CN109650389A - 一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉及工艺。将燃料气和空气分别通入到进气管，两股气流经过交叉喷射器交叉喷射到裂解室中，两者混合燃烧为裂解室提供热源；达到预定温度后，一次氮源喷嘴喷出氮源溶液，原料油喷嘴喷出原料液油，两者交叉混合，在高温下充分裂解；在裂解的同时，生成的炭与氮源在高温下反应，实现第一次掺氮；生成的炭随着废气进入到收集室，与从二次氮源喷嘴喷出的氮源溶液进行二次掺氮；在收集室内，不同品质的活性炭被收集到不同的回收仓中。本发明设备可同时实现高性能活性炭的制备和氮掺杂，不仅工艺方法简单，而且还可以收集到不同质量的活性炭，在高性能超级电容器用活性炭领域具有巨大的推广应用潜力。

Description

一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉及工艺

技术领域

本发明涉及一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉及工艺，属于超级电容器用活性炭生产领域。

背景技术

双电层电容器也称超级电容器，是利用活性炭等碳素材料与电解质界面间形成的双电层来储存电荷的新型蓄能原件。它具备电诱导型电容器和二次电池的中间特性。

近几年发展起来的超级电容器，既具有传统物理电容的高比功率和循环性，又具有化学电源的高比能量特性，所以，它既能满足高比功率的使用条件，又能满足高比能量的使用条件。由于超级电容器具有优良的脉冲充放电性能以及传统物理电容所不具有的大容量储能性能，在高能脉冲激光器的应用中已经引起了人们的广泛关注。同时，因其存储能量大、质量轻、可无限次充放电而被人们用作计算机系统和无限电通讯设备的备用电源。

在超级电容器的各种电极材料中，价格低廉的活性炭材料是应用最广泛也是技术最成熟的一类。活性炭材料具有优良的导热性能和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，弹性模量不高。可通过不同方法制得粉末、块状、纤维、布等多种形态，同时还拥有多种同素异形体（如石墨、金刚石、富勒烯），也可因石墨化程度的不同而具有不同的空间结构，故被广泛用于电化学领域中作电极材料。

含氮炭材料具有独特的光学、力学、电学特性，含氮碳纳米管、纳米纤维和各种孔结构的炭材料相继被开发出来，此外氮掺杂炭材料储氢、场发射性能方面得到明显提高，氮掺杂多孔炭材料具有诸多优势，引起人们广泛关注。

如中国专利CN 102181178 A公开了一种4万吨硬质炭黑反应炉及其炭黑生产工艺，通过改造燃烧室和喉管段，使得温度分布更加均匀，提高了炭黑生产的质量，但这增加了燃烧室和喉管段的体积，容易造成热量大量流失；如中国专利CN 108559314 A公开了一种高效炭黑炉，通过进风装置输入足够多的空气，并预先提升空气的温度，通过原料油输送装置的作用输入雾化充分，并预先提升原料油的温度，再加上反应炉中的燃烧温度保证在1200℃～1900℃的范围，但其设备设计的过于抽象复杂，难以在工业上实现。

发明内容

本发明旨在提供一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉及工艺，可同时实现高性能活性炭的制备和氮掺杂，不仅工艺方法简单，而且还可以收集到不同质量的活性炭，在高性能超级电容器用活性炭领域具有巨大的推广应用潜力。

本发明反应炉包括裂解室和收集室，在高温下，裂解室的原料油和一次氮源同时喷出，原料油裂解为小颗粒炭，一次氮源分解为小颗粒氮源，在高温、焙烧、混合的作用下，氮源会负载到小颗粒炭上，然后随着废气扩散到收集室，在氨水的喷淋作用下，氨水分子与已附着氮源的小颗粒炭接触混合，强化了氮源在小颗粒炭上的负载，最后把落入到不同回收板上的产物收集起来以供不同需求使用。

本发明提供了一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，包括裂解室和收集室，裂解室入口段为圆柱体结构，出口段为渐缩状，出口段外部为圆台形结构；圆台的末端通过圆管连接收集室，裂解室左端中心入口处设有燃料气进管和空气进管，在进气管的末端连接有交叉喷射器，交叉喷射器位于裂解室入口段内部；在裂解室侧壁上排列着若干个一次氮源喷嘴和原料油喷嘴；

收集室整体为竖截面为直角梯形的结构，由上部的半个圆台和下部的长方体平滑过渡组合而成，在其上部圆台的内壁上排列着若干个二次氮源喷嘴，底部排列着若干块回收板，两块回收板为一组，每组回收板下部对应设有回收仓；收集室右端中心处设有废气出口。

上述的反应炉，所述燃料气进管、空气进管和交叉喷射器为一个整体，相当于燃料喷枪，能左右移动，以满足不同的喷料需求。

上述的反应炉，所述交叉喷射器上有若干个喷嘴，分为两组，分别位于燃料气进管、空气进管的末端，喷嘴方向与水平方向成0°—45°，所喷出的气流与一次氮源和原料油汇聚到一点。

上述的反应炉，所述裂解室侧壁上的一次氮源喷嘴和原料油喷嘴在裂解室出口段依次间隔排列设置；间隔距离为1～2mm；二者在圆周方向上也是间隔排列，间隔的弧面对应圆心角为10°；一次氮源喷嘴和原料油喷嘴分别与设置在外部的原料管路与喷嘴相连接。且喷嘴均与裂解室侧壁有一定的倾斜角度，倾斜角度为0°-60°，喷射方向指向于同一方向，与交叉喷射器的气流方向汇聚在一点。

上述的反应炉，所述收集室上部侧壁上的二次氮源喷嘴依次排列，在水平方向上距离为1～3mm，在圆周方向上间隔的弧面对应圆心角为10°～20°。

上述的反应炉，所述回收板的长度为1～2m，每组回收板经过1～5分钟发间隔会向下打开，每个回收板向下旋转45°，与对应回收仓的斜侧边相贴合。

本发明提供了一种生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，采用上述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，具体包括以下步骤：将燃料、空气分别通入到各自的进气管，两股气流经过交叉喷射器喷射到裂解室中，燃料气、空气充分混合，经燃烧后为裂解室提供热源；同时达到预定温度200℃后，一次氮源喷嘴喷出氮源溶液，原料油喷嘴喷出原料液油，两者交叉混合在210℃～400℃下充分裂解；在裂解的同时，生成的不同粒径的炭与氮源也在高温混合的条件下反应，实现了第一次掺氮；裂解室中生成的炭随着废气扩散进入到了收集室，此时，与从二次氮源喷嘴喷出的氮源溶液进行二次掺氮，并与高温废气混合，冷却降温；在收集室内，裂解后的炭颗粒有大有小，导致颗粒随废气扩散的距离不同，最后不同品质的活性炭落入到不同的回收板上，进而被收集到相应的回收仓中。

上述的工艺，所述一次氮源喷嘴喷出的氮源溶液为含氮杂环的有机化合物溶液，包括三聚氰胺粉或三聚氰胺溶液；所述二次氮源喷嘴喷出的氮源溶液为氨水。

上述工艺中，所述原料油喷嘴喷出的原料液油为环状碳氢化合物，包括蒽、菲、萘中的一种。

上述工艺中，所述空气进管处设有空分机，分离出氧气，通过空气进管进入裂解室中。

本发明的有益效果：

（1）本发明中的甲烷和空气，一次氮源溶液和原料液油，在交叉喷射器和裂解室中喷嘴的作用下，都实现了交叉喷射，使气体、液体都能充分混合，充分利用，减少了对于原料的浪费。

（2）本发明中在裂解室进行了一次掺氮，在收集室进行了二次掺氮，两次掺氮均采用了氮含量较高的氮源，且一次掺氮在高温的条件下，这都确保了氮真正地掺杂。同时，二次掺氮的氮源溶液还起到对废气冷却的作用。

（3）本发明中由于产生的炭的粒径不同，被废气扩散所带走距离也不同，分为若干种类型，落到不同类型的回收板上，再经过固定时间间隔，落到对应回收仓内，实现对不同粒径的炭的有效分离回收。

附图说明

图1是本发明生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉结构示意图。

图2是本发明中交叉喷射器的结构示意图。

图中标记是：1-燃料气进管，2-空气进管，3-裂解室，4-一次氮源喷嘴，5-原料油喷嘴，6-二次氮源喷嘴，7-回收板，8-回收仓，9-交叉喷射器，10-收集室，11-燃料喷嘴，12-空气喷嘴，13-气流，14-一次氮源，15-原料油。

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1：

如图1~2所示，一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，包括裂解室3和收集室10，裂解室3入口段为圆柱体结构，出口段为渐缩状，出口段外部为圆台形结构；圆台的末端通过圆管连接收集室10，裂解室3左端中心入口处设有燃料气进管1和空气进管2，在进气管的末端连接有交叉喷射器9，交叉喷射器9位于裂解室3入口段内部；在裂解室3侧壁上排列着若干个一次氮源喷嘴4和原料油喷嘴5；

收集室10整体为竖截面为直角梯形的结构，由上部的半个圆台和下部的长方体平滑过渡组合而成，在其上部圆台的内壁上排列着若干个二次氮源喷嘴6，底部排列着若干块回收板7，两块回收板7为一组，每组回收板下部对应设有回收仓8；收集室10右端中心处设有废气出口。

上述的反应炉，所述燃料气进管1、空气进管2和交叉喷射器9为一个整体，相当于燃料喷枪，能左右移动，以满足不同的喷料需求。

上述的反应炉，所述交叉喷射器9上有若干个喷嘴，分为两组，分别位于燃料气进管1、空气进管2的末端，喷嘴方向与水平方向成0°—45°，所喷出的气流与一次氮源和原料油汇聚到一点。

上述的反应炉，所述裂解室3侧壁上的一次氮源喷嘴4和原料油喷嘴5在裂解室3出口段依次间隔排列设置；间隔距离为1～2mm；二者在圆周方向上也是间隔排列，间隔的弧面对应圆心角为10°；一次氮源喷嘴和原料油喷嘴分别与设置在外部的原料管路与喷嘴相连接。且喷嘴均与裂解室侧壁有一定的倾斜角度，倾斜角度为0°-60°，喷射方向指向于同一方向，与交叉喷射器的气流方向汇聚在一点。

上述的反应炉，所述收集室10上部侧壁上的二次氮源喷嘴6依次排列，在水平方向上距离为1～3mm，在圆周方向上间隔的弧面对应圆心角为10°～20°。

上述的反应炉，所述回收板7的长度为1～2m，每组回收板7经过1～5分钟发间隔会向下打开，每个回收板7向下旋转45°，与对应回收仓8的斜侧边相贴合。

本发明还提供了一种生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，采用上述装置，具体包括以下步骤：将燃料、空气分别通入到各自的进气管，两股气流13经过交叉喷射器9喷射到裂解室中，燃料气、空气充分混合，经燃烧后为裂解室3提供热源；同时达到预定温度200℃后，一次氮源喷嘴4喷出氮源溶液，原料油喷嘴5喷出原料液油，两者交叉混合在210℃～400℃下充分裂解；在裂解的同时，生成的不同粒径的炭与氮源也在高温混合的条件下反应，实现了第一次掺氮；裂解室3中生成的炭随着废气扩散进入到了收集室，此时，与从二次氮源喷嘴6喷出的氮源溶液进行二次掺氮，并与高温废气混合，冷却降温；在收集室内，裂解后的炭颗粒有大有小，导致颗粒随废气扩散的距离不同，最后不同品质的活性炭落入到不同的回收板7上，进而被收集到相应的回收仓8中。

上述空气进口处可以加一台空分机，向进气管中通入氧气。

上述工艺中，所述一次氮源喷嘴4喷出的氮源溶液为含氮杂环的有机化合物溶液，包括三聚氰胺粉或三聚氰胺溶液。

上述工艺中，所述原料油喷嘴5喷出的原料液油为环状碳氢化合物，包括蒽、菲、萘中的一种。

上述工艺中，所述二次氮源喷嘴6喷出的氮源溶液为氨水。

Claims (10)

1.一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，包括裂解室和收集室，其特征在于：裂解室入口段为圆柱体结构，出口段为渐缩状，出口段外部为圆台形结构；圆台的末端通过圆管连接收集室，裂解室左端中心入口处设有燃料气进管和空气进管，在进气管的末端连接有交叉喷射器，交叉喷射器位于裂解室入口段内部；在裂解室侧壁上排列着若干个一次氮源喷嘴和原料油喷嘴；

收集室整体为竖截面为直角梯形的结构，收集室以中间管路为界限，由上部的半个圆台和下部的长方体平滑过渡组合而成，在其上部圆台的内壁上排列着若干个二次氮源喷嘴，底部排列着若干块回收板，两块回收板为一组，每组回收板下部对应设有回收仓；收集室右端中心处设有废气出口。

2.如权利要求1所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：所述燃料气进管、空气进管和交叉喷射器为一个整体，相当于燃料喷枪，能左右移动，以满足不同的喷料需求。

3.如权利要求2所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：所述交叉喷射器上有若干个喷嘴，分为两组，分别位于燃料气进管、空气进管的末端，喷嘴方向与水平方向成0°—45°，所喷出的气流与一次氮源和原料油汇聚到一点。

4.如权利要求1所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：所述裂解室侧壁上的一次氮源喷嘴和原料油喷嘴在裂解室出口段依次间隔排列设置，间隔距离为1～2mm；二者在圆周方向上也是间隔排列，间隔的弧面对应圆心角为10°；一次氮源喷嘴和原料油喷嘴分别与设置在外部的原料管路与喷嘴相连接，且喷嘴均与裂解室侧壁有一定的倾斜角度，倾斜角度为0°-60°，喷射方向指向于同一方向，与交叉喷射器的气流方向汇聚在一点。

5.如权利要求1所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：所述收集室上部侧壁上的二次氮源喷嘴依次排列，在水平方向上距离为1～3mm，在圆周方向上间隔的弧面对应圆心角为10°～20°。

6.如权利要求1所述的一种生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：所述回收板的长度为1～2m，每组回收板经过1～5分钟发间隔会向下打开，每个回收板向下旋转45°，与对应回收仓的斜侧边相贴合。

7.一种生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，采用权利要求1~6任一项所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的反应炉，其特征在于：包括以下步骤：将燃料气、空气分别通入到各自的进气管，两股气流经过交叉喷射器喷射到裂解室中，燃料气、空气充分混合，经燃烧后为裂解室提供热源；同时达到预定温度200℃后，一次氮源喷嘴喷出氮源溶液，原料油喷嘴喷出原料液油，两者交叉混合在210℃～400℃下充分裂解；在裂解的同时，生成的不同粒径的炭与氮源也在高温混合的条件下反应，实现了第一次掺氮；裂解室中生成的炭随着废气扩散进入到了收集室，此时，与从二次氮源喷嘴喷出的氮源溶液进行二次掺氮，并与高温废气混合，冷却降温；在收集室内，裂解后的炭颗粒有大有小，导致颗粒随废气扩散的距离不同，最后不同品质的活性炭落入到不同的回收板上，进而被收集到相应的回收仓中。

8.如权利要求7所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，其特征在于：所述一次氮源喷嘴喷出的氮源溶液为含氮杂环的有机化合物溶液，包括三聚氰胺粉或三聚氰胺溶液；所述二次氮源喷嘴喷出的氮源溶液为氨水。

9.如权利要求7所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，其特征在于：所述原料油喷嘴喷出的原料液油为环状碳氢化合物，包括蒽、菲、萘中的一种。

10.如权利要求7所述的生产超级电容器用掺氮活性炭的工艺，其特征在于：所述空气进管处设有空分机，分离出氧气，通过空气进管进入裂解室中。