用于碳纳米材料生产的燃烧器和燃烧装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了用于碳纳米材料生产的改良了的燃烧器、燃烧装置和方法。本发明专利技术的燃烧器提供了燃料和氧化气体的烟灰焰。本发明专利技术燃烧器的燃烧产品的凝结物产生碳纳米材料，如无限制，其包括：烟灰、球壳状碳分子烟灰和球壳状碳分子。本发明专利技术的燃烧器不需要预先混合燃料和氧化气体，并适用于低压气体燃料，如那些包含丰富的聚合芳烃的燃料。本发明专利技术的燃烧器可在具有热燃烧器表面（例如未冷却）时工作，并几乎不需要冷却或其它形式的散热。本发明专利技术的燃烧器由一个或多个耐火构件构成，这些耐火构件形成燃烧器的出口，而火焰在出口处形成。本发明专利技术燃烧器具有改良的火焰稳定性，能够使用更大比率的燃料／氧化物和更大范围的气流速度，并通常比采用水冷金属燃烧板具有更高的效率。本发明专利技术的燃烧器也能减少在燃烧器和燃烧器表面下游处产生不期望的烟灰沉积。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请带有美国优先权，其优先权是根据2001年8月30日提交的申请号为60/316,426的美国临时专利申请和2002年3月15日提交的申请号为10/098,829的美国专利申请，这两个在先专利申请与本专利技术协调地结合在本文中以供参考。
技术介绍
本专利技术涉及碳纳米材料生产中的烟灰焰，尤其是，燃烧器、燃烧装置和用于碳纳米材料生产的方法。术语“碳纳米材料”这里通常指任何包含六个环的基本炭物质，该环显示有石墨平面弯曲状，通常这些物质含有五个由炭原子形成的六边形的环。碳纳米材料的例子包括球壳状碳分子、单壁碳纳米管(SWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)、纳米管和尺寸为纳米级的蜂窝状炭结构，但不限于此。术语“球壳状碳分子”这里通常指任何闭式笼状炭化合物，其包含有六个和五个尺寸独立的炭环，并倾向于包含大量的低分子量的C60和C70球壳状碳分子，已知的大球壳状碳分子包括C76、C78、C84和高分子量的球壳状碳分子C2N(N大于等于50)。术语包括能在本行业内被理解的“溶剂萃取球壳状碳分子”(通常包括可融解在甲苯或二甲苯中的低分子量的球壳状碳分子)和包括不能被提取的高分子量的球壳状碳分子，其包括至少与C400一样巨大的球壳状碳分子。碳纳米材料可以在烟灰中、特定环境中生成，碳纳米材料可以从烟灰中分离或从烟灰中浓缩。在碳纳米材料(如球壳状碳分子)合成时产生的烟灰典型地包括碳纳米材料混合物，它是进一步提纯和浓缩碳纳米材料的资源或其自身就展现出碳纳米材料期望的特征和用于表达这些特征的添加剂。术语“碳纳米材料”，当无限制地使用时，其包括含有具有可分离量的碳纳米材料的烟灰。例如，术语球壳状碳分子烟灰在本行业中指含有球壳状碳分子的烟灰。球壳状碳分子烟灰被术语碳纳米材料所包含。不同的碳纳米材料有不同的潜在应用。球壳状碳分子和球壳状碳分子烟灰有这样的潜在应用，如作为半导体处理用的电阻材料和光阻材料的添加剂；用于燃料电池用的质子导电膜、光限制材料和设备、和锂电池阳极；作为有机晶体管的活性元素；作为化妆品中的色素；作为抗氧化剂；和用于治疗学，如作为抗病毒剂。尽管本行业人员认识到碳纳米材料巨大的潜在商业应用，但得到应用所需量的材料的高成本和困难性已成为这些材料实际应用的障碍。烟灰焰是大生产率(大约大于100克/天)生产碳纳米材料的最具性价比的方法。在稳定于水冷平面金属板上的预先混合火焰中合成球壳状碳分子是本行业的人所熟知的(如霍华德的美国专利5,273,729)，该金属板形成气体的出口和燃烧器的外表面。这种燃烧器是用于科研，而不是用于生产材料。然而，具有水冷表面的燃烧器只能在相对狭窄的参数范围内工作。同样，具有水冷表面的燃烧器把碳氢化合物燃烧产生的一大部分热量散失到冷凝水中，而不是把热使用到球壳状碳分子形成反应中。进一步，冷凝燃烧器表面的应用导致在燃烧器表面形成的沉积的增加，导致气流不规则，导致火焰不均匀，减少材料的产量及影响材料的均质化。最后，燃烧器表面形成覆盖层，为了清洗燃烧器，化合过程必须被停止。对于球壳状碳分子的生产，可在高温下工作的非冷却燃烧器表面具有几个优点。燃烧器表面上的球壳状碳分子的沉积率大大降低，因为沉积更加易于挥发或彻底燃烧。结果，非冷却燃烧器不需要经常清洗，甚至永远也不需要。同样操作非冷却燃烧器更加有效，因为燃烧器的热量可以加热气流，升高火焰的温度。燃烧释放的化学能更有效地得以使用，而不是浪费到冷却水中。具有一个非冷却燃烧器表面，燃烧就只锚定在表面上，因此当速度增加时吹熄火焰就更困难，大大地提高了火焰的稳定性。因此，非冷却燃烧器导致高火焰稳定允许更高的产量。非冷却燃烧器表面的另一个优点是在火焰内引入低气压添加剂的能力，而无需在冷却燃烧器板表面上凝结。这样的添加剂的例子是富含高沸点的多环芳烃(PHA)的给料，其对于球壳状碳分子的生产是具有高性价比，高产量的给料。PHA是多环芳烃，其包括两个或更多个六炭环，两个或更多个五炭环或一个或多个五炭环与一个或多个六炭环的混合物。其它的例子是催化剂，其可在高温下升华，这使它们易于结合到原料流中。高温(非冷却)表面燃烧器除了在碳纳米材料合成中的应用，还有其它应用，如工业熔炉。例如，埃布等人的美国专利4,673,349描述了一个高温表面燃烧器，其有一个多孔陶瓷体。在本专利技术公布的两个具体实施例中，多孔陶瓷体包含有通孔。莫理斯舞等人的美国专利4,889,481公布了一种双重结构多孔陶瓷燃烧器，其用作为红外加热源。豪勒瓦克等人的美国专利5,470,222公布了一种高发射率的多孔陶瓷火焰保持器，其用于加热装置。然而，本行业的人员都知道要生产相当数量的球壳状碳分子需要特殊燃料和燃烧条件。在通常条件下或工业燃烧时形成的球壳状碳分子是如此的低以致于只有使用最灵敏的分析技术(见K-H豪曼等人在化学国际组织的文章1998，37，2434-2451)才能够检测到这些材料。燃烧器设计必须是对生产效率优化后的一种变型，而且产生的球壳状碳分子的比率要能够接受(见A.A.鲍格大卫等人，技术物理学，第45卷52000期的521-527页)。用于高产量地生产球壳状碳分子的许多条件是极其不寻常的，并且这些燃烧条件是唯一的。与那些发热或推进用的燃烧器相比，用于球壳状碳分子合成的燃烧器要生产相当数量的固体炭产品。进一步，高芳香族的燃料是生产球壳状碳分子的优化的给料，而不是如链烷烃类的烃气燃料，而且给料最好在氧气中燃烧，而不是在空气中。球壳状碳分子生产的另一个唯一特征是燃烧器最好在负压下工作。与其它应用中使用的燃烧器工作的高雷诺数(典型的数千)相比，燃烧器工作的低压绝对值是低雷诺数(典型的小于100)，低雷诺数工作表示层流和混合气体完全以分子扩散。用于球壳状碳分子生产的燃烧器应该对这些唯一工作条件进行性能优化设计。有必要提供改良的方法和装置(包括燃烧器)去生产碳纳米材料，包括球壳状碳分子和烟灰焰，其能够降低生产成本和提供充足数量的这些材料用于实际应用。
技术实现思路
本专利技术提供用于碳纳米材料生产的改良了的燃烧器，燃烧装置和方法。本专利技术的燃烧器提供了燃料和氧气气体的烟灰焰。本专利技术燃烧器的燃烧产品的凝结物产生碳纳米材料，如无限制，其包括烟灰、球壳状碳分子烟灰和球壳状碳分子。本专利技术的燃烧器不需要预先混合燃料和氧化气体，并适用于低压气体燃料，如那些包含丰富的聚合芳烃的燃料。本专利技术的燃烧器可在具有热燃烧器表面时工作，并几乎不需要冷却或其它形式的散热装置。本专利技术燃烧器具有改良的火焰稳定性，能够使用更大比率的燃料/氧化物和更大范围的气流速度，并通常比采用水凝结金属燃烧板具有更高的效率。本专利技术的燃烧器也能减少在燃烧器和燃烧器表面下游处产生不期望的烟灰沉积。上游和下游的定义是相对于燃料和氧化物流过燃烧器的整体方向。本专利技术提供一种用于碳纳米材料生产的燃烧器，且燃烧器的出口是由多孔耐火材料形成。多孔耐火材料是用于稳定在燃烧器出口表面或附近的火焰，提供热屏蔽防止火焰反向传播进入燃烧器的气室，并在燃烧前对燃料进行预热和氧化气体。适合的多孔耐火材料包括网状金属板，微粒(粘土)，束状窄径管和排列有流道的蜂窝状陶瓷制品，如那些用于催化剂载体的，柴油机废气过滤器和熔融金属过滤器。蜂窝状陶瓷制品，有时指“蜂窝式过滤器”，如在美国专利4,3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在烟灰焰中生产碳纳米材料的燃烧器，包括：一个气室，其至少有一个让燃料气体和氧化气体进入燃烧器的气体入口；及一个或多个多孔耐火构件，其形成燃料和氧化气体从燃烧器出来的出口。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J迈克尔奥尔福德，迈克尔D迪讷，詹姆士纳毕特，迈克尔卡普，
申请(专利权)人：先锋奈米碳素株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]