CN108017053A - 一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其包括塔式太阳能聚光组件和催化石墨化组件，太阳能聚光组件包括定日镜阵列和接收塔；催化石墨化组件包括设置于接收塔上部的石墨化反应器。本发明还提供了使用上述系统进行煤粉石墨化的方法，包括如下步骤:S1.将煤粉及催化剂加入至反应器中，通入惰性气体使反应原料与空气隔绝；S2.通过定日镜阵列对石墨化反应器进行聚光升温，至指定温度，反应1‑3h，即得石墨化材料。有益效果为：本发明将太阳能聚光及煤催化石墨化有效结合起来，使用一次能源太阳能聚光代替二次能源电能产生高温来催化石墨化；根据对石墨的使用要求，可适当调整太阳能聚光度来改变反应温度，以降低石墨的生产成本。

Description

一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能清洁利用和煤资源化利用领域，具体涉及一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统及方法。
背景技术
石墨是一种优良的碳材料，具有良好的热稳定性、热导性、润滑性以及化学稳定性，被广泛运用于冶金、机械、电气、化工等领域。由于需求量大，天然石墨已不能满足人类的使用需求，这使得人造石墨备受关注。现今，工业上制造石墨主要在2500℃左右绝氧的条件下煅烧石油焦、沥青焦、无烟煤等含碳原料，过高的温度加重了生产石墨的成本。因此，如何降低反应温度进而降低生产成本一直是生产石墨研究的重要方向。研究表明，通过在石墨化的过程中添加Fe、Cu、B等元素的单质及其化合物作为催化剂可有效降低所需温度900℃以上。目前，催化石墨化主要在电炉中进行，电炉使用二次能源电能，仍然使得成本较高。
太阳能作为一种清洁可再生的能源，具有储量丰富、无污染等特点。现今采用塔式太阳能聚光技术可在局部产生高温1500℃以上。目前塔式太阳能主要用于发电领域，昼夜的更替限制了塔式太阳能发电的大面积推广，而太阳能具有实时性，因此发展多样的太阳能非发电利用技术对于太阳能的发展至关重要。
发明内容
本发明提供一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统及方法，旨在通过将塔式太阳能聚光组件和煤的催化石墨化组件进行结合，一定程度上降低催化石墨化的成本及通过催化石墨化来实现太阳能的高效利用。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其包括塔式太阳能聚光组件和催化石墨化组件，
所述太阳能聚光组件包括定日镜阵列和接收塔，所述定日镜阵列布置于接收塔附近的定日镜场地；
所述催化石墨化组件包括设置于所述接收塔上部的石墨化反应器，所述石墨化反应器可接收所述定日镜阵列聚光加热以实现所述石墨化反应器内煤粉的催化石墨化。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述定日镜阵列以接收塔为圆心呈扇形状布置于所述定日镜场地。扇形的圆心角优选为150-300度，所述定日镜陈列优选的布置于接收塔的北侧、东侧和西侧，以更好的实现聚光加热。
进一步，所述石墨化反应器通过旋转控制机构安装于所述接收塔的顶端。设置放置控制机构可使石墨化反应器在接收塔的塔顶能够旋转，如此则整个反应器的侧壁可得到较均匀的加热。
进一步，所述旋转控制机构包括电机和转盘，所述电机的输出轴与转盘下表面的中心固定连接，所述转盘上表面与所述石墨化反应器的底部固定连接。
进一步，所述石墨化反应器为金属导热材料制成的釜式反应器，所述石墨化反应器的侧壁上设有进出料口，所述进出料口处密封连接有可启闭的门体，所述石墨化反应器的内部设有用于放置煤及石墨化催化剂的筛板，所述石墨化反应器上还设置有惰性气体进口或抽真空接口。金属导热材料可以为钛合金或不锈钢。
进一步，所述石墨化反应器的顶部还连通有排空管，所述排空管上设有可启闭的阀门。
此外，本发明还提供了一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其使用上述系统进行太阳能聚光催化石墨化，包括如下步骤:
S1.以煤粉及催化剂为反应原料并将其加入至所述石墨化反应器中，通入惰性气体或抽真空使所述石墨化反应器中的反应原料与空气隔绝；
S2.通过所述定日镜阵列对所述石墨化反应器进行聚光加热升温，升温至900-1600℃，反应1-3h，即完成石墨化反应，降温后将产物取出，纯化处理即得石墨材料。
在上述制备方法的基础上，本发明还可以做如下进一步的具体选择。
具体的，S1中煤粉与催化剂的质量比为5-20：1。需要说明的是，使用的煤粉为褐煤、烟煤、无烟煤中的至少一种，通常情况下无烟煤变质化程度及固定碳含量更高，可得到更高石墨化程度的碳，但可以根据石墨的使用需求对煤的种类进行调整。煤粉应尽量磨细，优选的煤粉的粒径控制为20-100目。根据装置的结构特点，煤粉和催化剂在加入前可事先混合均匀。
具体的，S1中所述催化剂为Fe、Ni、Mn、Mg、Zn、Ca、W、Cu和B的单质、氧化物及氯化物中的一种或多种的混合。催化剂也为粉状，其粒径范围优选的与煤粉接近。
具体的，S2中聚光加热升温的速率为5-25℃/min。
具体的，惰性气体可以为氮气或氩气，流量可选择为0.2-1L/min；若是采用抽真空方式使反应原料与空气隔绝，应使容器内空气被抽走85％以上，反应器应严格密封，抽真空后关闭抽真空接口处的阀门。
需要说明的是，纯化指的是通过物理和化学的方法对固体样品进行纯化，具体的纯化方法则根据具体要求进行选择，不在本专利的发明范围之内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
针对催化石墨化成本较高及太阳能具有实时性的问题，本发明将其结合起来，使用一次能源太阳能聚光代替二次能源电能产生高温来催化石墨化，根据对石墨的使用需求，可适当调整太阳能聚光度来改变反应温度，以降低石墨的生产成本。而且，本发明中使用的碳源为我国储量丰富的煤炭，相比其他碳源如石油焦、沥青焦获得途径更加简单，原料加工工艺更为简单。再者，本发明可使用天然矿石作为催化剂参与催化石墨化，这也有效地降低了生产成本。本发明可以有效实现太阳能清洁高效利用和煤的资源化利用，生产高价值的石墨。
附图说明
图1为本发明提供的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统的结构示意图(图中带箭头线表示太阳光线)；
图2为图1所示系统中的石墨化反应器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1.定日镜陈列；2.接收塔；3.石墨化反应器；30.进出料口；31.筛板；32.反应原料；33.惰性气体进口；34.排空管。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1至2所示，本发明提供一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其包括塔式太阳能聚光组件和催化石墨化组件，所述太阳能聚光组件包括定日镜阵列1和接收塔2，所述定日镜阵列1布置于接收塔2附近的定日镜场地；所述催化石墨化组件包括设置于所述接收塔2上部的石墨化反应器3，所述石墨化反应器3可接收所述定日镜阵列1聚光加热以实现所述石墨化反应器3内煤粉的催化石墨化。
进一步，所述定日镜阵列1以接收塔2为圆心呈扇形状布置于所述定日镜场地。容易想到的，根据日照特点，所述定日镜陈列优选的布置于接收塔的北侧、东侧和西侧，以更好的实现聚光加热。
进一步，所述石墨化反应器3通过旋转控制机构安装于所述接收塔2的顶端。
可以理解的是，石墨化反应器在接收塔顶端可以旋转后，其侧壁可均匀轮替受定日镜聚光加热，受热更均匀，加热效果更好。另外，还存在可以替代的实现均匀加热的方式，比如石墨化反应器固定设置于接收塔的顶部，石墨化反应器内设置搅拌装置，使反应原料在反应器内不断变换位置以实现对其的均匀加热，或者石墨化反应器的侧壁为夹层式，其内设置装有导热流体的盘管，导热流体在泵的作用下在导热盘管内循环流动，从而实现整个反应器的均匀加热。
进一步，所述旋转控制机构包括电机和转盘，所述电机的输出轴与转盘下表面的中心固定连接，所述转盘上表面与所述石墨化反应器3的底部固定连接。除上述结构的旋转控制机构外，还可以电机和齿盘的形式实现石墨化反应器的旋转，电机的输出轴上固定有齿轮，石墨化反应器的侧壁或底壁上设有齿盘，齿轮与齿盘配合。
进一步，所述石墨化反应器3为金属导热材料制成的釜式反应器，所述石墨化反应器3的侧壁上设有进出料口30，所述进出料口30处密封连接有可启闭的门体，所述石墨化反应器3的内部设有用于放置煤及石墨化催化剂的筛板31，所述石墨化反应器3上还设置有惰性气体进口33或抽真空接口。可以理解的是，当使用惰性气体排空气时，对应的石墨化反应器的顶部应对应设置排空管，当使用抽真空方式排反应器内空气时，反应器本身应该有良好的密封性和一定的强度，以防漏气及因抽真空而变形。
进一步，所述石墨化反应器3的顶部还连通有排空管34，所述排空管34上设有可启闭的阀门。
此外，本发明还提供了一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其使用上述系统进行太阳能聚光催化石墨化，包括如下步骤:
S1.将煤粉及催化剂加入至所述石墨化反应器3中，通入惰性气体或抽真空使所述石墨化反应器3中的反应原料32与空气隔绝；
S2.通过所述定日镜阵列1对所述石墨化反应器3进行聚光加热升温，升温至900-1600℃，反应1-3h，即完成石墨化反应，降温后将产物取出，除杂并纯化即得石墨材料。
具体的S1中煤粉与催化剂的质量比为5-20：1。
具体的，S1中所述催化剂为Fe、Ni、Mn、Mg、Zn、Ca、W、Cu和B的单质、氧化物及氯化物中的一种或多种的混合。
具体的，S2中聚光加热升温的速率为5-25℃/min。
以下通过具体试验来说明本发明提供的系统及方法可以塔太阳能聚光实现煤粉的石墨化。
实施例1
一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其包括如下步骤：
S1.取一定量的无烟煤(山西晋城煤)由磨煤机研磨，用20目和40目筛子筛出20-40目粒径的煤样，于105℃烘箱中干燥12h后取出；取一定量20-40目干燥后的煤样2g，加入10％质量的Fe3O4充分混合后置于石墨化反应器中，通入N2，流量设置为0.5L/min；
S2.调整聚光度，使得反应温度升至900℃，控制反应温度在900-1200℃，反应3h，降温后取出。
以降温后取出的产物为样品，由XRD(X射线衍射)检测分析，计算其石墨化度。本实施案例中处理后的石墨型碳的石墨化度达到了80％以上，对比未添加Fe3O4的石墨化度15％有显著提升。
实施例2
一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其包括如下步骤：
S1.取一定量的无烟煤(山西晋城煤)由磨煤机研磨，用20目和40目筛子筛出20-40目粒径的煤样，于105℃烘箱中干燥12h后取出；取一定量20-40目干燥后的煤样2g，加入10％质量的Fe2O3充分混合后置于石墨化反应器中，通入N2，流量设置为0.5L/min。
S2.调整聚光度，使得反应温度升至1200℃，控制反应温度在1200-1500℃，反应2h，降温后取出。
以降温后取出的产物为样品，由XRD(X射线衍射)检测分析，计算其石墨化度。本实施案例中处理后的石墨型碳的石墨化度达到了75％以上，对比未添加Fe2O3的石墨化度15％有显著提升。
实施例3
一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其包括如下步骤：
S1.取一定量的无烟煤(山西晋城煤)由磨煤机研磨，用20目和40目筛子筛出20-40目粒径的煤样，于105℃烘箱中干燥12h后取出；取一定量20-40目干燥后的煤样2g，加入10％质量的铁粉充分混合后置于反应器中，通入N2，流量设置为0.5L/min；
S2.调整聚光度，使得反应温度升至为1500℃，控制反应温度在1500-1600℃，反应1h，降温后取出产物；若需要纯化，可考虑用酸洗法进一步纯化。
以降温后取出的产物为样品，由XRD(X射线衍射)检测分析，计算其石墨化度。本实施案例中处理后的石墨型碳的石墨化度达到了80％以上，对比未添加铁粉的石墨化度15％有显著提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，包括塔式太阳能聚光组件和催化石墨化组件，
所述太阳能聚光组件包括定日镜阵列(1)和接收塔(2)，所述定日镜阵列(1)布置于接收塔(2)附近的定日镜场地；
所述催化石墨化组件包括设置于所述接收塔(2)上部的石墨化反应器(3)，所述石墨化反应器(3)可接收所述定日镜阵列(1)聚光并加热所述石墨化反应器(3)内的煤粉以实现煤粉的催化石墨化。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，所述定日镜阵列(1)以接收塔(2)为圆心呈扇形状布置于所述定日镜场地。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，所述石墨化反应器(3)通过旋转控制机构安装于所述接收塔(2)的顶端。
4.根据权利要求3所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，所述旋转控制机构包括电机和转盘，所述转盘水平固定在所述接收塔(2)的顶端，所述电机的输出轴与转盘下表面的中心固定连接，所述转盘上表面与所述石墨化反应器(3)的底部固定连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，所述石墨化反应器(3)为金属导热材料制成的釜式反应器，所述石墨化反应器(3)的侧壁上设有进出料口(30)，所述进出料口(30)处密封连接有可启闭的门体，所述石墨化反应器(3)的内部设有用于放置煤及石墨化催化剂的筛板(31)，所述石墨化反应器(3)上还设置有惰性气体进口(33)或抽真空接口。
6.根据权利要求5所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的系统，其特征在于，所述石墨化反应器(3)的顶部还连通有排空管(34)，所述排空管(34)上设有可启闭的阀门。
7.一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其特征在于，使用权利要求1至6任一项所述的系统进行太阳能聚光催化石墨化，包括如下步骤:
S1.以煤粉及催化剂为反应原料(32)并将其加入至所述石墨化反应器(3)中，通入惰性气体或抽真空使所述石墨化反应器(3)中的反应原料(32)与空气隔绝；
S2.通过所述定日镜阵列(1)对所述石墨化反应器(3)进行聚光加热升温，升温至900-1600℃，反应1-3h，即完成石墨化反应，降温后将产物取出，纯化处理即得石墨材料。
8.根据权利要求7所述的一种利用太阳能聚光催化石墨化的方法，其特征在于，S1中煤粉与催化剂的质量比为5-20：1。
9.根据权利要求7所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其特征在于，S1中所述催化剂为Fe、Ni、Mn、Mg、Zn、Ca、W、Cu和B中至少一种元素的单质、氧化物及氯化物中的一种或多种的混合。
10.根据权利要求7至9任一项所述的一种利用太阳能聚光催化煤石墨化的方法，其特征在于，S2中聚光加热升温的速率为5-25℃/min。
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