[发明专利]一种煤热解生成碳纳米管的一体化装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤热解生成碳纳米管的一体化装置和方法，属于煤化工技术领域。

背景技术

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。常见的碳纳米管的制备方法有：石墨电弧法、催化裂解法、激光蒸汽法和其他的热解聚合法、离子辐射法、火焰法、等离子体法以及最新的浮游法、水热法、固相热解法、气相反应法等。

虽然制备碳纳米管的制备方法很多，但是用来大量制备碳纳米管的方法只有石墨电弧法、催化裂解法，其他方法都有很大的缺点而无法用于工业制备。

催化裂解法制备碳纳米管的原理是通过烃类（如甲烷、乙烯、丙烯和苯等）或含有碳氧化物在催化剂的作用下裂解而成。催化剂选择较多的是过渡金属等。在相同条件下制备催化剂及合成碳纳米管，金属组成不同，所制备催化剂的活性也不同。碳源主要选择乙炔、甲烷、CO、乙烯、丙烯、丁烯、苯及正丁烷等。在合成碳纳米管的结构和性能也不同。

目前，实际生产中合成碳纳米管所用的原料气体主要是甲烷、一氧化碳和苯，而这些原料气体也主要来源于天然气和石油裂解气。相对而言，这些原料气的运输也是一部分巨大的投资，而煤炭的热解生成的甲烷可以作为直接合成碳纳米管所需的原料气。这样一方面可以利用煤炭低廉的价格获取比较高的收益，同时对煤炭的转型发展也有巨大的推动作用。

发明内容

本发明旨在提供一种煤热解生成碳纳米管的一体化装置和方法，将煤热解产生的气体直接用于合成碳纳米管，能够连续的合成碳纳米管；同时，存在于碳纳米管合成单元和煤热解单元之间的加热单元能够同时给两个反应单元提供热量，节约了之前的单一给合成单元提供热量的浪费，也能保证装置的连续化生产。

本发明提供了一种煤热解生成碳纳米管的一体化装置，其特征在于：所述一体化装置主体为圆柱结构，上、下分别为圆台形结构，圆柱内部从内到外依次设有煤热解单元、加热单元、合成单元；煤热解单元为合成单元提供合成所需原料气体，煤热解单元生成的甲烷气体作为碳纳米管合成的原料气体，直接用于碳纳米管的合成；加热单元通过燃烧燃料气体同时给煤热解单元和碳纳米管合成单元提供热量，通过控制燃料气体进入每个供热单元层的流速来提供煤热解单元和碳纳米管合成单元所需的热量；

所述煤热解单元为圆柱结构，顶部连接供煤管道，底部设有焦炭排放管道；煤热解单元上部的圆柱形管壁上设有均匀的排气孔，煤热解单元产生的原料气体通过上部的排气孔进入合成单元；

所述加热单元为双层圆筒状，内、外层圆筒底部分别连接燃料气管道，内层圆筒为加热内层，外层圆筒为加热外层，加热单元套在煤热解单元外侧，加热内层与煤热解单元接触并供热，加热外层与碳纳米管的合成单元接触并供热；

一体化装置的顶部分别设有催化剂入口和惰性气体入口，合成单元顶部设有原料分布板，分布板为一圆环板，供煤管道从分布板的中心穿过，分布板上均匀设有孔，合成单元底部设有阀门控制排放口的开闭。

上述装置中，所述分布板下方设有混合器。混合器为一搅拌装置，该搅拌装置是以一圆柱轴为中心和多个设于圆柱轴周围的叶片。通过叶片的旋转可以将原料均匀的分散在合成单元的内部。混合器的个数可以根据具体的装置大小来设定，确保能将原料气和催化剂均匀地分布在合成单元中。

上述装置中，所述合成单元中垂直设有金属杆，金属杆状物体上面涂有合成碳纳米管所需的金属催化剂。进一步地，所述金属杆上设有能上下移动的装置，该装置为一金属圆盘套在金属杆上，圆盘的外侧为锯齿形，金属圆盘分别与钢丝绳和电机连接，通过设定时间，每隔一小时圆盘上下移动一次，能将累积在金属杆上的碳纳米管清理下来，防止装置的堵塞。

上述装置中，所述合成单元连接碳纳米管排出口处设有旋风分离器，通过碳纳米管和金属催化剂密度的不同来将碳纳米管和金属催化剂通过圆筒结构状的旋风分离器分开，将分离后的催化剂循环使用。

本发明提供了一种煤热解生成碳纳米管的方法，采用上述一体化装置，包括以下步骤：

（1）供煤管道提供粒度直径为0-3cm的煤粉，然后给加热单元提供燃料气体对煤热解单元进行加热，使温度达到600℃到1200℃；煤热解单元产生的原料气体通过供煤单元上部进入合成单元；

（2）对加热单元进行加热，当温度达到650℃到1000℃时，将催化剂和惰性气体通过分布板进入合成单元的上部，然后再和煤热解产生的原料气体经混合器混合后一起进入合成单元；反应气体和气体中浮动的催化剂以及和设置于合成单元内部的金属杆上的催化剂进行反应而生成碳纳米管；供气单元连续化供气；