[发明专利]一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置及方法

权利要求书

1.一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，包括依次管道连接的原料气进气管、混合管式换热器（1）、等离子体反应器（2）、高温管式换热器（3）、颗粒捕集器（4）和燃烧室（5），所述原料气为甲烷和背景气体的混合物，原料气进气管包括连通的甲烷进气管和背景气体进气管；

所述混合管式换热器（1）包括静态混合器和与之串接的管式换热器，原料气与静态混合器进气口管道连接，静态混合器的出气口与管式换热器冷原料气进气口连接，管式换热器冷原料气出气口与等离子体反应器（2）进气口管道连接，管式换热器热烟气进口与燃烧室（5）出气口管道连接，管式换热器热烟气出口的烟气排入烟囱；

所述等离子体反应器（2）包括保温加热层（10）、壳体（9）、两组喷管式电极组（11）和出气口，所述壳体（9）为内部中空的圆柱形密闭腔体，所述保温加热层（10）设于壳体（9）外表面，两组喷管式电极组（11）轴对称从外部伸入壳体（9）内部，两组喷管式电极组（11）之间互不接触且间距相同，每组喷管式电极组包括若干根平行的空心不锈钢管，若干根平行的空心不锈钢管设于壳体（9）外部的一端通过不锈钢总管贯通，伸入壳体（9）内部的一端开口，原料气从壳体（9）外部贯通的不锈钢总管内通入，两组喷管式电极组（11）中一组喷管式电极组接地，另一组喷管式电极组接正高压，出气口设于壳体（9）内壁与不锈钢管方向垂直的一侧；

等离子体反应器（2）的出气口与所述高温管式换热器（3）热反应气进气口管道连接，高温管式换热器（3）热反应气出气口与颗粒捕集器（4）进气口管道连接，高温管式换热器（3）冷气进口与空气连接，冷气出口与燃烧室（5）进气口管道连接；

所述颗粒捕集器（4）的出气口与燃烧室（5）的进气口管道连接，颗粒捕集器（4）包括依次串联的电凝并静电捕集装置和布袋捕集器，

所述两组喷管式电极组（11）中，每组喷管式电极组包括3~5根平行的不锈钢管，每根钢管之间的垂直距离为8~10 mm，不锈钢管外径为2~3 mm，壁厚0.2~0.3 mm，两根相对的不锈钢管口之间的水平距离10~20 mm。

2.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，所述电凝并静电捕集装置包括两个反应电极、静电捕集腔、集尘板和取样室，所述静电捕集腔为内部中空的腔体，静电捕集腔腔壁顶端开有两个孔，所述两个反应电极平行对称密封插入腔壁孔，并伸入腔壁，两个反应电极一正一负，正反应电极设于上游，接入30kV~50kV的高压电，所述集尘板设于静电捕集腔内部底端且与腔壁孔对应，用于收集碳纳米颗粒，所述取样室设于集尘板的下方，用于存储集尘板表面的碳纳米颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，所述反应电极为长8 ~10mm，直径0.5 mm的不锈钢针电极，两个反应电极平行对称密封插入腔壁孔，并伸入壁孔1~2mm，集尘板设于距离反应电极最低端15mm处，两个反应器壁孔之间的距离为20~30mm。

4.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，所述静态混合器的内部单元为波纹片。

5.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，两组喷管式电极组（11）水平布置或竖直布置。

6.根据权利要求1所述的一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，其特征在于，所述甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置还包括两个流量调节阀（6）、两个气体流量计（7）和两个温度计（8），一个流量调节阀和一个气体流量计设于甲烷进气管上，另一个流量计和另一个流量调节阀设于和背景气体的进气管上，温度计分别设于混合管式换热器（1）冷气反应气出气管道和管式换热器热空气出气管道上。