CN114014314B - 石墨粉多级分控深度提纯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨粉多级分控深度提纯方法，包括：（1）以提纯气体为气力输送介质，将石墨粉原料输送至旋流提纯器中和纯化气体进行提纯反应；（2）将旋流提纯器中排放出的提纯气体输送到循环提纯器中，将第一次石墨粉提纯产品在循环提纯器中与纯化气体进行循环提纯反应；（3）将第二次石墨粉提纯产品在深度提纯器中与纯化气体进行第三次提纯反应得到高纯石墨粉。本发明方法实现石墨粉提纯生产过程的连续化，缩短了生产时间，将传统间歇式固定床提纯石墨粉原料工艺生产时间由6~7d缩短到至2~4h，改善了高纯石墨粉产品的纯度稳定性，提高了生产效率和生产规模，实现了石墨粉提纯过程能量回收再用和资源化再利用。

Description

石墨粉多级分控深度提纯方法

技术领域

本发明涉及石墨粉的提纯方法，尤其涉及石墨粉多级分控深度提纯方法，属于石墨粉的提纯领域。

背景技术

近年来，随着石墨产业高新技术的不断发展，一般纯度高碳石墨产品已不能满足各行各业的要求，需要将石墨进行提纯至99.999％以上生产高纯石墨。高纯石墨既是现代高温、高压、高速工业以及现代生物、信息、能源的基础原材料，也是现代高新技术产业的关键材料和多功能环保材料，更是核能、航空航天、国防军事领域不可或缺的战略材料。

国内外提纯石墨的方法主要有化学法(例如碱酸法、氢氟酸法、氯化焙烧法等)和物理法(如高温提纯法等)，各种方法的优缺点如下所述：

(1)碱酸提纯法

碱酸法提纯后的石墨含碳量可达99％以上，具有一次性投资少、产品品位较高、工艺适应性强等特点。而且还具有设备常规、通用性强(除石墨外，许多非金属矿的提纯都可以采用碱酸法)等优点，碱酸法是现今在中国应用广泛的方法；其缺点则是能量消耗大、反应时间长、石墨流失量大以及废水污染严重。

(2)氢氟酸法

氢氟酸法主要的优点是除杂效率高，所得产品的品位高、对石墨产品的性能影响小、能耗低。缺点是氟氢酸有剧毒和强腐蚀性，生产过程中必须有严格的安全防护措施，对于设备的严格要求也导致成本的升高，另外法产生的废水毒性和腐蚀性都很强，需要严格处理后才能排放，环保投入也使法成本低的优点大打折扣。

(3)氯化焙烧法

氯化焙烧法低的焙烧温度和较小的消耗量使石墨的生产成本有较大的降低，同时石墨产品的含碳量与用法处理后的相当，相比之下氯化焙烧法的回收率较高。但因有毒，腐蚀性强，对设备操作要求较高，需要严格密封，对尾气必须妥善处理，所以在一定程度上了其推广应用。

(4)高温法

工业生产高纯石墨的石墨粉原料中含有的主要杂质成分是K、Na、Mg、Fe、Ca等硅酸盐矿物，它们可以通过高温法予以有效去除，但是仅仅采用高温方法只能生产纯度在99.99％～99.999％之间的高纯石墨。这是由于高温方法虽然能够实现Fe、Ca、Na等杂质及其化合物的去除，但B、Al、V也易形成高熔点、高沸点的碳化物，如B₄C、VC等，这些物质在高温条件下是无法去除的。采用高温法还须专门设计建造高温炉，设备昂贵，一次性投资多，另外，能耗大，高额的电费增加了生产成本，而且苛刻的生产条件也使这种方法的应用范围极为有限，只有国防、航天等对石墨产品纯度有特殊要求的场合才考虑采用该方法进行石墨的小批量生产，工业上还无法实现大面积推广。传统高温法生产过程中石墨粉原料处于惰性气氛下加热且无流动，生产周期在6～7天，能耗高；高温法高温生产设备石墨坩埚采用固定床操作模式，存在反应和传热效果不佳，在石墨坩埚径向上易在形成石墨产品提纯纯度不均匀的问题；高温法提纯高纯石墨传统采用间歇方法且小批量生产规模，未实现高纯石墨的连续化生产和各个阶段温度操控；传统高温法小批量生产高纯石墨粉过程中产生的尾气主要通过沉降室、水喷淋预处理和碱洗吸收后直接外排，尾气余热未得到充分回用。

因此，对于生产纯度99.999％以上的高纯石墨粉就需要采用一种新型的高纯度石墨深度提纯方法，克服现有的石墨粉提纯方法存在的传质传热不均匀、提纯生产规模小以及余热回收利用率低等问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种石墨粉多级分控深度提纯方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：

一种石墨粉多级分控深度提纯方法，包括：

(A)以提纯气体为气力输送介质，将石墨粉原料仓中的石墨粉原料输送至旋流提纯器中，将石墨粉原料和提纯气体中的纯化气体在旋流提纯器中进行第一次提纯反应去除石墨粉原料中的金属、金属氧化物和硅酸盐类等杂质，得到第一次石墨粉提纯产品；所述提纯气体由惰性气体和纯化气体组成，所述的纯化气体包括但不限于二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、三氟一氯甲烷或四氟化碳中的一种或者一种以上按照任意比例组成的混合气体；

(B)将旋流提纯器中释放出的提纯气体输送到循环提纯器中，将第一次石墨粉提纯产品通过气力输送至循环提纯器中与提纯气体中的纯化气体进行循环提纯反应，去除第一次石墨粉提纯产品中的高沸点杂质(如硼、钒、钼等)，得到第二次石墨粉提纯产品；

(C)将第二次石墨粉提纯产品输送至深度提纯器中与纯化气体进行第三次提纯反应得到高纯石墨粉。

本发明中所述的惰性气体包括但不限于氦气、氖气、氩气、氪气或氙气等，优选为氩气。

作为本发明一种优选的实施方案，在旋流提纯器中进行第一次提纯反应时，将旋流提纯器温度控制在1200～2200℃，提纯气体携带石墨粉原料的进入旋流提纯器的气速控制在35～50m/s，停留时间控制在0.5～1.0h，操作压力控制在-80～-140kPa；提纯气体在旋流提纯器形成旋流携带石墨粉原料进行提纯反应，去除石墨粉原料中的金属、金属氧化物和硅酸盐类等。

其中，所述的旋流提纯器包括顶端为封闭的圆筒形的旋流提纯器外壳，在该旋流提纯器外壳内的中上部设有同轴的提纯气排气管，在该提纯气排气管的顶端设有喇叭口，该提纯气排气管的下端设有从旋流提纯器外壳的侧面倾斜引出的排气管出口；在该旋流提纯器外壳的底部设有一次提纯石墨粉出口和排料搅拌螺旋。

作为本发明一种优选的实施方案，在循环提纯器中进行循环提纯反应时，将循环提纯器操作温度控制在2800～3000℃，操作压力控制在-85～-145kPa，操作气速控制在3.5～7m/s，单次循环停留时间控制在1～3min，总提纯时间控制在0.5～1.5h。

所述的循环提纯器包括封闭的圆筒形的循环提纯器外壳，在该循环提纯器外壳底部内和底端分别设有气体分布管、提纯气体底部入口和二次提纯石墨返料口；在该气体分布管上方的循环提纯器外壳上从下至上分别设有一次提纯石墨粉入口和提纯气体侧面接口；在该循环提纯器外壳的顶部设有二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口，该二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口依次经过分离器和返料器与循环提纯器的下部二次提纯石墨返料口连接形成循环提纯回路。

作为本发明一种更优选的实施方案，所述的提纯气体侧面接口设在1-3个环流管上，多个该环流管围绕在该循环提纯器外壳的外周，两个以上的环流管的轴向间距为0.5～1.5m；在环流管沿圆周均匀连接有多个向下斜向穿入该循环提纯器外壳内部的进气管，该进气管与水平方向的夹角α为10～15°。

作为本发明一种优选的实施方案，在深度提纯器中进行提纯时的操作温度控制在1500～2000℃，操作压力控制在-90～-150kPa，操作气速控制在1.0～2.0m/s，石墨粉在炉内的停留时间控制在10～60min。

所述的深度提纯器包括从下至上依次连接的V型流化段、折流提纯段和悬浮提纯段；在V型流化段内设有圆锥形布风板，与水平面的夹角β在45～60°；在圆锥形布风板上设有间隔分布的风孔，风孔的直径2～6mm，风孔间距为风孔直径的0.5～1.0倍；圆锥形布风板的底端与设在深度提纯器底端的高纯石墨粉出口对接；在深度提纯器底部侧面沿周边设有多个提纯气体风孔；在该折流提纯段内设置有与圆锥形布风板倾斜角度相同的多个导流筒，多个导流筒在折流提纯段内呈交错布置形式；在该折流提纯段设有二次提纯石墨粉入口，并与所述的料腿连接；悬浮提纯段的直径大于该折流提纯段的直径，两者之间通过圆锥体过渡连接；在悬浮提纯段的顶部设有第二提纯气体出口，该第二提纯气体出口与尾气处理单元连接。

作为本发明一种优选的实施方案，旋流提纯器的石墨粉原料和提纯气体风孔与原料仓的出口连接，在旋流提纯器的底部设有料仓，料仓底端的出口与循环提纯器的一次提纯石墨粉入口连接，旋流提纯器的旋流提纯器提纯气排气管出口与循环提纯器底端的提纯气体底部入口连接；在分离器的底端通过料腿与深度提纯器中部的二次提纯石墨粉入口连接，深度提纯器底端的高纯石墨粉出口与封阻返料器的高纯石墨粉进口连接，深度提纯器的提纯气体风孔与分离器顶端的气体出口连接，深度提纯器的提纯气体出口与尾气处理单元连接。

所述的尾气处理单元包括通过管路依次连接的沉降室、换热器、水洗塔、碱洗塔、冷凝室和气体分离，沉降室的入口与所述的深度提纯器的提纯气体出口连接；换热器的除氧水入口用于与冷却介质连接，换热器的冷却介质出口通过管路与冷却器的冷却介质通道入口连接；冷凝室的第三个出口为冷凝水出口；气体分离设有两个出口，分别为纯化气体出口和惰性气体回用出口，纯化气体出口与旋流提纯器的石墨粉原料和提纯气体风孔连接；在纯化气体出口设有纯化气体添加口。

作为本发明的一种优选的具体实施方案，还包括：将第三次提纯反应得到高纯石墨粉在冷却装置中采用冷却介质进行冷却；其中，冷却介质主要是惰性气体(主要是氩气)；深度提纯器所产生的高温高纯石墨粉通过封阻返料器和惰性气体气力输送进入冷却装置内。冷却装置内采用流化操作，冷却装置(即冷却器)水冷壁系统的冷却介质是经换热器换热后的300～400℃的低压水蒸汽，低压水蒸气进入冷却器的水冷壁系统换热，保证冷却装置操作温度控制在1200～1500℃以下，冷却装置内高纯石墨粉停留时间控制在0.5～1.0h，操作气速控制在1.0～1.5m/s；冷却装置所排出的高纯石墨粉产品(纯度高于99.999％以上)空冷至室温后封装；冷却装置换热所产生的3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽则进入蒸汽发电系统发电用于为旋流提纯器、循环提纯器和深度提纯器提供电加热所需要的电力，蒸汽发电系统所产生的低压蒸汽则它用。

所述的冷却装置包括冷却器和空冷系统，冷却器的高纯石墨粉出口与空冷系统的入口连接；冷却器的高纯石墨粉入口与所述的封阻返料器的高纯石墨粉出口连接；冷却器水冷壁系统的冷却介质通道入口与换热器的冷却介质出口通过管道连接；冷却器的蒸汽出口与蒸汽发电系统连接；所述冷却器的蒸汽出口与蒸汽发电系统连接，蒸汽发电系统设有低温蒸汽出口。

作为本发明的一种优选的具体实施方案，将深度提纯器所排放的尾气经净化处理后再次经过气体分离(如膜分离等)，将惰性气体和纯化气体进行分离，其中，分离出的纯化气体进行纯化处理后作为纯化气体补充到各级提纯反应中作为助添纯化气体补充石墨粉原料纯化所损失的纯化气体，保证纯化反应所需的纯化气体体积量基本恒定；所分离出的惰性气体则用于作为石墨粉原料仓的气力输送气、旋流提纯器底部料仓气力输送气和循环提纯器返料器返料输送气；冷却器所用的惰性气体排出进一步冷却用于深度提纯器封阻返料器输送气和冷却器的冷却介质；

作为本发明的一种更优选的具体实施方案，将深度提纯器所排放的提纯气体进入沉降室进行沉降处理(将提纯气体所携带的小颗粒物质沉降)后进入换热器与除氧水进行换热降温处理降温至300～350℃后再进入水洗塔进行水洗处理(在水洗塔内与水逆喷直接接触降温，进入水中的粉尘、酸性气体等进入碱性水体，有效降低了提纯气体中的有害物质含量)；经过水洗处理后的200～250℃提纯气体进入碱洗塔中由碱液喷淋进行吸收净化处理后经冷凝室进行水气分离，所分离得到的气体进一步分离为惰性气体和纯化气体，再循环用于石墨粉提纯生产。

其中，在换热器中进行换热处理时，换热后温度在300～400℃、0.5～1.0Mpa的低压水蒸汽则进入冷却器的水冷壁进一步换热产生3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽进入蒸汽发电系统发电用于为旋流提纯器、循环提纯器和深度提纯器提供电加热所需要的电力。

其中，在水洗塔进行水洗处理和碱洗塔中用碱液喷淋进行吸收净化处理时，循环水水洗涤和碱洗收后的盐和粉尘经沉降后定期处理，炭粉等作为辅料被利用。

传统间歇式固定床提纯石墨粉原料采用分不同温度段充入一定量的提纯气体对石墨粉原料进行提纯，那么在每个温度段石墨粉提纯过程中提纯气体中的纯化气体浓度随着提纯时间的进行不断降低，提纯反应速率也逐渐降低，因此反应时间也随之延长，同时间歇操作每个温度段石墨粉提纯过程都需要进行充放气和升降温操作，这些操作也是传统间歇式固定床提纯石墨粉原料反应时间在6～7天的原因；相比之下，本发明方法可以保证石墨粉原料在基本恒定的纯化气体浓度下在纯化单元各个提纯器内进行深度提纯，提高了反应速率，且通过多个石墨粉提纯器串联操作实现了高纯石墨粉的连续纯化生产，将传统间歇式固定床提纯石墨粉原料工艺生产时间由6～7d缩短到至2～4h，提高了生产效率和生产规模。

传统间歇式固定床提纯石墨粉原料每个温度段提纯操作后产生的尾气主要是通过沉降室、水洗塔和碱洗塔后直接外排，热量未得到充分回用；本发明方法中提纯单元所产生的尾气均予以热量回收用于为提纯过程供电，并对尾气进行回收分离用于石墨粉原料提纯过程。

传统间歇式固定床提纯石墨粉原料每个温度段提纯操作基本均采用固定床操作方法，气固传热效率低，所生产高纯石墨粉产品在床内径向和轴向方向存在纯度差异；本发明的提纯方法中，各个提纯器均采用气体和石墨粉流动接触反应，提高了混合传热和反应效率，所生产高纯石墨粉产品纯度稳定，解决了传统间歇式固定床提纯石墨粉原料所生产高纯石墨粉产品在床内径向和轴向方向存在的纯度不均一问题。

本发明方法实现石墨粉提纯生产过程的连续化，缩短了生产时间，提高了高纯石墨粉产品的纯度稳定性，实现了石墨粉提纯过程能量回收再用和资源化再利用。

附图说明

图1本发明的石墨粉多级分控深度提纯方法的各工艺单元示意图；

图2石墨粉多级分控深度提纯工艺流程图；

图3是图2中旋流提纯器的结构示意图；

图4是图2中循环提纯器的结构示意图；

图5是图2中深度提纯器的结构示意图；

图6是图2中封阻返料器结构示意图；

图7是图2中冷却器结构示意图。

附图标记说明：1、石墨粉原料仓，2、旋流提纯器，3、料仓，4、循环提纯器，5、分离器，6、返料器，7、深度提纯器，8、沉降室，9、换热器，10、水洗塔，11、碱洗塔，12、冷凝室，13、气体分离器，14、冷却器，15、蒸汽发电系统，16、空冷系统，17、原料仓惰性气体入口，18、石墨粉原料入口，19、提纯气排气管，191、喇叭口，192、排气管出口，20、旋流提纯器惰性气体入口，21、返料器惰性气体入口，22、封阻返料器惰性气体入口，23、冷却器底部的惰性气体入口，24、冷却后的惰性气体出口，25、高纯石墨粉出口，26、低温蒸汽出口，27、电力输出，28、除氧水入口，29、纯化气体添加口，30、纯化气体出口，31、惰性气体回用出口，32、冷凝水出口，33、石墨粉原料和提纯气体风孔，34、排料搅拌螺旋，35、排气口封堵头，36、一次提纯石墨粉出口，37、料腿，38、封阻返料器，41、一次提纯石墨粉入口，42、气体分布管，43、提纯气体底部入口，44、提纯气体侧面接口，45、二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口，46、环流管，47、二次提纯石墨返料口，71、二次提纯石墨粉入口，72、提纯气体风孔，73、高纯石墨粉出口，74、第二提纯气体出口，75、圆锥形布风板，76、导流筒，141、冷却介质通道入口，142、蒸汽出口，143、冷却器高纯石墨粉进口，144、冷却器高纯石墨粉出口，145、冷却器水冷壁，381、封阻返料器高纯石墨粉进口，382、封阻返料器高纯石墨粉出口。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

常温下石墨粉原料进料量在100kg/h，提纯气体中惰性气体采用氩气、纯化气体采用二氟二氯甲烷；旋流提纯器2控制温度在2100℃，操作压力在-100kPa，停留时间在1.0h；循环提纯器4控制温度在2900℃，操作压力在-106Pa，停留时间在1.5h；深度提纯器7控制温度在2000℃，操作压力在-110kPa，停留时间在15min；冷却器14操作温度在1200℃，冷却器内高纯石墨粉停留时间1.0h，经过检测，最终所提纯生产高纯石墨粉产品纯度在99.9995％。

实施例2

常温下石墨粉原料进料量在160kg/h，提纯气体中惰性气体采用氩气、纯化气体采用三氟一氯甲烷；旋流提纯器2控制温度在2000℃，操作压力在-110kPa，停留时间在0.75h；循环提纯器4控制温度在3000℃，操作压力在-118Pa，停留时间在1.5h；深度提纯器7控制温度在2000℃，操作压力在-124kPa，停留时间在30min；冷却器14操作温度在1300℃，冷却器内高纯石墨粉停留时间1.0h；经过检测，最终所提纯生产的高纯石墨粉产品纯度在99.9997％。

实施例3

常温下石墨粉原料进料量在140kg/h，提纯气体中惰性气体采用氩气、纯化气体采用四氟化碳；旋流提纯器2控制温度在1200℃，操作压力在-80kPa，停留时间在1.0h；循环提纯器4控制温度在2800℃，操作压力在-85Pa，停留时间在1.0h；深度提纯器7控制温度在1500℃，操作压力在-90kPa，停留时间在30min；冷却器14操作温度在1300℃，冷却器内高纯石墨粉停留时间1.0h；经过检测，最终所提纯生产的高纯石墨粉产品纯度在99.9997％。

实施例4

常温下石墨粉原料进料量在180kg/h，提纯气体中惰性气体采用氩气、纯化气体采用二氟一氯甲烷；旋流提纯器2控制温度在2200℃，操作压力在-140kPa，停留时间在0.5h；循环提纯器4控制温度在2900℃，操作压力在-145Pa，停留时间在1.5h；深度提纯器7控制温度在1800℃，操作压力在-150kPa，停留时间在15min；冷却器14操作温度在1300℃，冷却器内高纯石墨粉停留时间1.0h；经过检测，最终所提纯生产的高纯石墨粉产品纯度在99.9997％。

以下结合图1-图7对本发明作进一步具体的说明

参见图1-图7为实现本发明石墨粉多级分控深度提纯方法的装置，包括提纯单元、冷却单元和尾气处理单元，提纯单元所生产的高温高纯石墨在冷却单元进一步降温得到高纯石墨粉产品；提纯单元所产生的尾气则进入尾气处理单元经净化分离为纯化气体和惰性气体后回用至提纯单元继续参与石墨粉提纯生产；冷却单元换热产生的高温高压蒸汽供蒸汽发电系统发电，蒸汽发电系统所发电力供提纯单元加热。

石墨粉原料在提纯单元实现高温高纯石墨的生产，所生产的高温高纯石墨在冷却单元进一步降温得到高纯石墨粉产品；提纯单元所产生的尾气则进入尾气处理单元经净化分离为纯化气体和惰性气体后回用至提纯单元继续参与石墨粉提纯生产；除氧水进入冷却单元间壁式换热产生高温高压蒸汽去发电供提纯单元用以电加热。

以下结合附图进一步具体说明本发明：

石墨粉原料输送至石墨粉原料仓1中，依据石墨粉原料仓1中的料位计实时添加原料，保证石墨粉原料仓1中石墨粉原料始终保持一定料位。在石墨粉原料仓1下部设有原料仓惰性气体入口17，用于输入低压惰性气体(主要是氩气)，该低压惰性气体用于气力输送石墨粉原料进入提纯装置。

所述的提纯单元中的旋流提纯器2、循环提纯器4和深度提纯器7均采用电加热方式进行控温。石墨粉原料首先通过气力输送方式进入旋流提纯器2内进行提纯生产一次提纯石墨粉；旋流提纯器2下部的料仓3内的一次提纯石墨粉通过气力输送至循环提纯器4内对旋流提纯器2内的一次提纯石墨粉进一步提纯为二次提纯石墨粉，循环提纯器4内的二次提纯石墨粉依次经过分离器5和返料器6返回到循环提纯器4内，实现在循环提纯器4内循环提纯；循环提纯器4内生产合格的二次提纯石墨粉通过分离器5下部的料腿37送至深度提纯器7内，从分离器5输出的二次提纯石墨粉通过提纯装置压力自平衡分别分配到返料器6和深度提纯器7中；二次提纯石墨粉在深度提纯器7内进行第三次提纯后生产出纯度高于99.999％以上的高纯石墨粉。

所述的旋流提纯器2包括顶端为封闭的圆筒形的旋流提纯器外壳，在该旋流提纯器外壳内的中上部设有同轴的提纯气排气管19，在该提纯气排气管19的顶端设有喇叭口191，该提纯气排气管19的下端设有从旋流提纯器外壳的侧面倾斜引出的排气管出口192；在该旋流提纯器外壳的底部设有一次提纯石墨粉出口36和排料搅拌螺旋34。

所述的旋流提纯器2采用提纯气体和石墨粉原料顺流反应下排的提纯方式。石墨粉原料在提纯气体(包括惰性气体和纯化气体)气力携带下以40～60m/s的气速以倾斜水平角度15～30°进入旋流提纯器2。携带有石墨粉原料的提纯气体在旋流提纯器2内旋转向下，大部分提纯气体旋流至提纯气排气管19排出，另有小部分提纯气体则继续下旋，到达底板时折转流动方向，逆着排气管向上运动到提纯气排气管19的排气管出口192排出，分离出来的一次提纯石墨粉则进入旋流提纯器2下部的料仓3。旋流提纯器2下部设置有排料搅拌螺旋34，用于将旋流提纯器2提纯的一次提纯石墨粉进行移动床式的提纯处理并保证一次提纯石墨粉在旋流提纯器底部不易蓬料和堵塞。旋流提纯器2对石墨粉原料的提纯过程属于旋流和移动的耦合提纯。旋流提纯器2的提纯气排气管19上部设置呈向上喇叭口191形状，目的促进提纯气体在此形成抽提，进一步对提纯气体中的一次提纯石墨粉进行分离，确保提纯气体中携带更少的一次提纯石墨粉。

所述循环提纯器4包括封闭的圆筒形的循环提纯器外壳，在该循环提纯器外壳底部内和底端分别设有气体分布管42、提纯气体底部入口43和二次提纯石墨返料口47，在该气体分布管42上方的循环提纯器外壳上从下至上分别设有一次提纯石墨粉入口41和提纯气体侧面接口44；在该循环提纯器外壳的顶部设有二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口45，该二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口45依次经过分离器5和返料器6与循环提纯器4的下部二次提纯石墨返料口47连接形成循环提纯回路；所述的提纯气体侧面44接口设在1-3个环流管46上，多个该环流管46围绕在该循环提纯器4外壳的外周，两个以上的环流管46的轴向间距为0.5～1.5m；在环流管46沿圆周均匀连接有多个向下斜向穿入该循环提纯器4外壳内部的进气管，该进气管与水平方向的夹角α为10～15°。

所述的循环提纯器4作用是将旋流提纯器2内生产的一次提纯石墨粉进行循环提纯生产二次提纯石墨粉。由旋流提纯器2分离出的提纯气体则分两路进入循环提纯器4，一路经提纯气体底部入口43进入循环提纯器4的底部，另一路经多个提纯气体侧面接口44进入循环提纯器4下部的侧面的环流管46，两路的进气体积比例控制在2:1～3:2。进入循环提纯器4底部的提纯气体通过布置在循环提纯器4下部的分布管42进入循环提纯器4内，分布管42呈花束状均匀布置在循环提纯器4的底部。控制分布管42内提纯气体气速在40～60m/s，以保证一次提纯石墨粉在循环提纯器4的底部不会产生沉积。进入循环提纯器4下部炉体的提纯气体分多股进入多层围绕在循环提纯器4下部外周的环流管46，层数一般设置1～3层，每层环流管46的间隔沿循环提纯器4高度方向上的间隔在0.5～1.5m。环流管46上均匀布置有进入炉体内的进气管，每层环流管上设置3～6个，进气管与水平方向的夹角α在10～15°，进气管内气速控制在30～40m/s。循环提纯器4内提纯气体设置的环流管46，能够保证一次提纯石墨粉在循环提纯器4内参与提纯的气体浓度均匀，且可以调控一次提纯石墨粉在循环提纯器4内单次循环的提纯时间。

所述的深度提纯器7分为从下至上依次连接的三段：V型流化段I、折流提纯段II和悬浮提纯段III。V型流化段I主要是将循环提纯器4分离出的提纯气体通过深度提纯器7下部的提纯气体风孔72引入深度提纯器7内，与分离器5下部的料腿37经二次提纯石墨粉入口71进入深度提纯器7内的二次提纯石墨粉进行流化提纯反应。在深度提纯器7的下部设有圆锥形布风板75，与水平面的夹角β在45～60°。圆锥形布风板75上设有均匀布置的风孔，圆锥形布风板设置3～5层圆形风孔，风孔直径在2～6mm，每层风孔间的间距为风孔直径的0.5～1.0倍，风孔内提纯气体气速控制在30～45m/s；折流提纯段II内设置有与圆锥形布风板75倾斜角度相同的导流筒76，导流筒76呈交错布置形式，目的是增加二次提纯石墨粉与提纯气体的传热和传质扰动程度，提高提纯产品石墨粉3的纯度均匀性。悬浮提纯段III的直径扩大，目的是降低提纯气体夹带二次提纯石墨粉的携带量，此处提纯气体气速控制0.05～0.10m/s，减少二次提纯石墨粉在深度提纯器内的损失。深度提纯器7内所生产的高纯石墨粉(纯度99.999％以上)依据折流提纯段(II)的上下部压差ΔP进行排料，折流提纯段II的上下部压差ΔP控制在8～10kPa，当压差ΔP高于此操作范围时，深度提纯器7内处理合格的高纯石墨粉(纯度99.999％以上)经深度提纯器7下部排料管进入到封阻返料器38内。

本发明的提纯单元中所用提纯气体主要是惰性气体(主要氩气)和纯化气体(比如二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、三氟一氯甲烷和四氟化碳中的一种或者多种)的混合气。提纯单元中所用旋流提纯器2温度控制在1200～2200℃，提纯气体携带石墨粉原料的进入旋流提纯器2的气速在40～50m/s，停留时间在0.5～1.0h，操作压力在-80～-140kPa，提纯气体在旋流提纯器2形成旋流携带石墨粉原料进行提纯生产一次提纯石墨粉，去除石墨粉原料中的金属、金属氧化物和硅酸盐类等，一次提纯后的提纯气体直接进入循环提纯器4底部和循环提纯器4下部的侧面的环流管46的进气管，旋流分离下的一次提纯石墨粉则在旋流提纯器2下部聚集并移动下料至旋流提纯器2底部一次提纯石墨粉料仓3，并通过底部气力输送系统将一次提纯石墨粉送至循环提纯器4；循环提纯器4操作温度控制在2800～3000℃，操作压力在-85～-145kPa，操作气速在3.5～7m/s，单次循环停留时间在1～3min，通过控制分离器5下部料腿出料口37的高度实现一次提纯石墨粉在循环提纯器4内的总提纯时间，总提纯时间控制在1～1.5h，此段主要用于将一次提纯石墨粉中的高沸点杂质(如硼、钒、钼等)与提纯气体进行反应予以去除生产二次提纯石墨粉；深度提纯器7操作温度也控制在1500～2000℃，操作压力在-90～-150kPa，操作气速控制在1.0～2.0m/s，二次提纯石墨粉在炉内的停留时间控制在10～60min，分离器5分离出的提纯气体进入深度提纯器7的底部用以与二次提纯石墨粉进一步反应去除石墨粉2中的杂质生产出高温合格的高纯石墨粉(纯度高于99.999％以上)。

本发明中提纯单元最终所产生的提纯气体(或尾气)主要进入尾气处理单元进行净化处理和余热回收。深度提纯器7的提纯气体出口74所排放的温度在1500～2200℃的提纯气体进入沉降室8，提纯气体所携带的小颗粒炭等沉降于沉降室8；随后高温提纯气体进入换热器9与除氧水进行换热降温至300～350℃后进入水洗塔10；经换热器9换热后的温度在300～400℃、0.5～1.0Mpa的低压水蒸汽则进入冷却器14的水冷壁145进一步换热产生3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽供蒸汽发电系统15发电；300～350℃的提纯气体在水洗塔10内与水逆喷直接接触降温，进入水中的粉尘、酸性气体等进入碱性水体，有效降低了提纯气体中的有害物质含量；水洗塔10内洗涤出来的200～250℃提纯气体进一步进入碱洗塔11碱液喷淋吸收净化，提纯气体杂质浓度大大下降；最后净化处理后的提纯气体经冷凝室12和气体分离器13进行水气分离后回用至提纯装置再用。循环水水洗涤和碱洗收后的盐和粉尘经沉降后定期处理，炭粉等作为辅料被利用。

本发明中的冷却单元主要用于冷却深度提纯器7生产出的高纯石墨粉(纯度高于99.999％以上)，主要设备是冷却器14和空冷系统16，冷却介质主要是惰性气体(主要是氩气)。深度提纯器7所产生的高温高纯石墨粉通过封阻返料器38的高纯石墨粉出口382与冷却器高纯石墨粉进口143进入冷却器14内。冷却器14内采用流化操作，冷却介质是惰性气体，冷却介质经冷却器14的底部的惰性气体入口23进入冷却器14，经冷却后的惰性气体出口24排出冷却器。经换热器9换热后的300～400℃的低压水蒸汽，低压水蒸气进入冷却器14的水冷壁145换热保证冷却器14操作温度控制在1200～1500℃以下，冷却器14内高纯石墨粉停留时间控制在0.5～1.0h，操作气速控制在1.0～1.5m/s；冷却器14所排出的高纯石墨粉产品(纯度高于99.999％以上)在空冷系统16内降温至室温后封装。

本发明中冷却器14换热所产生的3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽经冷却器14的蒸汽出口142进入蒸汽发电系统15发电用于为旋流提纯器2、循环提纯器4和深度提纯器7提供电加热所需要的电力，蒸汽发电系统15所产生的低压蒸汽则它用。

本发明中提纯单元所产生的尾气经净化处理后再次经过气体分离(如膜分离等)将提纯气体中的惰性气体和纯化气体分离。纯化气体进入提纯单元再次进行纯化反应前，应在纯化气体添加口29(设在纯化气体出口30)补充石墨粉原料纯化所损失的纯化气体，保证纯化单元所需的纯化气体体积量基本恒定；分离出的惰性气体则用于作为石墨粉原料仓1气力输送气、旋流提纯器2底部料仓3的气力输送气和循环提纯器4的返料器6的返料输送气。冷却器14所用的惰性气体排出进一步冷却用于冷却器14冷却介质和封阻返料器38(封阻返料器38基本就是L型结构管路，管路内充满深度提纯器返料的提纯石墨粉，通过封阻返料器侧面的惰性气体进行气力输送石墨粉进入冷却器)的气力输送气。

Claims (6)

1.一种石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，包括：

(A)以提纯气体为气力输送介质，将石墨粉原料仓(1)中的石墨粉原料输送至旋流提纯器(2)中和提纯气体中的纯化气体在旋流提纯器(2)中进行第一次提纯反应得到第一次石墨粉提纯产品；所述提纯气体由惰性气体和纯化气体组成，所述的纯化气体包括但不限于二氟一氯甲烷、二氟二氯甲烷、三氟一氯甲烷或四氟化碳中的一种或者一种以上按照任意比例组成的混合气体；(B)将旋流提纯器(2)中排放出的提纯气体输送到循环提纯器(4)中，将第一次石墨粉提纯产品通过气力输送方式输送至循环提纯器(4)中与提纯气体中的纯化气体进行循环提纯反应，去除第一次石墨粉提纯产品中的高沸点杂质得到第二次石墨粉提纯产品；(C)将第二次石墨粉提纯产品输送至深度提纯器(7)中与提纯气体中的纯化气体进行第三次提纯反应得到高纯石墨粉；将第三次提纯反应得到高纯石墨粉在冷却装置中采用冷却介质进行冷却；冷却装置所排出的高纯石墨粉产品空冷至室温后封装；冷却装置换热所产生的3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽进入蒸汽发电系统发电用于为旋流提纯器(2)、循环提纯器(4)和深度提纯器(7)提供电加热所需要的电力；

其中，步骤(A)中在旋流提纯器(2)中进行第一次提纯反应时，将旋流提纯器(2)温度控制在1200～2200℃，石墨粉原料停留时间控制在0.5～1.0h，操作压力控制在-80～-140kPa；步骤(B)中在循环提纯器(4)中进行循环提纯反应时，将循环提纯器(4)操作温度控制在2800～3000℃，操作压力控制在-85～-145kPa，总提纯时间控制在0.5～1.5h；

步骤(C)中在深度提纯器(7)中进行提纯时，操作温度控制在1500～2000℃，操作压力控制在-90～-150kPa，石墨粉在炉内的停留时间控制在10～60min。

2.根据权利要求1所述的石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，所述的旋流提纯器(2)包括顶端为封闭的圆筒形的旋流提纯器外壳，在该旋流提纯器外壳内的中上部设有同轴的提纯气排气管(19)，在该提纯气排气管(19)的顶端设有喇叭口(191)，该提纯气排气管(19)的下端设有从旋流提纯器外壳的侧面倾斜引出的排气管出口(192)；在该旋流提纯器外壳的底部设有一次提纯石墨粉出口(36)和排料搅拌螺旋(34)。

3.根据权利要求2所述的石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，所述循环提纯器(4)包括封闭的圆筒形的循环提纯器外壳，在该循环提纯器外壳底部内和底端分别设有气体分布管(42)、提纯气体底部入口(43)和二次提纯石墨返料口(47)，在该气体分布管(42)上方的循环提纯器外壳上从下至上分别设有一次提纯石墨粉入口(41)和提纯气体侧面接口(44)；在该循环提纯器外壳的顶部设有二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口(45)，该二次提纯石墨粉和第一提纯气体出口(45)依次经过分离器(5)和返料器(6)与循环提纯器(4)的下部二次提纯石墨返料口(47)连接形成循环提纯回路。

4.根据权利要求1所述的石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，所述的深度提纯器(7)包括从下至上依次连接的V型流化段(I)、折流提纯段(II)和悬浮提纯段(III)；在V型流化段(I)内设有圆锥形布风板(75)，与水平面的夹角β在45～60°；在圆锥形布风板(75)上设有间隔分布的风孔；圆锥形布风板(75)的底端与设在深度提纯器(7)底端的高纯石墨粉出口(73)对接；在深度提纯器(7)底部侧面沿周边设有多个提纯气体风孔(72)；在该折流提纯段(II)内设置有与圆锥形布风板(75)倾斜角度相同的多个导流筒(76)，多个导流筒(76)在折流提纯段(II)内呈交错布置形式；在该折流提纯段(II)设有二次提纯石墨粉入口(71)并与料腿(37)连接；悬浮提纯段(III)的直径大于该折流提纯段(II)的直径，两者之间通过圆锥体过渡连接；在悬浮提纯段(III)的顶部设有第二提纯气体出口(74)。

5.根据权利要求1所述的石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，将深度提纯器(7)所排放的尾气经净化处理后经过气体分离得到惰性气体和纯化气体；其中，所分离出的纯化气体进行纯化处理后作为纯化气体参与各级提纯反应中助添纯化气体用于补充石墨粉原料纯化所损失的纯化气体；分离出的惰性气体则用于作为石墨粉原料仓(1)、旋流提纯器(2)和循环提纯器(4)的气力输送的介质。

6.根据权利要求5所述的石墨粉多级分控深度提纯方法，其特征在于，将深度提纯器(7)所排放的尾气进行沉降处理后再与除氧水进行换热降温处理，降温至300～350℃后再进行水洗处理；经过水洗处理后的200～250℃提纯气体由碱液喷淋进行吸收净化处理后进行水气分离；将所分离得到的气体分离为惰性气体和纯化气体，再循环用于石墨粉提纯生产：其中，在进行换热降温处理时，换热处理后得到的温度在300～400℃、0.5～1.0Mpa的低压水蒸汽进一步换热产生3.5～4.0Mpa、500～600℃的中压蒸汽进入蒸汽发电系统发电用于为旋流提纯器(2)、循环提纯器(4)和深度提纯器(7)提供电加热所需要的电力。

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