[发明专利]一种带有尾气余热回收再利用装置的碳纳米管批量制备系统

说明书

本发明公开了一种带有尾气余热回收再利用装置的碳纳米管批量制备系统，由低温炉、碳纳米管高温生长炉、两级旋风分离器、尾气导热油换热器组成。液相碳源、固体催化剂在低温炉内加热气化后由载气吹入高温生长炉发生碳纳米管生成反应，生成的碳纳米管通过炉膛上部由载气吹扫进入两级旋风分离器进行过滤分离，分离出的碳纳米管进行提纯后即可包装运输，剩余高温尾气进入尾气导热油换热器将热量传递给导热油，导热油升温后进入低温炉侧壁的加热管加热低温炉。本发明首次将碳纳米管制造系统与尾气余热回收及利用装置结合，使尾气热量最大限度得到合理利用，节约能源。本发明可通过原料及温度的控制实现多种碳纳米管的制造，产品种类多样化。

技术领域

本发明属于碳纳米管制造领域，特别是涉及一种带有尾气余热回收再利用装置的碳纳米管批量制备系统。

背景技术

1991日本专家Iijima等首次发现碳纳米管分子后，引起了科学界的极大重视。碳纳米管作为一种新型的碳质材料，具有许多优良性能，如：断裂强度高，约为钢的100倍，单根碳纳米管拉伸强度范围为10-100GPa，是目前为止力学强度最高的材料之一。导热能力强，约为铜导热性能的5倍，单根单壁碳纳米管的轴向热导率为3500W/(m·K)，远高于石墨等碳质材料。导电能力强，电导率可达到常用导电金属铜的10000倍左右。

碳纳米管的实验室制备通常采用化学气相沉积法(CVD法)，反应原理为将固体催化剂颗粒、液相碳源先加热至气化，之后将纳米级气态催化剂、气态碳源、载气等混合后加热至碳纳米管生成温度，通常为600-1200℃，碳纳米管生成反应开始发生。化学气相沉积法可以在常压下通过高温加热实现碳纳米管生成，原料成本低，设备简单操作简便，且可以通过控制碳源、催化剂、载气种类实现多壁或单壁碳纳米管的生产，是最可能实现工业化生产的制备方法。但将实验室设备放大到工业化过程中还存在诸多问题，例如实验室多采用管式炉进行反应无法实现批量化连续生产，碳源及催化剂的投入如何实现连续化等。且全球碳纳米管的生产主要来自于德国未来碳公司及日本昭和电工公司，我国没有实现自主化批量生产。所以我国如何实现碳纳米管的连续大批量生产及工艺技术的改进，成为目前碳纳米管制造领域关注的重大问题。

碳纳米管生成反应使用的碳源通常为C、H元素组成的烃类化合物如甲烷、苯，C、H、O元素组成的有机物如乙醇等。气相碳源在温度加热至500℃后会分解出CO、少量CO₂、少量无定形碳和大量H₂。浙江大学的姜敏通过对反应过程进行热力学分析，得出700K后主要发生的反应为CO的生成反应，所以气相碳源实际为高温分解出的CO，CO在纳米级金属催化颗粒表面吸附，催化热解出碳，碳在催化剂颗粒表面扩散并沉积析出碳纳米管，当催化剂颗粒完全被碳包裹失去活性后停止生长。CO会受热分解出无定形碳和CO₂，但无定形碳可在高温下通过添加去离子水，发生水煤气反应转化为CO和H₂，减少杂质的生成。由此可得反应结束后的尾气中主要为H₂，只含有少量未反应完的CO和CO₂，且三者的比例可由原料的选择来进行控制。由H₂为主的高温尾气温度可达900-1100℃，氢气热值极高，换热性能好，H₂与CO、CO₂的混合气体还可应用在工业燃烧中，且三者的混合气体是常用的生产丙烯、炼铁过程的工业原料。

面对日益严峻的环境问题，节能减排成为实现可持续发展的一项长远战略，目前在碳纳米管制造过程结束后通常将尾气自然冷却至室温后直接排入环境，这部分尾气排放到环境中，不仅会造成大量的热量浪费，还会造成生产环境的污染。例如中国专利“一种碳纳米管批量生产中尾气的处理方法”(专利号CN201410010726.3)公开了一种碳纳米管批量生产中尾气的回收利用方法，但也是通过冷凝及过滤系统得到目标气体，高温尾气的热量依旧无法得到利用，并未实现能量的最大程度利用，且在原制备系统上加装尾气处理装置会导致更高的成本，提高经济效益及节约能量均未达到。所以发明一种既可以回收高温尾气的余热并且可以将余热再利用的装置，可以同时减少热量浪费和尾气排入环境造成的污染，达到节能减排的目标。