CN112610953A - 一种火焰合成纳米颗粒的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料合成相关技术领域，其公开了火焰合成纳米颗粒的系统，系统包括燃烧器、筒状的燃烧室及多个稀释淬火装置；燃烧器的一端穿过燃烧室的底部后收容于燃烧室内，另一端位于燃烧室外部；多个稀释淬火装置分别设置在燃烧室的底部，且多个稀释淬火装置绕燃烧室的中心轴均匀排布；稀释淬火装置包括稀释气主管道及多个稀释气喷嘴，稀释气主管道的一端穿过燃烧室的底部后收容于燃烧室内，另一端位于燃烧室的外部；多个稀释气喷嘴沿稀释气主管道间隔设置，且稀释气喷嘴的喷射方向朝向火焰设置；稀释气喷嘴向火焰喷射稀释气，所示稀释气与火焰烟气混合来降低颗粒浓度和烟气温度。本发明能够控制颗粒浓度和高温停留时间，适用性较强。

Description

一种火焰合成纳米颗粒的系统

技术领域

本发明属于纳米材料合成相关技术领域，更具体地，涉及一种火焰合成纳米颗粒的系统。

背景技术

火焰合成是一种制备纳米颗粒的气相化学方法，与湿化学合成方法相比，最具有吸引力的优势是能够连续化生产、一步合成高纯度且粒径均匀的纳米颗粒，而且不产生废水及废渣。火焰合成通过高温反应流场的设计，对纳米材料的形貌结构和化学组分实现“自下而上”地调控，包括纳米颗粒/图聚体、纳米棒、纳米线、纳米管、纳米薄膜等。这些具有特定形状和性能的纳米结构在能源、环境、信息和生物医学领域具有很高的研究价值和应用前景。

针对纳米颗粒粒径和形貌的调控，关键在于颗粒产物的浓度和高温停留时间。一般来说，高浓度的颗粒经过长的高温停留时间会产生粗颗粒(大的初级粒径或者硬团聚体)。为了产生单分散的细颗粒，需要对火焰的流场进行设计，特别是颗粒浓度场和温度场。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种火焰合成纳米颗粒的系统，所述系统设置了稀释淬火装置，稀释淬火装置的进气可以是常温的压缩空气、氮气、氧气等，且稀释淬火装置的每个喷嘴都可以独立控制开启、喷射流速和流量，稀释气与火焰烟气混合以降低颗粒浓度和火焰温度。为了将颗粒浓度和火焰温度调节到合适的水平，稀释淬火装置的数量、喷嘴与火焰的距离、喷嘴开启的位置和数量、气体流速和流量、喷嘴与火焰轴向的角度、主管道布置方式、喷嘴分布规律等均进行了优化设计。同时，在燃烧室与颗粒过滤收集装置之间设置锥形的渐缩流道，让烟气加速流过，形成湍流冲刷管壁，减少颗粒沉积。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种火焰合成纳米颗粒的系统，所述系统包括燃烧器、燃烧室及多个稀释淬火装置，所述燃烧室呈筒状，其一端形成有开口，另一端封闭；所述燃烧器的一端穿过所述燃烧室的底部后收容于所述燃烧室内，另一端位于所述燃烧室外部；多个所述稀释淬火装置分别设置在所述燃烧室的底部，且多个所述稀释淬火装置绕所述燃烧室的中心轴均匀排布；

所述稀释淬火装置包括稀释气主管道及多个稀释气喷嘴，所述稀释气主管道的一端穿过所述燃烧室的底部后收容于所述燃烧室内，另一端位于所述燃烧室的外部；多个所述稀释气喷嘴沿所述稀释气主管道间隔设置，且所述稀释气喷嘴的喷射方向朝向火焰设置；

所述稀释气喷嘴向所述火焰喷射稀释气，所示稀释气与火焰烟气混合来降低颗粒浓度和烟气温度。

进一步地，所述系统还包括渐缩流道、颗粒过滤收集装置及尾气处理装置，所述渐缩流道呈喇叭形，其大端连接于所述燃烧室的开口，另一端连接于颗粒过滤收集装置，所述尾气处理装置连接于所述颗粒过滤收集装置。

进一步地，所述渐缩流道的内壁设置有第二防沉积气体喷射层。

进一步地，所述颗粒过滤收集装置为带脉冲反吹或者机械振打的布袋除尘器。

进一步地，所述燃烧室的内壁设置有第一防沉积气体喷射层，所述第一防沉积气体喷射层一方面防止颗粒在所述燃烧室内壁面沉积，另一方面对所述燃烧室及所述渐缩流道进行冷却。

进一步地，所述燃烧器位于所述燃烧室外部的一端设置有前驱体入口、燃气入口及助燃剂入口，所述前驱体入口、所述燃气入口及所述助燃剂入口分别用于供前驱体、燃气及助燃剂进入所述燃烧室。

进一步地，所述前驱体为液相前驱体或者气相前驱体。

进一步地，稀释气为常温的压缩空气、氮气或者氧气。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的火焰合成纳米颗粒的系统主要具有以下有益效果：

1.采用稀释淬火装置控制颗粒浓度和高温停留时间，可以通过优化稀释淬火装置的数量、气体喷射的位置、流量、流速将颗粒浓度和火焰温度调节到合适的水平，以满足不同类型功能纳米颗粒的制备要求。

2.燃烧室以及颗粒过滤收集装置之前的流道内壁设置防沉积气体喷射层，一方面防止颗粒在燃烧室内壁面沉积，另一方面对燃烧室和流道进行冷却。

3.燃烧室与颗粒过滤收集装置之间设置锥形的渐缩流道，让烟气加速流过，形成湍流冲刷管壁，减少颗粒沉积。

4.所述系统的结构紧凑，适用性较强，且可以适用于多种燃烧方式。

附图说明

图1是本发明提供的火焰合成纳米颗粒的系统的结构示意图；

图2是图1中的火焰合成纳米颗粒的系统的局部示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-燃烧器，1-1-前驱体入口，1-2-燃气入口，1-3-助燃剂入口，2-火焰，3-燃烧室，3-1-第一防沉积气体喷射层，4-稀释淬火装置，4-1-稀释气入口，4-2-稀释气主管道，4-3-稀释气喷嘴，5-渐缩流道，5-1-第二防沉积气体喷射层，6-颗粒过滤收集装置，7-尾气处理装置，8-引风机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的火焰合成纳米颗粒的系统，所述系统包括燃烧器1、燃烧室3、稀释淬火装置4、渐缩流道5、颗粒过滤收集装置6、尾气处理装置7及引风机8，所述燃烧室3为一端开口的圆筒形的箱体，所述燃烧器1的一端穿过所述燃烧室3的底部后收容于所述燃烧室3内，另一端位于所述燃烧室3的外部。所述渐缩流道5基本呈喇叭形，其大端连接于所述燃烧室3的开口，另一端通过管道连接于所述颗粒过滤收集装置6。所述尾气处理装置7连接所述颗粒过滤收集装置6及所述引风机8。多个所述稀释淬火装置4的一端分别穿过所述燃烧室3的底部后而收容于所述燃烧室3内，且多个所述稀释淬火装置4绕所述燃烧器1的中心轴均匀排布，所述燃烧器1的中心轴与所述燃烧室3的中心轴重合。

所述燃烧器1位于所述燃烧室3外部的一端设置有前驱体入口1-1、燃气入口1-2及助燃剂入口1-3，所述前驱体入口1-1、所述燃气入口1-2及所述助燃剂入口1-3分别用于供前驱体、燃气及助燃剂进入所述燃烧室3。

所述稀释淬火装置4包括稀释气主管道4-2及多个稀释气喷嘴4-3，所述稀释气主管道4-2的一端穿过所述燃烧室3的底部后收容于所述燃烧室3内，所述稀释气主管道4-2的另一端位于所述燃烧室3的外部且设置有稀释气入口4-1，所述稀释气入口4-1用于供稀释气进入所述稀释气主管道4-2，进而通过所述稀释气喷嘴4-3进入所述燃烧室3。多个所述稀释气喷嘴4-3间隔设置在所述稀释气主管道4-2上，且朝向火焰2设置。

所述燃烧室3的内壁设置有第一防沉积气体喷射层3-1，所述第一防沉积气体喷射层3-1一方面可以防止颗粒在所述燃烧室3内壁面沉积，另一方面对所述燃烧室3及所述渐缩流道5进行冷却。

所述渐缩流道5的内壁设置有第二防沉积气体喷射层5-1，所述第二防沉积气体喷射层5-1用于供烟气加速通过以形成湍流冲刷管壁，减少颗粒沉积。其中，所述稀释淬火装置4通过喷射稀释气以与火焰烟气混合来降低颗粒浓度和高温停留时间，以满足不同类型纳米颗粒的制备要求。

根据目标纳米颗粒的结构和组分，火焰合成可以采用气相前驱体或者液相前驱体进料，气相前驱体一般是易挥发金属盐，包括TiCl₄、SiCl₄、钛酸异丙酯、钛酸丁酯等；液相前驱体一般是易溶性金属盐，包括硝酸盐、有机盐等，溶剂一般是乙醇、二甲苯等液体燃料。如果采用气相前驱体进料，可以使用惰性气体(如氮气、氩气)作为载气将前驱体蒸汽送入燃烧器，采用的燃烧方式可以是扩散燃烧，也可以是预混燃烧，燃料可以是甲烷、氢气、合成气、石油气等，助燃剂可以是空气、氧气等。如果采用液相前驱体进料，采用的燃烧方式可以是喷雾燃烧。

前驱体、燃料、助燃剂在炭烧器内进行有组织的流动及混合后进入燃烧室发生燃烧以及化学反应。其中，燃烧室可以竖直、水平或者倾斜方式，内壁设的防沉积气体喷射层可以防止颗粒在燃烧室内壁面沉积以及对燃烧室进行冷却。燃烧室的尺寸和工作参数(直径、长度、防沉积气体流量和分布)需要根据纳米颗粒的产量进行缩放及优化。

火焰是纳米颗粒生成、生长及演变的关键流区，为了控制颗粒的浓度和高温停留时间，多个稀释气喷嘴的喷射方向一致，在燃烧室内，若干个(一般是三个以上)相同的稀释淬火装置环绕在燃烧器周围，以燃烧器为中心堆成均匀布置。每个稀释淬火装置的主管道与火焰的流动方向平行，稀释气喷嘴的喷射方向正对指向火焰(在火焰的一个横截面上的若干个稀释气喷嘴形成喷射平面)。稀释淬火装置的进气(稀释气)可以是常温的压缩空气、氮气、氧气等，每个稀释气喷嘴都可以独立控制开启、喷射流速和流量，使得稀释其喷射进入火焰，以降低颗粒浓度和火焰温度。

为了将颗粒浓度和火焰温度调节到合适的水平(温度不超过滤料的耐热温度、但要高于水汽露点)，需要对稀释淬火装置的数量、喷嘴与火焰的距离、喷嘴开启的位置和数量、气体流速和流量、喷嘴与火焰轴向的角度、主管道布置方式、喷嘴分布规律等进行优化。流速要能够使稀释气汇聚于火焰上，与火焰进行充分的混合。流量根据稀释冷却的目标浓度和温度来确定，一般可以按照气体绝热混合过程估算稀释气流量。

稀释冷却后的烟气通过锥形渐缩流道加速进入颗粒过滤收集装置，进而颗粒和气体分离，颗粒被收集起来，气体进入尾气处理装置，然后经过引风机或抽气泵等排出。锥形的渐缩流道内壁设置有防沉积气体喷射层，渐缩流道能够让烟气加速流过以形成湍流冲刷管壁，减少颗粒沉积。颗粒过滤收集装置可以是带脉冲反吹或机械振打的布袋除尘器，尾气处理装置要针对烟气气体成分设计吸收液和吸收方式，满足气体排放的环保要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：

所述系统包括燃烧器(1)、燃烧室(3)及多个稀释淬火装置(4)，所述燃烧室(3)呈筒状，其一端形成有开口，另一端封闭；所述燃烧器(1)的一端穿过所述燃烧室(3)的底部后收容于所述燃烧室(3)内，另一端位于所述燃烧室(3)外部；多个所述稀释淬火装置(4)分别设置在所述燃烧室(3)的底部，且多个所述稀释淬火装置(4)绕所述燃烧室(3)的中心轴均匀排布；

所述稀释淬火装置(4)包括稀释气主管道(4-2)及多个稀释气喷嘴(4-3)，所述稀释气主管道(4-2)的一端穿过所述燃烧室(3)的底部后收容于所述燃烧室(3)内，另一端位于所述燃烧室(3)的外部；多个所述稀释气喷嘴(4-3)沿所述稀释气主管道(4-2)间隔设置，且所述稀释气喷嘴(4-3)的喷射方向朝向火焰(2)设置；

所述稀释气喷嘴(4-3)向所述火焰(2)喷射稀释气，所示稀释气与火焰烟气混合来降低颗粒浓度和烟气温度。

2.如权利要求1所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述系统还包括渐缩流道(5)、颗粒过滤收集装置(6)及尾气处理装置(7)，所述渐缩流道(5)呈喇叭形，其大端连接于所述燃烧室(3)的开口，另一端连接于颗粒过滤收集装置(6)，所述尾气处理装置(7)连接于所述颗粒过滤收集装置(6)。

3.如权利要求2所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述渐缩流道(5)的内壁设置有第二防沉积气体喷射层(5-1)。

4.如权利要求2所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述颗粒过滤收集装置(6)为带脉冲反吹或者机械振打的布袋除尘器。

5.如权利要求2所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述燃烧室(3)的内壁设置有第一防沉积气体喷射层(3-1)，所述第一防沉积气体喷射层(3-1)一方面防止颗粒在所述燃烧室(3)内壁面沉积，另一方面对所述燃烧室(3)及所述渐缩流道(5)进行冷却。

6.如权利要求2所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述燃烧器(1)位于所述燃烧室(3)外部的一端设置有前驱体入口(1-1)、燃气入口(1-2)及助燃剂入口(1-3)，所述前驱体入口(1-1)、所述燃气入口(1-2)及所述助燃剂入口(1-3)分别用于供前驱体、燃气及助燃剂进入所述燃烧室(3)。

7.如权利要求6所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：所述前驱体为液相前驱体或者气相前驱体。

8.如权利要求1-7任一项所述的火焰合成纳米颗粒的系统，其特征在于：稀释气为常温的压缩空气、氮气或者氧气。

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