本发明涉及工业设备技术领域，具体涉及一种碳素材料的深度提纯装置。
背景技术
碳素材料包括煤、焦炭、兰炭、石油焦、木炭、石墨等物质。在作为燃料的碳素材料中，往往含有煤焦油、硫、氮、氨、磷等物质。燃烧产生的氨气、二氧化硫、氧化氮等有害气体，不仅污染环境，并对人的呼吸系统产生刺激性和毒性，影响人体健康。
其中，兰炭是精煤烧制而成的一种新型的碳素材料，其以固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、铝硫磷元素含量低的特性，已逐步取代冶金焦而广泛运用于电石、铁合金、硅铁、碳化硅等产品的生产，成为一种不可替代的炭素材料。兰炭可代替焦炭(冶金焦)而广泛用于化工、冶炼、造气等行业。近年来，随着国家对环境大气污染治理工作的推行，兰炭作为一种洁净燃料，产品已逐步达到国家环保型燃料标准要求，并已作为民用燃料走进人民大众的生活。
但是，兰炭在作为民用燃料时，其最大缺陷，也是目前为煤化工行业无法解决的一个难题是：兰炭在燃烧时会释放出难闻的气味，这种气味对人的呼吸系统具有刺激性和毒性，并在一定程度上存在污染环境空间，污染食材，影响人的身体健康等问题。这一难题长期阻碍着兰炭及其制品作为木质炭的替代燃料，以及在民用领域的广泛应用。通过检测分析，兰炭内含有少量的煤焦油、硫、氮、氨、磷等物质，兰炭燃烧时，这些物质在高温环境下发生气化，并挥发到空气中。
当前国内所有的兰炭生产厂家，都因兰炭的物相组成、生产工艺控制条件、设备性能等因素的局限和影响，无法彻底将兰炭内的煤焦油、硫、氮、氨等物质完全提取、分离或彻底去除。故当前所有进行煤基型炭产品生产的厂家，都无法生产出与木质炭成份相近，燃烧效果相当，燃烧时不污染食材，可直接与食材接触，用于烤制、烘焙食材，燃烧时无烟、无臭、无味、无刺激性挥发气体的煤基型炭产品。
鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种碳素材料的深度提纯装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明涉及一种碳素材料的深度提纯装置，包括原料仓、上炉体、下炉体和燃烧室，
其中，所述上炉体设有进料端，所述下炉体设有出料端，
所述原料仓的出口与所述进料端连接，用于向所述上炉体内输送碳素材料，
所述上炉体和下炉体均沿竖直方向设置，所述燃烧室位于所述上炉体和下炉体之间，在所述上炉体、下炉体和燃烧室内设有贯通的物料腔，
碳素材料从原料仓进入后，依次经过上炉体、燃烧室和下炉体，从出料端输出。
优选地，所述装置还包括原料输送机构，所述原料输送机构一端与所述原料仓的出口连接，另一端与所述上炉体的进料端连接，用于为送入上炉体的碳素材料提供动力。
优选地，所述装置还包括尾气收集输出机构，所述尾气收集输出机构位于所述上炉体顶端，用于将所述上炉体、下炉体和燃烧室内产生的烟气排出。
优选地，所述装置还包括冷却水套，所述冷却水套位于所述下炉体的外周，用于冷却焙烧后的碳素材料。
优选地，所述装置还包括出料输送机构，所述出料输送机构的入口与所述下炉体的出料端连接，用于为输出下炉体的碳素材料提供动力。
优选地，所述装置还包括滚筒筛分机构，所述滚筒筛分机构的入口与所述出料输出机构的出口连接，用于对输出的碳素材料进行筛分。
优选地，所述装置还包括送风管，所述送风管与所述燃烧室贯通，用于为所述燃烧室提供助燃气体。
优选地，所述送风管的数目为3～6根。
优选地，所述上炉体表面设有上观察孔，所述下炉体表面设有下观察孔。
优选地，所述上观察孔和下观察孔均位于靠近所述燃烧室的位置。
本发明还涉及所述装置在兰炭焙烧提纯过程中的应用。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种碳素材料的深度提纯装置，该装置通过对碳素材料进行高温焙烧，使其比表面积和孔隙率增大，密度和强度降低，从而使碳素材料的燃点显著降低，变得易于燃烧，同时使碳素材料内残留的煤焦油、硫、氮、氨等固态物质在≥1000℃的高温环境下发生气化和挥发，从碳素材料中分离出去，使其在碳素材料中的含量控制在0.2％以内。
处理之后的碳素材料燃烧时无烟、无臭、无味、无刺激性挥发气体，而且易于点燃，燃烧效果和物质成份接近木质炭，燃烧时对食材、对空间无污染，长期使用不会对人的身体健康产生不利影响，可作为洁净炭燃料使用。该装置特别适用于兰炭的焙烧提纯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是碳素材料的深度提纯装置的结构示意图。
图中1-原料仓；
2-上炉体；
21-上观察孔；
3-下炉体；
31-下观察孔；
4-燃烧室；
5-原料输送机构；
6-尾气收集输出机构；
7-冷却水套；
8-出料输送机构；
9-滚筒筛分机构；
10-送风管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明实施例涉及一种碳素材料的深度提纯装置，包括原料仓1、上炉体2、下炉体3和燃烧室4。在上炉体2顶部设有进料端，下炉体3底部设有出料端。原料仓1的出口与进料端连接，可以在原料仓1内部设置仓壁振动器，采用无轴螺叶片向上炉体内输送碳素材料。上炉体2、下炉体3和燃烧室4采用一体化设计。上炉体2和下炉体3均沿竖直方向设置，燃烧室4位于上炉体2和下炉体3之间，在上炉体2、下炉体3和燃烧室4内设有贯通的物料腔。图1中的箭头方向表示物料在装置内的流动方向。可以看到，碳素材料从原料仓1进入后，经过上炉体2进入燃烧室4进行焙烧提纯，然后在下炉体3进行降温冷却，最后从出料端输出。
进一步地，可以按照温度的变化，将装置主体分为三段，分别为预热段、燃烧段和冷却段。其中，(1)预热段，即上炉体2部分，采用普通钢板焊接而成；(2)焙烧段，即燃烧室4部分，由内到外层分别采用高铝砖、耐火砖、其它耐火材料和保温材料等砌筑而成；(3)冷却段，即下炉体3部分，采用锅炉钢板作为内衬，普通钢作为外壳焊接而成的中空圆形筒体。三段上下连续贯通，除了可以在焙烧段设有送风管10进行通风以外，生产过程中上炉体2和下炉体3均为密封状态。
在本发明的一个实施例中，该装置还包括原料输送机构5。原料输送机构5的一端与原料仓1的出口连接，另一端与上炉体2的进料端连接。原料输送机构5包括封闭式垂直提升机、布料器等设备。垂直提升机在向上提升物料的同时，还可以完成对物料的干燥和冷却。布料器能够将物料按要求分布于竖窑横断面上，是竖窑生产的关键设备之一。
在本发明的一个实施例中，该装置还包括尾气收集输出机构6。尾气收集输出机构6由风帽、引风机、风管、旋风除尘设备等组成。尾气收集输出机构6位于上炉体2顶端，可以将上炉体2、下炉体3和燃烧室4内产生的尾气全部收集，经除尘后输送至燃烧的窑炉内，对部分可燃气体回收利用后，最终将残余气体送入尾气处理系统，在指标达标后进行排放。
在本发明的一个实施例中，该装置还包括冷却水套7。冷却水套7位于下炉体3的外周，并对下炉体3进行包覆。其采用循环冷却水通过传导、对流等方式，对焙烧后的碳素材料进行冷却，不会对出料输送机构8造成损坏。
在本发明的一个实施例中，该装置还包括出料输送机构8。出料输送机构8可使用密封式无轴螺旋输送机，其入口与下炉体3的出料端连接，用于为输出下炉体3的碳素材料提供动力。本发明中，原料输送机构5和出料输送机构8均可采用时控开关，对进出料频率和时间进行控制。通过灵活控制进出料量，可以灵活、精准地控制原料在上炉体2、下炉体3和燃烧室4内的流动速度，以及原料碳素材料的烘干、焙烧和冷却时间。
在本发明的一个实施例中，该装置还包括滚筒筛分机构9。滚筒筛分机构9由滚筒筛、筛网振打器、水蒸汽喷淋装置等组成，可实现筛除粉沫、避免筛网挂料、出料口对成品料进行蒸汽灭火、降温等目的。滚筒筛分机构9的入口与出料输出机构8的出口连接，用于对输出的碳素材料进行筛分，并将洁净的碳素材料输出。
在本发明的一个实施例中，由于上炉体2和下炉体3均基本处于封闭状态，该装置还包括送风管10。送风管10与燃烧室4贯通，用于为燃烧室4提供助燃气体，如空气或氧气，使燃烧室4内的碳素材料处于稳定的燃烧状态。送风管10的数目可根据装置的规模进行设置，为保证燃烧室4内的氧气均匀，优选送风管10的数目为3～6根且对称设置。
在本发明的一个实施例中，为了观察上炉体2和下炉体3内碳素材料的状态和运行速度，在上炉体2表面设有上观察孔21，下炉体3表面设有下观察孔31。可以将上观察孔21和下观察孔31均设置在靠近燃烧室4的位置以便于观察。上观察孔21和下观察孔31可在生产过程中短时间开启，并在使用后封闭。
碳素材料深度提纯装置的生产过程包括以下步骤：
(1)采用全自动机械化流水线作业，碳素材料从原料仓1进入，经原料输送机构5送入上炉体2进行烘干脱水。同时由于燃烧室4内烟气上升，碳素材料在上炉体2内逐渐预热并下行流动进入燃烧室4内。
(2)碳素材料在燃烧室4内发生富氧焙烧，焙烧温度达1000～1200℃，焙烧时间可通过出料频率和进、出料速度进行调控，通常为1～2h。焙烧过程中碳素材料内残留的煤焦油、硫、氮、氨等固态物质在高温环境下经富氧焙烧、气化，从孔隙中挥发出去，实现碳素材料的深度提纯和除味。通过上观察孔21和下观察孔31监控碳素材料的运行和燃烧情况。
(3)焙烧完成后，碳素材料从燃烧室4进入下炉体3，与氧气隔绝后停止燃烧。通过冷却水套7对碳素材料进行冷却，使其温度降至300℃以下。冷却后的碳素材料从下炉体3底端依次进入出料输送机构8和滚筒筛分机构9，将燃烧产生的灰分和碳素材料粉沫从块体中分离，最终用纯净的水蒸汽进行再次降温后，得到洁净的碳素材料成品。
该装置的整体设计具有以下优点：建造规格尺寸可进行同比放大或缩小，规模变化灵活；设计产能和变动产能可调节比例大；资金投入少，建造难度低；生产过程的机械化、自动化程度高，故障率低，设备维护和检修容易、产生的费用低；设备能耗低，产生的环境污染物少，运行平稳、操控简单易学；需要配备的劳动作业人员少；对生产原料规格的适用范围广；生产过程中产生的余热、可燃气等回收利用率高；成品产出率高，原料损失率低。
采用本发明的装置，对神木县生产的同一批次的兰炭进行焙烧提纯和除味处理，兰炭的性能参数变化如表1所示：
表1
从表1可知，采用本发明的装置对兰炭进行焙烧处理，能够使兰炭的比表面积和孔隙率增大，密度降低，使兰炭变的易于燃烧。同时兰炭内残留的煤焦油、硫、氮、氨等固态物质在高温环境下经富氧焙烧、气化，从孔隙中挥发出去，含量降低至0.2％以内，在点燃时无烟无味。同时，由于焙烧除去了兰炭的内水(结晶水)和外水(自然水)，使得燃烧值在一定程度上得以提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。