一种节能型纳米粉体制备系统和制备工艺的制作方法

本技术涉及金属制备，尤其是涉及一种节能型纳米粉体制备系统和制备工艺。

背景技术：

1、纳米金属粉末在涂层、镀膜等领域被广泛用于改善工件表面性能以及实现高精度制造，通常要求粉末平均粒径在100 nm以下，且具有较窄的粒径分布和良好的球形度。电弧法是制备纳米金属粉末的理想方法之一，其原理是利用电弧产生的高能等离子体对金属原料进行加热，使之蒸发形成金属蒸汽，金属蒸汽随后在工艺气体中冷凝、聚结成为纳米金属颗粒。与其他方法相比，电弧法生产的纳米金属粉末具有纯度高、球形度好等优势。

2、在典型电弧法制粉装置中，例如cn100457339c所公开的一种多道电弧同时作用制备纳米金属粉末的方法，采用三套电弧发生器，可向蒸发室内提供高达600 a的电弧电流。装置中，电极和炉体需要用10℃以下的去离子冷水进行强制冷却；从电弧炉排出的高温工艺气体，需先被冷却至60℃以下，再由后端风机输送，气体携带的热量通过循环冷却水带走。实践表明，该类电弧制备纳米粉体的方法电耗极高，真正用于金属粉末蒸发的电能尚不足总输入电耗的10%，其余90%以上的能量主要通过设备散热形式，即冷水或循环冷却水冷却，散发到环境中而未被有效利用，造成了大量的能量浪费。对于铜、镍等纳米粉体的生产，蒸发室内温度通常维持在1000℃以上，循环工艺气体在被冷却后，重新进入炉内前又需要吸收大量热量以回升至工作温度，这一过程需要输入大量电能用于气体加热。

3、由此可见，目前常用的电弧法在制粉过程中存在能量高效利用问题，导致系统总电耗居高不下，生产成本较高。

技术实现思路

1、为了改善目前电弧法在制粉过程中存在的能量高效利用问题，本技术提供一种节能型纳米粉体制备系统和制备工艺。

2、第一方面，本技术提供一种节能型纳米粉体制备系统，采用如下的技术方案：

3、一种节能型纳米粉体制备系统，包括电弧炉、粉体过滤收集器、气气换热器、气水换热器、循环风机、冷却器、热水型制冷机组、去离子水循环回路和内循环冷却水回路；

4、所述电弧炉包含带水冷夹层的蒸发腔室和带水冷的电弧发生器；

5、所述去离子水循环回路中，来自所述热水型制冷机组的去离子冷水，分别通入电弧发生器和电弧炉的水冷夹层对其进行冷却，升温后的去离子水再进入所述冷却器，用于冷却从循环风机排出的循环工艺气体，最终返回所述热水型制冷机组进行循环制冷；

6、所述内循环冷却水回路中，内循环冷却水进入所述气水换热器，与从粉体过滤收集器排出的高温工艺气体换热后升温，升温后的内循环冷却水作为热源进入所述热水型制冷机组，用于驱动制冷以冷却所述去离子水，降温后的内循环冷却水返回所述气水换热器循环；

7、所述循环工艺气体的流路中，从粉体过滤收集器排出的干净高温工艺气体，依次经过所述气气换热器、气水换热器被冷却后，进入所述循环风机增压，增压后的气体进入所述冷却器被进一步冷却，冷却后的气体被分为两路，一路作为急冷气体直接与电弧炉出口的高温气体混合，另一路经过所述气气换热器换热升温后返回所述电弧炉内。

8、通过采用上述技术方案，利用去离子水冷却回路与内循环冷却水回路构成的双冷却系统，同时实现了对电弧炉、工艺循环气及循环风机的冷却，并在气水换热器、气气换热器及热水型制冷机组的配合下，将从高温工艺气体中回收的余热用于制备去离子冷水和预热入炉循环气体，从而使系统自身实现冷量和热量的内部平衡，大幅降低了制备纳米粉体过程中的总电耗。

9、可选的，所述热水型制冷机组为利用120℃以上热水作为热源的吸收式制冷机组。

10、可选的，所述冷却器为管壳式换热器；所述气气换热器和气水换热器为板式换热器或管壳式换热器。

11、第二方面，本技术提供一种节能型纳米粉体制备工艺，采用如下的技术方案：

12、一种节能型纳米粉体制备工艺，包括以下步骤：

13、金属原料在电弧炉中被电弧加热汽化，形成金属蒸汽；

14、循环工艺气体进入电弧炉内被加热，从电弧炉排出的携带金属蒸汽的高温工艺气体，与从冷却器来的一路急冷气体混合，使金属蒸汽快速冷凝形成纳米颗粒；

15、混合后的气体进入粉体过滤收集器，纳米金属粉末被拦截收集，干净的高温工艺气体排出；

16、排出的高温工艺气体依次经过气气换热器进行余热回收、经过气水换热器加热内循环冷却水，自身被冷却后进入循环风机增压；

17、增压后的气体进入冷却器被进一步冷却，冷却后的气体分为两路，一路作为所述急冷气体，另一路经过气气换热器吸收高温工艺气体的余热而升温后，返回电弧炉内；

18、去离子冷水通入电弧发生器和电弧炉的水冷夹层进行冷却，升温后进入冷却器冷却循环工艺气体，温度进一步升高后进入热水型制冷机组，被冷却后再次循环使用；

19、内循环冷却水进入气水换热器，被高温工艺气体加热至120℃以上后，进入热水型制冷机组作为驱动热源，用于冷却去离子水，自身被降温后返回气水换热器循环吸热。

20、通过采用上述技术方案，利用急冷气体与电弧炉出口高温工艺气体混合使金属蒸汽快速冷凝，有利于获得粒径小、球形度良好的纳米金属粉末；同时，通过气气换热器将高温工艺气体余热用于预热返回电弧炉的循环气体，减少电弧炉内加热气体的电耗；通过气水换热器加热内循环冷却水，为热水型制冷机组提供驱动热源以制备去离子冷水；整个过程实现了对高温工艺气体余热的梯级回收和高效利用，显著降低了生产线总电耗。

21、可选的，去离子冷水的循环水量m冷根据电弧炉散热功率和循环风机压缩增热功率确定，计算公式如下：

22、；

23、其中，t回为制冷机组冷水侧进水温度，t进为制冷机组冷水侧出水温度，p1为电弧炉输入功率，η1为电弧炉散热效率，p2为循环风机增温功率，c为水的比热。

24、通过采用上述技术方案，根据电弧炉散热功率和循环风机压缩增热功率确定去离子冷水循环水量，能够使冷却水量与实际热负荷精确匹配，在保证电弧炉及工艺气体被充分冷却、确保循环风机入口温度不超限的前提下，避免水泵输送和制冷环节的能量浪费，提高系统能效。

25、可选的，内循环冷却水的水量m热根据去离子冷水水量m冷和热水型制冷机组的制冷系数cop确定，计算公式如下：

26、；

27、其中，t回为制冷机组热水侧进水温度，t进为制冷机组热水侧出水温度。

28、通过采用上述技术方案，根据去离子冷水水量和热水型制冷机组的制冷系数cop确定内循环冷却水水量，能够保证热水型制冷机组获得匹配的驱动热量，使机组稳定高效地制备出设定温度的冷水，实现冷热两侧的精确匹配，减少不必要的热损失。

29、可选的，冷却后用于急冷的气体流量mg1和升温后回炉的气体流量mg2计算公式如下：

30、；

31、；

32、；

33、；

34、其中，mg2为电弧炉总进风量，mg1为用于急冷的冷却风量，tgc1为冷却器后气体温度，tgz为气水换热器进口气体温度，即气气换热器出口气体温度；

35、tgg为电弧炉出口温度；

36、tgh为与冷却风混合后温度；

37、tgc为风机入口和冷却器出口冷工艺风温度，一般≤373k即100℃；

38、tgin为入炉循环气体温度；

39、cgg、cgh、cgin、cgc、cgz等均为对应温度下的气体定压比热容，可通过物性表查询得到。

40、系统运行时，根据工况调节冷水量m冷使制粉系统冷水温度t回固定，并且保证tgc不要超过风机承受的最高温度，根据热水型制冷机组需求调节热水量m热，使制冷机组冷水出水温度t进达到设计值，根据工况，调节电弧炉进风量mg2使电弧炉出口气体温度tgg达到设计值，调节急冷风量mg1使混合后的气体温度tgh达到设计值。

41、通过采用上述技术方案，利用联立方程对急冷气体流量和回炉循环气体流量进行定量计算，能够依据电弧炉输入功率和设定工艺温度，准确确定各股气体流量，保证电弧炉出口温度、急冷混合后温度等关键参数达到设计要求，从而实现金属蒸汽高效汽化与快速冷凝成型，并最大化回收高温工艺气体余热。

42、可选的，通过调节急冷气体流量和回炉循环气体流量，控制电弧炉出口气体温度tgg为1500℃-2000℃，控制急冷混合后的气体温度tgh为400℃-600℃。

43、可选的，所述金属原料为铜或镍，所述循环工艺气体为氮气。

44、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

45、1.采用双冷却系统，即去离子水冷却系统和内循环水冷却系统，实现了高温工艺气体余热回收和制粉系统的冷却；通过气气换热器、气水换热器和热水型制冷机组的组合利用，在单条生产线内实现了冷、热平衡，实现了高温工艺气体余热用于冷水的制备，以及高温气体余热用于入炉气体的预热，使得生产线总电耗减少了15%-30%；

46、2.利用急冷气体与电弧炉出口高温工艺气体混合使金属蒸汽快速冷凝，有利于获得粒径小、球形度良好的纳米金属粉末；同时，通过气气换热器将高温工艺气体余热用于预热返回电弧炉的循环气体，减少电弧炉内加热气体的电耗；通过气水换热器加热内循环冷却水，为热水型制冷机组提供驱动热源以制备去离子冷水；整个过程实现了对高温工艺气体余热的梯级回收和高效利用，显著降低了生产线总电耗；

47、3.利用联立方程对急冷气体流量和回炉循环气体流量进行定量计算，能够依据电弧炉输入功率和设定工艺温度，准确确定各股气体流量，保证电弧炉出口温度、急冷混合后温度等关键参数达到设计要求，从而实现金属蒸汽高效汽化与快速冷凝成型，并最大化回收高温工艺气体余热。