[发明专利]一种二段式共同生产煤基石墨及碳纳米管的系统及方法

说明书

本发明提供一种二段式共同生产煤基石墨及碳纳米管的系统及方法，该系统包括石墨化模块和碳纳米管生成模块，石墨化模块包括石墨化反应器，石墨化反应器的顶壁上设有挥发分出口、底壁上设有载流气进口；碳纳米管生成模块包括重整反应器，重整反应器的顶壁上设有废气出口、底壁上设有挥发分进口及水蒸气进口；石墨化反应及重整反应器内分别设有上、下筛板，且两反应器的侧壁上均设有进出料口；挥发分出口与挥发分进口通过中间管道连通。有益效果为，针对现有技术中煤高温石墨化能耗高及未能有效利用石墨化过程中挥发分的不足，通过将催化石墨化及催化重整制备碳纳米管的反应有效结合，实现了煤资源梯级利用的同时，得到高附价值的产品。

技术领域

本发明属于煤资源化利用与碳材料制备领域，具体涉及一种二段式共同生产煤基石墨及碳纳米管的系统及方法。

背景技术

石墨是一种优良的碳材料，具有良好的热稳定性、热导性、润滑性以及化学稳定性，被广泛运用于冶金、机械、电气、化工等领域。由于需求量大，天然石墨已不能满足人类的使用需求，这使得人造石墨备受关注。现今，工业上制造石墨主要在2500℃左右绝氧的条件下煅烧石油焦、沥青焦、无烟煤等含碳原料，过高的温度加重了生产石墨的成本。因此，如何降低反应温度进而降低生产成本一直是生产石墨研究的重要方向。研究表明，通过在石墨化的过程中添加Fe、Cu、B等元素的单质及其化合物作为催化剂可有效降低所需温度900℃以上。

碳纳米管作为独特的一维碳材料，具有优异的力学、电磁学、光学及热力学性能而被广泛应用于各个领域。碳纳米管制备的主要方法有电弧法、激光蒸发法、等离子体法及催化化学沉积法等。催化化学沉积法被认为是最有潜力实现大规模、低成本、产率高的制备碳纳米管的方法。在催化剂的作用下，含碳气体催化分解形成碳纳米管。现今，如何更加高效、低成本地生产碳纳米管成为了备受关注的问题。

发明内容

本发明提供一种二段式共同生产煤基石墨及碳纳米管的系统及方法，旨在通过二段式结构，在实现催化石墨化的基础上利用催化重整反应制备碳纳米管，从而实现煤资源的梯级利用，降低整个工艺的成本。

本发明实现上述目标的技术方案如下：一种二段式共同生产煤基石墨及碳纳米管的系统，其包括石墨化模块和碳纳米管生成模块，其中：

所述石墨化模块包括石墨化反应器，所述石墨化反应器内靠近顶壁处设有上筛板一、靠近底壁处设有下筛板一，所述石墨化反应器的顶壁上设有挥发分出口、底壁上设有载流气进口，所述石墨化反应器的侧壁上设有进出料口一，所述进出料口一位于所述下筛板一的上方；

所述碳纳米管生成模块包括重整反应器，所述重整反应器内靠近顶壁处设有上筛板二、靠近底壁处设有下筛板二，所述重整反应器的顶壁上设有废气出口、底壁上设有挥发分进口及水蒸气进口，所述重整反应器的侧壁上设有进出料口二，所述进出料口二位于所述下筛板二的上方；

所述挥发分出口与所述挥发分进口通过中间管道连通，所述废气出口处设有排气阀门，所述载流气进口与载流气输入管道连通，所述水蒸气进口与水蒸气输入管道连通，所述进出料口一及所述进出料口二处分别设有可启闭的门体，所述石墨化反应器及重整反应器内分别设有电热升温组件。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以有如下进一步的改进。

进一步，所述中间管道上设有向所述重整反应器单向导通的气阀。

设置单向导通的气阀的好处在于，可保证载流气携带挥发分顺利通入重整反应器中，同时防止进入重整反应器的挥发分及水蒸气倒流回石墨化反应器。

进一步，所述载流气输入管道与氮气钢瓶或惰性气体钢瓶连通。

需要说明的是，为了便于对通入载流气的总量及进气速度进行控制，截流气输入管道上应该设置控制阀和流量(流速)计。

进一步，所述水蒸气输入管道与锅炉汽包的蒸气出口连通。