膨胀石墨的第二工序。

第一工序包括以下步骤：

第一工序步骤1、在第一配料装置11中使用氢氧化钠溶液来浸泡天然石墨；

第一工序步骤2、在熔融炉12中将第一工序步骤1中得到的物料进行熔融，使得天然石墨中的杂质与氢氧化钠发生反应；

第一工序步骤3、在清洗罐13中使用存储装置30内的酸液对第一工序步骤2中得到的物料进行酸洗；

第一工序步骤4、将第一工序步骤3中得到的物料通过第一固液分离装置14进行固液分离，然后将所得的固态高碳石墨半成品在第一烘干装置15中进行烘干，并通过第一破碎装置16将其破碎成规定粒径的高碳石墨颗粒。

第二工序包括以下步骤：

第二工序步骤1、在第二配料装置21中利用硫酸和双氧水的混合溶液来浸泡天然石墨；

第二工序步骤2、在反应釜22中加热并搅拌第二工序步骤1中得到的物料使天然石墨与硫酸和双氧水发生反应；

第二工序步骤3、在脱酸装置23中将第二工序步骤2中得到的物料进行脱酸处理，并脱出的酸液排放到存储装置30中；

第二工序步骤4、将第二工序步骤3中得到的物料通过第二固液分离装置24进行固液分离，将得到固态可膨胀石墨半成品通过第二烘干装置25进行烘干，并通过第二破碎装置26将其破碎成规定粒径的可膨胀石墨颗粒。

根据本发明的联合生产高碳石墨和可膨胀石墨的方法，能够同时制备可膨胀石墨和高碳石墨。更重要的是，将制备可膨胀石墨的过程中产生的酸液合理利用，将其用来对在高碳石墨的制备中进行酸洗操作，也就是使其与制备高碳石墨的过程中未反应完的氢氧化钠中和而最终被消耗掉。通过将这样的方法将可膨胀石墨与高碳石墨的制备工序有机结合，对于可膨胀石墨的制备而言，制备过程中需要处理的酸液的量大大减小，降低了污水处理负荷；而对于高碳石墨的制备而言，无需再另外准备酸液(或大量酸液)来进行酸洗操作，同样降低了生产制造成本。本发明的石墨制备方法实用性强，操作简单，便于广泛地推广应用。

可膨胀石墨与高碳石墨的产量的比值是4～5:1。在第二工序步骤1中，硫酸部分来源于存储装置30中，存储装置30为第二工序步骤1提供的酸液量和其为第一工序步骤3提供的酸液量的比值为1:0.6～0.7。上述比值均为质量比。发明人经过多次试验后发现，当产量比为4～5:1的时候，并且采用上述比例来分配位第二工序步骤1提供的酸液量和为第一工序步骤3提供的酸液量，最具有经济性。通过这样的比例分配，在连续生产的过程中既能够最大程度地回收利用酸液，使得第一工序步骤3的酸洗操作中的酸液供应充足，又能够减少原料中硫酸的使用量，还能够使得存储装置30无需建设得过大，避免由此带来占地面积太大、建设成本增加等问题。

在本实施例中，在第一工序步骤1中，氢氧化钠溶液的浓度为30～40％，氢氧化钠溶液与天然石墨的质量比为2:3～4，浸泡时间为10～15h。在步骤1.2中，熔融炉12中的温度为200～250℃，熔融的时间为1～1.5h。天然石墨中的杂质在高温熔融的状态下与氢氧化钠发生反应，生成能溶于水和酸的产物，以达到提纯天然石墨的目的，从而得到高碳石墨。在将第一工序步骤1中得到的物料送入熔融炉12的过程中，除了收料和放料的过程，物料需要有密封罐车等装置来进行运送，以保证其全程处于密封状态。

为了确保产品的质量，在第一工序步骤4中，将固态的高碳石墨半成品进行烘干的操作包括两次烘干步骤：第一次烘干，烘干的温度为100～150℃，烘干的时间为2～2.5h；第二次烘干，烘干的温度为100～110℃，烘干的时间为0.5～0.7h。第一次烘干使用烘干机进行，第二次烘干使用导热油炉进行。使用烘干机不能完全均匀地烘干高碳石墨半成品，由于导热油炉的热效率高，控温精度高，因此使用导热油炉进行二次烘干可以保证高碳石墨半成品被进一步均匀地烘干。

在本实施例中，在第二工序步骤1中，硫酸的浓度为90～95％，双氧水的浓度为90～95％，硫酸、双氧水和天然石墨的质量比为2:1.5～1.8:4～6，浸泡时间为10h～15h；在第二工序步骤2中，反应釜22中的反应温度为220～300℃，反应时间为1～1.2h。可膨胀石墨的制备过程中是以天然石墨为原料，以硫酸作为插层剂，以双氧水作为氧化剂。石墨晶体具有典型的层状结构，在一个层面内其碳原子间形成的共价键的键能为586kj/mol。而在层间，则以微弱的范德华力结合，键能为16.7kj/mol。利用双氧水氧化天然石墨的边缘，方便硫酸插层进入石墨层间，形成层间的化合物。另外，该步骤中的浸泡时间的长短主要考虑溶液的ph值，如果溶液的ph值在短时间内就到了5以下，可将浸泡时间缩短为8小时左右。在将第二工序步骤1中得到的物料送入反应釜22的过程中，除了收料和放料的过程，物料需要有密封罐车等装置来进行运送，以保证其全程处于密封状态。此外，在第二工序的步骤4中，烘干的温度为110～150℃，烘干的时间为1～1.5h。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。