一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶、炉门、外挂在炉墙上的蓄热燃烧系统、以及有助于石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统；其中，炉底、炉墙、炉顶、炉门构成炉膛；蓄热燃烧系统包括有第一蓄热箱和第二蓄热箱，第一蓄热箱和第二蓄热箱分别通过第一气体通道和第二气体通道与炉膛相通；所述非金属催化剂输入系统设置在炉墙或/和炉顶上、或分为第一输入系统和第二输入系统分别设置在第一气体通道和第二气体通道上。本发明金属冶炼炉直接在金属冶炼炉生产过程中生成石墨烯并形成高导热耐火导热层，导致这种冶炼炉利用热能的效率显著提高，排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，可产生明显的节能效果。
【专利说明】
一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉
技术领域
[0001]本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种热能利用充分，环保、高效节能的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉。
【背景技术】
[0002]金属冶炼属于高能耗高污染行业，随着能源价格不断上涨，燃料的消耗成本在加工成本中所占比例越来越高，并伴随自然资源的大量消耗、大量的碳排放以及严重的环境污染。为了减少金属冶炼炉生产过程中的燃料消耗，相关研究机构及生产企业不断探索新的技术以降低成本，同时减少对环境的污染。但这些技术主要集中在实现燃料的充分燃烧和尽可能地回收余热两方面。
[0003]在传热方面，石墨烯是目前发现的导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯这个新材料的被发现，为人类重新定义导热材料性能和更好地利用热能带来了很多新的可能，尤其在热工技术领域的传热技术方面可能获得很大的提升和发展。
[0004]然而，要利用石墨烯的高导热性能，需要经过几个步骤:首先是制备石墨烯:其次是用石墨烯作为原料制造或改良导热材料，并且新的高导热材料投入使用，这其中还涉及到保管、运输、储存等过程。石墨烯本身的制备成本目前就很高，导致石墨烯的实际应用还受到相当大的限制。在大型工业应用领域如工业炉领域，由于用量大、消耗快速等特点，按照通常方法制备和使用石墨烯是不现实的事情。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种热能利用充分，环保、高效节能的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0007]—种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶、炉门、外挂在炉墙上的蓄热燃烧系统、以及有助于石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统;其中，炉底、炉墙、炉顶、炉门构成炉膛;蓄热燃烧系统包括有第一蓄热箱和第二蓄热箱，第一蓄热箱和第二蓄热箱分别通过第一气体通道和第二气体通道与炉膛相通;所述非金属催化剂输入系统设置在炉墙或/和炉顶上、或分为第一输入系统和第二输入系统分别设置在第一气体通道和第二气体通道上。
[0008]进一步地，所述第一输入系统和第二输入系统按程序交替开启输入非金属催化剂;非金属催化剂随蓄热燃烧系统主助燃风进入炉膛。
[0009]进一步地，天燃气管道从两个蓄热箱中间位置通入炉膛，以供应天然气;蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T内为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧形成炉膛内富碳源和无氧气氛，从而构成石墨烯的生成环境。
[0010]进一步地，所述的非金属催化剂为以AL2O3为基底的非金属催化剂，由催化剂输入系统送入炉膛。
[0011]进一步地，所述的第一气体通道和第二气体通道上还设置有第一辅助燃烧装置和第二辅助燃烧装置，设定时间T内开启将炉膛内未燃尽气体完全燃烧，设定时间T结束后关闭。
[0012]进一步地，所述的蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T后调整为正常的充分燃尽空气过剩系数值，同时关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置。
[0013]本发明另一技术方案为:一种自动生成石墨烯的金属冶炼炉使用方法，其包括两个阶段:
[0014]第一阶段生成石墨烯阶段，点火后的设定时间T内，非金属催化剂的输入系统将以AL2O3为基底的非金属催化剂匀速送入炉膛并缓慢地在金属表面堆积，同时蓄热燃烧系统的空气过剩系数为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧在催化剂表面留有适当浓度的碳源前驱气体、温度为900-1200°C和无氧的气氛，碳源前驱气体在非金属催化剂表面分解沉积，当后续送入的非金属催化剂覆盖前面催化剂时，由于催化剂堆积在金属表面，前面的溶有碳原子的催化剂被新的催化剂覆盖后将热量传给金属而迅速降温，该催化剂层内沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔绝;到设定时间T结束时，炉膛内金属表面形成一层以非金属催化剂为基体的富含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层;未燃尽的燃料被辅助燃烧装置燃尽后排入第一蓄热箱或第二蓄热箱；
[0015]第二阶段:设定时间T结束后，蓄热燃烧系统的空气过剩系数恢复为正常值，关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置，冶炼炉在含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层的作用下加快金属吸收热量的速度，进入快速金属熔炼的加热和升温阶段、进行熔炼。
[0016]相较于现有技术，本发明自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉利用非常低廉的成本，绕开了石墨烯制备、运输、石墨烯耐火材料制备、投放使用等大量高成本环节，直接在金属冶炼炉生产过程中生成石墨烯并形成高导热耐火导热层，导致这种冶炼炉利用热能的效率显著提高，排烟温度降低减少热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，可产生明显的节能效果。
【附图说明】
[0017]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1是本发明冶炼炉的原理示意图。
[0019]图2是沿图1的A-A剖面示意图。
[0020]图3是图1的时间间隔T后的不意图。
【具体实施方式】
[0021]本发明实施例提供了一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其通过极低成本利用新材料石墨烯高导热率特性加强传热，提高金属吸热速度，降低能耗。
[0022]本发明通过采用一种将石墨烯的制备、含石墨烯高导热材料制造、应用等过程合并的新方法，直接利用了工业炉本身消耗的能源一天然气作为碳源和制备过程中的能源、创造了一种石墨烯免预先制备的工业化应用的新方法，总成本极低，开创了一种石墨烯应用新领域，在工业炉中自生石墨烯并利用其高导热性能的技术，将不可承受的成本变为可能，而且产生相当好的经济效益。
[0023]为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024]本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一〃、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有"以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。
[0025]以下分别进行详细说明。
[0026]本发明是一种集石墨烯制备和应用于一体的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，通过一种将石墨烯的制备、含石墨烯高导热材料制造、应用等过程合并的方法，免除运输、存储等环节，是一种工业炉中自生石墨烯并利用其高导热性能，提高金属熔炼炉的能效的石墨烯工业化应用的方法。
[0027]本发明的实施例为将有助石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统分为第一输入系统和第二输入系统设置在第一气体通道和第二气体通道上、以燃料天然气(主要成分甲烷CH4)为碳源的实施例。
[0028]如图1、图2所示，一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶、炉门、外挂在炉墙上的蓄热燃烧系统以及有助于石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统;其中，炉底、炉墙、炉顶、炉门构成炉膛I;蓄热燃烧系统包括有第一蓄热箱10和第二蓄热箱12，第一蓄热箱10和第二蓄热箱12分别通过第一气体通道3和第二气体通道19与炉膛I相通;所述非金属催化剂输入系统设置在炉墙或/和炉顶上、或分为第一输入系统5和第二输入系统17分别设置在第一气体通道3和第二气体通道上19。
[0029]本发明实施例中，第一气体通道3和第二气体通道19上设置有用于输入有助于石墨烯生成的非金属催化剂20的第一输入系统5和第二输入系统17，第一输入系统5和第二输入系统17按程序交替开启输入非金属催化剂20。非金属催化剂20随蓄热燃烧系统主助燃风13进入炉膛I。天燃气管道"从两个蓄热箱中间位置通入炉膛，并通过天燃气管道11供应天然气。蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间(30-240分钟)T内为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧形成炉膛I内富碳源和无氧气氛，构成石墨烯的生成环境。非金属催化剂20为以AL2O3为基底的非金属催化剂，催化剂第一输入系统5和第二输入系统17根据蓄热燃烧系统的换向频率切换轮流将非金属催化剂20送入第一气体通道3和第二气体通道19而进入炉膛I。第一气体通道3和第二气体通道19上还设置有第一辅助燃烧装置和第二辅助燃烧装置，所述第一辅助燃烧装置包括有第一供风系统6和第一点火枪9;所述第二辅助燃烧装置包括有第二供风系统16和第二点火枪14。设定时间(30-240分钟)T内按程序交替开启第一辅助燃烧装置和第二辅助燃烧装置将炉膛I内未燃尽气体2完全燃烧，设定时间T结束后关闭。
[0030]所述蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间(30-240分钟)T后调整为正常的充分燃尽空气过剩系数值(大于1.05)，同时关闭第一气体通道3和第二气体通道19上的第一催化剂输入系统5、第二催化剂输入系统17和两个辅助燃烧装置。
[0031]本发明另一实施例为一种自动生成石墨烯的金属冶炼炉使用方法，使用过程分为两个阶段。
[0032]第一阶段生成石墨烯阶段，点火后的设定时间(30-240分钟)T内，非金属催化剂的输入系统将以AL2O3为基底的非金属催化剂匀速送入炉膛并缓慢地在金属表面堆积，同时蓄热燃烧系统的空气过剩系数为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧在催化剂表面留有适当浓度的碳源前驱气体(即石墨烯生成的含碳可分解的前驱气体CH4、C0等)、温度为900-1200°C和无氧的气氛，碳源前驱气体CH4、C0等在非金属催化剂表面分解沉积，当后续送入的非金属催化剂覆盖前面催化剂时，由于催化剂堆积在金属表面，前面的溶有碳原子的催化剂被新的催化剂覆盖后将热量传给金属而迅速降温，该催化剂层内沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔绝;到设定时间T结束时，炉膛内金属表面形成一层以非金属催化剂为基体的富含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层;未燃尽的燃料被辅助燃烧装置燃尽后排入第一蓄热箱或第二蓄热箱。
[0033]第二阶段:设定时间T结束后，蓄热燃烧系统的空气过剩系数恢复为正常值(多1.05)，关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置，冶炼炉在含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层的作用下加快金属吸收热量的速度，进入快速金属熔炼的加热和升温阶段、进行熔炼。
[0034]具体地，生成石墨烯阶段，通过程序设定金属冶炼炉第一蓄热箱10排放未燃尽气体2时，第二蓄热箱12送主助燃风13、第一阀门4关、第二阀门8开、第三阀门15关、第四阀门18开、第一点火枪9开、第二点火枪14关;反之，设定第一蓄热箱10送主助燃风13时，第二蓄热箱12排放未燃尽气体2、第一阀门4开、第二阀门8关、第三阀门15开、第四阀门18关、第一点火枪9关、第二点火枪14开；以上两种状态以换向时间(10-300秒)t为间隔切换一次。点火时，假设通过第一蓄热箱10排出未燃尽气体2，这时第二蓄热箱12送主助燃风13、第一阀门4关停止送入催化剂20、第二阀门8开第一供风系统6供燃尽风7、第三阀门15关第二供风系统16停供燃尽风7、第四阀门18开第二催化剂输入系统17送入以AL2O3为基底的非金属催化剂20、点火枪9开点燃未燃尽气体2、点火枪14关;这时主助燃风13通过第二气体通道19进入炉膛I时，将第二催化剂输入系统17送入第二气体通道19的非金属催化剂20带入炉膛I，主助燃风13进入炉膛I后与过量天然气产生不充分燃烧反应形成900.1200X、含碳源气体即石墨烯前驱气体CH4、C0等的气氛，非金属催化剂20被主助燃风13带人炉膛I后形成正在堆积的催化剂层23，这时碳源气体在催化剂层23上分解成碳并沉积在催化剂中；未燃尽气体2通过第一气体通道3流向第一蓄热箱10的过程中，与燃尽风7混合并由第一点火枪9点燃完全燃尽后进入第一蓄热箱10。时间间隔t后，系统切换，通过第二蓄热箱12排出未燃尽气体2，这时第一蓄热箱10送主助燃风13、第一阀门4开第一催化剂输入系统5送入以AL2O3为基底的非金属催化剂20、第二阀门8关停供燃尽风7、第三阀门15开第二供风系统16开始供燃尽风
7、第四阀门18关停止第二催化剂输入系统17送入非金属催化剂20、点火枪9关、点火枪14开点燃未燃尽气体2;这时主助燃风13通过第一气体通道3进入炉膛I时，将第一催化剂输入系统5送入第一气体通道3的非金属催化剂20带入炉膛I，主助燃风13进入炉膛I后与过量天然气产生不充分燃烧反应形成900-1200X、含碳源气体即石墨烯前驱气体CH4、C0等的气氛，非金属催化剂20被主助燃风13带入炉膛I后形成正在堆积的催化剂层23，这时碳源气体在催化剂层23上分解成碳并沉积在催化剂中；未燃尽气体2通过第二气体通道19流向第二蓄热箱12的过程中，与燃尽风7混合并由第二点火枪14点燃完全燃尽后进入第二蓄热箱12。
[0035]以上过程以时间t为间隔不断循环，这样，正在堆积的催化剂层23中后续送入的非金属催化剂20覆盖在前面的催化剂上后，由于催化剂堆积在金属表面，前面的溶有碳原子的催化剂将热量传给金属后迅速降温，从900-1200X降低到300—600°C，正在堆积的催化剂层23内前面的溶有碳原子的催化剂沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔绝；正在堆积的催化剂层23堆积完成后形成高导热率复合耐火材料导热层24。到设定时间T结束时，炉膛内金属表面全部形成一层以非金属催化剂为基体的富含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层24。
[0036]第二阶段:到达设定时间T时，高导热率复合耐火材料导热层24完全形成，蓄热燃烧系统的空气过剩系数由系统设定恢复为正常值(多1.05)，关闭第一气体通道3和第二气体通道19上的第一和第二催化剂输入系统和第一和第二辅助燃烧装置，进入快速加热和升温金属、完成熔炼任务阶段。
[0037]本发明自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉生产的第一阶段以很低成本的方式形成了一层高导热率耐火材料层，熔炼炉进入第二阶段后加快了金属熔炼过程中金属升温和熔化速度，被加热金属的热传递强度提高到两倍以上至数十倍，提高了热能利用率，直接导致排烟温度降低减少了热量损失、金属升温速度加快缩短了燃料燃烧时间，产生明显的节能效果。
[0038]本发明另一实施例将有助石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统设置在炉墙上，本发明又一个实施例为将有助石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统设置在炉顶上。这两个实施例中，在设定时间T内当系统按时间间隔t循环运行时，催化剂的输入系统不做开启与停止动作，连续地送入非金属催化剂20进入炉膛I。
[0039]综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，包括有炉底、炉墙、炉顶、炉门、以及外挂在炉墙上的蓄热燃烧系统，其特征在于:还包括有助于石墨烯生成的非金属催化剂的输入系统;其中，炉底、炉墙、炉顶、炉门构成炉膛；蓄热燃烧系统包括有第一蓄热箱和第二蓄热箱，第一蓄热箱和第二蓄热箱分别通过第一气体通道和第二气体通道与炉膛相通；所述非金属催化剂输入系统设置在炉墙或/和炉顶上、或分为第一输入系统和第二输入系统分别设置在第一气体通道和第二气体通道上。2.如权利要求1所述的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其特征在于:所述第一输入系统和第二输入系统按程序交替开启输入非金属催化剂;非金属催化剂随蓄热燃烧系统主助燃风进入炉膛。3.如权利要求1所述的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其特征在于:天燃气管道从两个蓄热箱中间位置通入炉膛，以供应天然气；蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T内为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧形成炉膛内富碳源和无氧气氛，从而构成石墨烯的生成环境。4.如权利要求1-3中任何一项所述的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其特征在于:所述的非金属催化剂为以AL2O3为基底的非金属催化剂，由催化剂输入系统送入炉膛。5.如权利要求4所述的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其特征在于:所述的第一气体通道和第二气体通道上还设置有第一辅助燃烧装置和第二辅助燃烧装置，设定时间T内开启将炉膛内未燃尽气体完全燃烧，设定时间T结束后关闭。6.如权利要求4所述的自生石墨烯并利用其高导热性的金属冶炼炉，其特征在于:所述的蓄热燃烧系统的空气过剩系数在点火后的设定时间T后调整为正常的充分燃尽空气过剩系数值，同时关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置。7.—种自动生成石墨烯的金属冶炼炉使用方法，其包括两个阶段: 第一阶段生成石墨烯阶段，点火后的设定时间T内，非金属催化剂的输入系统将以AL2O3为基底的非金属催化剂匀速送入炉膛并缓慢地在金属表面堆积，同时蓄热燃烧系统的空气过剩系数为0.7-0.95，天燃气不充分燃烧在催化剂表面留有适当浓度的碳源前驱气体、温度为900-1200°C和无氧的气氛，碳源前驱气体在非金属催化剂表面分解沉积，当后续送入的非金属催化剂覆盖前面催化剂时，由于催化剂堆积在金属表面，前面的溶有碳原子的催化剂被新的催化剂覆盖后将热量传给金属而迅速降温，该催化剂层内沉积的碳析出生长成为多层石墨烯并且与外界隔绝;到设定时间T结束时，炉膛内金属表面形成一层以非金属催化剂为基体的富含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层;未燃尽的燃料被辅助燃烧装置燃尽后排入第一蓄热箱或第二蓄热箱； 第二阶段:设定时间T结束后，蓄热燃烧系统的空气过剩系数恢复为正常值，关闭催化剂输入系统和辅助燃烧装置，冶炼炉在含石墨烯的高导热率复合耐火材料导热层的作用下加快金属吸收热量的速度，进入快速金属熔炼的加热和升温阶段、进行熔炼。
【文档编号】C01B31/04GK105953580SQ201610272347
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】邓长友
【申请人】深圳市龙瑞泰兴能源环境科技有限公司