CN219631336U - 一种纳米多孔碳材料反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及多孔碳材料生产技术领域，公开了一种纳米多孔碳材料反应装置，包括高温反应炉、喷射装置和降温装置；其中，所述高温反应炉顶部设置有气体出口管路，底部设置有物料出口管路；所述喷射装置安装于所述高温反应炉内部，用于喷射碳粉体材料和活性气体；所述降温装置设置于所述气体出口管路和/或物料出口管路处，用于气体和/或物料的降温。本实用新型的纳米多孔碳材料反应装置能够有效对气体和物料进行降温，避免由于高温氧化导致炉体发生腐蚀的现象，保证了产品的纯净度。

Description

一种纳米多孔碳材料反应装置

技术领域

本实用新型涉及多孔碳材料生产技术领域，特别是涉及一种纳米多孔碳材料反应装置。

背景技术

近年来，在“双碳”目标背景倡导下，我国持续推进产业结构和能源结构调整，大力发展新能源逐渐成为科研工作者研究的核心之一。现如今各种便携电子设备和电动汽车快速发展，其动力系统对化学电源的需求迅速增加。在过去近十年中，各种新材料的不断涌现使新能源锂电或超级电容器的性能得到极大的提高。多孔碳材料由于比表面积高，化学性质稳定，价格低廉等优势，已逐步被成功应用于新能源行业。

多孔碳材料的制备方法包括物理活化法，一般是先将原料在500℃碳化，再用水蒸气或二氧化碳等气体在高温下进行活化。这种方法虽然对环境污染小、操作简单，但是现有技术中大部分是通过坩埚匣钵装载物料进行活化反应，效率低下，且仅限于实验室研究阶段，无法实现工业化批量、稳定生产；另外若采用连续工业生产的回转炉、耙式炉等设备，反应温度受限，且炉体长期与活性气体反应过程中会发生腐蚀产生锈渣，不可避免的会有杂质进入物料中，难以保证多孔碳材料的高纯净度要求。

因此，如何提供一种适于工业化生产的纳米多孔碳材料反应装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种纳米多孔碳材料反应装置，以解决现有反应装置只能应用于实验室，或者反应温度受限，炉体易发生腐蚀影响物料纯净度的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种纳米多孔碳材料反应装置，包括高温反应炉、喷射装置和降温装置；

其中，所述高温反应炉顶部设置有气体出口管路，底部设置有物料出口管路；所述喷射装置安装于所述高温反应炉内部，用于喷射碳粉体材料和活性气体；所述降温装置设置于所述气体出口管路和/或物料出口管路处，用于气体和/或物料的降温。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述喷射装置包括至少一组喷射组件；每组所述喷射组件均包括物料喷嘴与气体喷嘴；

其中，所述物料喷嘴安装于所述高温反应炉侧壁，用于向所述高温反应炉内喷射碳粉体材料；所述气体喷嘴安装于所述高温反应炉侧壁，且与所述物料喷嘴对称设置，用于向所述高温反应炉内喷射活性气体。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述物料喷嘴与所述气体喷嘴均包括高温部与低温部；

其中，所述高温部位于靠近所述高温反应炉中心一端；所述低温部与所述高温部可拆卸连接，且所述低温部位于远离所述高温反应炉中心一端；

进一步优选的，所述物料喷嘴与所述气体喷嘴均设置有一定的喷射角度，喷射角度范围以水平线为基准±90°。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述高温部为碳化硅/氮化硅复合材质；所述低温部为不锈钢材质；

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述高温反应炉包括外炉壳、保温层和耐高温层；

其中，所述保温层环绕设置于所述外炉壳内侧，用于保温隔热；所述耐高温层环绕设置于所述保温层内侧，用于为碳粉体材料与活性气体提供反应场所；

进一步优选的，所述高温部露出于所述耐高温层形成的反应腔内，所述低温部位于所述耐高温层形成的反应腔外侧。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述降温装置为水冷夹套，所述水冷夹套套设于所述气体出口管路和/或物料出口管路外侧；

进一步优选的，所述气体出口管路与所述物料出口管路均依次贯穿所述耐高温层、所述保温层、所述外炉壳。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，所述高温反应炉内插设有加热棒，且所述加热棒外侧套设有绝缘保护套。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，还包括气体处理装置，所述气体处理装置包括引风机、换热器、气体过滤器和气体收集装置；

其中，所述引风机与所述气体出口管路连通；所述换热器与所述引风机连通，通过引风机将所述气体出口管路排出的气体抽送至所述换热器，用于对排出的气体进行降温；所述气体过滤器与所述换热器连通，用于分离气体；所述气体收集装置与所述气体过滤器连接，用于接收分离后的气体。

进一步优选的，所述气体处理装置还包括过滤网，设置于所述气体出口管路顶部，用于气固分离。

优选的，在上述纳米多孔碳材料反应装置中，还包括预处理装置，所述预处理装置包括研磨机和真空输送泵；

其中，所述研磨机用于将碳材料预处理为碳粉体材料；所述真空输送泵，一端与所述研磨机连接、另一端连接至所述喷射装置，以将碳粉体材料通过所述喷射装置打进所述高温反应炉内。

本实用新型提供了一种纳米多孔碳材料反应装置与现有技术相比，其有益效果在于：

本实用新型的纳米多孔碳材料反应装置能够有效对气体和物料进行降温，避免由于高温氧化导致炉体发生腐蚀的现象，保证了产品的纯净度；

本实用新型对高温反应炉进行了高温区与保温区的设置，其中高温区采用特定的材质以为碳粉体材料和活性气体提供合适的反应场所，并且喷射装置随高温反应炉的设置方式进行了高温部与低温部两部分，在保证反应顺利进行的同时，可以有效降低设备成本，适于工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例纳米多孔碳材料反应装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例纳米多孔碳材料反应装置的部分结构示意图；

图3是图2中“A”的局部放大示意图。

在图中：

100－高温反应炉、110－外炉壳、120－保温层、130－耐高温层、140－加热棒、210－气体出口管路、220－物料出口管路、300－喷射装置、310－物料喷嘴、320－气体喷嘴、321－高温部、322－低温部、400－冷却塔、500－水冷夹套、600－惰性气体系统、710－引风机、720－换热器、730－气体过滤器、740－气体收集装置、750－过滤网、800－产品收集装置、810－活性气体储罐、910－原料罐、920－研磨机、930－真空输送泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种纳米多孔碳材料反应装置，包括高温反应炉100、喷射装置300和降温装置；

其中，高温反应炉100顶部设置有气体出口管路210，底部设置有物料出口管路220；喷射装置300安装于高温反应炉100内部，用于喷射碳粉体材料和活性气体，活性气体储存于活性气体储罐810中；降温装置设置于气体出口管路210和/或物料出口管路220处，用于气体和/或物料的降温。

在本实用新型的一些实施例中，喷射装置300包括至少一组喷射组件；每组喷射组件均包括物料喷嘴310与气体喷嘴320，分别将碳粉体材料和活性气体通过喷嘴通入高温反应炉100中，物料与活性气体在高温反应炉100中进行高速碰撞反应；优选的，喷射组件设置有多对，比如可以设置四对，其中两用两备，避免喷射组件损坏影响工作效率。

具体的，物料喷嘴310安装于高温反应炉100侧壁，用于向高温反应炉100内喷射碳粉体材料；气体喷嘴320安装于高温反应炉100侧壁，且与物料喷嘴310对称设置，用于向高温反应炉100内喷射活性气体，其中活性气体包括氢气、氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、饱和水蒸汽中的任意一种或多种的混合气体，活性气体通过体积/质量流量计精准控制流速，再进入高温反应炉100参与反应。

进一步地，参照图3所示，物料喷嘴310与气体喷嘴320均包括高温部321与低温部322；其中，高温部321位于靠近高温反应炉100中心一端；低温部322与高温部321可拆卸连接，且低温部322位于远离高温反应炉100中心一端；高温部321和低温部322的连接方式可以为螺纹连接或者卡接等方式，对此不进行特殊限定；优选的，高温部321为碳化硅/氮化硅复合材质，既耐高温氧化侵蚀又能够保证物料的高纯净度要求；低温部322为不锈钢材质，例如可以为316L不锈钢，耐温600℃以下；

更进一步地，物料喷嘴310与气体喷嘴320在高温反应炉100内均设置有一定的喷射角度，喷射角度范围以水平线为基准±90°，以获取不同物料与活性气体间的喷射反应效果及物料在反应室中的停留反应时间。

如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，在本实用新型的一些实施例中，高温反应炉100包括外炉壳110、保温层120和耐高温层130；

其中，外炉壳110可以采用不锈钢材质，且外炉壳110内设置有电子元件及电气路，电子元件及电气路均由冷却塔400提供循环冷却水进行保护，避免温度过高损坏电子元件及电气路；保温层120环绕设置于外炉壳110内侧，例如可以为纤维保温层，用于保温隔热，需要注意的是纤维保温层采用市面常规纤维保温材料即可，不进行特殊限定；耐高温层130环绕设置于保温层120内侧，用于为碳粉体材料与活性气体提供反应场所，且耐高温层130可以选择为碳化硅复合材质，通过耐高温氧化的陶瓷紧固件与保温层120固定连接。

进一步地，环绕于保温层120内侧的耐高温层130形成的反应腔作为碳粉体材料与活性气体反应的反应场所，喷嘴的高温部321露出于耐高温层130形成的反应腔内，低温部322位于耐高温层130形成的反应腔外侧，即低温部322整体固定于外炉壳110和/或保温层120处。

更进一步地，高温反应炉100内插设有加热棒140，且加热棒140外侧套设有绝缘保护套，避免加热棒140与导电性物料直接接触反应，提供稳定的温度场；可选的，加热棒140为电加热棒，例如硅钼棒，且电加热棒垂直插入高温反应炉100内。

在本实用新型的一些实施例中，降温装置为水冷夹套500，水冷夹套500套设于气体出口管路210和/或物料出口管路220外侧，可以起到为排出的气体以及物料降温的效果；优选的，气体出口管路210与物料出口管路220均依次贯穿耐高温层130、保温层120、外炉壳110。

在本实用新型的一些实施例中，还包括惰性气体系统600，与高温反应炉100连通，以向高温反应炉100内通入惰性气体，如图1中粗箭头所示为惰性气体的流动方向。

可以理解的，多孔碳材料与活性气体反应后，大部分物料产品会在重力作用下沉降至高温反应炉100底部出口处，通过物料出口管路220将产品收集至产品收集装置800；在高温炉底部位置，通入惰性气体，上方斜向下气路起到降温效果，同时促进物料下沉，下方平行气路起到物料降温效果的同时，保护炭黑物料在高温条件下不再参与额外的氧化反应，即物料降温效果可以通过水冷夹套500和/或惰性气体实现。

在本实用新型的一些实施例中，还包括气体处理装置，气体处理装置包括引风机710、换热器720、气体过滤器730和气体收集装置740；

其中，引风机710与气体出口管路210连通；换热器720与引风机710连通，通过引风机710将气体出口管路210排出的气体抽送至换热器720，用于对排出的气体进行降温；气体过滤器730与换热器720连通，用于分离气体，去除气体中极少量的粉体物料，气体过滤器730例如可以为袋滤器；气体收集装置740与气体过滤器730连接，用于接收分离后的气体，对收集后的尾气进行燃烧处理；另外气体过滤器730还连接至产品收集装置800，以将经过气体过滤器730处理后得到的少量粉体物料进行收集。

进一步地，气体处理装置还包括过滤网750，由于引风机710抽送气体过程中不可避免的会带入微量碳粉体材料，因此在气体出口管路210顶部设置一道过滤网750，用于气固分离，其中过滤网750需要根据使用情况进行定期更换。由于排出高温反应炉100的气体经过了过滤网750和气体过滤器730的双重过滤，可以有效保证气固分离效果，且方便粉体物料的收集。

更进一步地，惰性气体系统600连通至高温反应炉100顶部，以将惰性气体通入高温反应炉100顶部位置，一方面起到尾气降温效果，另一方面可以保护多孔碳材料在高温条件下不参与额外的氧化反应。

可以理解的，本实用新型对于尾气的处理设置了多重降温方案，其一是在气体出口管路210设置循环水冷夹套500，起到降温效果，将气体温度降低至500℃以下，其二在引风机710后设置换热器720，起到第二步的降温效果，可以将气体温度降低至150℃以下，且惰性气体在一定程度上也起到了降温的效果；经过对气体尾气的多重降温处理，可以防止排出气体温度过高，避免对引风机710及气体过滤器730造成损伤，延长设备的使用寿命。

在本实用新型的一些实施例中，还包括预处理装置，预处理装置包括研磨机920和真空输送泵930；

其中，研磨机920与用于储存多孔碳材料的原料罐910连通，用于将多孔碳材料预处理为碳粉体材料；真空输送泵930一端与研磨机920连接，以将碳材料研磨为粉体状态，另一端连接至喷射装置300，以将碳粉体材料通过物料喷嘴310打进高温反应炉100的反应腔内。

进一步地，真空输送泵930后设置有计量计或流量计，用于控制碳粉体材料的进料量或进料速率。

本实用新型纳米多孔碳材料反应装置的工作流程如下：

原料罐910将多孔碳材料输送至研磨机920中进行研磨处理，将碳材料预处理为碳粉体材料，然后将碳粉体材料经真空输送泵930、物料喷嘴310打入高温反应炉100的反应腔，同时活性气体通过气体喷嘴320喷入高温反应炉100的反应腔中，与碳粉体材料进行高速碰撞反应；

碳粉体材料与活性气体反应后产生的反应气体通过惰性气体、水冷夹套500初步降温，经顶部的气体出口管路210、过滤网750后，通过引风机710抽送至换热器720，再经气体过滤器730处理后分离气体，最终尾气进入气体收集装置740，进行后续处理，经气体过滤器730处理后分离的粉体进入产品收集装置800；

碳粉体材料与活性气体反应后的物料产品在重力作用下沉降至高温反应炉100底部出口处，经惰性气体、水冷夹套500降温后，物料产品通过物料出口管路220收集至产品收集装置800。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，包括：

高温反应炉，顶部设置有气体出口管路，底部设置有物料出口管路；

喷射装置，安装于所述高温反应炉内部，用于喷射碳粉体材料和活性气体；

降温装置，设置于所述气体出口管路和/或物料出口管路处，用于气体和/或物料的降温。

2.根据权利要求1所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述喷射装置包括至少一组喷射组件；每组所述喷射组件均包括：

物料喷嘴，安装于所述高温反应炉侧壁，用于向所述高温反应炉内喷射碳粉体材料；

气体喷嘴，安装于所述高温反应炉侧壁，且与所述物料喷嘴对称设置，用于向所述高温反应炉内喷射活性气体。

3.根据权利要求2所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述物料喷嘴与所述气体喷嘴均包括：

高温部，位于靠近所述高温反应炉中心一端；

低温部，与所述高温部可拆卸连接，且所述低温部位于远离所述高温反应炉中心一端。

4.根据权利要求3所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述高温部为碳化硅/氮化硅复合材质；所述低温部为不锈钢材质；

和/或所述物料喷嘴与所述气体喷嘴均设置有一定的喷射角度，喷射角度范围以水平线为基准±90°。

5.根据权利要求3所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述高温反应炉包括：

外炉壳；

保温层，环绕设置于所述外炉壳内侧，用于保温隔热；

耐高温层，环绕设置于所述保温层内侧，用于为碳粉体材料与活性气体提供反应场所；且所述高温部露出于所述耐高温层形成的反应腔内，所述低温部位于所述耐高温层形成的反应腔外侧。

6.根据权利要求5所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述降温装置为水冷夹套，所述水冷夹套套设于所述气体出口管路和/或物料出口管路外侧；

所述气体出口管路与所述物料出口管路均依次贯穿所述耐高温层、所述保温层、所述外炉壳。

7.根据权利要求1所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述高温反应炉内插设有加热棒，且所述加热棒外侧套设有绝缘保护套。

8.根据权利要求1－7任一项所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，还包括气体处理装置，所述气体处理装置包括：

引风机，与所述气体出口管路连通；

换热器，与所述引风机连通，通过引风机将所述气体出口管路排出的气体抽送至所述换热器，用于对排出的气体进行降温；

气体过滤器，与所述换热器连通，用于分离气体；

气体收集装置，与所述气体过滤器连接，用于接收分离后的气体。

9.根据权利要求8所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，所述气体处理装置还包括过滤网，设置于所述气体出口管路顶部，用于气固分离。

10.根据权利要求1－7任一项所述的纳米多孔碳材料反应装置，其特征在于，还包括预处理装置，所述预处理装置包括：

研磨机，用于将碳材料预处理为碳粉体材料；

真空输送泵，一端与所述研磨机连接、另一端连接至所述喷射装置，以将碳粉体材料通过所述喷射装置打进所述高温反应炉内。