一种煤基纳米碳多晶配方产品智能绿色制造系统技术方案

本发明专利技术提供一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，客户和内部人员参与的适应性决策，以及物流优化，变为具有分布式硬件和软件的交钥匙生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装产生了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的即时绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和交付时间要求，复合添加剂能显著提高水泥基、聚合物基和金属基复合材料的性能。本系统可以增加产品价值和减少环境负荷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种煤基纳米碳多晶配方产品智能绿色制造系统
本专利技术涉及一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多形晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关的天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，以此支撑系统的客户和系统的内部人员参与业务的适应性决策，物流优化，以及采用分布式硬件和软件的关键生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装保障了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的准时化绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和极低库存条件下准时交付时间要求。
技术介绍
碳是地壳中最丰富的化学元素之一。在地球上，碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，这些分子存在于大气中或溶解在各种水体中。一些二氧化碳分子被许多藻类和植物还原并改造成碳-碳、碳-氢和碳-氧键作为其有机体的主要的分子组成部分。在地球的漫长历史中，一些有机体的残骸被埋藏在土壤下面，由于温度和压力的自然变化导致氧、氢和其他挥发性成分的消耗，慢慢碳化成无定形的碳质固体，俗称煤。然而，非晶形碳在固体碳的同素异形体中并不是最稳定的。在地球上，一些煤源进一步碳化成几乎纯碳，并转化为结晶石墨和金刚石。金刚石、石墨和煤的密度分别为3.5、2.2和1.0-1.6g/cm3，它们的稀有性和价格各不相同。高清晰度珠宝级金刚石约15000美元/克，石墨约2000美元/吨，煤炭约60美元/吨。2017年，全球煤炭储量估计约为1万亿吨，年产量为38亿吨。大部分工业煤耗都是简单烧煤供热和将热能为动力能源,大多数应用都有相当高的环境负荷。因此，具有讽刺意味的是，自然界为生产和储存地球上丰富的煤炭资源付出了高昂的能源成本，而人类却浪费了这些资源，造成了许多环境问题。这些浪费和污染的做法必须用煤炭的绿色高附加值利用来代替。2017年，约6亿吨煤在900-2000℃下煅烧并进一步碳化成焦炭，焦炭主要用作还原剂和钢铝生产中的碳添加剂。这些焦炭产品是非晶态碳和石墨碳的混合物，其石墨含量与其碳化程度密切相关。当炭化温度超过1600-2000℃时，它们的微观石墨的形成速率通常迅速上升。然而，要获得高质量的石墨晶体，完全石墨化需要3000℃的高碳化温度。通常情况下，焦炭的售价在300-400美元/吨左右,人造石墨售价稍高。近代绿色化学和绿色工程学提倡包括煤炭化工的制造业要遵守减降环境负载[1],高温碳化将煤炼成焦炭和石墨型碳只有薄利增值，但环境负载超高,违背了绿化制造业的转型升级潮流。除这些含碳固体外，工业上广泛应用的碳纤维和炭黑基本上也跟焦炭同样是石墨碳和非晶碳的混合物,也由含碳的气体/液体在高温下人工碳化或通过电弧反应形成。例如，橡胶的生产，特别是轮胎的生产，便要依赖于稳定的炭黑供应。以每吨1000美元左右的价格计算，炭黑的年消费量约为1千5百万吨和150亿美元。炭黑的供应链目前陷入困境，因为炭黑主要是由煤焦油的不完全燃烧产生的，这一过程对环境污染很大。由于煤焦油的价格约为500美元/吨，生产1吨炭黑需要消耗1.6吨煤焦油，如果考虑到其环境污染的补救成本，目前生产的炭黑确实没有什么价值。总之，橡胶等生产过程对炭黑的依赖，迫切需要在绿色、低成本生产炭黑方面进行切实的创新。近年来，人们专利技术了几种新型纳米碳多形晶(NCPs)的制备方法，这些纳米材料具有许多优异的材料性能、新的应用领域和高利润的市场前景。这些新兴的碳纳米晶体(如图1所示)包括碳纳米洋葱[2-3]、富勒烯[4]、碳纳米管[5-6]、碳纳米纤维[7-8]、石墨烯[9]和纳米金刚石[10]，它们都可以归类为纳米晶体，因为它们具有衍射特征。从富勒烯和石墨烯的专利技术者都分别获颁诺贝尔奖，可见这些新兴纳米材料的重要性。此外，碳纳米管材料和石墨烯材料由于其优异的性能得到了广泛的应用。它们目前的市场价格因形态和纯度而异，在每公斤500-10,000美元之间。显然，它们是高附加值的碳固体，但其高昂的价格也会自我限制其消费量和生产量。为了消除阻碍纳米石墨烯开发与产业应用的高成本壁垒，从煤和焦炭中制备纳米石墨烯的方法应运而生[US9,919,927；US2017/0096600A1；CN105339301A；CN107431211A；US2018/0155201A1,US2018/0019072A1,US2018/0019071A1,US2018/0019069A1,US2018/0016149A1,US2017/0370009A1,US2017/0369320A1,US2017/0096600A1；CN107804840A；CN108359455A；CN106744861A；CN105836739A；CN108455578A；CN106430173A；CN106185890A；CN106542521A；CN107892293A；CN105502364A；CN105819430A；CN103803538A；CN101693533A；CN103803540A；CN11007793.0；参考文献12-26]。最近，本专利申请的专利技术人也公开了用煤和煤矸石生产纳米碳多形晶混合物的方法[PCT/CN2018/104910；CN201811081694.0]。所有这些专利技术都集中在材料工程的细节上。尽管最新专利技术[PCT/CN2018/104910；CN201811081694.0]充分考虑了成本和环境负荷，但这些和所有其他专利技术均未考虑制造工程、物流工程和分销工程，也未关注智能工业自动化、生产收益管理，质量控制管理、大型数据库工程、互联网连接工程、高速计算机供需建模。其实，在煤炭、焦炭等大宗商品材料的低成本绿色开发中，这些制造内容比材料工程中的细节更复杂、更有价值。参考文献：PCT/CN2018/10491020180930刘焕明等美国专利：9,919,927March20,2018Touretal.9,574,151B2February21,2018Jesephetal.5,582,484December10,1996Asa2018/0155201A1June7,2018Zhang2018/0019072A1January18,2018Zhamuetal.2018/0019071A1January18,2018Zhamuetal.2018/0019069A1January18,2018Zhamuetal.2018/0016149A1January18,2018Zhamuetal.2017/0370009A1December28,2017Zhamuetal.2017/0369320A1December28,2017Zhamuetal.2017/0096600A1April6,2017Touretal.中国专利：CN201811081694.02018.09.17刘焕明等...

【技术保护点】
1.一套用于生产和销售煤基纳米碳多形晶配方产品的智能绿色制造系统，其特征在于：系统包括：/n一个中央计算机控制的主站，通过关键数据生成、数据分析、数据存储和数据分发(包括数据网络分发)自适应地为生产、销售和其他业务事项作出关键制造决策；/n几个分布式操作终端，每个分布式操作终端负责执行主站的指令，以执行生产、销售和其他业务功能，其中分布式操作终端包括以下功能单元的组合：/na)分布式操作终端——纳米碳多形晶生产现场，以确保指定区域内的适当煤炭来源，生产与当地煤炭来源混合的纳米碳多形晶分散体，分类并储存当地生产的纳米碳多形晶分散体，以及来自主站的每个纳米碳多形晶分散体的基因组样特征数据，以管理当地供应链；/nb)分布式操作终端——客户中心，服务客户相关的所有业务事项，并收集客户的采购要求和反馈数据；/nc)分布式操作终端——研发中心，促进产品和生产技术的研究、开发、测试、计算、标准化。/nd)分布式操作终端——运输部-供应链管理中心，负责管理与供应链管理相关的所有事宜。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一套用于生产和销售煤基纳米碳多形晶配方产品的智能绿色制造系统，其特征在于：系统包括：
一个中央计算机控制的主站，通过关键数据生成、数据分析、数据存储和数据分发(包括数据网络分发)自适应地为生产、销售和其他业务事项作出关键制造决策；
几个分布式操作终端，每个分布式操作终端负责执行主站的指令，以执行生产、销售和其他业务功能，其中分布式操作终端包括以下功能单元的组合：
a)分布式操作终端——纳米碳多形晶生产现场，以确保指定区域内的适当煤炭来源，生产与当地煤炭来源混合的纳米碳多形晶分散体，分类并储存当地生产的纳米碳多形晶分散体，以及来自主站的每个纳米碳多形晶分散体的基因组样特征数据，以管理当地供应链；
b)分布式操作终端——客户中心，服务客户相关的所有业务事项，并收集客户的采购要求和反馈数据；
c)分布式操作终端——研发中心，促进产品和生产技术的研究、开发、测试、计算、标准化。
d)分布式操作终端——运输部-供应链管理中心，负责管理与供应链管理相关的所有事宜。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述配方产品包括定制的纳米碳多形晶配方，所述配方具有特定形态混合物和每种形态类型的特定尺寸分布，用于特定功能应用，包括复合添加剂和其他功能添加剂。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述基于煤的纳米碳多形晶包括纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯、纳米石墨片及其组合，所有纳米碳多形晶均由物理湿磨粉碎方法——从无烟煤、煤矸石、或它们中的每一种或它们的组合中所衍生的焦炭及其组合制成，而不是通过化学蚀刻方法制成。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中包括直径为1-50nm的球状纳米碳多形晶；厚度不大于2nm、边缘尺寸不大于100nm的片状纳米碳多形晶；横截面尺寸不大于20nm、长度不小于50nm的线状纳米碳多形晶及其组合。


5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述主站包括计算机、超级计算机、计算机网络及其组合，以及适当的软件支持，以形成网络物理系统。


6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述主站与若干分布式操作终端连接，并具有适当的保密性监控。


7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中主站与其他区域主站和其他国际主站连接，并具有适当的保密性控制。


8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中自适应主站包括硬件和软件的组合，用于从环境中收集相关数据，转换成用于指导系统制造操作的模型，并通过持续来自环境的数据输入动态地更新这些模型。


9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中主站的关键决策包括生产决策、工作分配决策、营销决策、销售决策、其他运营决策、其他业务决策及其组合。


10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中主站生成并存储关键数据于中央生产知识库，当中数据包括：
·纳米碳多型晶分布式操作终端的标识，Terminali＝Terminali{locationi,coal-typesi,j,pricei,j,reservei,j}，其中每个终端位置生产一种或多种类型的煤，每种类型的煤有具体的价格范围和特定储备；
·终端i和特定生产时间j生產每批次纳米碳多形晶的特征识别，Genei,j＝Genei,j{terminali,Production-Timej,Morphologyi,j{Morphologyi,,Sizei,j,k},Yieldi,j,k,Impuritesi}；其中Genei,j是生产地点、生产时间、形态混合、每种形态类型的大小分布、每种形态大小类型的产量，以及其他除纳米碳多形晶之外成分信息的基因组函数；
·下游工业应用所需的纳米碳多形晶混合物特定配方的特征，以及除所需纳米碳多形晶之外成分的要求或容差，Demandk,m＝{Locationk,Customerk,Demand-Timem,Morphology-Sizek,m{Morphologyk,m,Sizek,m},Impuritesk,m,Quantityk,m,Pricek,m}；
·影响将基因组p从终端r运输到终端i的物流参数，如果选择终端i作为需求k，m的生产地点，其中需要到基因组i及一些基因組p，但终端i没有任何生产基因p的能力，并要求从终端r调配基因组p，Logisticsk,m{Locationk,Terminali,Terminalr,Transportation-Timei,r,k,Transportation-Pricei,r,k}。
·一组优化系统性能的方法：定量测量和分析每批纳米碳多形晶生产的基因组特性的方法，建立计算模型用于预测未来批次中纳米碳多形晶的基因组特性的方法，提高基因组特征预测的准确性的自适应方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘焕明，陈鸿明，
申请(专利权)人：佛山巧鸾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44