用于大规模碳纳米管生产和无定形碳生产的大气等离子体反应器的制作方法

本发明涉及应用于(轻)碳氢化合物分子的热分解领域的等离子体反应器，其旨在大规模地生产碳纳米管以及生产纯度优质的无定形碳。

背景技术：

1、由初级燃料、通常是碳氢化合物、生产氢被称为重整(reforming)。重整借助催化剂在重整装置(反应器)中进行。制氢过程根据气体产生过程中所涉及的反应进行分类。存在用于由(非固体)碳氢化合物生产氢的四种过程：水蒸气重整、部分氧化重整、自热重整和热解重整。

2、用于生产固态碳或、如商业上已知的、碳黑的最常用的方法基于负载中部分碳氢化合物的燃烧，从而为天然气、甲烷或其他碳氢化合物的热解反应(热分解)提供热能。

3、通过负载的部分燃烧产生的材料因该过程的特征而不具有如本发明一样高的纯度水平，本发明使用热等离子体或由其产生的热量来执行碳氢化合物的热解。

4、除了生成两种产物(氢和碳)之外，碳氢化合物的等离子体热解也是用于使化石燃料脱碳的替代方案。目的是评估其在减少温室气体排放方面的潜力。等离子体脱碳可以有助于碳生产行业、制氢甚至发电中更清洁的过程的开发。

5、商业上已知的碳黑具有很高的附加值和巨大的全球需求；此外，轻碳氢化合物比如甲烷的等离子体热解提供了目前碳黑市场上无法获得的优质碳质材料。

6、碳氢化合物的分子分解是以热学的方式执行的。存在用于碳黑生产中的甲烷热解过程；在这些过程中，分解ch4分子所需的能量由甲烷本身的燃烧提供。

7、一种创新的替代方案是经由等离子体来分解分子，使得能够在不燃烧气体的情况下使甲烷气体分解。

8、在适当条件下的反应器内部的放电的产生使得能够形成等离子体弧，该等离子体弧为碳氢化合物的分解提供热能，并且由于存在的颗粒之间发生碰撞过程而增加了对反应的催化作用。

9、所提出的过程的重要假设是有可能获得比常规碳黑具有更高附加值的碳、比如特种碳黑或以碳原子、以纳米结构的方式组织的碳质材料、比如富勒烯和纳米管。

10、文献pi0305309-1公开了一种等离子体热解过程，其旨在从碳氢化合物和醇的分解中产生气态氢和固体碳质材料，这里以甲烷气体的分解及其用途为例。该过程包括为碳氢化合物流供应足够数量的热能，以用于其分解反应。使用了氢气流，氢气流被电离(等离子体气体)并用作用于碳氢化合物分解的载体。这种流最初来自外部氢源，并且随后由碳氢化合物热解过程本身所产生的氢组成。直流电能量源为反应器内部的放电、称为等离子体弧的区域、提供必要的能量。该文献、以及本发明、公开了一种使用等离子体来分解碳氢化合物(甲烷气体)从而产生碳材料的过程和方法；然而，本发明使用氩气作为等离子体气体，并且在电流的数量级为该文献(pi0305309-1)中所用电流的5％-20％的情况下，有可能在本发明的室的内部获得相同的测试条件。这是因注入过程气体的不同方式、也是因电极的新颖设计导致的。由于阴极中的弧(弧的根部)的电接触完全发生在由含2％氧化钍的钨构成的片的表面上，本发明的电极的使用寿命更长。

11、文献us5997837公开了一种用于分解碳氢化合物以生产氢和碳黑的方法，其中进料穿过等离子体炬，这导致进料的热解分解。进料经等离子炬输送到冷却的进料管中，并在紧邻等离子火焰的区域中进行第一次加热。因此产生的材料被传递到一个或更多个后续阶段，在那里碳氢化合物最终完全分解成碳黑和氢。在该区域中，可以添加附加原材料以进行骤冷以及与已经产生的碳黑发生反应。因此，在未供应额外能量的情况下，使所产生的颗粒尺寸、密度和数量增加，并且稍后所产生的产物被排出和分离，并且较热的气体可以在返回管中输送到炬，以进一步增加能量产量。尽管该文献同样公开了使用等离子体来分解碳氢化合物(甲烷气体)从而产生碳材料的过程和方法，但本发明的电极由不同材料制成，更耐用(resistant)并且呈现几何差异。此外，本发明利用不同的等离子体气体，其旨在生产碳纳米材料。

12、与现有技术的文献所公开的内容不同的是，本发明涉及一种等离子体反应器，其目的在于大规模碳纳米管的生产和无定形碳的生产。

技术实现思路

1、本发明涉及一种用于轻碳氢化合物分子的热分解的等离子体反应器，其目的在于大规模碳纳米管的生产以及纯度优质的无定形碳的生产。由于该反应器是在接近大气压的压力下获得的，因此与在低压下操作的方法相比，所述反应器具有用于纳米管的生产的优异能力。

2、此外，借助于热等离子体或由此得到的热量的碳氢化合物的热解提供了一种纯度含量比固体碳(碳黑)生产中最常用的方法所获得的碳质材料更高的碳质材料，这些最常用的方法基于负载中的部分碳氢化合物的燃烧。此外，由于电极是金属的，并且由于阴极上的弧的电接触完全发生在由含2％氧化钍的钨构成的片中，因此这些电极的使用寿命比常规的碳电极的使用寿命长至少三倍。

3、发明目的

4、本发明的目的是大规模地生产碳纳米管。

5、本发明的另一目的是生产纯度优质的无定形碳。

6、本发明的另一目的是为化石燃料的脱碳提供一种替代方案。

7、本发明的其他目的涉及减少炬的组装和拆卸的难度、消除冷却系统中的泄漏、消除因阳极的较大尺寸而引起的、使阳极难以冷却的低散热问题，以及对本领域的技术人员而言明显的其他目的。

8、这些和其他目的将通过本发明的主题等离子体反应器来实现。

技术特征：

1.一种大气等离子体反应器，其特征在于，所述反应器包括：由不锈钢制成的至少一个反应室(c)，所述反应室(c)包括一个部段(a)或两个部段(a和b)，以及等离子体炬(t)，所述等离子体炬(t)具有注射器(1)、联接凸缘(2)、注射护套(6)、阴极支承件(7)、包含由含2％氧化钍的钨构成的片的电极(阴极)(19)、阳极(4)、阴极冷却表面(8)、阴极护套(9)、绝缘体(10)和外护套(18)。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括在所述反应室(c)内部的催化剂，用以制造碳纳米管(e)，并且、当不使用催化剂时、用以制造无定形碳。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述阴极(19)上的弧的电接触完全发生在所述由含2％氧化钍的钨构成的片的表面上。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应室(c)位于所述等离子体炬(t)的下游。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器包括用于沿轴向方向注射气体的注射器(1)。

6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述注射气体是氩。

7.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述注射气体是氦。

8.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述气体被保持处于约5a至50a和33v至32v的放电条件下。

技术总结
本发明涉及一种用于碳氢化合物分子的热分解和/或等离子体分解的等离子体反应器，其旨在大规模地生产碳纳米管以及生产纯度优质的无定形碳。由于该反应器在接近大气压的压力下操作，并且可以以连续流动状态操作，因此所述反应器具有用于碳纳米管的生产的优异能力。借助于热等离子体或由此得到的热量的碳氢化合物热解产生纯度含量比由固体碳生产中最常用的方法所获得的碳质材料更高的碳质材料，这些最常用的方法通常基于部分负载碳氢化合物的燃烧。

技术研发人员：奥雷利奥·赖斯达科斯塔拉班卡,克劳迪奥·费尔南德斯达席尔瓦
受保护的技术使用者：巴西石油公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13