JP4869325B2

JP4869325B2 - ナノカーボン製造装置

Info

Publication number: JP4869325B2
Application number: JP2008318716A
Authority: JP
Inventors: 勝記井手; 英一杉山; 英武仕入; 幸司林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010138054A

Description

本発明は、有用性の高い繊維状のナノカーボン例えばカーボンナノチューブを効率的に製造するナノカーボン製造装置に関する。

カーボンナノチューブの生成法には、アーク放電法、レーザー蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）などが挙げられる。
アーク放電法は、正負のグラファイト電極間にアーク放電を起こすことでグラファイトが蒸発し、陰極先端に凝縮したカーボンの堆積物の中にカーボンナノチューブが生成される方法である（例えば、特許文献１参照）。レーザー蒸着法は、高温に過熱した不活性ガス中に金属触媒を混合したグラファイト試料を入れ、レーザー照射することによりカーボンナノチューブを生成する方法である（例えば、特許文献２参照）。

一般に、上記アーク放電法やレーザー蒸発法では結晶性の良いカーボンナノチューブが生成できるが、生成するカーボンナノチューブの量が少なく大量生成に難しいと言われている。
ＣＶＤ法には、反応炉の中に配置した基板にカーボンナノチューブを生成させる気相成長基板法(例えば、特許文献３参照)と、触媒金属と炭素源を一緒に高温の炉に流動させカーボンナノチューブを生成する流動気相法(例えば、特許文献４参照)の二つの方法がある。

しかし、上記気相成長基板法は、バッジ処理であるので大量生産が難しい。また、流動気相法は、温度の均一性が低く結晶性の良いカーボンナノチューブを生成するのが難しいとされている。さらに、流動気相法の発展型として、高温の炉の中に、触媒兼用流動材で流動層を形成し、炭素原料を供給して繊維状のナノカーボンを生成する方法も提案されている。しかし、炉内の温度の均一性が低く結晶性の良いカーボンナノチューブを生成するのが難しいと考えられる。

しかして、純度及び安定性の高いカーボンナノチューブを低コストで効率よく量産することができるようになれば、カーボンナノチューブの特性を生かしたナノテクノロジー製品を低コストで大量に供給することが可能になる。
特開２０００−９５５０９号公報特開平１０−２７３３０８号公報特開２０００−８６２１７号公報特開２００３−３４２８４０号公報

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、純度および安定性の高い高機能のナノカーボンを低コストで効率よく量産することができるナノカーボン製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係るナノカーボン製造装置は、内側に耐火材を配置するとともに外側に断熱材を配置した筐体と、この筐体内部に最上段，中段，最下段に順次配置された、熱分解炉，カーボン生成炉及び燃焼炉とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、純度および安定性の高い高機能のナノカーボンを低コストで効率よく量産することができる。

以下、本発明のナノカーボン製造装置について更に詳しく説明する。
（１）上述したように、本発明に係るナノカーボン製造装置は、筐体と、この筐体内部に最上段，中段，最下段に順次配置された、熱分解炉，カーボン生成炉及び燃焼炉とを備えている。こうした構成によれば、熱分解炉、カーボン生成炉及び燃焼炉を個別に配置した場合に比べてコンパクトな構成のナノカーボン製造装置を実現できる。
（２）上記（１）の熱分解炉としては、前記筐体に固定された熱分解炉ドラムと、このドラム内に配置された移送スクリューと、前記熱分解炉ドラム内に原料を投入する原料投入装置とを具備した間接外部加熱型であり、被処理物を移動しながら還元雰囲気で炭化処理してナノカーボンの原料を生成する構成である場合が挙げられる。

（３）上記（１）又は（２）において、炭化物は前記燃焼炉で燃焼し、燃焼ガスを前記熱分解炉及びカーボン生成炉の夫々の熱源として用いる構成であることが好ましい。こうした構成の場合、燃焼炉で発生する高温の燃焼ガスは、断熱構造の筐体内での熱移動となるため、熱ロスの低減を図ることができる。
（４）上記（１）〜（３）において、前記熱分解炉と前記カーボン生成炉は両者間の距離が最短となる配管で接続し、熱分解炉で発生した炭化水素を含む熱分解ガスを前記配管によりカーボン生成炉に送り、ナノカーボン生成の原料ガスとする構成であることが好ましい。こうした構成にすることにより、熱分解ガスを有効に利用することができ、ナノカーボンの生成効率を上げることができる。

（５）上記（１）〜（４）において、前記筐体に、前記カーボン生成炉内に触媒金属を注入する注入手段を設けることが好ましい。こうした構成にすることにより、カーボン生成炉内に配置する生成板にナノカーボンを生成することができる。この場合、触媒金属としては例えば鉄粉等が挙げられる。
（６）上記（１）〜（５）において、前記燃焼炉は前記カーボン生成炉から出る反応残ガスと炭化物と補助燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを前記カーボン生成炉及び熱分解炉の熱源とする構成であることが好ましい。こうした構成にすることにより、燃焼炉で発生した燃焼ガスをカーボン生成炉及び熱分解炉の熱源として有効利用することができる。

(７)上記（１）〜（６）において、前記筐体に設けられた、前記熱分解炉と前記カーボン生成炉間の領域、及び前記カーボン生成炉と燃焼炉間の領域に希釈空気を導入するための空気導入手段と、前記両領域に設けられた、前記希釈空気の流動を調整するための流動調整板とを更に備えていることが好ましい。こうした構成では、流動調整板により燃焼炉からカーボン生成炉へ供給される燃焼ガス、およびカーボン生成炉から熱分解炉へ供給される燃焼ガスの流動を調節して、カーボン生成炉や熱分解炉に必要な温度分布を作ることができ、燃焼ガスを有効に利用することができる。

次に、本発明の一実施形態に係るナノカーボン製造装置について図１を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
本実施形態に係るナノカーボン製造装置は、筐体１と、この筐体１内部で最上段，中段及び最下段に順次配置された、熱分解炉２，カーボン生成炉３及び燃焼炉４とを備えている。前記筐体１は、内側に耐火材５を配置するとともに外側に断熱材（図示せず）を配置した構成になっている。

前記熱分解炉２は間接外部加熱型であり、前記筐体１に固定された熱分解炉ドラム６と、この熱分解炉ドラム６内に配置された熱分解残渣移送スクリュー（以下、移送スクリューと呼ぶ）７と、熱分解炉ドラム６内に原料を投入する原料投入装置８とを具備し、被処理物を移動しながら還元雰囲気で炭化処理してナノカーボンの原料を生成する構成になっている。前記熱分解炉２には、該熱分解炉２内の圧力を測定するための圧力計９が配置されている。前記移送スクリュー７は、駆動モータ１０により駆動する。

前記原料投入装置８は、バイオマス（木、竹等），汚泥，廃棄物等の炭化水素を含む原料１１を投入するためのホッパー１２と、このホッパー１２の下部側に配置されて原料９を熱分解炉ドラム６に送るための投入スクリュー１３と、この投入スクリュー１３を駆動するための駆動モータ１４から構成されている。

前記カーボン生成炉３は、カーボン生成炉容器１５と、カーボン移送手段１６と、カーボン生成炉容器１５内に触媒を供給するための触媒供給手段１７と、カーボン生成炉容器１５内に配置された複数の生成板１８とを備えている。
前記カーボン移送手段１６は、カーボン生成炉容器１５に連通したケーシング１９と、このケーシング１９及びカーボン生成炉容器１５内に配置された移送スクリュー２０と、この移送スクリュー２０を駆動する駆動モータ２１と、前記ケーシング１９に接続する配管２２に介装されたロータリーバルブ２３と、カーボン生成炉容器１５に連通する反応残ガス配管２４を備えている。カーボン生成炉容器１５内のカーボン生成室２５の温度は、温度計２６により計測される。

前記燃焼炉４は、燃焼炉容器２７と、熱分解残渣投入装置２８と、焼却残渣排出装置２９と、補助バーナ３０とを備えている。前記熱分解残渣投入装置２８は、熱分解炉２からの熱分解残渣３１を投入するホッパー３２と、熱分解残渣３１を前記燃焼炉容器２７に供給する投入スクリュー３３と、この投入スクリュー３３を駆動する駆動モータ３４とを備えている。燃焼炉容器２５の上部には、この燃焼炉容器２５内の燃焼室３５からの燃焼ガス３６をカーボン生成炉３側に供給する複数の燃焼ガス出口ノズル３７が設けられている。燃焼室３５内の温度は温度計３８により計測される。

前記焼却残渣排出装置２９は、燃焼炉容器２７に連通するケーシング３９と、前記燃焼炉容器２５及びケーシング３９内に配置された燃焼残渣移送スクリュー４０と、この移送スクリュー４０を駆動する駆動モータ４１と、前記ケーシング３９に連通する配管４２に介装されたロータリーバルブ４３とを備えている。

前記筐体１の上部には、熱分解炉２の上部の領域の排ガス４４の温度を測定するための温度計４５が配置されている。また、筐体１の上部には、排ガス４４を排出するための煙突４６が設けられている。前記熱分解炉２とカーボン生成炉３のカーボン生成炉容器１５は、両者を最短距離で接続するように熱分解ガス配管４７により連通されている。

前記熱分解炉２とカーボン生成炉３間の領域、及びカーボン生成炉３と燃焼炉４間の領域には、空気導入手段としての空気導入管４８及び導入される空気の流動を調整する流動調整板４９が夫々設けられている。なお、図中の符番５１は熱分解炉２で生じた熱分解ガス、符番５２は燃焼炉４に供給する補助燃焼、符番５３は燃焼空気、符番５４は反応残ガス燃焼火炎、符番５５は補助バーナ火炎、符番５６は燃焼炉４から排出される焼却残渣を示す。また、図中の符番５７は、カーボン生成炉３のカーボン生成炉容器１５に触媒を導入するための触媒供給管（触媒供給手段）を示す。

次に、図１のナノカーボン製造装置でナノカーボンを生成する場合の作用について説明する。
まず、熱分解炉２には間接外部加熱型を採用し、固定して熱分解炉ドラム５の外部を熱し、移送スクリュー７により被処理物を移動しながら還元雰囲気で炭化する。この炭化物は、燃焼炉４で燃焼し、熱分解炉２及びカーボン生成炉３の熱源となる。熱分解炉２で発生した熱分解ガスは冷やさないままカーボン生成炉３へ送る。従って、熱分解炉２ではタールは発生しない。

炭化水素を含む熱分解ガスは、熱分解ガス配管４７により最短距離でカーボン生成炉３に送り、ナノカーボン５８の生成の原料ガスとなる。なお、カーボン生成炉３も外部加熱し、還元雰囲気でカーボン生成する。ここで、カーボン生成炉３のカーボン生成炉容器１５内には、ナノカーボン５８を生成するため触媒供給管５７より、例えば鉄粉などの触媒金属を注入する。

炭化物は、燃焼炉４でカーボン生成炉３から出る反応残ガス５９と補助燃料５２を混合して燃焼させる。燃焼炉４で発生した高温の燃焼ガス３６は、カーボン生成炉３を外部加熱し、更に続けて、熱分解炉２を外部加熱する。ここで、燃焼ガス３６は断熱構造の筐体１内での熱移動となるため、熱ロスの低減を図ることができる。
煙突４６のドラフト効果で筐体１内を若干の負圧に保ち、外部の空気が入らないシール構造にすることにより、熱分解炉２とカーボン生成炉３の内部を還元雰囲気に保っている。

上述したように、上記実施形態に係るナノカーボン製造装置は、図１に示すように、内側に耐火材を配置するとともに外側に断熱材５を配置した筐体１と、この筐体１内部に最上段，中段，最下段に夫々配置された、熱分解炉２，カーボン生成炉３及び燃焼炉４とを具備し、燃焼炉４で発生した高温の燃焼ガス３６でカーボン生成炉３、熱分解炉２を外部加熱する構成となっている。この場合、高温の燃焼ガス３６は、断熱構造の筐体１内での熱移動となるため、熱ロスを低減することができる。
また、煙突４６のドラフト効果で筐体１内を若干の負圧に保ち、外部の空気が入らないシール構造にすることにより、熱分解炉２とカーボン生成炉３の内部を還元雰囲気に保つことができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、上記実施形態において、例えば煙突に吸引ファンを設けて排ガスを引き込むようにしてもよい。この場合、吸引ファンにより、熱分解炉とカーボン生成炉をより確実に還元雰囲気に保つことができる。

本発明の一実施形態に係るナノカーボン製造装置の概略図である。

符号の説明

１…筐体、２…熱分解炉、３…カーボン生成炉、４…燃焼炉、５…断熱材、７，２０…移送スクリュー、８…原料投入装置、９…熱分解炉内圧力計、１０，１４，２１，３４，４１…駆動モータ、１２，３２…ホッパー、１３，３３…投入スクリュー、１３…断熱材、１５…カーボン生成炉容器、１６…カーボン移送スクリュー、１７…触媒供給管（触媒供給手段）、１８…生成板、１９，３９…ケーシング、２３，４３…ロータリーバルブ、２４…反応残ガス配管、２５…カーボン生成室、２６…カーボン生成炉温度計、２７…燃焼炉容器、２８…熱分解残渣投入装置、２９…焼却残渣輩出装置、３０…補助バーナ、３１…熱分解残渣、３５…燃焼室、３６…燃焼ガス、３７…燃焼ガス出口ノズル、３８…燃焼室温度計、４０…燃焼残渣移送スクリュー、４４…排ガス、４５…排ガス温度計、４７…熱分解ガス配管、４８…空気導入配管、４９…流動調整板、５１…熱分解ガス。

Claims

内側に耐火材を配置するとともに外側に断熱材を配置した筐体と、この筐体内部に最上段，中段，最下段に順次配置された、熱分解炉，カーボン生成炉及び燃焼炉とを具備することを特徴とするナノカーボン製造装置。
前記熱分解炉は、前記筐体に固定された熱分解炉ドラムと、このドラム内に配置された移送スクリューと、前記熱分解炉ドラム内に原料を投入する原料投入装置とを具備した間接外部加熱型であり、被処理物を移動しながら還元雰囲気で炭化処理してナノカーボンの原料を生成する構成であることを特徴とする請求項１記載のナノカーボン製造装置。
炭化物は前記燃焼炉で燃焼し、燃焼ガスを前記熱分解炉及びカーボン生成炉の夫々の熱源として用いる構成であることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載のナノカーボン製造装置。
前記熱分解炉と前記カーボン生成炉は両者間の距離が最短となる配管で接続し、熱分解炉で発生した炭化水素を含む熱分解ガスを前記配管によりカーボン生成炉に送り、ナノカーボン生成の原料ガスとする構成であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一記載のナノカーボン製造装置。
前記筐体に、前記カーボン生成炉内に触媒金属を注入する注入手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一記載のナノカーボン製造装置。
前記燃焼炉は前記カーボン生成炉から出る反応残ガスと炭化物と補助燃料とを混合して燃焼させ、燃焼ガスを前記カーボン生成炉及び熱分解炉の熱源とする構成であることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一記載のナノカーボン製造装置。
前記筐体に設けられた、前記熱分解炉と前記カーボン生成炉間の領域、及び前記カーボン生成炉と燃焼炉間の領域に希釈空気を導入するための空気導入手段と、前記両領域に設けられた、前記希釈空気の流動を調整するための流動調整板とを更に備えていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一記載のナノカーボン製造装置。