一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于煤转化得到清洁电能和高附加值化学品技术领域，具体涉及一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置及方法。
【背景技术】
[0002]我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国。煤炭资源在我国的能源政策中占据非常关键的位置，有效地支撑了国民经济的持续快速发展。在我国的自然资源中，基本特点是富煤、贫油、少气，这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。我国煤炭的储量相对比较丰富，占世界储量的11.60%。我国煤炭资源总量为59000亿吨，其中已探明储量为10000亿吨，占世界总储量的11%，成为世界上第一产煤大国。据有关资料预测到2050年，我国的煤炭在能源消费结构中的占比也将在40%以上。由此可见，在今后相当长的一段时期内，煤炭仍将是我国能源的支柱产业。但现阶段，以燃烧煤炭为主的粗放利用方式，不仅极大地浪费了宝贵的煤炭资源，更造成了严重的环境污染，并且造成了一系列的严重的问题，亟待解决。
[0003]近年来，针对这一系列问题，煤的分质转化与洁净利用成为煤炭转化的热点研究内容。煤的分质利用是一种高效清洁的低阶煤转化方式，根据低阶煤的物质构成及其物理化学性质，首先采用中低温热解技术对煤炭进行分质，将煤热解成气、液、固三相物质，然后再根据各类热解产物的物理化学性质有区别的进行利用，梯级延伸加工，生产大宗化工原料和各类精细化学品。
[0004]在2004年，曼彻斯特大学的Geim小组首次用机械剥离法成功制备出了单层或薄层的新型二维原子晶体一一石墨烯。石墨烯是碳原子紧密排列成的具有单层蜂窝状结构的一种新型碳材料，其厚度仅为0.335nm，是构建零维富勒稀、一维碳纳米管、三维石墨等其他维数碳材料的基本单元。石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由s键连接，结合方式为SP2杂化，这些s键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池，因此石墨烯成为当前研究最热的材料之一，制备石墨烯也成为大家关注的焦点之一。
[0005]直接碳燃料电池是根据燃料电池所使用的燃料来划分的一种燃料电池，由于其可以用碳直接作为燃料而得名。直接燃料电池通过碳的电化学氧化过程将碳的化学能直接转换为电能，无需气化过程，从而避免了污染性气体的排放。这种技术的能量利用效率比目前的火力发电厂高两倍，其燃料可包括煤、焦炭、焦油、气体碳和生物碳等，是解决能源危机和化石类燃料环境污染最有效的技术之一。
[0006]目前煤的综合利用装置都普遍比较大型化而且设计复杂，相比这些造价昂贵、煤利用效率低的大型装置，以粉煤分质利用的小型装置将粉煤进行热解得到半焦、焦油和热解气，以热解半焦作为直接碳燃料电池得到电能，以热解尾气制备石墨烯功能炭材料，利用焦油转化为化学品从而实现粉煤分质转化的装置还未见报道。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置。该装置通过设置卧式管式炉和直接碳燃料电池，充分利用了直接碳燃料电池中粉煤热解产生的固体、液体和气体产物，其中热解产生的固体可以用于直接碳燃料电池的发电，热解产生的气体含有各种丰富的烃类气体，是生产石墨烯的良好的碳源，而热解产生的液体则可以收集起来作进一步分质利用，大大的提高了煤炭资源的利用效率，而且有效减轻了煤的粗放利用对环境造成的污染，符合我国低碳能源发展思雄
V QjN O
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，包括卧式管式炉、石英管、氢气储罐、干燥器、直接碳燃料电池、氩气储罐、带塞子的浓硫酸储瓶和带塞子的纯净水储瓶，所述石英管设置于卧式管式炉内且石英管的两端均位于卧式管式炉外，所述石英管内设置有用于盛装基底的瓷舟，所述石英管的一端设置有进气塞，石英管的另一端设置有排气塞，所述排气塞上安装有石英管排气管，所述石英管与干燥器通过穿过进气塞的第一管路相连通，石英管与氢气储罐通过穿过进气塞的第二管路相连通，所述干燥器与浓硫酸储瓶通过第三管路相连通，所述第三管路伸入浓硫酸储瓶的一端位于浓硫酸液面上方，所述浓硫酸储瓶与纯净水储瓶通过第四管路相连通，所述第四管路位于浓硫酸储瓶内的一端伸入浓硫酸液面以下，第四管路伸入纯净水储瓶的一端位于纯净水液面上方;所述直接碳燃料电池与氩气储罐之间设置有燃料电池进气管，直接碳燃料电池与纯净水储瓶之间设置有燃料电池排气管，燃料电池排气管位于纯净水储瓶内的一端伸入纯净水液面以下;所述直接碳燃料电池包括刚玉管和电解质片，所述刚玉管的上端设置有密封塞，所述电解质片通过密封胶粘接于刚玉管的下端，电解质片的上表面和下表面均设置有银膏涂层，所述刚玉管的侧面焊接有与电解质片的上表面相接的正极银线和与电解质片的下表面相接的负极银线。
[0009]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述密封塞、刚玉管和电解质片之间形成阳极室，所述燃料电池进气管的一端穿过密封塞设置于刚玉管内，燃料电池进气管的另一端与氩气储罐的出气口相连接，所述燃料电池排气管的一端穿过密封塞设置于刚玉管内。
[0010]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述卧式管式炉下方设置有用于支撑卧式管式炉的底座。
[0011]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述第二管路上设置有阀门。
[0012]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述第二管路上设置有氢气流量计。
[0013]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述第三管路上设置有气体流量计。
[0014]上述的一种粉煤分质转化耦合直接碳燃料电池的装置，其特征在于，所述燃料电池进气管上设置有氩气流量计。
[0015]另外，本发明还提供了一种上述装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0016]步骤一、将粉煤加入刚玉管内，使其均匀的分散在电解质片上，盖上密封塞，将直接碳燃料电池与外部用电设备相接；
[0017]步骤二、将盛装有基底的瓷舟放入石英管内并使瓷舟位于石英管的中部位置，装好进气塞;打开氩气储罐置换直接碳燃料电池和石英管内的气体并持续通入氩气，然后打开氢气储罐，开启卧式管式炉加热至化学气相沉积温度，对瓷舟内的基底进行还原处理，待还原处理结束后将纯净水储瓶置于冰水浴中，将直接碳燃料电池下部置于高温电阻炉中并使粉煤位于高温电阻炉内，开启高温电阻炉加热至直接碳燃料电池的工作温度，利用直接碳燃料电池中的粉煤热解产生的气体对瓷舟内的铜箔进行化学气相沉积处理；
[0018]步骤三、待步骤二中所述化学气相沉积处理结束后，关闭高温电阻炉和卧式管式炉，并关闭氢气储罐，继续通入氩气进行冷却，待卧式管式炉温度降至室温后，关闭氩气储罐，取出瓷舟，在瓷舟内的基底表面得到石墨烯。
[0019]上述的使用方法，其特征在于，步骤二中所述直接碳燃料电池的工作温度为750°C?850。。。
[0020]上述的使用方法，其特征在于，步骤二中所述化学气相沉积温度为900°C?10000C，所述还原处理的时间为I h?2h，所述化学气相沉积处理的时间为0.5h?I h。
[0021 ]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0022]1、本发明尚属首次，原创性强，实现方便，实用性强，使用效果好，便于推广。
[0023]2、本发明通过设置卧式管式炉和直接碳燃料电池，充分利用了直接碳燃料电池中粉煤热解产生的固体、液体和气体产物，其中热解产生的固体可以用于直接碳燃料电池的发电，热解产生的气体含有各种丰富的烃类气体，是生产石墨烯的良好的碳源，而热解产生的液体则可以收集起来作进一步分质利用，大大的提高了煤炭资源的利用效率，而且有效减轻了煤的粗放利用对环境造成的污染，符合我国低碳能源发展思想。
[0024]3、本发明在直接碳燃料电池和卧式管式炉之间设置干燥器、浓硫酸储瓶和纯净水储瓶，其中纯净水储瓶用于吸收液体产物，浓硫酸储瓶用于干燥气体，干燥器用于再次干燥气体，这样简单的设置安全高效，从而实现了将直接碳燃料电池和卧式管式炉连成一个整体，实现了粉煤的高效利用。
[0025]4、本发明的各器材均为普通常见器材，便于更新维护，大大降低了运行维护费