[发明专利]一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种热能利用充分，环保、高效节能的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉。

背景技术

金属冶炼属于高能耗高污染行业，随着能源价格不断上涨，燃料的消耗成本在加工成本中所占比例越来越高，并伴随自然资源的大量消耗、大量的碳排放以及严重的环境污染。为了减少金属冶炼炉生产过程中的燃料消耗，相关研究机构及生产企业不断探索新的技术以降低成本，同时减少对环境的污染。但这些技术主要集中在实现燃料的充分燃烧和尽可能地回收余热两方面。

在传热方面，石墨烯是目前发现的导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯这个新材料的被发现，为人类重新定义导热材料性能和更好地利用热能带来了很多新的可能，尤其在热工技术领域的传热技术方面可能获得很大的提升和发展。

然而，要利用石墨烯的高导热性能，需要经过几个步骤：首先是制备石墨烯；其次是用石墨烯作为原料制造或改良导热材料，并且新的高导热材料投入使用，这其中还涉及到保管、运输、储存等过程。石墨烯本身的制备成本目前就很高，导致石墨烯的实际应用还受到相当大的限制。在大型工业应用领域如工业炉领域，由于用量大、消耗快速等特点，按照通常方法制备和使用石墨烯是不现实的事情。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种热能利用充分，环保、高效节能的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶、炉门、外挂在炉墙上的蓄热燃烧系统、以及有助于石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统；其中，炉底、炉墙、炉顶、炉门构成炉膛；蓄热燃烧系统包括有第一蓄热箱和第二蓄热箱，第一蓄热箱和第二蓄热箱分别通过第一气体通道和第二气体通道与炉膛相通；所述非金属催化剂输入系统设置在炉墙或/和炉顶上、或分为第一输入系统和第二输入系统分别设置在第一气体通道和第二气体通道上；

所述非金属催化剂输入系统将非金属催化剂送入炉膛并在金属表面堆积，天然气不充分燃烧在催化剂表面留有碳源前驱气体，碳源前驱气体在非金属催化剂表面分解沉积，沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔离；关闭催化剂输入系统，在含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层的作用下，金属吸收热量的速度加快。

进一步地，所述第一输入系统和第二输入系统按程序交替开启输入非金属催化剂；非金属催化剂随蓄热燃烧系统主助燃风进入炉膛。

进一步地，天燃气管道从两个蓄热箱中间位置通入炉膛，以供应天然气；蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T内为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧形成炉膛内富碳源和无氧气氛，从而构成石墨烯的生成环境。

进一步地，所述的非金属催化剂为以AL₂O₃为基底的非金属催化剂，由催化剂输入系统送入炉膛。

进一步地，所述的第一气体通道和第二气体通道上还设置有第一辅助燃烧装置和第二辅助燃烧装置，设定时间T内开启将炉膛内未燃尽气体完全燃烧，设定时间T结束后关闭。

进一步地，所述的蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T后调整为正常的充分燃尽空气过剩系数值，同时关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置。

本发明另一技术方案为：一种自动生成石墨烯的金属冶炼炉使用方法，其包括两个阶段：

第一阶段生成石墨烯阶段，点火后的设定时间T内，非金属催化剂的输入系统将以AL₂O₃为基底的非金属催化剂匀速送入炉膛并缓慢地在金属表面堆积，同时蓄热燃烧系统的空气过剩系数为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧在催化剂表面留有适当浓度的碳源前驱气体、温度为900-1200℃和无氧的气氛，碳源前驱气体在非金属催化剂表面分解沉积，当后续送入的非金属催化剂覆盖前面催化剂时，由于催化剂堆积在金属表面，前面的溶有碳原子的催化剂被新的催化剂覆盖后将热量传给金属而迅速降温，该催化剂层内沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔绝；到设定时间T结束时，炉膛内金属表面形成一层以非金属催化剂为基体的富含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层；未燃尽的燃料被辅助燃烧装置燃尽后排入第一蓄热箱或第二蓄热箱；

第二阶段：设定时间T结束后，蓄热燃烧系统的空气过剩系数恢复为正常值，关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置，冶炼炉在含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层的作用下加快金属吸收热量的速度，进入快速金属熔炼的加热和升温阶段、进行熔炼。