[发明专利]一种煤基纳米碳多晶配方产品智能绿色制造系统

说明书

本发明提供一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，客户和内部人员参与的适应性决策，以及物流优化，变为具有分布式硬件和软件的交钥匙生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装产生了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的即时绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和交付时间要求，复合添加剂能显著提高水泥基、聚合物基和金属基复合材料的性能。本系统可以增加产品价值和减少环境负荷。

技术领域

本发明涉及一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多形晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关的天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，以此支撑系统的客户和系统的内部人员参与业务的适应性决策，物流优化，以及采用分布式硬件和软件的关键生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装保障了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的准时化绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和极低库存条件下准时交付时间要求。

背景技术

碳是地壳中最丰富的化学元素之一。在地球上，碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，这些分子存在于大气中或溶解在各种水体中。一些二氧化碳分子被许多藻类和植物还原并改造成碳-碳、碳-氢和碳-氧键作为其有机体的主要的分子组成部分。在地球的漫长历史中，一些有机体的残骸被埋藏在土壤下面，由于温度和压力的自然变化导致氧、氢和其他挥发性成分的消耗，慢慢碳化成无定形的碳质固体，俗称煤。然而，非晶形碳在固体碳的同素异形体中并不是最稳定的。在地球上，一些煤源进一步碳化成几乎纯碳，并转化为结晶石墨和金刚石。金刚石、石墨和煤的密度分别为3.5、2.2和1.0-1.6g/cm³，它们的稀有性和价格各不相同。高清晰度珠宝级金刚石约15000美元/克，石墨约2000美元/吨，煤炭约60美元/吨。2017年，全球煤炭储量估计约为1万亿吨，年产量为38亿吨。大部分工业煤耗都是简单烧煤供热和将热能为动力能源,大多数应用都有相当高的环境负荷。因此，具有讽刺意味的是，自然界为生产和储存地球上丰富的煤炭资源付出了高昂的能源成本，而人类却浪费了这些资源，造成了许多环境问题。这些浪费和污染的做法必须用煤炭的绿色高附加值利用来代替。

2017年，约6亿吨煤在900-2000℃下煅烧并进一步碳化成焦炭，焦炭主要用作还原剂和钢铝生产中的碳添加剂。这些焦炭产品是非晶态碳和石墨碳的混合物，其石墨含量与其碳化程度密切相关。当炭化温度超过1600-2000℃时，它们的微观石墨的形成速率通常迅速上升。然而，要获得高质量的石墨晶体，完全石墨化需要3000℃的高碳化温度。通常情况下，焦炭的售价在300-400美元/吨左右,人造石墨售价稍高。近代绿色化学和绿色工程学提倡包括煤炭化工的制造业要遵守减降环境负载^[1],高温碳化将煤炼成焦炭和石墨型碳只有薄利增值，但环境负载超高,违背了绿化制造业的转型升级潮流。

除这些含碳固体外，工业上广泛应用的碳纤维和炭黑基本上也跟焦炭同样是石墨碳和非晶碳的混合物,也由含碳的气体/液体在高温下人工碳化或通过电弧反应形成。例如，橡胶的生产，特别是轮胎的生产，便要依赖于稳定的炭黑供应。以每吨1000美元左右的价格计算，炭黑的年消费量约为1千5百万吨和150亿美元。炭黑的供应链目前陷入困境，因为炭黑主要是由煤焦油的不完全燃烧产生的，这一过程对环境污染很大。由于煤焦油的价格约为500美元/吨，生产1吨炭黑需要消耗1.6吨煤焦油，如果考虑到其环境污染的补救成本，目前生产的炭黑确实没有什么价值。总之，橡胶等生产过程对炭黑的依赖，迫切需要在绿色、低成本生产炭黑方面进行切实的创新。