CN108529616B - 一种天然石墨的高温提纯工艺与装置 - Google Patents

Abstract

一种天然石墨的高温提纯工艺与装置，其工艺包括：一、预处理，除去原料中的水分及有机挥发物；二、将原料送入回转煅烧装置进行煅烧，煅烧时原料呈悬浮态均匀受热；温度2600~4200℃，时间6~40min；煅烧装置中充入保护气体形成保护气氛；保护气体的浓度大于或等于85%，压力为0.005~0.1MPa；三、杂质成分升华为气体由煅烧装置的排气通道溢出，石墨产品经出料端排出；其装置包括进料段、煅烧段及出料段；进料段包括第一加热筒体，其设有进料口和进料机构；煅烧段具有回转的第二加热筒体，其前端与进料机构连设，后端与出料段连设；出料段包括第三加热筒体，其设有出料口及注气口，后者用于向装置内吹注保护气体；装置还设有排气口，位于煅烧段的前部并向上开设。

Description

一种天然石墨的高温提纯工艺与装置

技术领域

本发明涉及非金属矿中的天然石墨加工领域，具体涉及一种天然石墨的高温提纯工艺与装置。

背景技术

石墨是世界上最重要的非金属矿物资源之一，用途十分广泛。基于其优异的导电性、导热性、耐高温性、抗急冷急热性，石墨成为金属冶炼、机械制造、电子工业、航天航空和军事工业不可或缺的重要原料，更是石墨烯制造的最重要的原料之一。

由于天热石墨的纯度有限，通常采用浮选法进行提纯，该方法可提纯至含固定碳品位最高到95~97%，制备更高纯度的石墨则需采用化学法或高温提纯法。其中，化学法能使石墨纯度达到99~99.9%，但需要采用酸碱、氢氟酸等化学品，纯度的提高受到制约，同时会产生大量废水、废气、甚至有毒物质，对环境有严重污染，许多省份已明确禁止使用；高温法的原理是利用天然石墨中的杂质在2800~3000℃时会自然升华为气态，而石墨则仍保持固态，在固气分离后，会得到纯度达99~99.999%以上的高纯度石墨，同时对环境不构成危害，故该方法受到广泛重视，应用前景广阔。

随着核工业、锂离子电池负极材料工业、人造金刚石工业及石墨烯工业的发展，高纯度石墨供不应求，尤其是高温提纯的高纯度高结晶度石墨更为稀缺。

目前，现有高温提纯技术使用的设备通常为“艾奇逊炉”或“内串炉”等高温炉，采用上述现有设备的工艺为间接式作业，存在以下不足：一、产品质量不稳定，每批产品质量存在一定差异；二、能耗高，每吨产品需要消耗12000~18000 kWh/t的电能；三、设备产量低，年产约400t/台·a。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本发明所要研究解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然石墨的高温提纯工艺与装置。

为达到上述目的，本发明于工艺层面采用的技术方案是：

一种天然石墨的高温提纯工艺，包括以下步骤：

第一步，对石墨原料进行预处理，除去原料中的水分及有机挥发物；

第二步，将预处理之后的石墨原料送入回转煅烧装置中进行煅烧，煅烧过程中石墨原料呈现悬浮态，使石墨原料均匀受热；

其中，煅烧温度为2600~4200℃，煅烧时间为6~40min；煅烧过程中向煅烧装置中充入保护气体，使煅烧装置中形成保护气氛；所述保护气体的浓度大于或等于85%，压力为0.005~0.1MPa；

第三步，杂质成分升华为气体由煅烧装置的排气通道溢出，石墨产品经煅烧装置的出料端排出。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，所述石墨原料选用粉状天然鳞片石墨（或土状石墨），原料中的固定碳含量至少为80~95%，并以95~97%为佳，碳含量太低意味着杂质较多，在煅烧时废气容易堵塞排气通道。

2．上述方案中，所述保护气体可选用氩气、氮气等惰性气体。

3．上述方案中，第一步中预处理包括至少20min的煅烧或焙烧，温度为550~1000℃。经预处理之后石墨原料中的水含量不高于0.05%，该预处理工艺非本案发明点，因此预处理的时间和温度等条件可视具体情况进行调整，此处不再赘述。

4．上述方案中，第二步中的煅烧温度优选2800~3000℃，可有效气化石墨中的MgO、CaO、Fe3O4、SiO2等杂质。

5．上述方案中，第二步中的煅烧时间为8~30 min。

6．上述方案中，第二步中的煅烧装置内所述保护气体的浓度大于或等于95%。

7．上述方案中，第二步中的煅烧装置内所述保护气体的压力为0.01~0.03 MPa。

8．上述方案中，除了煅烧温度之外，还包括煅烧前的入料温度，以及煅烧后的出料温度；其中，入料温度为1500~2800℃，优选1600~2600℃，在煅烧前进行预升温；出料温度为2600~4200℃，优选2800~3000℃，以稳定生产质量，并可避免气氛中的气化杂质在此结晶。

9．上述方案中，第三步中，排气温度为大于或等于2600℃，以大于或等于2800℃为佳，避免杂质因温度降低发生结晶进而堵塞排气通道。

10．上述方案中，还包括第四步，对出料后的石墨产品经进行冷却，将产品温度冷却至30~50℃。由于刚出料后的产品温度依然高达1500~1800℃，因此石墨产品出料之后需要先进入一排料系统，该排料系统通过水冷降温将石墨产品的温度降至低温再进行包装。

为达到上述目的，本发明于装置层面采用的技术方案是：

一种天然石墨的高温提纯装置，包括在水平方向从前向后依次连通设置的进料段、煅烧段以及出料段；

其中，所述进料段包括一第一加热筒体，该第一加热筒体上设有一进料口，第一加热筒体内设有一进料机构；

所述煅烧段具有一回转的第二加热筒体，该第二加热筒体在水平方向横卧，并沿其水平方向的中心线转动；所述第二加热筒体的前端与所述进料段的进料机构连设，第二加热筒体的后端与所述出料段连设；所述进料机构将石墨原料送入第二加热筒体，经第二加热筒体的加热煅烧后进入所述出料段；

所述出料段包括一第三加热筒体，该第三加热筒体上设有一出料口，用于出料；还包括一注气口，该注气口用于向装置内吹注保护气体，构成所述第三加热筒体以及所述第二加热筒体内形成一向前移动的气流；

所述装置还设有一排气口，该排气口位于所述煅烧段的前部并向上开设，用于排出煅烧时产生的废气。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，所述注气口通过吹注保护气体形成气流，该气流在该第三、第二加热筒体内的移动呈逆时针线路，一方面可在装置内部形成一保护气氛，另一方面可推动煅烧时产生的废气向前经由排气口排出。

2．上述方案中，所述第一加热筒体的结构组成从其横截面角度观察由内到外依次包括发热层、保温层以及外壳。所述发热层可由碳发热元件构成，采用电阻发热的形式。

3．上述方案中，所述第二加热筒体及所述第三加热筒体的结构组成从横截面角度观察由内到外均依次包括电磁感应发热层、保温层、绝缘层以及通电线圈。

4．上述方案中，所述第二加热筒体及所述第三加热筒体的保温层均由占1/3厚度的硬质碳毡以及占2/3厚度的软碳毡由内而外组合而成，以到达更严苛的保温要求。

5．上述方案中，所述绝缘层为非金属隔磁层。

6．上述方案中，所述通电线圈采用中频的直流或交流交变电流，以实现对第二、第三加热筒体的有效穿透，而低频电流无法有效穿透，高频电流则对电路结构要求较高；所述通电线圈为通水空心线结构，以便在通电工作时进行水冷降温。

7．上述方案中，通过采用电磁感应这种非接触式的加热，电热转换率可达96%，除此而外，还可采用等离子体加热和电弧加热的方式，但均不如电磁感应发热的效率高。

8．上述方案中，所述进料机构为一水平设置的螺旋推料杆，所述进料口对应该螺旋推料杆的前端设置，螺旋推料杆的后端对应所述煅烧段设置，用于将经过所述进料口放入的粉状石墨原料水平推送至所述煅烧段中。

9．上述方案中，所述第三加热筒体内设有一出料机构，该出料机构为一水平设置的螺旋推料杆，其前端对应所述煅烧段设置，其后端对应所述出料口设置，用于将经煅烧后的石墨产品水平推送出料。

10．上述方案中，所述第二加热筒体的内壁上间隔设置有多个扬料板，各所述扬料板沿第二加热筒体的周向布置，且均朝向所述第二加热筒体的内部延伸；

其中，所述扬料板的外端固设于所述第二加热筒体的内壁，所述扬料板的内端形成有一钩状部，且该钩状部朝向所述第二加热筒体的转动方向设置。

11．上述方案中，还包括支撑部、托轮部、驱动机构以及传动结构；所述支撑部固设于地面，支撑部的上端用于连设所述托轮部或所述传动结构，所述托轮部转动支撑所述第二加热筒体；所述驱动机构通过传动结构驱动所述第二加热筒体进行转动。

所述驱动机构包括电机和减速机，所述传动结构包括由大齿轮、小齿轮组成的齿轮传动结构，也可以是皮带传动结构；所述驱动机构以及所述传动结构的具体结构形式有多种实现方案，为本领域技术人员所熟练掌握，故本案对此不再赘述。

12．上述方案中，所述排气口处连设有一排气通道，该排气通道的侧壁结构由内到外依次包括发热层、保温层以及外壳。

所述排气口及所述排气通道可定位于所述进料段的后端，排气通道的侧壁结构可与所述第一加热筒体一致，借此设计以实现持续加热避免被气化的杂质在经由排气通道排出时因低温而凝结，避免排气通道堵塞。

13．上述方案中，所述排气通道还连设有一旋风除尘装置，用于分离并收集排气中的大颗粒杂质，可作为建筑原料加以利用；旋风除尘装置还连设一集尘布袋，用于收集排气中的粉尘杂质，以使排出至环境的气体达到环保要求。

14．上述方案中，所述进料段与所述煅烧段之间，以及所述煅烧段与所述出料段之间均通过密封结构（如密封条）形成动密封。

本发明的工作原理及优点如下：

本发明一种天然石墨的高温提纯工艺与装置，其工艺包括：一、预处理，除去原料中的水分及有机挥发物；二、将原料送入回转煅烧装置进行煅烧，煅烧时原料呈悬浮态均匀受热；温度2600~4200℃，时间6~40min；煅烧装置中充入保护气体形成保护气氛；保护气体的浓度大于或等于85%，压力为0.005~0.1MPa；三、杂质成分升华为气体由煅烧装置的排气通道溢出，石墨产品经出料端排出；

其装置包括进料段、煅烧段及出料段；进料段包括第一加热筒体，其设有进料口和进料机构；煅烧段具有回转的第二加热筒体，其前端与进料机构连设，后端与出料段连设；出料段包括第三加热筒体，其设有出料口及注气口，注气口用于向装置内吹注保护气体，构成第三加热筒体及第二加热筒体内形成一向前移动的气流；装置还设有排气口，位于煅烧段的前部并向上开设，用于排出煅烧时产生的废气。

相比现有技术而言，本发明的提纯工艺为高温下的连续式提纯工艺，能耗可降至5000~7000kWh/t，且连续式生产质量稳定，生产效率高，年产率可达到500~1200 t/台·a。

附图说明

附图1为本发明实施例的结构示意图；

附图2为图1中A-A向剖面结构示意图；

附图3为图1中B-B向剖面结构示意图；

附图4为图1中C-C向剖面结构示意图；

附图5为图1中I处排风系统的结构示意图。

以上附图中：1．进料段；2．煅烧段；3．出料段；4．密封条；5．第一加热筒体；6．进料口；7．发热层；8．保温层；9．外壳；10．螺旋推料杆；11．第二加热筒体；12．扬料板；13．第三加热筒体；14．出料口；15．注气口；16．气流；17．排气口；18．电磁感应发热层；19．保温层；20．绝缘层；21．通电线圈；22．螺旋推料杆；23．排气通道；24．旋风除尘装置；25．集尘布袋；26．支撑部；27．托轮部；28．小齿轮；29．大齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见附图1所示，一种天然石墨的高温提纯工艺与装置，其中所述工艺包括以下步骤：

第一步，对石墨原料进行预处理，除去原料中的水分及有机挥发物；该预处理包括至少20min的煅烧或焙烧，温度为550~1000℃。经预处理之后石墨原料中的水含量不高于0.05%，该预处理工艺非本案发明点，因此预处理的时间和温度等条件可视具体情况进行调整，此处不再赘述。

第二步，将预处理之后的石墨原料送入回转煅烧装置中进行煅烧，煅烧过程中石墨原料呈现悬浮态，使石墨原料均匀受热；

其中，煅烧温度为2600~4200℃，优选2800~3000℃，以有效气化石墨中的MgO、CaO、Fe3O4、SiO2等杂质；煅烧时间为6~40min，优选8~30 min；煅烧过程中向煅烧装置中充入保护气体（如氩气、氮气等），使煅烧装置中形成保护气氛；所述保护气体的浓度大于或等于85%，以大于或等于95%为佳，压力为0.005~0.1MPa，以0.01~0.03 MPa为佳。

第三步，杂质成分升华为气体由煅烧装置的排气通道溢出，排气温度为大于或等于2600℃，以大于或等于2800℃为佳，以避免气化的杂质因温度降低发生凝结进而堵塞排气通道；石墨产品经煅烧装置的出料端排出，纯度可达到99～99.999%。

其中，第二步中，除了煅烧温度之外，还包括煅烧前的入料温度，以及煅烧后的出料温度；其中，入料温度为1500~2800℃，优选1600~2600℃，在煅烧前进行预升温；出料温度为2600~4200℃，优选2800~3000℃，以稳定生产质量，并可避免气氛中的气化杂质在此结晶。

还包括第四步，即，对出料后的石墨产品经进行冷却，将产品温度冷却至30~50℃。由于刚出料后的产品温度依然高达1500~1800℃，因此石墨产品出料之后需要先进入一排料系统，该排料系统通过水冷降温将石墨产品的温度降至低温再进行包装。

如图1~4所示，所述装置包括在水平方向从前向后依次连通设置的进料段1、煅烧段2以及出料段3；其中，所述进料段1与所述煅烧段2之间，以及所述煅烧段2与所述出料段3之间均通过密封结构，如密封条4，形成动密封。所述装置还设有一排气口17，该排气口17位于所述煅烧段2的前部，开设于所述进料段1并向上开设，用于排出煅烧时产生的废气，该废气包括被气化的杂质以及部分保护气体。

其中，如图2所示，所述进料段1包括一第一加热筒体5，该第一加热筒体5的前端上方设有一进料口6，第一加热筒体5内设有一进料机构；所述第一加热筒体5的结构组成从其横截面角度观察由内到外依次包括发热层7、保温层8以及外壳9，第一加热筒体5的发热层7可由碳发热元件构成，采用电阻发热的形式。所述进料机构为一水平设置的螺旋推料杆10，所述进料口6对应该螺旋推料杆10的前端设置，螺旋推料杆10的后端对应所述煅烧段2设置，用于将经过所述进料口6放入的粉状石墨原料水平推送至所述煅烧段2中。

如图3所示，所述煅烧段2具有一回转的第二加热筒体11（即为回转窑），该第二加热筒体11在水平方向横卧，并沿其水平方向的中心线转动；所述第二加热筒体11的前端与所述进料段1的进料机构连设，第二加热筒体11的后端与所述出料段3连设；所述进料机构将粉状石墨原料送入第二加热筒体11，经第二加热筒体11的加热煅烧后进入所述出料段3；所述第二加热筒体11的内壁上间隔设置有多个扬料板12，各所述扬料板12沿第二加热筒体11的周向布置，且均朝向所述第二加热筒体11的内部延伸；其中，所述扬料板12的外端固设于所述第二加热筒体11的内壁，所述扬料板12的内端形成有一钩状部（图中未绘出），且该钩状部朝向所述第二加热筒体11的转动方向设置，借此杨料板12的设计，有助于在第二加热筒体11回转式将石墨扬起，使其煅烧时保持悬浮态。

如图4所示，所述出料段3包括一第三加热筒体13，该第三加热筒体13上设有一出料口14，该出料口14位于第三加热筒13的后端下方，用于出料；还包括一注气口15，该注气口15位于第三加热筒13的后端上部，用于向装置内吹注保护气体，构成所述第三加热筒体13以及所述第二加热筒体11内形成一向前移动的气流16，该气流16在该第三、第二加热筒体13、11内的移动呈逆时针线路，一方面可在装置内部形成一保护气氛，另一方面可推动煅烧时产生的废气向前经由所述排气口17排出。

如图3、4所示，所述第二加热筒体11及所述第三加热筒体13的结构组成从横截面角度观察由内到外均依次包括电磁感应发热层18、保温层19、绝缘层20以及通电线圈21。其中，第二加热筒体11及第三加热筒体13的保温层19均由占1/3厚度的硬质碳毡以及占2/3厚度的软碳毡由内而外组合而成（图中未绘出），以到达更严苛的保温要求；所述绝缘层20为非金属隔磁层；所述通电线圈21采用中频的直流或交流交变电流，以实现对第二、第三加热筒体11、13的有效穿透，而低频电流无法有效穿透，高频电流则对电路结构要求较高；所述通电线圈21为通水空心线结构，以便在通电工作时进行水冷降温；

通过采用电磁感应这种非接触式的加热，电热转换率可达96%，除此而外，还可采用等离子体加热和电弧加热的方式，但均不如电磁感应发热的效率高。

所述第三加热筒体13内设有一出料机构，该出料机构为一水平设置的螺旋推料杆22，其前端对应所述煅烧段2设置，其后端对应所述出料口14设置，用于将经煅烧后的石墨产品水平推送出料。

如图2所示，所述排气口17处连设有一排气通道23，该排气通道23的侧壁结构可与所述第一加热筒体5一致，由内到外依次包括发热层7、保温层8以及外壳9，借此设计以实现持续加热避免被气化的杂质在经由排气通道23排出时因低温而凝结，避免排气通道堵塞。

如图5所示，所述排气通道23还连设有一旋风除尘装置24，用于分离并收集排气中的大颗粒杂质，可作为建筑原料加以利用；旋风除尘装置24还连设一集尘布袋25，用于收集排气中的粉尘杂质，以使排出至环境的气体达到环保要求。

其中，还包括支撑部26、托轮部27、驱动机构（图中未绘出）以及传动结构；所述支撑部26固设于地面，支撑部26的上端用于连设所述托轮部27或所述传动结构，所述托轮部27转动支撑所述第二加热筒体11；所述驱动机构通过传动结构驱动所述第二加热筒体11进行转动。所述驱动机构包括电机和减速机，所述传动结构包括由小齿轮28、大齿轮29组成的齿轮传动结构，也可以是皮带传动结构；所述驱动机构以及所述传动结构的具体结构形式有多种实现方案，为本领域技术人员所熟练掌握，故本案对此不再赘述。

相比现有技术而言，本发明的提纯工艺为高温下的连续式提纯工艺，能耗可降至5000~7000kWh/t，且连续式生产质量稳定，生产效率高，年产率可达到500~1200 t/台·a。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种天然石墨的高温提纯装置，其特征在于：

包括在水平方向从前向后依次连通设置的进料段、煅烧段以及出料段；

其中，所述进料段包括一第一加热筒体，该第一加热筒体上设有一进料口，第一加热筒体内设有一进料机构；

所述煅烧段具有一回转的第二加热筒体，该第二加热筒体在水平方向横卧，并沿其水平方向的中心线转动；所述第二加热筒体的前端与所述进料段的进料机构连设，第二加热筒体的后端与所述出料段连设；所述进料机构将石墨原料送入第二加热筒体，经第二加热筒体的加热煅烧后进入所述出料段；

所述出料段包括一第三加热筒体，该第三加热筒体上设有一出料口，用于出料；还包括一注气口，该注气口用于向装置内吹注保护气体，构成所述第三加热筒体以及所述第二加热筒体内形成一向前移动的气流；

所述装置还设有一排气口，该排气口位于所述煅烧段的前部并向上开设，用于排出煅烧时产生的废气。

2.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述第一加热筒体的结构组成从其横截面角度观察由内到外依次包括发热层、保温层以及外壳。

3.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述第二加热筒体及所述第三加热筒体的结构组成从横截面角度观察由内到外均依次包括电磁感应发热层、保温层、绝缘层以及通电线圈。

4.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述第二加热筒体的内壁上间隔设置有多个扬料板，各所述扬料板沿第二加热筒体的周向布置，且均朝向所述第二加热筒体的内部延伸；

其中，所述扬料板的外端固设于所述第二加热筒体的内壁，所述扬料板的内端形成有一钩状部，且该钩状部朝向所述第二加热筒体的转动方向设置。

5.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于：所述排气口处连设有一排气通道，该排气通道的侧壁结构由内到外依次包括发热层、保温层以及外壳。

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