CN107986260B - 一种微波热解式煤制碳纳米管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波热解式煤制碳纳米管装置，包括煤热解单元和合成单元，所述煤热解单元为圆柱形结构，上部设置有原料进料口及热解气过滤装置、下部设置有焦炭排放口、侧面设置有介质气入口；所述合成单元是由底部和设置于底部的气体单向阀、加热装置、气体分布器、残余气体出口、圆形转盘和碳纳米管出口构成；本发明利用微波热解煤制碳纳米管，能够使煤快速达到热解状态，同时减少焦油的产生，提升了煤制碳纳米管的效率。在合成单元碳纳米管出口处设置热天平，通过热天平依次称量金属挂杆的质量变化，从而确定碳纳米管的生成情况，实现碳纳米管的连续化生产并能保证碳纳米管品质的均一化。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波热解式煤制碳纳米管装置，属于化工技术领域。
背景技术
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。目前常用的碳纳米管制备方法主要有：固相热解法、电弧放电法、激光烧蚀法、辉光放电法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。
虽然制备碳纳米管的方法很多，但是由于原料、技术和设备等问题的存在，使得碳纳米管的工业化生产难度增加。目前应用的催化裂解法主要是利用烃类（如甲烷、乙烯、丙烯和苯等）或者含有碳氧化合物在催化剂的作用下裂解而成。而我国作为煤炭类资源大国，且通过煤炭热解可产生大量的烃类热解气。如果将煤炭热解气用来生产碳纳米管，不仅可以降低碳纳米管生产成本，而且可以实现煤炭资源的多元化利用。
中国专利CN105731423B公开了一种煤热解生成碳纳米管的一体化装置和方法。所述一体化装置主体内部从内到外依次设有煤热解单元、加热单元、合成单元，煤热解单元为合成单元提供合成所需原料气体，煤热解单元生成的甲烷气体作为碳纳米管合成的原料气体，直接用于碳纳米管的合成；加热单元通过燃烧燃料气体同时给煤热解单元和碳纳米管合成单元提供热量。该装置利用常规加热方式，加热过程升温慢，存在煤炭资源利用效率低的问题。
中国专利CN106892422A公开了一种加压式煤制碳纳米管装置，装置主要有炉体中的加热单元及合成单元构成，所述炉体的顶部设有进气口，底部设有出气口；所述加热单元设置于合成单元外周的炉体中，并与合成单元通过钢板分隔；所述合成单元是由一个或多个镂空的试样板及其样品池、顶部和底部设置的气体分布器以及上挡板等构成。其中在上挡板和下挡板的中心位置固定金属杆，金属杆穿过上下炉体在炉外通过挡板位移控制机构上下移动，实现碳纳米管合成单元的过程控制。该装置需要在高压下实现煤制碳纳米管，压力控制难度大，使生产成本增加。
中国专利CN103569998B公开了本发明提供一种碳纳米管制备装置，包括：一反应腔，所述反应腔内设置有：至少一个进气管，每个进气管上设有多个进气孔；基片承载盘；至少一个出气管，每个出气管上设有多个出气孔；其中，所述基片承载盘位于所述进气管和所述出气管之间，每个进气管和每个出气管可拆卸的安装在所述反应腔中。该装置将烃类气体通入反应装置生产碳纳米管，未在反应装置上设置烃类气源发生器，使得工艺成本增加。
发明内容
本发明旨在提供一种微波热解式煤制碳纳米管装置，使得煤制碳纳米管热解反应在微波作用下快速进行，并在反应器中间设置气体单向阀，使得热解气在合成单元聚集并形成一定的压力促进碳纳米管生成反应的进行。同时在合成单元设置热天平，使得金属杆上的碳纳米管负载量达到一定重量自动离开反应装置，保证装置的连续化生产。
本发明提供了一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：包括煤热解单元和合成单元，煤热解单元底部和合成单元顶部均设有法兰密封板，并且煤热解单元和合成单元通过气体单向阀隔开，气体单向阀设置在合成单元底部；
所述煤热解单元为圆柱形结构，上部设置有原料进料口及热解气过滤装置、下部设置有焦炭排放口、侧面设置有介质气入口，其中原料进口与煤热解腔体连接，煤热解腔体分为内外两层，外层设置有微波发射装置，内层为煤热解反应室，煤热解反应室侧面与介质气入口相连接。
所述合成单元是由底部和设置于底部的气体单向阀、加热装置、气体分布器、残余气体出口、圆形转盘和碳纳米管出口构成；其中在圆形转盘上设置金属挂杆，金属挂杆通过圆盘的转动分别与设置于碳纳米管出口处的热天平接触，通过热天平称量金属挂杆的质量变化确定碳纳米管的合成情况。
在上述技术方案的基础上，进一步的技术方案如下。
上述装置中，所述原料进料口与煤热解腔体连接处的角度为45°~60°。
上述装置中，所述热解气过滤装置由双层合金滤网构成，其通气孔直径为0.2~1.2mm。
上述装置中，所述微波发射装置的功率为400~800W。
上述装置中，所述煤热解反应室为圆柱形，柱体材料为石英，柱体壁厚为1~3mm。
上述装置中，所述介质气入口处设置气体流量计，气体的质量与煤热解室中煤样的质量比为1:10~20。
上述装置中，所述气体分布器为圆台结构，下端面与热解腔体大小相应，上端面与合成单元大小相应，并且上下端面上的气孔直径为0.1~1.2mm。
上述装置中，所述圆形转盘的外侧为锯齿形，通过金属圆盘连有钢丝绳并和电机连接，通过设定时间控制转动速率，同时圆形转盘上设置有13处金属挂钩。
上述装置中，所述圆形转盘通过金属挂钩连接12根金属挂杆，金属挂杆上面涂有合成碳纳米管所需的金属催化剂，金属挂杆的质量为20~25g。
上述装置中，所述热解天平上设置有一个金属挂钩，热天平接触的金属挂杆质量超过30g时，碳纳米管出口处阀门打开。
上述技术方案的实施，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
（1）利用微波热解法煤制碳纳米管，能够使煤快速达到热解状态，同时减少焦油的产生，提升了煤制碳纳米管的效率。
（2）在装置煤热解单元设置热解气过滤装置，使热解产生的焦油及颗粒物质能够进一步热解生成含烃气态化合物，避免了热解产生的焦油对合成单元的堵塞。
（3）在装置合成单元入口处设置气体单向阀，能够提高合成单元的合成压力，使烃类气体以较高浓度聚集在金属挂杆附近，进一步缩短反应时间，提高反应效率。
（4）在合成单元碳纳米管出口处设置热天平，通过热天平依次称量金属挂杆的质量变化，从而确定碳纳米管的生成情况，实现碳纳米管的连续化生产并能保证碳纳米管品质的均一化。
本装置结构简单，利用微波热解煤制碳纳米管，不仅能够提高碳纳米管的生产效率，而且采用价廉易得的煤做原料，提高了煤炭的利用效率。
附图说明
图1为本发明一种微波热解式煤制碳纳米管装置结构示意图。
图2为热解气过滤装置图；
图3为气体分布器仰视图；
图4为圆形转盘示意图；
图中1为煤热解单元，2为合成单元，3为法兰密封板，4为气体单向阀，5为原料进料口，6为热解气过滤装置，7为焦炭排放口、8为介质气入口，9为微波发射装置，10为煤热解反应室，11为气体分布器，12为加热装置，13为残余气体出口，14为圆形转盘，15为碳纳米管出口，16为金属挂杆，17为热天平，18为气体质量流量计；11.1为气体分布器的上端面，11.2为气体分布器的下端面，14.1为圆形转盘的金属挂杆，14.2为圆形转盘的转轴。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1所示，
本发明提供了一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：包括煤热解单元1和合成单元2，煤热解单元底部和合成单元顶部均设有法兰密封板3，并且煤热解单元和合成单元通过气体单向阀4隔开，气体单向阀设置在合成单元底部；
所述煤热解单元为圆柱形结构，上部设置有原料进料口5及热解气过滤装置6、下部设置有焦炭排放口7、侧面设置有介质气入口8，其中原料进口与煤热解腔体连接，煤热解腔体分为内外两层，外层设置有微波发射装置9，内层为煤热解反应室10，煤热解反应室侧面与介质气入口相连接。
所述合成单元是由底部和设置于底部的气体单向阀4、加热装置12、气体分布器11、残余气体出口13、圆形转盘14和碳纳米管出口15构成；其中在圆形转盘上设置金属挂杆16，金属挂杆通过圆盘的转动分别与设置于碳纳米管出口处的热天平17接触，通过热天平称量金属挂杆的质量变化确定碳纳米管的合成情况。
上述装置中，所述原料进料口与煤热解腔体连接处的角度为45°~60°。
上述装置中，所述热解气过滤装置由双层合金滤网构成，其通气孔直径为0.2~1.2mm。
上述装置中，所述微波发射装置的功率为400~800W。
上述装置中，所述煤热解反应室为圆柱形，柱体材料为石英，柱体壁厚为1~3mm。
上述装置中，所述介质气入口处设置气体流量计，气体的质量与煤热解室中煤样的质量比为1:10~20。
上述装置中，所述气体分布器为圆台结构，下端面与热解腔体大小相应，上端面与合成单元大小相应，并且上下端面上的气孔直径为0.1~1.2mm。
上述装置中，所述圆形转盘的外侧为锯齿形，通过金属圆盘连有钢丝绳并和电机连接，通过设定时间控制转动速率，同时圆形转盘上设置有13处金属挂钩。
上述装置中，所述圆形转盘通过金属挂钩连接12根金属挂杆，金属挂杆上面涂有合成碳纳米管所需的金属催化剂，金属挂杆的质量为20~25g。
上述装置中，所述热解天平上设置有一个金属挂钩，热天平接触的金属挂杆质量超过30g时，碳纳米管出口处阀门打开。
气体单向阀作用：热解气体通过气体单向阀进入合成单元，避免了热解气体回流进入煤热解室，同时利用单向阀可以提高合成单元的气体压力，使热解气的浓度增加。
热解气过滤装置及设置在煤热解单元顶部其作用：煤热解过程会产生少量焦油和杂质颗粒，通过过滤装置使焦油和杂质颗粒在煤热解单元进一步形成烃类气体。
微波发射器作用：微波加热因其独特的传热传质，具有整体性加热、选择性加热、快速、高效等优点，用微波热解煤可以提高煤的热解效率，同时可以提高烃类气态化合物的产量。
热天平：通过热天平可以确定金属挂杆在合成单元的质量变化，从而确定碳纳米管的合成情况。
本发明的工作原理：
（1）煤热解单元处于装置的中心，粉碎的煤从原料入口进入煤热解单元的热解腔，通过设定微波热解装置的功率同时从介质气入口通入氮气来保持热解腔室的温度保持在500℃到1000℃之间。在热解单元提供热量的条件下煤在氮气中分解，控制煤热解单元的介质气流量和微波热解装置的频率，提高碳纳米管合成所需烃类气体的生成率。煤热解产生的热解烃类气体依次通过过滤装置进入合成单元。
（2）煤热解产生的烃类气体在进入合成单元前经过过滤装置，将产生的部分焦油类和颗粒类物质留在热解室内，焦油类和颗粒类物质经过热解进一步生成烃类气体进入到合成单元。
（3）烃类气体经热解单元进入到合成单元时，先经过气体单向阀，气体单向阀保证了热解气在反应装置中只能从热解单元到合成单元的单向流通，通过单向阀可以增加合成单元热解烃类轻体的聚集，从而形成较高的反应压力和浓度。
（4）气体经过气体单向阀以后进入到气体分布器中，其中气体分布器为圆台结构，其中圆台的上下端面都设置直径为0.1~1.2mm的气孔，但是上端面是以圆心为中心每10°在分布板上设有一列直径大小相同的圆孔，而下端面是以圆心为中心每5°在分布板上设有一列直径大小相同的圆孔。气体经过气体分布器后与负载有金属催化剂的金属挂杆接触。其中负载催化剂的活性组分为铁、镍、钴等非贵金属活性物质。
（5）从煤热解单元出来的含烃类气体进入合成单元后，与涂有金属催化剂的挂杆接触，在金属挂杆上合成碳纳米管，12根金属挂杆在金属圆盘的作用下，依次与热天平接触，当金属挂杆的质量超过30g，金属挂杆从圆盘脱落，然后接入新的金属挂杆，保证碳纳米管合成反应的连续进行。
采用上述装置进行碳纳米管合成的方法为：
首先，将直径为0~3.6mm的粉煤通过进料口进入到煤热解合成室，同时从介质气入口通入氮气，然后通过调节微波发射装置的频率对煤热解单元加热，使温度快速达到500~1000℃，微波频率为400~800W。煤热解单元产生的热解气依次通过过滤装置、气体分布器进入合成单元。
然后，对合成单元进行加热，保持合成单元的温度为600℃到850℃，煤热解气与合成单元负载有催化剂的金属挂杆接触，发生反应生成碳纳米管。合成单元圆形转盘在电机作用下转动，12根金属挂杆依次与热天平接触，当金属挂杆上的碳纳米管积累量超过5g时，碳纳米管出口打开，将金属挂杆清理出合成单元。
Claims (9)
1.一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：包括煤热解单元和合成单元，煤热解单元底部和合成单元顶部均设有法兰密封板，并且煤热解单元和合成单元通过气体单向阀隔开，气体单向阀设置在合成单元底部；
所述煤热解单元为圆柱形结构，上部设置有原料进料口及热解气过滤装置、下部设置有焦炭排放口、侧面设置有介质气入口，其中原料进口与煤热解腔体连接，煤热解腔体分为内外两层，外层设置有微波发射装置，内层为煤热解反应室，煤热解反应室侧面与介质气入口相连接；所述原料进料口与煤热解腔体连接处的角度为45°~60°；
所述合成单元是由底部和设置于底部的气体单向阀、加热装置、气体分布器、残余气体出口、圆形转盘和碳纳米管出口构成；其中在圆形转盘上设置金属挂杆，金属挂杆通过圆盘的转动分别与设置于碳纳米管出口处的热天平接触，通过热天平称量金属挂杆的质量变化确定碳纳米管的合成情况。
2.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述热解气过滤装置由双层合金滤网构成，其通气孔直径为0.2~1.2mm。
3.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述微波发射装置的功率为400~800W。
4.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述煤热解反应室为圆柱形，柱体材料为石英，柱体壁厚为1~3mm。
5.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述介质气入口处设置气体流量计，气体的质量与煤热解室中煤样的质量比为1:10~20。
6.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述气体分布器为圆台结构，下端面与热解腔体大小相应，上端面与合成单元大小相应，并且上下端面上的气孔直径为0.1~1.2mm。
7.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述圆形转盘的外侧为锯齿形，通过金属圆盘连有钢丝绳并和电机连接，通过设定时间控制转动速率，同时圆形转盘上设置有13处金属挂钩。
8.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述圆形转盘通过金属挂钩连接12根金属挂杆，金属挂杆上面涂有合成碳纳米管所需的金属催化剂，金属挂杆的质量为20~25g。
9.根据权利要求书1所述的一种微波热解式煤制碳纳米管装置，其特征在于：所述热解天平上设置有一个金属挂钩，热天平接触的金属挂杆质量超过30g时，碳纳米管出口处阀门打开。
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