[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

说明书

一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置及方法，属于纳米碳的制备技术领域。所述装置包括依次管道连接的原料气进气管、混合管式换热器、等离子体反应器、高温管式换热器、颗粒捕集器和燃烧室。本发明将甲烷和背景气体在混合管式换热器中混合加热，之后通入等离子体反应器中，被电离形成高温等离子体射流，此时的甲烷成分在高温下被脱氢形成纳米碳颗粒，在换热降温后废气通过静电颗粒捕集器和袋式捕集器获得纳米碳。最后脱除颗粒后的废气进入燃烧室充分燃烧，燃烧烟气通入混合管式换热器利用其热量。此反应器中两级换热器为充分利用热量而设置，提高能量利用效率，减小能耗。能够避免有害气体排放，具有纳米碳收率高以及分解效率高等优点。

技术领域

本发明涉及纳米碳的制备技术领域，具体涉及一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置及方法。

背景技术

目前，利用碳源制备纳米碳材料的方法有化学气相沉积法、电弧等离子体法、激光烧蚀法等。其中，等离子体法由于制备纳米碳具有节能、原料转化率高、无污染、工艺简单等优点被认为是生产纳米碳材料的有效方法之一。该方法用乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等化学性质比较活泼的含有不饱和化学键的有机化合物作为碳源；氩气、氦气、氮气或氢气等具有稳定性的气体作为载气。通过在两电极之间的电弧放电产生高能电子和高温，使反应室中的气体变为等离子体态，通过电子碰撞和高温分解使碳源气体裂解成气态原子，之后经降温重新成核生长成所需纳米粒子。

现存的等离子体有机化合物制备纳米碳方法中，存在以下问题（1）反应器中积碳严重，比如，混合气体通过等离子体反应区，由于设置碳源的流量大以及反应迅速发生，目标纳米碳可能直接沉积在反应器内和电极上。（2）纳米碳颗粒收率低的问题，在等离子体有机物制备纳米碳收集方式中，有旋风分离器、灰斗、布袋除尘器等，这些方法的捕集碳纳米通常不完全。（3）末端排放气体利用率低，气体副产品直接排放到大气，没有利用其价值且污染环境。所以，设计可以提高原料利用率，产物收率，减少有害气体排放的等离子体裂解制备纳米碳系统迫在眉睫。

发明内容

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置及方法，能够避免有害气体排放，具有纳米碳收率高、分解效率高以及能耗小等优点。

技术方案：一种甲烷等离子体裂解制备纳米碳的装置，包括依次管道连接的原料气进气管、混合管式换热器、等离子体反应器、高温管式换热器、颗粒捕集器和燃烧室，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进气口管道连接，管式换热器热烟气进口与燃烧室出气口管道连接，管式换热器热烟气出口的烟气排入烟囱，管式换热器的换热管内部通入来自燃烧室的800℃左右的热烟气，换热管外部为常温的原料气，通过热交换将其加热至500℃-550℃；

所述等离子体反应器包括保温加热层、壳体、两组喷管式电极组和出气口，所述壳体为内部中空的圆柱形密闭腔体，所述保温加热层设于壳体外表面，两组喷管式电极组轴对称从外部伸入壳体内部，两组喷管式电极组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（喷管），若干根平行的空心不锈钢管设于壳体外部的一端通过不锈钢总管贯通，伸入壳体内部的一端开口，原料气从壳体外部贯通的不锈钢总管内通入，两组喷管式电极组中一组喷管式电极组接地，另一组喷管式电极组接正高压，出气口设于壳体内壁与不锈钢管方向垂直的一侧，原料气经均匀分布后，从各个喷管喷出，形成一定强度的放电射流；