[发明专利]连续化生产纳米碳球的工艺方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及生产纳米碳材料工艺方法及装置，具体地是指气相法生产纳米碳球的工艺方法和装置。

背景技术

纳米碳球是一种球形态结构的纳米碳材料，粒径在1nm-1um尺度，具有优异的化学稳定性、导电、导热性等性能，用途广泛，如用于锂电池负极材料，相比现有的材料(例如石墨，中间相炭微球)可使锂离子嵌入脱出距离缩短，显著改善电池的性能，因此实现纳米碳球的工业化规模生产对先进碳材料的应用具有重要意义。目前制备纳米碳球的方法，主要有高能电子辐照，电弧放电，超声处理等方法，其中高能电子辐射使用直线加速器作为射线源，成产碳微球的同时，放射性污染会对环境和人体带来伤害；电弧放电使用对阴极电弧放电装置，每单位时间功耗为8000W；超声法制备时间周期长达80-100小时，且产物形貌不稳定。此外，上述三种方法耗能较高，并且无法大规模连续化制备微纳米碳球，不适宜工业规模连续化生产。

用裂解炉裂解反应气相生产纳米碳球是一种具有工业意义的方法，目前处于实验阶段，只能间歇生产，一般使用甲烷，一氧化碳或者气态烷烯烃为原料，以一定的气速进入管式电阻炉或高温石英炉，在炉子的高温反应区(1000℃以上)转化反应，在炉管高温区内壁上气相沉积，生成团簇状黑色圆形碳微球，然后降低炉温，取出产物。该方法中，需要用电加热使反应区，炉温保持1000℃以上，十分耗电，并且使用的原料主要是纯的碳氢化合物(如：甲烷、乙炔、苯等)，工业化生产成本较高，并由于生产过程不连续以及使用不同原料交叉污染等问题，存在产物质量不稳定。专利CN1834008A公开了一种采用廉价的重油残渣为原料，间歇生产碳微球的方法，将重油残渣原料粉末装入陶瓷原料舟，将原料舟置于管式高温炉石英管内的进口区，用导轨控制陶瓷原料舟及石英管的移动，陶瓷原料舟缓慢前进，推进速度为3mm min^-1，在炉子反应区，以盐酸、去离子水为清洗剂、以惰性气体—氩气为保护气体，在高温1100℃±10℃状态下，使重油残渣进行化学、物理形态转换，即固态—液态—气态—固态，在管式高温炉内的石英管高温区内壁上气相沉积，生成团簇状黑色圆形碳微球，然后取出原料舟得到产物。该专利虽降低原料成本，但采用在管式高温电炉内置放陶瓷舟，换置原料舟进行间歇式生产碳球，不能连续化，设备使用费高，；并且反应区加热仍然用外部电源，加热不均匀，耗电严重。

发明内容

本发明提供一种连续生产碳纳米球的工艺方法和装置，解决了裂解炉裂解反应气相生产纳米碳材料连续化问题，并且适于多种成本低廉的工业用碳原料，利用原料副产热能，满足反应的炉温需要，从而降低电耗，节约生产成本，实现了工业连续化低成本生产碳纳米球。

本发明的工艺方法：采用工业含碳原料，以一部分含碳原料为燃料和空气一起喷入供热炉，在供热炉内燃烧，为裂解反应炉提供反应热量，另一部分碳原料以1000-3000m3/h流量，在0.5-3.0MPA压力下加热气化直接喷入被加热的裂解反应炉，同时向裂解炉喷入催化剂和助剂，催化剂喷入压力0.5-3.5MP，流量10-25kg·h^-1，助剂喷入压力为1-2.5MPa，流量1000-3000ml·h^-1，以保证生成纳米碳球，同时在裂解反应炉内以150-180m³h^-1流量通入保护气体，原料在保护气的隔离稀释条件下，在1000-1400℃反应温度下裂解，形成的碳粒子在助剂的作用下，与催化剂粒子核晶形成纳米碳体。裂解反应后的物料送入换热器进行换热冷却至200-300℃，再引入分离器进行气固分离，经过分离器分离后的固体产物(纳米碳球)送入产品收集器。

本发明的工艺方法中，工业含碳原料是芳烃重油、渣油、煤焦油、混苯、煤沥青、焦炉气、蒽油、萘油、酚油、天然气(CH₄)、C₂H₂或甲苯中的一种或几种物料的混合物。参加裂解反应的碳原料优选为含硫的烃类物质，包括芳烃重油，煤焦油，混苯，焦炉气，蒽油，萘油，酚油，CH₄或C₂H₂等。作为燃料的含碳原料优选天然气。