Горелки, аппарат и способ сгорания для производства углеродных наноматериалов

Горелки, аппарат и способ сгорания для производства углеродных наноматериалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка обладает приоритетом перед предварительной патентной заявкой США №60/316426, поданной 30 августа 2001 года, и патентной заявкой США №10/098829, поданной 15 марта 2002 года, которые включены в эту заявку в качестве ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к получению углеродных наноматериалов в коптящем пламени, в частности в горелках и в аппарате для сгорания, и к способам получения углеродных наноматериалов.

Термин "углеродные наноматериалы" используют в этой заявке, в общем, по отношению по существу к любому углеродному материалу, содержащему шестичленные кольца, который представляет искривление графитовых плоскостей, в общем, путем включения пятичленных колец среди шестиугольников, образованных положениями атомов углерода, и имеет, по меньшей мере, один размер порядка нанометров. Примеры углеродных наноматериалов включают в себя, но без ограничения такими нижеуказанными материалами, как фуллерены, одностенные углеродные нанотрубы (SWNT), многостенные углеродные нанотрубы (MWNT), нанотрубочки и иерархические углеродные структуры с размерами порядка нанометров. Используемый в этой заявке термин "фуллерен", в общем, относится к любому углеродному соединению закрытой решетки, содержащему как шестичленные, так и пятичленные углеродные кольца независимо от размера, и предположительно включающему в себя очень низкомолекулярные фуллерены С₆₀ и С₇₀, более известные фуллерены, включая С₇₆, С₇₈, С₈₄, и высокомолекулярные фуллерены С_2N, где N равно 50 или более. Предполагается, что этот термин включает в себя "фуллерены, экстрагируемые растворителями", так как этот термин понимается на известном уровне техники (в общем, включающий в себя низкомолекулярные фуллерены, которые поддаются растворению в толуоле или ксилоле), и включает высокомолекулярные фуллерены, которые не могут быть экстрагированы, включая гигантские фуллерены, которые могут быть, по меньшей мере, фуллереном С₄₀₀. Углеродные наноматериалы могут быть получены в саже и в некоторых случаях углеродные наноматериалы могут быть выделены из сажи или обогащены в саже. Сажа, получаемая в процессе синтеза углеродных наноматериалов, например фуллеренов, как правило, содержит смесь углеродных наноматериалов, которая является источником для дополнительной очистки или обогащения углеродных наноматериалов или которая сама может иметь требуемые свойства углеродных наноматериалов и быть использована как добавка для передачи этих свойств. Предполагается, что используемый в этой заявке термин "углеродные наноматериалы" при использовании без ограничения включает в себя сажу, содержащую обнаруживаемые количества углеродных наноматериалов. Например, термин "фуллереновая сажа" используют на известном уровне техники как термин, относящийся к фуллеренам, содержащим сажу. Фуллереновая сажа охватывается термином углеродные наноматериалы.

Различные углеродные наноматериалы имеют различные потенциальные применения. Фуллерены и фуллереновая сажа имеют потенциальные применения в качестве добавок к электронным резистам и фоторезистам для технологической обработки полупроводников; для использования в мембранах с протонной проводимостью для топливных элементов, оптических ограничивающих материалов и устройств, и анодов литиевых батарей; в качестве активных элементов в органических транзисторах; в качестве пигментов в косметике; в качестве антиоксидантов; в качестве терапевтических средств, например в качестве противовирусных средств. Хотя на известном уровне техники признан значительный потенциал для промышленного применения углеродных наноматериалов, высокая стоимость и трудность получения этих материалов в больших количествах, необходимость разработки этих применений была основным препятствием к практическому применению этих материалов.

Коптящее пламя является самым рентабельным способом получения углеродных наноматериалов при больших нормах выработки (более приблизительно 100 г/день). На предшествующем уровне техники известен синтез фуллерена в пламени предварительно перемешанной смеси, стабилизируемом на водоохлаждаемой плоской металлической пластине, где пластина образует выпускное отверстие для газов и поверхность горелки (Патент США №5273729, выданный Говарду и др.). Этот вид горелки разработан для научных исследований сгорания, а не для получения материалов. Однако горелки с водоохлаждаемыми поверхностями работают только в относительно узком диапазоне рабочих параметров. Горелки с водоохлаждаемыми поверхностями также скорее поглощают большую часть тепла, выделяемого при горении углеводорода, охлаждающей водой, чем используют это тепло в реакциях образования фуллерена. Кроме того, использование охлаждаемой поверхности горелки приводит в результате к повышенному образованию отложений на поверхности горелки, вызывая неоднородности газового потока, ведущие к негомогенности пламени и оказывающие вредное воздействие на производственный выход материала и гомогенность. В конечном счете, на поверхности горелки осаждается покрытие, и технологический процесс синтеза материала должен быть остановлен для очистки горелки.

Неохлаждаемая поверхность горелки, которая может работать при более высоких температурах, имеет для производства фуллерена несколько преимуществ. Скорость наращивания отложений фуллерена на поверхности горелки резко уменьшается, поскольку такие отложения легче испаряются или выгорают. Как результат, неохлаждаемые горелки менее часто требуют очистки, если требуют ее когда-либо вообще. Работа с неохлаждаемой горелкой является также более эффективной, поскольку тепловая нагрузка на горелке может нагревать газовый поток, повышая температуру пламени. Химическая энергия, выделяемая благодаря горению, скорее более эффективно используется, чем теряется с охлаждающей водой. При использовании неохлаждаемой поверхности горелки горение фиксируется непосредственно на поверхности, затрудняя задувание пламени при увеличении скоростей (газового потока), значительно увеличивая стабильность пламени. Таким образом, повышенная стабильность пламени, которая является результатом использования неохлаждаемой горелки, обеспечивает возможность получения более высокой производительности. Другим преимуществом неохлаждаемой поверхности горелки является способность введения в пламя добавок с низким давлением насыщенного пара в виде газов, без конденсации на холодной поверхности пластины горелки. Одним примером таких добавок являются исходные сырьевые материалы, богатые высококипящим полициклическим ароматическим углеводородом (РАН), которые служат в качестве рентабельного высокопродуктивного сырья для производства фуллерена. Полициклические ароматические углеводороды представляют собой молекулы ароматического углеводорода, содержащие два или более шестичленных колец, два или более пятичленных колец или смесь одного или более пятичленных колец и одного или более шестичленных колец. Другие примеры являются катализаторами, которые сублимируются при повышенных температурах, упрощая их внедрение в поток исходного материала.

Горелки с высокотемпературными (неохлаждаемыми) поверхностями использовали для других применений, чем синтез углеродного наноматериала, например в промышленных печах. Например, в патенте США №4673349, выданном Аби и др., описана горелка с высокотемпературной поверхностью горения, имеющая пористый керамический корпус. В обоих вариантах осуществления указанного изобретения пористый керамический корпус содержит сквозные отверстия. В патенте США №4889481, выданном Моррису и др., сообщается о пористой керамической горелке, состоящей из двух конструктивных частей, предназначенной для использования в качестве радиационного нагревателя с использованием инфракрасного излучения. В патенте США №5470222, выданном Головчаку и др., сообщается о пористом керамическом стабилизаторе пламени высокой эмиссионной способности, предназначенном для использования в нагревательном элементе.

Однако из предшествующего уровня техники известно, что для получения существенных количеств фуллеренов требуются специальные топлива и условия сгорания. В течение нормального или промышленного сгорания образование фуллеренов настолько мало, что эти материалы могут быть обнаружены только с помощью самых чувствительных аналитических методов (К.Н.Homann, Angeew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2434-2451). Конструкция горелки является одним из параметров, которые должны быть оптимизированы для обеспечения эффективности и приемлемого темпа производства фуллерена (А.А.Богданов и др., Technical Physics, Vol.45, №5, 2000, pp.521-527). Многие условия, требующиеся для высокого выхода фуллерена при сгорании, являются крайне необычными, а комбинация условий является уникальной. В противоположность горелкам, которые используют для генерирования теплоты или движущей силы, горелки, используемые для синтеза фуллерена, производят большие количества твердого углеродного продукта. Кроме того, высокоароматическое топливо вместо углеводородных газов, например алканы, являются оптимальными исходными материалами для производства фуллерена, и этот исходный сырьевой материал предпочтительно сжигают в кислороде, а не в воздухе. Другим уникальным аспектом производства фуллерена посредством сгорания является то, что горелка предпочтительно работает при давлении ниже атмосферного. Подразумеваемые при использовании низкие давления обеспечивают работу горелки при низком числе Рейнольдса (как правило, менее 100 единиц) в противоположность работе при высоком числе Рейнольдса (как правило, тысячи единиц) для горелок, используемых в других случаях применения. Работа при низком числе Рейнольдса имеет следствием ламинарное течение потока и перемешивание газов единственно благодаря молекулярной диффузии. Горелка, предназначенная для получения фуллерена, должна иметь конструкцию, обеспечивающую оптимальную производительность в этих уникальных условиях работы.

Существует потребность в улучшенных способах и аппаратуре, включая горелки, для получения углеродных наноматериалов, включая фуллерены, в коптящем пламени, которые могут понизить стоимость производства и обеспечить получение этих материалов в достаточных количествах для практических случаев применения.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает получение усовершенствованных горелок, аппарата для сгорания и улучшенных способов получения углеродных наноматериалов. Горелки, соответствующие настоящему изобретению, обеспечивают получение коптящего пламени топлива и окислительных газов. Конденсируемые продукты сгорания, получаемые посредством горелок, соответствующих настоящему изобретению, содержат углеродные наноматериалы, включающие в себя без ограничения сажу, фуллереновую сажу и фуллерены. Горелки, соответствующие настоящему изобретению, не требуют предварительного перемешивания топливного и окислительного газов и пригодны для использования топлива с низким давлением насыщенного пара, например топлива, содержащего существенные количества полиароматических углеводородов. Горелки, соответствующие настоящему изобретению, могут работать с горячей поверхностью горелки и требуют небольшого, если требуют какого-либо вообще, охлаждения или других видов теплоотвода. Горелки, соответствующие настоящему изобретению, обеспечивают улучшенную стабильность пламени, могут быть использованы с более широким диапазоном отношения окислитель (например, воздух)/топливо и более широким диапазоном скоростей газа и, как правило, более эффективны, чем горелки, в которых используют водоохлаждаемые металлические пластины горелки. Горелки, соответствующие настоящему изобретению, могут быть также отрегулированы для уменьшения образования нежелательных отложений сажи на горелке и на поверхностях, расположенных после горелки ниже по технологической цепочке. Направления вверх по технологической цепочке и вниз по технологической цепочке определяют относительно общего направления движения потока топлива и окислителя через горелку.

Настоящее изобретение относится к горелке, предназначенной для получения углеродных наноматериалов, в которой выпускное отверстие горелки образовано из пористого огнеупорного материала. Пористый огнеупорный материал предназначен для обеспечения стабилизации пламени на поверхности выпускного отверстия горелки или вблизи поверхности выпускного отверстия горелки для обеспечения теплозащиты, предотвращающей распространение пламени назад в камеру повышенного давления горелки и для обеспечения предварительного нагрева топливного и окислительного газов перед сгоранием. Пригодные типы пористого огнеупорного материала включают в себя сетчатые пластины, порошкообразные (шамотные) материалы, пучки труб малого диаметра и ячеистую керамику с совмещенными каналами, например керамику, используемую для носителей катализаторов, для фильтров частиц отработавших газов дизельного двигателя и для фильтров расплавленного металла. Ячеистую керамику, иногда называемую "сотовыми фильтрами", как описано в патенте США №4329162, производят на промышленной основе и во многих разных размерах и конфигурациях.

Камеру повышенного давления горелки факультативно нагревают или охлаждают, например, с помощью жидкостной рубашки для регулирования температуры топливного и окислительного газов в камере повышенного давления. Например, конденсация топлива в камере повышенного давления может быть предотвращена путем нагрева камеры повышенного давления. Предотвращение конденсации топлива в камере повышенного давления представляет особую важность при использовании топлива богатого полициклическими ароматическими углеводородами с низким давлением насыщенного пара. Камера повышенного давления горелки также факультативно содержит область смешивания газов, расположенную до огнеупорного материала выше по технологической цепочке и предназначенную для улучшения перемешивания топливного и окислительного газов перед их прохождением в огнеупорной части горелки.

Аппарат для сгорания, соответствующий настоящему изобретению, содержит одну или более горелок, соответствующих настоящему изобретению, и может быть использован для получения более высоких уровней фуллерена в саже, выделяемой при сгорании. Аппарат для сгорания, соответствующий настоящему изобретению, дополнительно содержит реакционную зону, зону аппарата, расположенную после горелки ниже по технологической цепочке, где температуры предпочтительно поддерживаются в диапазоне, составляющем между приблизительно 1000°С до примерно 1600°С. Конденсация продуктов сгорания для образования углеродных наноматериалов может иметь место или продолжаться в реакционной зоне. В характерном варианте осуществления часть аппарата для сгорания, расположенная после горелки ниже по технологической цепочке, изолирована для более хорошего сохранения тепла, выделяемого из горелки, и для поддержания в соответствии с этим температур в зоне на уровнях, которые активизируют непрерывную реакцию для получения углеродных наноматериалов. Изоляция части аппарата для сгорания после горелки ниже по технологической цепочке предназначена для увеличения выхода углеродных наноматериалов.

Аппарат для сгорания предусмотрен с улавливающим устройством (коллектором) для улавливания синтезированных углеродных наноматериалов. Улавливающим устройством может быть просто одна или более поверхностей аппарата для сгорания, на которых конденсируются продукты для улавливания (например, вручную или путем автоматизированного выскабливания поверхностей). В альтернативном и предпочтительном варианте осуществления улавливающее устройство содержит фильтрующее устройство, предназначенное для захвата углеродных наноматериалов, которое может содержать один или более фильтров и механизм для освобождения захваченных продуктов из фильтра (фильтров). Например, для освобождения продуктов из фильтра в аппарат для сгорания может быть предусмотрен доступ. В альтернативном варианте при использовании более одного фильтра может быть предусмотрено устройство для удаления фильтра из потока газообразного продукта, чтобы обеспечивать возможность очистки фильтра. В альтернативном и предпочтительном варианте осуществления по месту может быть предусмотрено устройство для освобождения уловленных продуктов из фильтра.

Аппарат для сгорания предусмотрен с адекватной системой откачки, предназначенной для облегчения прохождения газового потока из горелки через реакционную зону и улавливающее устройство к системе выпуска отработавших газов. Система откачки обеспечивает пониженное давление (обеспечивает получение давлений ниже атмосферного давления) в реакционной зоне.

В предпочтительном варианте осуществления в аппарате для сгорания предусмотрена подача дополнительного окислительного газа вдоль стенок аппарата и предпочтительно по периферии пористой огнеупорной части горелки. Дополнительный окислительный газ уменьшает образование отложений сажи на пористом огнеупорном материале и на поверхностях по периферии реакционной зоны, расположенной после горелки ниже по технологической цепочке.

Аппарат для сгорания, соответствующий настоящему изобретению, может быть также факультативно предусмотрен с камерой для улетучивающегося топлива. Камера для улетучивающегося топлива обеспечивает возможность нагрева и/или повышения давления топлива для обеспечения гарантии того, что оно улетучивается до прохождения в горелку. Эта камера особенно полезна при использовании низколетучего топлива, например топлива, содержащего существенные количества полициклических ароматических углеводородов.

Настоящее изобретение также обеспечивает способы получения углеродных наноматериалов при использовании горелок, соответствующих настоящему изобретению, и аппарата для сгорания, соответствующего настоящему изобретению.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематическая иллюстрация горелки, соответствующей настоящему изобретению.

Фиг.2 - иллюстрация другого варианта осуществления горелки.

Фиг.3 - разрез горелки внутри аппарата для сгорания, приведенного в качестве примера.

Фиг.4 - один вариант осуществления аппарата для сгорания, соответствующего настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает получение горелки для производства углеродного наноматериала, имеющей, по меньшей мере, один пористый огнеупорный элемент в выпускном отверстии камеры повышенного давления горелки. Таким элементом, например, может быть унитарный пористый элемент, например пористая пластина, через которую проходит поток газа, или он может состоять из объема непористых тугоплавких частиц, например шамота, через который проходит поток газа. Если в выпускном отверстии горелки используют множество огнеупорных пластин или множество частиц шамота, то пластины или частицы могут иметь различные композиции и/или характеристики пористости. Горелка, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает получение коптящего пламени топлива и окислительных газов. Конденсируемые продукты горения, генерируемые горелками, могут содержать углеродные наноматериалы.

На фиг.1 иллюстрируется один вариант осуществления горелки 20, содержащей камеру 1 повышенного давления, имеющую, по меньшей мере, одно газоприемное отверстие 3 для впуска топливного газа и окислительного газа в горелку, и, по меньшей мере, один пористый огнеупорный элемент 2, образующий выпускное отверстие для топливного и окислительного газов из горелки. Крепление пористого огнеупорного элемента к камере повышенного давления горелки изменяется в соответствии с типом огнеупорного элемента. Пористую огнеупорную пластину предпочтительно присоединяют к камере повышенного давления посредством уплотнения для того, чтобы максимизировать газовый поток через огнеупорную пластину и минимизировать утечку газа. Предпочтительно, чтобы уплотнение было эластомерным уплотнением, например кремнийорганическим соединением, вулканизируемым при комнатной температуре. В альтернативном варианте могут быть использованы прокладки, адекватные клеи или керамические герметизирующие составы. В варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.1, топливный и окислительный газы будут, как правило, подаваться к газоприемному отверстию 3 предварительно смешанными.

Пористый огнеупорный элемент может также состоять из порошкообразного огнеупорного материала, например шамота. В этом случае огнеупорные частицы удерживаются и поддерживаются в держателе, который является очень пористым для обеспечения возможности прохождения газового потока, но удерживания порошкообразного огнеупорного материала. Например, для поддерживания порошкообразного огнеупорного материала в держателе может быть использована пористая металлическая фритта.

При использовании металлической фритты для изолирования фритты ниже температур, при которых она подвергается отжигу, должны быть использованы достаточно огнеупорные порошковые материалы. При использовании металлической фритты она может быть приварена или уплотнена (например, посредством эластомертного или эпоксидного материала) к камере повышенного давления.

Огнеупорный материал может быть также ячеистым по строению. В этом случае он может быть уплотнен к камере повышенного давления посредством эластомера, эпоксидной смолы, керамического герметизирующего состава или посредством другого аналогичного уплотнения.

Хотя на фиг.1 иллюстрируется горелка с вертикально восходящими газовыми потоками, могут быть использованы другие ориентации горелок, например горелки, имеющие вертикально нисходящие газовые потоки или газовые потоки, проходящие в горизонтальном направлении, если предусмотрена адекватная опора для пористого огнеупорного элемента. В частности, если горелка ориентирована так, чтобы пористый огнеупорный элемент находился ниже камеры повышенного давления, то гравитационные эффекты помогут уменьшить отложение сажи на пористом огнеупорном элементе в течение горения. Порошкообразные огнеупорные материалы не являются предпочтительными для образования поверхности горелки для конфигураций горелок с нисходящими газовыми потоками.

Нагревающее или охлаждающее устройство, например жидкостная рубашка (см. фиг.2 поз.10), факультативно окружает камеру повышенного давления для обеспечения регулирования температуры топливного или окислительного газа в камере повышенного давления. Например, может оказаться предпочтительным нагревать камеру повышенного давления для предотвращения конденсации топлива в камере повышенного давления. Предотвращение конденсации топлива в камере повышенного давления важно, в частности, для топлива с низким давлением насыщенного пара, например топлива, сырьевые исходные материалы которого богаты полициклическим ароматическим углеродом. В зависимости от количества тепла, передаваемого в камеру повышенного давления огнеупорным элементом горелки, может также оказаться предпочтительным охлаждать камеру повышенного давления для поддержания температуры газов ниже температуры их разложения или для обеспечения возможности использования эластомерного уплотнения между пористой огнеупорной пластиной горелки и камерой повышенного давления. Текучие среды, пригодные для использования в нагревающей/охлаждающей жидкостной рубашке, включают в себя воду и пропиленгликоль. При необходимости могут быть также использованы другие средства для нагрева камеры повышенного давления (электронагреватели) или для охлаждения камеры повышенного давления (холодильные устройства, электроохлаждающие средства).

На фиг.2 схематически показан другой вариант осуществления горелки 20, иллюстрирующий использование жидкостной рубашки 10, окружающей стенки камеры 1 повышенного давления. В таком варианте осуществления горелки используется набор из шести пористых огнеупорных пластин 2a-f.

В горелке с вертикально восходящими газовыми потоками верхняя пластина может быть заменена объемом порошкообразного огнеупорного материала. Преимущество порошкообразного огнеупорного материала заключается в том, что в отличие от пластины макрочастицы порошкового огнеупорного материала не могут образовывать трещин под воздействием термических напряжений. В альтернативном варианте все пластины могут быть заменены порошкообразным огнеупорным материалом на верхней части пористой фритты (смотри ниже) или одной огнеупорной пластиной. Пучки труб и ячеистая керамика также могут быть использованы для образования огнеупорного элемента. Используемые огнеупорный элемент или огнеупорные элементы независимо от того, как они образованы, должны обеспечивать достаточный температурный градиент между поверхностью, находящейся ниже по технологической цепочке, и камерой повышенного давления для того, чтобы предотвращать воспламенение предварительно смешиваемых газов в камере повышенного давления. Квалифицированным в этой области техники специалистам будет очевидна эквивалентность различных слоистых комбинаций различных типов пористого огнеупорного материала. При использовании порошкообразных огнеупорных материалов поры образуются по существу между макрочастицами. В таких случаях пористость огнеупорного элемента может быть отрегулирована путем изменения используемого размера макрочастиц.

Уплотнения в соединениях между огнеупорными элементами и между камерой повышенного давления и элементами не показаны на фиг.2, но аналогичные уплотнения иллюстрируются на фиг.3 и описываются ниже. На фиг.2 также иллюстрируется использование дополнительных смесительных устройств 7, 8 в камере повышенного давления, более подробное описание которых также приведено ниже. Кроме того, горелка, схематически изображенная на фиг.2, иллюстрирует работу горелки в горизонтальном направлении в системе сгорания.

Топливный и окислительный газы могут быть поданы предварительно смешанными в горелку, иллюстрируемую на фиг.2, как и на фиг.1, или смешивание может иметь место в горелке. В частности, камера повышенного давления горелки факультативно содержит статическое смесительное устройство 7, расположенное до огнеупорного элемента выше по технологической цепочке, предназначенное для перемешивания топливного и окислительного газов перед прохождением их потока через огнеупорный элемент, как схематически иллюстрируется на фиг.2. Статическое смесительное устройство в камере повышенного давления может быть скомбинировано с жидкостной рубашкой вокруг камеры повышенного давления для обеспечения более хорошего регулирования температуры, при которой имеет место перемешивание топливного и окислительного газов. Статические смесительные устройства, пригодные для использования с настоящим изобретением, известны из предшествующего уровня техники и выпускаются на промышленной основе, например, компанией Koflo, Inc. (Cary, IL). Некоторое перемешивание может быть также достигнуто путем введения дефлекторов или других выступов в канале, ведущем к камере повышенного давления или в самой камере повышенного давления. Камера повышенного давления обеспечивает область расширения газов из соединения питателя, которое намного меньше диаметра горелки, к стороне до пористого огнеупорного элемента выше по технологической цепочке. Таким образом, при данном небольшом перепаде давления (десятки торр) на пористом огнеупорном элементе камера повышенного давления обеспечивает более равномерное распределение газового потока через пористый огнеупорный элемент. Следовательно, радиальная конфигурация камеры повышенного давления предпочтительнее всего должна быть аналогичной радиальной конфигурации пористого огнеупорного элемента. Аксиальная длина и конфигурация камеры повышенного давления, как правило, не оказывают влияния на работу горелки за исключением того, что предпочтительно ограничивать длину камеры повышенного давления для избежания трудностей в воспламенении пламени и сохранении пространства в реакционной камере.

Пористая металлическая пластина, например пластины, выпускаемые на промышленной основе компанией Mott Corp., размещаемые до пористой огнеупорной пластины выше по технологической цепочке, также может облегчить перемешивание топливного и окислительного газов. Пористая металлическая пластина может иметь размер пор, типичный для пористых металлических пластин, используемых в диффузионных ионных смесителях, размер пор в которых имеет порядок 1-100 мкм. Такая пористая металлическая пластина 8 также схематически иллюстрируется на фиг.2. Помимо этого, прохождение топливного и окислительного газов через пористый огнеупорный элемент (пластины, макрочастицы или их комбинация) может дополнительно обеспечивать дополнительное перемешивание посредством молекулярной диффузии.

В предпочтительном варианте осуществления обеспечивается дополнительный поток окислительного газа для прохождения вдоль стенок аппарата для сгорания. В специфическом варианте осуществления такой дополнительный окислительный газ может быть предусмотрен на периферии верхнего пористого огнеупорного элемента. Дополнительный окислительный газ уменьшает образование отложений сажи на огнеупорных поверхностях и на поверхностях по периферии реакционной зоны. Без связи с какой-либо специальной теорией предполагается, что дополнительный окислительный газ смещает отношение окислитель/топливо от отношения, в котором начинает образовываться сажа, создавая зону бедного горения вокруг реакционной зоны. Помимо этого представляется, что конденсация сажи на поверхностях по периферии реакционной зоны уменьшается из-за тепла, выделяемого благодаря реакции дополнительного окислителя с топливным газом или углеродными отложениями.

На фиг.3 иллюстрируется разрез системы сгорания, способной подавать дополнительный окислительный газ на периферии верхнего пористого огнеупорного элемента горелки. Горелка показана внутри вакуумной камеры. Как иллюстрируется на фиг.3, второй окислительный газ может быть введен в систему через газоприемное отверстие 5 второго окислителя, соединенное с камерой 90 повышенного давления второго окислителя, которая обеспечивает ввод окислительного газа. Второй окислительный газ может быть аналогичным, что и окислительный газ, который используют для образования пламени, или отличаться от окислительного газа, который используют для образования пламени. После этого поток окислительного газа проходит к периферии верхнего пористого огнеупорного элемента 2а. Также показаны реакционная зона 80 и зона 82 некоптящего горения системы сгорания.

Горелка, иллюстрируемая на фиг.3, также имеет множество (шесть) пористых огнеупорных пластин 2a-2f, расположенных сверху вниз. В варианте осуществления, приведенном в этой заявке в качестве примера, верхняя пластина 2а, иллюстрируемая на фиг.3, имеет 45 пор на дюйм (25,4 мм) и диаметр, составляющий 10,5 дюйма (266,7 мм). Нижние пластины 2е и 2f имеют диаметр 9,875 дюйма (250,8 мм) и 30 пор на дюйм. Все пластины выполнены из диоксида циркония толщиной 1 дюйм (25,4 мм). Диоксид циркония предпочтителен в качестве материала для верхней пластины 2а вследствие долговечности при высоких термических нагрузках, но пластины ниже 2b-f могут быть выполнены из оксида алюминия, кордиерита и так далее, без потери качества. Огнеупорные пластины, имеющие 45 пор на дюйм или более, являются предпочтительными вследствие долговечности, но являются отчасти более дорогими, чем пластины с меньшим числом пор на дюйм. Использование меньшего количества пластин, но имеющих большую толщину, дает более высокий температурный градиент через пластины, способствующий образованию трещин, хотя использование большего количества пластин, но имеющих меньшую толщину, требует больше уплотнений, увеличивающих вероятность потери герметизации.

На фиг.3 иллюстрируются также высокотемпературные гибкие уплотнения 100, получаемые, например, из эластомерных материалов, между пористым огнеупорным элементом и главной камерой 1 повышенного давления и в соединениях между пористыми огнеупорными элементами. Внешние оболочки из керамической ленты могут быть нанесены для обеспечения покрытия уплотнений 100 и для предохранения их от механического повреждения. Охлаждающие змеевики 107 могут быть также предусмотрены для предохранения гибких уплотнений вблизи выпускного отверстия горелки от теплового повреждения. Статическое смесительное устройство 7 и металлическую фритту 8 используют для перемешивания газов в камере повышенного давления. Детали статического смесительного устройства не показаны. Камера повышенного давления окружена жидкостной рубашкой 10 с впускным отверстием 13 хладагента и выпускным отверстием 14 хладагента.

Пористый огнеупорный элемент может быть изготовлен из любого огнеупорного материала, который не плавится при его радиационной тепловой нагрузке, включая графит и керамику, например диоксид циркония, оксид алюминия и кордиерит. Диоксид циркония предлагает хорошую стабильность, но он является более дорогим материалом, чем оксид алюминия. Диоксидциркониевые пластины толщиной 1 и 1,5 дюйма (38,1 мм), имеющие приблизительно 30-50 пор на дюйм (70-90% пористости) и заводскую герметизацию краев, использовали в горелках, соответствующих настоящему изобретению. Диоксидциркониевые пластины были получены из компании Vesuvius Hi Tec, Alfred, New York. Диоксидциркониевый шамот (5 мм, Coors Tek Ceramics, Golden, CO) также использовали для образования поверхности огнеупорного элемента горелки. Ячеистые кордиеритовые блоки (Corning Inc., Corning, NY) с каналами диаметром 1/8 дюйма (3,2 мм) и 1/4 дюйма (6,35 мм) также использовали для образования огнеупорного элемента горелки. Поверхность, расположенная после пористого огнеупорного элемента ниже по технологической цепочке, предназначена оставаться горячей в процессе работы. Горячая поверхность не нуждается в охлаждении для предотвращения ее плавления, сублимации или разложения под действием тепловой нагрузки, подаваемой на нее из пламени. Горячая поверхность также способна выдерживать температуры, превышающие приблизительно 1200°С.

Огнеупорный элемент (например, огнеупорный элемент 2а) может иметь любую форму поперечного сечения, включая круглую, шестиугольную или квадратную. Боковые поверхности пористых огнеупорных элементов уплотнены для исключения утечки газового потока из боковых поверхностей огнеупорных элементов. В случае порошкообразного огнеупорного элемента его макрочастицы заключены в держатель или бункер с пористым основанием (из огнеупорного материала или металла) ниже макрочастиц и выше камеры повышенного давления, боковая стенка (или стенки) которого могут быть выполнены из стали и присоединены к камере повышенного давления или огнеупорному материалу, включая огнеупорный материал, который образует изолированные стенки реакционной зоны. Пучки труб могут быть собраны в виде любой конфигурации, а ячеистая керамика (которая выпускается на промышленной основе только с герметизированными стенками) также выпускается во многих конфигурациях.

В предпочтительном варианте осуществления более чем одну сетчатую пористую огнеупорную пластину используют в выпускном отверстии камеры повышенного давления горелки. Если используют множество огнеупорных пластин, то они могут иметь разные композиции и/или характеристики пористости. Оптимальное число пор огнеупорных пластин будет зависеть от материала пластины, пористости и толщины, а также от требуемой скорости газового потока через реактор. Размер пор и объемный процент пористости огнеупорного элемента может изменяться в очень широком диапазоне без значительного влияния на получение углеродного наноматериала. Например, относительно тонкая огнеупорная пластина, обладающая относитель