纳米碳生成装置的制作方法

专利名称：纳米碳生成装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使生物量和废弃物等可热分解的有机处理物快速地热 分解后，骤冷而进行液化的纳米碳生成装置。
背景技术：
近年来，从环境问题和能源问题、或物质资源问题的角度考虑， 开发了用于如下情况的技术对工业废弃物等各种废弃物进行适当的 处理，不排出环境污染物质而取出能源和物质加以有效利用。作为废
弃物处理技术，以往已知有例如特开平11-61158号公报(专利文献1)
所记载的技术。
专利文献1中公开了如下所述的技术在热分解槽的内部熔化塑 料，使熔融状态的塑料与由活性炭组成的一次催化剂层进行液相接触 而发生热分解，使热分解气体与二次催化剂塔的二次催化剂层进行气 相接触，从而对软化状态的小分子量的烃气体进行精制，其中所述二 次催化剂塔以连通状态配置在热分解槽的内部上方。
不过，在以往的有机处理物的处理技术中，为了在高温炉内进行 批处理，在投入催化剂发生反应后，使炉内冷却而将碳取出，这之前 非常耗费时间。另外，若在保持高温的状态下取出碳，则存在燃烧的 危险性。再者，还存在如下问题由于在还原气氛下发生反应，因而 在工程大型化时难以保持还原气氛，同时催化剂的投入、生成碳的连 续取出也很困难。

发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米碳生成装置，它与以往的相比， 能以较短的时间且安全地进行生成碳的取出，同时即使工程大型化，也能实现催化剂的投入及生成碳的连续取出，从而能够实现批量生产。 根据本发明，可以获得一种纳米碳生成装置，其使有机处理物快 速地热分解，然后骤冷而进行液化，该纳米碳生成装置包括热分解 机构，其使有机处理物快速地热分解；回收机构，通过使热分解的有 机处理物骤冷而进行液化，从而对液化物进行回收；还原气氛的回转 炉，其中投入有除去所述液化物中含有的杂质、并使该液化物气化后 所得到的烃；以及金属球，其被收容在该回转炉内，由不锈钢、铁、 镍、铬之中的至少任一种构成；该纳米碳生成装置的特征在于将所 述烃投入到所述回转炉内，在回转炉内使烃分解成碳和氢，从而采用 气相生长法进行纳米碳的生成。
另外，根据本发明，可以获得一种纳米碳生成装置，其使有机处 理物快速地热分解，然后使用作为热分解气体的烃，该纳米碳生成装 置包括热分解机构，其使有机处理物快速地热分解；还原气氛的回 转炉，其中投入有热分解后所得到的作为热分解气体的烃；以及金属 球，其被收容在该回转炉内，由不锈钢、铁、镍、铬之中的至少任一
种构成；该纳米碳生成装置的特征在于将所述烃投入到所述回转炉 内，在回转炉内使烃分解成碳和氢，从而采用气相生长法进行纳米碳 的生成。
下面就本发明的纳米碳生成装置进行更详细的说明。 (1)如上所述，本发明(第1发明)的纳米碳生成装置涉及一种 使有机处理物快速地热分解、然后骤冷而进行液化的纳米碳生成装置， 其包括热分解机构、回收机构、还原气氛的回转炉、以及由不锈钢、 铁、镍、铬中的至少任一种构成的金属球；采用气相生长法进行纳米 碳的生成。
根据上述构成的第l发明，与以往相比，能以较短的时间且安全 地进行纳米碳的取出。即使工程大型化，也能实现催化剂的投入和生 成碳的连续取出。再者，使回转炉内处于还原气氛中，因此能避免在 金属球表面形成钝化膜(氧化膜)。此外，在本发明中，所谓"快速"是指大约5-6秒之内，热分解 速度与通常的热分解不同。快速的热分解在大量回收液化物的情况下 是有效的，但以生成液化物相对于生成物(生成气体和生成液化物的 合计)的比率为纵轴、以反应时间为横轴来绘制曲线时，可知所述比 率随反应时间成比例地下降。因此，为了提高生成物的回收比率，越 是快速地进行热分解就越有效。
(2) 如上所述，本发明(第2发明)涉及一种使有机处理物快速 地热分解、然后使用作为热分解气体的烃的纳米碳生成装置，其包括: 使有机处理物快速地热分解的热分解机构、还原气氛的回转炉和金属 球；采用气相生长法进行纳米碳的生成。
根据上述构成的第2发明，能得到与第1发明相同的效果。此外， "快速"的定义如上所述，和第l发明同样，越是快速地进行热分解 就越能提高生成物的回收比率。
(3) 在上述(1)或(2)的发明中，优选除所述金属球之外，还 在所述回转炉内以与该金属球混合的方式收容有超硬质球。由此，超 硬质球时常切削金属球的表面，因而能使金属球的表面活化，并剥下 在金属球上生成的碳。
(4) 优选使所述超硬质球的表面粗糙，或使回转炉的内壁面粗糙。 由此，可以更加提高剥下在金属球上生成的碳的效果。
(5) 优选将所述金属球设计为中空状，体积密度与所述超硬质球 实质上相等。由此，能均匀地混合回转炉内的金属球和超硬质球。
(6) 在本发明中，回转炉内的氧浓度优选控制为0 3%，更优 选的氧浓度为0 1%。其原因在于从防止催化剂氧化的角度考虑， 回转炉内的还原程度最好强一些，从生成氢的角度考虑优选弱一些。
(7) 在本发明中，优选使回转炉内生成的废气中的氢气回流到回 转炉内而用于维持回转炉内的还原气氛。


图l是本发明的第1实施方案的纳米碳生成装置的工艺流程图。图2是对图1的纳米碳生成装置的一构成即回转炉及其周边放大 表示的说明图。
图3是本发明的第2实施方案的纳米碳生成装置的一构成即回转 炉及其周边的说明图。
图4是本发明的第4实施方案的纳米碳生成装置的一构成即回转 炉及其周边的说明图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的纳米碳生成装置的具体实施方案进行 说明。
(第1实施方案)
参照图1、图2。在此，图1是本发明的第1实施方案的纳米碳生 成装置的工艺流程图。图2是对图1的纳米碳生成装置的一构成即回 转炉及其周边放大表示的说明图。所述工艺流程图包括从原料投入 热分解装置到液化物的回收、精制而得到生物量的方框A，直到方框 A所得到的废气燃烧、排气的方框B，从生物油的加热气化到纳米碳 的精制的方框C。
图中的符号1表示热分解机构，其以大约500'C的温度使将作为 有机处理物的木质生物量资源破碎而成为碎片的原料和催化剂快速地 进行热分解。该热分解机构1具有如箭头X那样旋转的滚筒la，大量 刮落球(未图示)配置在所述滚筒la内。从贮料斗2将原料和催化剂 (例如Mo/Ni/MgO的催化剂粒子)投入所述热分解装置1中。快速 热分解的结果，从热分解装置1的底部取出碳化物3而送入碳化物贮 料斗中，从上部使含有杂质的热分解气体从配管4排出。
冷却器5配置在所述配管4的中途。通过快速热分解工艺所得到 的热分解气体被冷却、凝縮而液化。其结果，液化的液化物6由泵7 送到过滤器8中，在此过滤后，生物油贮存在收容槽9中。另一方面， 热分解气体冷却时所产生的废气(H2、 CO等)送入燃烧炉IO而通过排气塔11排气。在燃烧炉10燃烧时所产生的热量被热分解装置1所 利用。在此，由冷却器5、配管4、泵7、过滤器8、及收容槽9构成 回收机构。此外，方框A中的收容槽9和方框C中的收容槽9'不同， 一方的收容槽9表示的是在循环过程中临时收容生物油的收容槽。
来自收容槽9的生物气体通过泵12送入安装在配管13上的热交 换器14中，加热气化而生成烃气体。烃气体经由安装在在配管13上 的阀15送入与空气隔绝的高温还原气氛的回转炉16中。安装有阀17 的配管18与所述配管13连接，能通过该配管18将氢气供给到配管 13。回转炉16的一端如图2所示那样通过旋转接头19与配管13连接 而进行旋转。
SUS制金属球20收容在回转炉16内。回转炉16被具有流路21a、 21b的箱体21所包围。电加热器等构成的加热部22配置在所述箱体 21的外周部。氢气还原时，炉内温度被加热至550'C，在纳米碳生成 时被加热至750°C。多个孔23a、 23b分别开在回转炉16的另一端的 上部、下部侧部，废气从孔23a经由流路21a，例如送入燃料电池(FC) 24中，煤烟从孔23b经由流路21b而落下。
所述箱体21的流路21b通过隔离用的球阀25与螺旋输送机26 连接。该螺旋输送机26向图中右上方倾斜配置，冷却套27安装在螺 旋输送机26的外周部。在回转炉16中产生的纳米碳28经由球阀25 送入螺旋输送机26。在此，纳米碳28从螺旋输送机26左下侧搬送到 右上侧，被冷却套27冷却后，经由双层构造的隔离用球阀29a、 29b 被回收容器30回收。在此，球阀29a、 29b轮流开闭。此外，图中的 符号31是燃烧器，用于燃烧来自燃料电池24下游侧的配管的废气并 导入回转炉16内。但是，燃烧器31不一定是必需的。
在所述回转炉16内使烃分解为碳和氢，其步骤如下
步骤l:将回转炉16的内部温度加热至55(TC。
步骤2:打开阀17而使氢流入回转炉16内，使内部活化。
步骤3:关闭阀17而停止氢的供给。步骤4:打开阀15而向回转炉16内供给氮，并使回转炉16的内 部温度升温至750°C。
步骤5:向回转炉16内供给烃以代替氮，从而生成纳米碳。
步骤6:关闭阀15而停止烃的供给，使氮流动并将产生的纳米碳 28回收到回收容器30。
根据第1实施方案的纳米碳生成装置，具有如下所述的效果。
(1) 将氢气导入与空气隔绝而进行旋转的回转炉16内，使回转 炉16内保持在高温还原气氛下，因此能避免在收容于回转炉16内的 SUS制的金属球20表面上形成钝化膜(氧化膜)。因此，能使烃气体 与金属球2的表面高效地接触。
(2) 通过配置在回转炉16下部侧的螺旋输送机26和冷却套27 等，与以往相比，能以较短的时间且纳米碳28不会燃烧而完全地进行 纳米碳28的取出。另外，即使工程大型化，也能实现催化剂的投入和 生成的纳米碳28的连续取出。
(3) 因为所采用的构成是能将来自燃料电池24下游侧的配管中 的废气通过燃烧器31而导入回转炉16内，故能以较短时间提高回转 炉16的内部温度。
此外，第1实施方案对在热分解机构内得到的热分解气体中含有 杂质时的纳米碳生成装置的情况进行了说明。不过，在热分解气体中 完全不含有杂质或者几乎不含有杂质的情况下，不需要上述回收机构， 能如图1的箭头Y (虚线)所示那样将作为热分解气体的烃直接导入 回转炉16中。此时，能省略构成回收机构的冷却器、过滤器和收容槽 等，因此能简化装置构成。 (第2实施方案)
参照图3。图3只表示了第2实施方案的纳米碳生成装置的回转 炉及其周边。其中，与图l和图2相同的部件标上相同符号而省略说 明。
本实施方案的特征在于，除SUB制金属球20之外，在回转炉16内以与这些金属球20混合的方式收容有大量的由硬质陶瓷构成的超 硬质球41。
根据第2实施方案，通过超硬质球41时常切削金属球20的表面， 使金属球20的表面活化，能剥下在金属球20上生成的碳。此外，利 用超硬质球41也能刮掉回转炉16的内壁面，因此必须使回转炉16 的内壁面变硬。
此外，不单将超硬质球41放入回转炉内，而且使超硬质球41的 表面或回转炉16的内壁面的至少任一方粗糙，则切削效果进一步增 大。
(第3实施方案)
本实施方案未图示，其特征在于在回转炉内配置有使上述金属 球和表面粗糙的超硬质球，同时使金属球成为中空状且体积密度与超 硬质球相等。
根据第3实施方案，金属球和超硬质球的体积密度相等，因此能 均匀混合回转炉内的金属球和超硬质球。 (第4实施方案)
参照图4。图4是第4实施方案的纳米碳生成装置的流程图，只 表示与图1的方框C相对应的部分。其中，与图1和图2相同的部件 标上相同符号而省略说明。
如图4所示，本实施方案的特征在于，设置有配管43，以便将连 接回转炉16和燃料电池24的配管42与所述配管18之间连接起来， 从而使在回转炉16内产生的废气中的氢气回流到回转炉16内以保持 炉内还原气氛。此时，将炉内的氧浓度控制为0 3%。这是基于如下 理由g口，若炉内还原过强，则氢生成反应就当然被抑制。因此，从 防止催化剂氧化的角度考虑，炉内的还原程度最好强一些，从生成氢 气的角度考虑，炉内的还原程度优选弱一些，因此必须控制在恰当的 范围。从这样的角度考虑，如上所述那样设定了炉内的氧浓度。此外， 氧浓度的优选范围是0 1%。根据第4实施方案，从防止催化剂氧化和生成氢气的两种角度考 虑，可以将氧浓度调节成0 3%，使炉内的氢气回流而作为炉内还原 用氢加以有效利用。
此外，在上述实施方案中采用了 SUS制材质作为金属球的材质， 但本发明并不局限于此，既可以是铁、镍、铬等，也可以从它们之中 适当组合多种材质的金属球而加以利用。
权利要求
1.一种纳米碳生成装置，其使有机处理物快速地热分解，然后骤冷而进行液化，该纳米碳生成装置包括热分解机构(1)，其使有机处理物快速地热分解；回收机构，通过使热分解的有机处理物骤冷而进行液化，从而对液化物进行回收；还原气氛的回转炉(16)，其中投入有除去所述液化物中含有的杂质、并使该液化物气化后所得到的烃；以及金属球(20)，其被收容在该回转炉(16)内，由不锈钢、铁、镍、铬之中的至少任一种构成；该纳米碳生成装置的特征在于将所述烃投入到所述回转炉(16)内，在回转炉(16)内使烃分解成碳和氢，从而采用气相生长法进行纳米碳的生成。
2. 如权利要求1所述的纳米碳生成装置，其特征在于，除所述金 属球(20)之外，在所述回转炉(16)内以与该金属球(20)混合的 方式收容有超硬质球。
3. 如权利要求l所述的纳米碳生成装置，其特征在于，使所述回 转炉(16)的内壁面粗糙。
4. 如权利要求l所述的纳米碳生成装置，其特征在于，所述金属 球(20)为中空状，并且体积密度与所述超硬质球实质上相等。
5. 如权利要求1所述的纳米碳生成装置，其特征在于，所述回转 炉(16)内的氧浓度控制为0 3%。
6. 如权利要求1所述的纳米碳生成装置，其特征在于，使在所述 回转炉(16)内生成的废气中的氢回流到回转炉(16)内而用于维持 回转炉(16)内的还原气氛。
7. —种纳米碳生成装置，其使有机处理物快速地热分解，然后使 用作为热分解气体的烃，该纳米碳生成装置包括热分解机构(1)， 其使有机处理物快速地热分解；还原气氛的回转炉(16)，其中投入有热分解后所得到的作为热分解气体的烃；以及金属球(20)，其被收容 在该回转炉(16)内，由不锈钢、铁、镍、铬之中的至少任一种构成; 该纳米碳生成装置的特征在于将所述烃投入到所述回转炉(16)内， 在回转炉(16)内使烃分解成碳和氢，从而采用气相生长法进行纳米 碳的生成。
8. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，除所述金 属球(20)之外，在所述回转炉(16)内以与该金属球(20)混合的 方式收容有超硬质球。
9. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，使所述超 硬质球的表面粗糙。
10. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，使所述 回转炉(16)的内壁面粗糙。
11. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，所述金 属球(20)为中空状，并且体积密度与所述超硬质球实质上相等。
12. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，所述回 转炉(16)内的氧浓度控制为0 3%。
13. 如权利要求7所述的纳米碳生成装置，其特征在于，使在所 述回转炉(16)内生成的废气中的氢回流到回转炉(16)内而用于维 持回转炉(16)内的还原气氛。
全文摘要
一种纳米碳生成装置，其使有机处理物快速地热分解，然后骤冷而进行液化，该纳米碳生成装置包括热分解机构(1)，其使有机处理物快速地热分解；回收机构，通过使热分解的有机处理物骤冷而进行液化，从而对液化物进行回收；还原气氛的回转炉(16)，其中投入有除去所述液化物中含有的杂质、并使该液化物气化所得到的烃；以及金属球(20)，其被收容在该回转炉(16)内；该纳米碳生成装置的特征在于将所述烃投入到所述回转炉(16)内，在回转炉内使烃分解成碳和氢，从而采用气相生长法进行纳米碳的生成。
文档编号B82B3/00GK101293649SQ20081008527
公开日2008年10月29日 申请日期2008年3月10日 优先权日2007年4月23日
发明者今井正, 今井洁, 伊部英纪, 小城和高, 杉山英一, 野间毅 申请人:株式会社东芝