本发明涉及用于生产经煅烧的生石油焦炭的方法和装置，其中在反应器中在900与1400℃之间的温度将生石油焦炭作为燃料与亚化学计量量的氧气燃烧以提供所需的能量以使生石油焦炭中所包含的挥发性物质蒸发，其中获得经煅烧的石油焦炭和烟道气，并且其中所述烟道气含有至少80重量％的生石油焦炭中所包含的挥发性物质。
生石油焦炭(通常缩写为石油焦炭(petcoke)或石油焦(petcoke))是来自例如在炼油厂中在低于630℃的温度获得的高沸点烃馏分的固体碳化产物。可用于制造石油焦的焦化方法包括接触焦化、流化焦化、灵活焦化和延迟焦化。其他焦炭传统上由煤产生。
这种焦炭可为燃料等级(高含量的硫和金属)或阳极等级(低含量的硫和金属)。直接出自炼焦器的原焦炭通常被称为生焦炭。在这种情形下，“生”意指未加工的。此外，将石油焦炭煅烧以去除挥发物并且然后在至少2500℃的温度进一步加工以产生高纯度石墨石油焦炭，所述石墨石油焦炭用于例如制造在钢和钛冶炼工业中使用的阳极。
生石油焦炭主要由填充有挥发性组分诸如烃、硫化合物和氢的多晶碳基质中的单质碳(在80与95重量％之间)组成。挥发物含量一般在9与21重量％之间(参见例如iupac(国际纯粹与应用化学联合会).1995.recommendedterminologyforthedescriptionofcarbonasasolid.pureappl.chem.67(3)：473-506。
本发明的方法和装置排他地涉及煅烧步骤并且不提及高纯度石墨石油焦炭的后续生产。
根据技术现状，通过加热至至多1400℃在回转窑或转底炉装备中煅烧生石油焦炭(参见例如predel，“petroleumcoke”，ullmann'sencyclopediaofindustrialchemistry，2006)。通常排他地通过在反应器内焚化燃料/空气混合物来提供必需的能量。这种方法具有几个缺点：
-由于旋转设备所致的高维护费
-需要高温(至多1400℃)，导致相当大的设备热应变以及高能量成本
-为了实现去除挥发性组分的长保留时间和足够量的煅烧
-由于生石油焦炭的氧化反应而减少的碳产量
因此，待解决的问题是提供克服现有技术、尤其是关于能量需要和碳产量的缺点的用于煅烧生石油焦炭的方法和装置。
所述问题由权利要求1中定义的方法解决。
具体而言，本发明的方法包括在反应器内在900与1400℃之间的温度将生石油焦炭作为燃料与亚化学计量量的氧气燃烧以提供所需的能量以使生石油焦炭中所包含的挥发性物质蒸发。因此，获得经煅烧的石油焦炭和烟道气，其中烟道气含有至少80重量％的生石油焦炭中所包含的挥发性物质。根据本发明，将烟道气作为另一种燃料至少部分再循环至反应器。
本发明的方法由于各种原因而优于现有技术方法。
挥发性物质产生一氧化碳(co)和氢气(h2)作为主要组分。含量在很大程度上取决于原料的组成和近似分析数据的对应物。所述化合物在反应器中的焚化保护石油焦炭中的碳免受焚化/氧化，因为挥发性物质比石油焦炭可更易燃烧。结论是，再循环的烟道气提供用于煅烧石油焦炭所必需能量的部分，由此增加碳产量，因为生石油焦炭的更少的碳被燃烧。
根据本发明的方法的另一个优点是由于与现有技术方法相比反应器内的温度降低，对煅烧设备的热应变降低。这具有多个益处：温度降低意指加工的能量消耗降低。这还允许在炉内使用较低级的耐火材料，这降低装备的资本投资。
术语“至少部分再循环”优选指至少10体积％的量的烟道气被进料回至反应器中，更优选20-30体积％的量的烟道气被进料回至反应器中。
本发明的方法采用小于1、优选0.25-0.7的λ(λ值)。λ指示炉中的空气燃料比。如果λ等于1，则空气-燃料混合物处于化学计量比。
本发明的方法实现了挥发性物质从未经处理的生石油焦炭中通常约10重量％的起始浓度降至低于1重量％。由于使烟道气的至少部分再循环和反应器中的降低条件，本发明的方法在使生石油焦炭的碳损失以及所需能量的量减到最小两个方面优于技术现状。
此外，由于从生石油焦炭中有效去除挥发性组分，小于40分钟的保留时间与现有技术方法相比得到减少。
优选地，生石油焦炭颗粒具有5mm的最大直径。因此，可以获得具有最大碳产量的完全煅烧。
在本发明的一个实施方案中，反应器被定义为回转窑。这种反应器类型展现出提供具有非常好的传质的连续方法的优点的特征。此外，循环气流相对较小。
在本发明的另一个实施方案中，反应器被定义为流化床反应器。流化床反应器的特征在于非常好的传质和传热。在根据本发明的方法中总热损失非常小。甚至更优选环形流化床反应器。
通过使用流化床反应器，由于热损失小，反应器温度可降低至950与1200℃之间的温度。因此，碳产量可甚至进一步增加，因为需要更少燃料以提供所需能量。
优选地，将再循环的烟道气用作流态化气体反应器的流态化气体。因此，与常规方法相比，总气流保持恒定。此外，可将燃料引入反应器的区域中，即引入流化床中，在该处进行生石油焦炭的煅烧并且在该处需要能量和因此需要燃料燃烧。
优选地，在再循环至反应器中之前，将去除的烟道气进料至文丘里(venturi)预热器中以去除固体颗粒。可将去除的固体颗粒再循环至反应器，同样地用于增加碳产量。在另一个实施方案中，该文丘里被过滤器替代。
甚至更优选地，将烟道气从文丘里预热器进料至旋风分离器中来实现另外的纯化并且随后进料至至少一个热交换器中，之后再循环。因此，可在该方法中的别处使用烟道气的能量。
在将烟道气从至少一个热交换器再循环至反应器中之前，可优选将烟道气进料至过滤器中以去除任何残余固体颗粒。
作为用于亚化学计量燃烧的氧源，将纯氧、空气或具有至少5体积％氧气的任何其他气体引入反应器中。使用纯氧，对引入的氧气量的非常敏感的控制是可能的。此外，引入的气流非常小。相反，空气是最便宜的氧源。使用具有至少5体积％氧气的另一种气流提供了使用在该方法中的别处所得气流的可能性。
可优选将在亚化学计量条件下引入至反应器中的气流预热，因此甚至进一步降低本发明的方法的能量需要。优选地，将气流预热至大于400℃的温度。
优选地，通过使气流经过至少一个热交换器来实现预热。甚至更优选地，将所述至少一个热交换器用来自反应器的烟道气来进料。
根据本发明的方法，可将生石油焦炭直接进料至反应器中。替代地，在进入反应器之前，在热交换器中将生石油焦炭预热至400℃的温度，优选使用烟道气的至少部分作为传热介质。
这种预热优选在文丘里预热器中进行。甚至更优选地，随后将预热的生石油焦炭进料至旋风分离器中来浓缩固体颗粒，之后将所述固体颗粒导引至反应器中。最优选地，用来自反应器的烟道气来供应用来预热和浓缩固体生石油焦炭颗粒的文丘里预热器和旋风分离器。
优选地，将再循环的烟道气和空气分别进料至反应器中以避免在注入反应器中之前混合和引燃。
在生石油焦炭被充分煅烧之后，优选将其从反应器中去除并进料至产物冷却器中。当冷却过程结束时，可去除经煅烧的石油焦炭以用于进一步加工。
本发明还涉及用于生产经煅烧的石油焦炭的装置。这种装置包括反应器，所述反应器用于在900与1400℃之间的温度将生石油焦炭与亚化学计量量的氧气燃烧以获得经煅烧的石油焦炭和烟道气。这种反应器的特征为：入口，其用于将生石油焦炭进料至反应器中；出口，其用于从反应器中去除经煅烧的石油焦炭；供应管线，其用于使气态氧源进入反应器；以及气体出口，其用于含有至少80重量％的生石油焦炭中所包含的挥发性物质的烟道气。基于本发明的构想，可预知从气体出口至反应器中的再循环管线以使烟道气至少部分再循环。
反应器类型的各种实施方案都是可能的，其中优选回转窑或甚至更优选流化床反应器。
优选地，文丘里预热器连接至反应器。甚至更优选地，旋风分离器和至少一个热交换器顺序连接至文丘里预热器。
可优选文丘里预热器具有入口和出口，所述入口用于将生石油焦炭进料至该预热器中，所述出口用于预热的生石油焦炭，其连接至反应器。这种有利的实施方案使在反应器中从生石油焦炭中去除挥发性组分所需的能量减少。
此外，至少一个热交换器具有用于空气的入口以及用于烟道气和空气的出口，所述出口连接至反应器以使再循环的烟道气和空气能够被进料至反应器中。
优选地，进入反应器的烟道气入口位于中央来模仿环形流化床，用于理想的烟道气焚化条件。
反应器优选配备有出口以去除经煅烧的生石油焦炭。所述出口优选连接至产物冷却器，在所述冷却器处去除充分冷却的最终产物以用于进一步加工。
可通过技术人员已知的各种构件来进行烟道气的再循环。例如，气体压缩机可用来将烟道气从一个或多个热交换器输送回反应器中。优选地，在压缩之前对烟道气进行除尘。可通过例如过滤器或文丘里管(venturi)来进行除尘。
替代地，可通过采用利用蒸汽注入的热压缩机将烟道气从一个或多个热交换器输送至反应器。
本发明的其他特征、优点和应用将从以下实施例以及附图中显而易见。所有公开和/或描绘的特征单独或组合地形成本发明的主题，独立于它们在权利要求或其从属项中的布置。
图1示意地显示根据本发明的方法。
在流化床反应器10中在1100℃的温度将具有约90重量％碳和10重量％挥发物的固体物质含量的生石油焦炭煅烧30min，之后经由出口管线11移出进入冷却器12，之后经过管线13排出。
将产生的烟道气经过出口从反应器中连续去除，并且经由出口管线14连同从管线21进料的新鲜的生石油焦炭进料至文丘里预热器20中。这使新鲜的生石油焦炭能够被预热至350与500℃之间的温度，减少在反应器10中煅烧生石油焦炭所需的能量。生石油焦炭颗粒具有小于5mm的直径。
随后将烟道气/生石油焦炭混合物经过管线22移动至旋风分离器23中以将固体材料与烟道气分离。将固体材料经由管线24和入口管线25进料至流化床反应器10中，而将烟道气经过管线26引导至第一热交换器30中并随后经过管线31引导至第二热交换器32中。在两个热交换器中，将烟道气用作传热介质来加热气流。此外，将烟道气经由管线33引导经过过滤器34来去除任何残余固体颗粒。可将固体颗粒经由管线38再循环至用于固体入口的入口管线25中或直接再循环至反应器10中。
将烟道气的部分(10-30％)由出自过滤器34的管线35分支并且经由再循环管线40和41再循环至反应器10中。通过经过热交换器30，将其进一步再加热至500℃。经由管线36从该方法中去除剩余量的烟道气。
将空气经由管线42进料至第二热交换器32中并且加热至约400℃的温度。
将烟道气和空气经过再循环管线41和供应管线43分别注入反应器10以避免过早混合和引燃。为了实现反应器内的亚化学计量条件，空气与再循环烟道气的重量比介于0.3至0.6之间，优选0.4-0.5。
将烟道气和空气经过中央喷嘴50进料至反应器1中，用于最优焚化条件。
在进入反应器1时烟道气的典型组成例如为：
h2o：17体积％
co2：2.2体积％
n2：49.2体积％
o2：0体积％
co：6.5体积％
h2：24.1体积％
由于不存在任何氧化剂，煅烧过程可为比较地温和并且避免了生石油焦炭中碳的显著氧化，因此增加了碳产量。
这种方法产生了具有小于1重量％的挥发物的残余含量的经煅烧的石油焦炭。
参考标号列表
10流化床反应器
11出口管线
12冷却器
13管线
14出口管线
20文丘里预热器
21,22管线
23旋风分离器
24管线
25入口管线
26管线
30热交换器
31管线
32热交换器
33管线
34过滤器
35-38管线
40,41再循环管线
42管线
43供应管线
50中央喷嘴
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于生产经煅烧的石油焦炭的方法，其中在反应器中在900与1400℃之间的温度将生石油焦炭作为燃料与亚化学计量量的氧气燃烧以提供所需的能量以使所述生石油焦炭中所包含的挥发性物质蒸发，其中获得经煅烧的石油焦炭和烟道气，并且其中所述烟道气包含至少80重量％的所述生石油焦炭中所包含的挥发性物质，所述方法的特征在于将所述烟道气作为另一种燃料至少部分再循环至所述反应器，所述反应器是流化床反应器，所述反应器中的空气燃料比为小于1并且保留时间为小于40分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应器中的温度介于900与1250℃之间。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于将所述再循环的烟道气用作所述反应器中的流态化气体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于使所述烟道气的至少一部分经过文丘里预热器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于将所述烟道气的至少一部分从所述文丘里预热器进料至旋风分离器和/或至少一个热交换器中，之后再循环。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于将纯氧、空气或含有至少5体积％氧气的另一种气体作为气态氧源进料至所述反应器中以用于亚化学计量燃烧。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于在进入所述反应器之前将所述气态氧源预热至400-500℃的温度和/或将所述生石油焦炭预热至350-500℃的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于在用所述烟道气的至少一部分进料的热交换器中进行所述气态氧源和/或所述生石油焦炭的预热。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于将所述气态氧源和所述烟道气分别进料至所述反应器中。
10.用于生产经煅烧的石油焦炭的装置，所述装置包括：反应器(10)，其用于在900与1400℃之间的温度将生石油焦炭与亚化学计量量的氧气燃烧以获得经煅烧的石油焦炭和烟道气；入口管线(25)，其用于将生石油焦炭进料至所述反应器(10)中；出口管线(11)，其用于从所述反应器中去除经煅烧的石油焦炭；供应管线(43)，其用于使气态氧源进入所述反应器(10)；以及出口管线(14)，其用于包含至少80重量％的所述生石油焦炭中所包含的挥发性物质的所述烟道气，所述装置的特征在于进入所述反应器(10)的再循环管线(40,41)使所述烟道气至少部分再循环，所述反应器(10)是流化床反应器，和将所述反应器设计为使得所述反应器中的空气燃料比为小于1并且保留时间为小于40分钟。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于将流态化气体经由中央喷嘴引入。