[发明专利]一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的工艺

说明书

一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的工艺，属于铁催化甲烷二氧化碳重整，合成气还原铁的工艺技术领域，目的在于提供一种利用甲烷二氧化碳重整还原铁矿石并生成碳纳米管的工艺，本发明直接利用纯净的甲烷和二氧化碳进行重整，确保了反应物的纯净度，重整后得到一氧化碳和氢气的合成气，从而提升了重整的效率的提升。合成气主要以一氧化碳和氢气为主，可以用来还原铁矿石，并将得到的二氧化碳进入重整反应过程中利用。重整过程中必然有大量积碳生成，而积碳在一定条件下是可以变为碳纳米管的，所以二氧化碳的副产物是碳纳米管。具有较强经济效益的产品碳纳米管，使资源更加合理利用。

技术领域

本发明属于铁催化甲烷二氧化碳重整，合成气还原铁的工艺技术领域，具体涉及一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的工艺。

背景技术

碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学、热学及吸附等方面具有优异的特性而被广泛使用，但是昂贵的碳纳米管价格严重限制着其大规模应用市场。铁是生成碳纳米管和甲烷二氧化碳重整的良好催化剂，甲烷二氧化碳重整后生成的一氧化碳和氢气又是合成气，反过来可以还原铁矿石。

CN103898265A公开了一种焦炉煤气改质直接还原铁矿石的系统装置及方法，该发明提出一条新工艺，利用炼焦过程产生的焦炉煤气中的相对于铁矿石还原惰性的甲烷组元变换成具有还原活性的氢和一氧化碳，然后将其引入竖炉直接还原铁矿石。该改质的技术原理是通过供应氧化剂的方法催化甲烷的重整反应，使甲烷中的碳转换成一氧化碳，氢变化为氢气，氧化剂包括还原铁矿石尾气中的二氧化碳和水蒸气。本专利虽然写了甲烷二氧化碳重整过程，但是却并没用来制备碳纳米管。

CN106946223A公开了一种甲烷二氧化碳重整方法，该发明是将甲烷与二氧化碳在600-1000℃下与活性组分为Ni负载于SiC-C-N载体上形成的催化剂进行接触，生成氢气与一氧化碳。本发明利用还原铁颗粒作为催化剂进行甲烷二氧化碳重整反应，从催化剂原料获得角度来说，成本较CN106946223A降低许多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用甲烷二氧化碳重整还原铁矿石并生成碳纳米管的工艺，利用获得成本低的还原铁颗粒作催化剂进行重整反应，重整反应的产物一氧化碳和氢气进一步去还原铁矿石颗粒，还原后的还原铁颗粒又进一步回流至上述反应中进行甲烷二氧化碳重整反应，因为铁基表面积碳堆积在适当条件下可以生成有经济价值的碳纳米管，整个过程实现了工艺的优化，使资源更加合理利用。

本发明采用如下技术方案：

一种甲烷二氧化碳重整还原铁并生成碳纳米管的工艺，包括如下步骤：

第一步，分别称取铁矿石和还原铁进行破碎筛分，将筛分后的铁矿石和还原铁分别置于氮气气氛下的回转炉反应器中相连但相隔的不同腔体中；

第二步，将第一步中放置的还原铁的腔体体系升温至800-1000℃，达到终温后停留1-10h，向回转炉反应器中通入甲烷和二氧化碳的预混气体，启动回转炉反应器，以0-10r/min的转速旋转，预混气体停留1-10h，发送甲烷二氧化碳重整反应，并在还原铁上生成铁基碳纳米管，同时得到重整后的一氧化碳和氢气气体；

第三步，启动放置铁矿石的腔体处的加热装置，将放置铁矿石的腔体体系升温至700-800℃，打开隔板上的阀门，将第二步得到的一氧化碳和氢气气体通入铁矿石所在腔体中，停留1-10h，启动回转炉反应器，以0-10r/min的转速旋转，完成铁矿石的还原，得到并回收还原铁，未反应的一氧化碳、氢气和反应后的水蒸气、二氧化碳混合作为尾气；

第四步，回流第三步得到的还原铁进入第一步中作为原料参与甲烷二氧化碳重整反应；

第五步，将第三步得到的尾气进行分离净化，尾气中的一氧化碳、氢气和二氧化碳回流与甲烷进行混合，混合气体重复参与第一步的反应过程；

第六步，将第五步得到的铁基碳纳米管进行酸洗提纯，得到纯净的碳纳米管和一氧化碳和氢气气体；