CN101707864A - 产生用于碳纳米材料生产的一氧化碳的联合方法 - Google Patents

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Abstract

描述了在碳纳米管-生产反应器上游的干重整或部分氧化的联合方法，该方法使得能够按照需要制备一氧化碳，而不需要将一氧化碳运送至生产场所或就地储备大量一氧化碳。还提供了能够进行这种联合方法的设备。可以消除碳纳米管生产过程的二氧化碳排放。这可以通过再循环二氧化碳副产物并将其与送至部分氧化过程的进料混合来实现。

Description

产生用于碳纳米材料生产的一氧化碳的联合方法
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933599号、2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933600号、2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933598号的优先权，这些申请的全部内容通过参考结合于此。
技术领域
本揭示内容一般涉及制造碳纳米材料的方法，更具体地说，涉及根据共同进料的部分氧化产生一氧化碳和使用如此产生的一氧化碳制造碳纳米材料的联合方法。
发明背景
包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和碳纳米纤维的各种碳纳米材料可以使用合适的商用方法通过Boudart反应由一氧化碳生产。这种方法可以包括将一氧化碳和保持低于催化剂前体分解温度的催化剂前体气体供应至混合区。可用的另一种方法包括通过在反应器单元中使金属催化颗粒与有效量的含碳气体在足以催化生产碳纳米管的温度下接触而生产碳纳米管。得到的碳纳米管包括主要部分的单壁碳纳米管，可用的金属催化颗粒包括第VIII族金属或第VIb族金属。还可使用其他利用Boudart反应的方法来生产碳纳米材料。
上述方法的特征在于存在某些缺点和不足。例如，高毒性和易燃性一氧化碳进料气体的储备和操作产生许多安全问题。另外，这些方法通常导致大量温室气体排放，例如生产每吨碳纳米材料要排放约四吨二氧化碳。
要避免或减轻上述不足的影响，并且为了改善总体方法效率的目的，需要使用更好的方法来生产碳纳米材料。
发明概述
在一些实施方式中，提供了获得碳纳米材料的方法。一种方法包括配混烃类物流、二氧化碳流和氧流以形成配混物流，在转化反应器中，使配混物流中的烃类经过转化过程形成包含氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应部分的氧和未反应部分的烃类的转化气流，然后使转化气流经过脱氧去除转化气流中未反应部分的氧，产生包含氢、一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的脱氧气流。可以在脱氧设备中进行去除未反应部分氧的步骤。
然后可以例如使用单级或多级膜分离器、或者利用变压(pressure-swing)吸附过程，从脱氧气流分离氢，形成主物流和副产物流，其中，主物流包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类，副产物流包含氢。
然后可将主物流导至碳纳米材料生产单元，制备碳纳米材料，而二氧化碳，一氧化碳可再循环并导至转化反应器。或者，可使主物流经过进一步分离去除大部分二氧化碳和未反应部分烃类，形成基本纯净的一氧化碳流，然后导至碳纳米材料生产单元。这种主物流纯化将有利于制备某些种类的碳纳米材料，尤其是单壁碳纳米管。
还可利用分离脱氧气流的其他方法，包括但并不限于深冷分离方法.在一种实施方式中，分离这种物流的方法将主要取决于生产规模和碳纳米材料制备方法要求的一氧化碳纯度.
在一种实施方式中，本发明提供生产碳纳米材料的设备，该设备包括将烃类、二氧化碳和氧的混合物转化成包含氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应部分氧和未反应部分烃类的转化气流的转化反应器，以及与转化反应器流体连通的脱氧单元。可使用该脱氧单元去除转化气中的未反应部分氧，制备包含氢、一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的脱氧气流。
该设备可进一步包括与脱氧单元流体连通的单级或多级膜分离器，所述分离器用于从脱氧气流分离氢，并形成包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主物流。
在一种实施方式中，代替膜分离器，该设备可进一步包括与脱氧单元流体连通，用于从脱氧气流分离氢，并形成包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主流的变压吸附单元或深冷分离单元。
该设备可进一步包括与膜分离器流体连通的碳纳米材料生产单元，其中，该碳纳米材料生产单元制备碳纳米材料和二氧化碳流，该设备还包括与碳纳米材料生产单元流体连通的、用于再循环一氧化碳、用于将二氧化碳流导至转化反应器的装置。
附图简要说明
图1是根据本发明一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。
图2是根据本发明另一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。
图3是根据本发明又一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。
详细说明
下文使用以下定义和缩写，除非有另外的描述：
术语“单壁碳纳米管”定义为中空、基本为圆柱形的管，其由基本化学纯的碳制造，直径约为0.4-4纳米。
术语“多壁碳纳米管”定义为同轴排列的、紧密间距的、基本为圆柱形的管，其由基本化学纯的碳制造，外直径约为3-100纳米。
术语“碳纳米管”表示单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
术语“碳纳米纤维”定义为基本圆柱形的结构，其直径约为1-100纳米，由以紧密间距的、截顶锥的堆叠排列方式、基本化学纯的碳制造。
术语“碳纳米材料”定义为由基本化学纯的碳构成的结构，其至少一个方向上的尺寸小于100纳米。碳纳米材料包括：富勒烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米角、碳纳米纤维、单层和多层石墨片晶。
术语“烃类”定义为一种有机化合物，其分子仅由碳和氢构成。
术语“催化剂”定义为改变化学反应的速度或产率但本身在该过程中基本不消耗或化学性质不变化的物质。
术语“贵金属”表示与大多数贱金属不同，能高度耐腐蚀或氧化并且不易溶解的金属。例子包括但并不限于铂、钯、金、银、钽等。
术语“贱金属”表示能容易氧化的任意非贵金属。例子包括但并不限于镍、钼、钨、钴等。
术语“Boudart反应”表示以下化学反应(I)：
2CO→C+CO2    (I)
术语“重整”表示通过使用热量、压力、通常在催化剂存在下使分子化学重组(重整)形成不同产物的化学过程。
术语“干重整”表示一种重整化合物的过程，例如使用二氧化碳重整甲烷之类的烃类制备合成气。
术语“蒸汽重整”表示一种重整化合物的过程，例如使用水重整甲烷之类的烃类制备合成气。
术语“合成气”是术语“合成气体”的缩写，表示包含变化量的一氧化碳和氢的气体混合物。
术语“部分氧化”是一种干重整类型，表示通过将预热的烃类和氧注射进燃烧室中，在燃烧室中烃类与小于完全燃烧所需的化学计量量的氧发生氧化反应的方式，将包含烃类的气体转化成氢、一氧化碳和其他痕量组分(例如二氧化碳、水和其他烃类)的混合物的过程。
术语“催化部分氧化”表示在合适载体结构上的贵金属(例如铂、钯或铑)或贱金属(例如镍)之类催化剂存在下进行的部分氧化。
术语“冷箱”表示包括热交换器和蒸馏柱之类的深冷工艺设备、可以将至少包含一氧化碳和氢的混合物分离成一氧化碳和氢气的独立物流的装置。如果混合物中存在低分子量烃类，则也可使用这种装置进行分离。
术语“膜”表示允许流体混合物中存在的一些物质以大于其他物质的速率通过的薄阻挡层。
术语“变压吸附”表示使用吸附剂在升高的压力下择优吸附流体混合物中的至少一种物质并在较低压力下至少释放一部分的所吸附材料的一种分离过程。
详细说明
将重整或部分氧化过程结合在碳纳米材料-生产反应器的上游，使得能够按照需要制备一氧化碳，而不需要将一氧化碳运送至生产场所或就地储备大量一氧化碳。在该联合方法中，可以接近完全地消除碳纳米管制备过程中的二氧化碳排放。这可以通过再循环二氧化碳副产物并将其与送至部分氧化过程的进料混合而实现。该联合方法可能更适合变化规模或分布式生产工厂，包括在其他情况下较少量的氢副产物使其纯化和压缩变得不够经济的那些工厂。
可通过烃类如甲烷的干重整方法获得合成气。可使用各种烃类，使用这些烃类的干重整方法是本领域中已知的。一种可能的干重整路径(即，部分氧化)如以下反应(II)所示：
2CH4+CO2+O2→3CO+3H2+H2O    (II)
更具体地说，反应(II)所示部分氧化过程通常在升高的温度(例如约700-1400℃)和升高的压力(例如最高约150个大气压)下进行。该过程可在催化剂存在下进行。可从本领域中已知的各种可用选项中选择合适的催化剂。例如，可用催化剂可包含贵金属(例如铂、钯或铑)或过渡贱金属(例如镍)。金属可嵌入多孔载体(例如氧化铝或沸石)中。
可使用各种条件进行反应(II)所示的部分氧化过程.可以对部分氧化的最合适条件，即温度、压力、催化剂、烃类/氧比值进行选择.例如可使用以下条件，温度大于约1000℃，例如约1300℃，压力最高为150个大气压.
按反应方案(II)所示制备的合成气可包含氢、一氧化碳、剩余的未反应二氧化碳、和剩余的未反应氧。可进一步加工这种混合物，通过去除所有其他组分(即，氢、未反应二氧化碳和未反应氧)获得纯化的一氧化碳。纯化过程可如下所述。
可通过使用部分氧化过程将合成气物流脱氧从而从合成气流去除未反应部分氧。可从许多已知选项中选择进行脱氧过程所需的合适工艺和设备。结果是，形成包含氢、一氧化碳和二氧化碳的脱氧气流。
可从脱氧气流分离氢，形成包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主物流以及包含氢的副产物流。可通过使用膜的分离方法实现将氢与脱氧合成气的分离。
可选择合适的膜。可使用各种膜，包括聚合物、金属多孔载体等，所述膜是本领域中已知的。膜可包括沉积在多孔氧化铝载体上的二氧化硅薄层。孔直径可约为5-10纳米。可通过在约600-650℃、在氩气气氛中、化学气相沉积原硅酸四乙酯，在氧化铝基材上形成二氧化硅层，直至达到所需的氢渗透率程度。如此从一氧化碳流分离的氢气不需要进一步纯化。相反，可任选回收并输出用作燃料，如下文所讨论。
如上文所讨论分离氢之后，可将包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主物流导至碳纳米材料生产单元，从而利用上述Boudart反应(I)制备碳纳米材料和二氧化碳流。包括作为Boudart反应结果形成的那部分二氧化碳的二氧化碳流可再循环并用于部分氧化。进行Boudart反应以制造碳纳米材料所必需的条件是本领域中已知的，本领域技术人员能够选择最佳条件。
根据所需碳纳米材料的具体种类、尺寸和纯度，可能需要从主物流去除二氧化碳和未反应部分烃类，并将基本纯净的一氧化碳供应至碳纳米材料生产单元。这可通过包括以下的任何可利用方的法实现：膜法、变压吸附法、吸收法等。在各情况中，可将纯化的一氧化碳流导至碳纳米材料生产单元，并将二氧化碳和烃类物流再循环至重整器单元。
参考图1，将烃类1导至预处理反应器A。该烃类预处理反应器单元能去除硫，使可能存在的各种烯烃饱和，并任选预重整烃类1。离开预处理反应器A之后，烃类经由管线3进入烃转化反应器B中。该烃转化反应器B可以是进行催化部分氧化过程的催化部分氧化设备。该烃转化反应器B还可以是自热催化重整器或非催化部分氧化设备，分别用于进行自热催化重整过程或非催化部分氧化过程。
可将烃类物流3、氧流2和再循环的二氧化碳气流9全部导至烃转化反应器B，在该反应器中，在约700-1400℃的温度下、在最高至150个大气压的压力下、任选在合适催化剂存在下，进行转化过程。
然后反应产物经由管线4离开烃转化反应器B.该气流可包含氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应氧、未反应烃类(例如甲烷)和水.各种热回收过程之后，将这种气流4导至脱氧单元C，以去除痕量未反应氧.然后将气流5与来自第二级膜F的再循环流11配混，通过压缩单元D进行压缩，并通过管线6导至第一级膜单元E.透过的废气流10可包含大部分氢，并可输出作为燃料.将较高压力的富一氧化碳的物流7导至第二级膜单元F，以制备更高纯度的一氧化碳流，将该一氧化碳流进一步用作碳纳米材料生产单元G的进料8以制备碳纳米材料.然后将来自纳米碳生产单元G的二氧化碳副产物流9再循环回到烃转化单元B.
该纳米碳生产单元G可包括若干子单元，包括纳米碳生产反应器、用于从流出气流分离固体纳米碳产物的分离器、用于分离和再循环未反应进料气的装置、以及任选的用于从二氧化碳副产物流分离不需要的副产物的装置。
参考图2，可通过于重整烃类(例如甲烷)但是不使用氧的过程获得合成气。一种可能的无氧干重整路径如以下反应(III)所示：
CH4+CO2→2CO+2H2    (III)
更具体地说，反应(III)所示干重整过程通常在升高的温度(例如约700-1000℃)和升高的压力(例如最高约150个大气压)下进行。该过程可在催化剂存在下进行。可从各种已知选项中选择合适催化剂。例如，可用催化剂可包含贵金属(例如铂、钯或铑)或过渡贱金属(例如镍)。金属可嵌入多孔载体(例如氧化铝或沸石)中。
事实上，为了对重整器单元进行最佳操作和避免在工艺设备上形成结焦，可任选使用干重整和蒸汽重整的组合。一种可能的蒸汽重整路径如以下反应(IV)所示：
CH4+H2O→CO+3H2    (IV)
如果使用蒸汽重整，则可选择最佳使用条件(即，温度、压力、催化剂)。对于制备碳纳米材料，要求使重整器生产一氧化碳的量最大，并且使产生氢的量最小。因此，送至重整器的进料可包含为避免形成结焦所需要的尽可能多的蒸汽。
在图2的一个方面中，按反应方案(III)所示制备的合成气包含氢、一氧化碳、剩余的未反应二氧化碳和剩余的未反应烃类。通过去除所有其他组分(即，氢、未反应二氧化碳和未反应烃类)至所需程度，可进一步加工这种混合物，获得纯化的一氧化碳。纯化过程如下所述。
可去除氢和未反应烃类，留下包含一氧化碳和二氧化碳的主物流以及包含氢和未反应烃类的副产物流。这种从合成气分离氢和未反应烃类可通过使用上述一种或多种膜完成。这些膜可与参考图1所述的相同。或者，这种分离可使用其他合适方法例如变压吸附法和/或深冷分离法完成。
使用膜分离氢和未反应烃类之后，可将包含一氧化碳和二氧化碳的主物流导至碳纳米材料生产单元，采用如上文讨论的Boudart反应(I)生产碳纳米材料和二氧化碳流。或者，可将主物流中的二氧化碳去除至所需程度，制备基本纯的一氧化碳流，然后将该物流导至碳纳米材料生产单元。可再循环该二氧化碳流(包括存在于主物流中的未反应部分二氧化碳和作为Boudart反应结果形成的二氧化碳)并用于干重整或用于组合的干重整和蒸汽重整法中，如上文所讨论。
参考图2对此进行更详细的描述。由图2可知。可将烃类201导至预处理反应器2A。该烃预处理反应器单元能去除硫，使可能存在的各种烯烃饱和，并任选预重整烃类201。部分未处理的烃类物流202可向烃转化反应器2B供应燃料。
离开预处理反应器2A之后，烃类可经由管线203进入烃转化反应器2B中。如图2所示，采用烃转化反应器2B进行二氧化碳干重整过程和催化蒸汽重整过程。需要时可选择各种其他烃转化反应器2B。
烃类物流203、蒸汽215和再循环的二氧化碳气流10可进入烃转化反应器2B，在该反应器中，可在约700-1000℃的温度下、在最高至150个大气压的压力下、任选在合适催化剂存在下进行转化过程.反应产物可作为气流204离开烃转化反应器2B.
在图2中，气流204包含氢、一氧化碳、未反应蒸汽、未反应二氧化碳和未反应烃类例如甲烷。然后可将气流204导至热回收装置2C，该装置包括过程热锅炉、各种热交换器、以及冷却塔(未显示)，以将气流204冷却至要求的下游温度。因此，气流205可以与气流204相同的化学组成、但是以低于气流204的温度离开热回收装置2C。该过程可制备过程蒸汽215和来自水213的输出蒸汽214。
然后气流205可进入第一级膜单元2D，在该单元中，从气流的剩余部分分离大部分氢和二氧化碳，导致形成两种分离物流。这两种物流是包含大部分一氧化碳、部分未反应二氧化碳和部分未反应烃类的主物流206以及主要包含氢和大部分未反应二氧化碳的透过的废气流216。
然后可将透过的废气流216导至烃转化单元2B作为燃料。来自燃料燃烧的产物可通过流出物流217离开单元2B。然后可将较高压力的富一氧化碳主物流206导至第二级膜单元2E，在该单元中，进一步分离一氧化碳和剩余的未反应二氧化碳，以制备更高纯度的一氧化碳流207和富二氧化碳的透过物流211。
一氧化碳流207可进一步用作碳纳米材料生产单元2F的进料，以制备碳纳米材料208和废二氧化碳流209。可将富二氧化碳的透过物流211通过压缩单元2G压缩，然后通过管线212再循环回到第一级膜单元2D中，来自碳纳米材料生产单元2F的废二氧化碳流209通过压缩单元2H压缩并通过物流210再循环至烃转化单元2B中。
在一些情况中，碳纳米材料生产单元2F可包括若干子单元(未显示)，包括碳纳米材料生产反应器、用于从流出气流分离固体碳纳米材料产物208的装置、用于分离和再循环未反应进料气体的子单元、以及可能的用于从二氧化碳副产物流分离不需要的副产物的装置。
图2所示设备和方法可以有许多变化。可通过燃烧来自重整器的部分氢产物来产生重整器需要的热量。或者，可出售氢产物，用天然气为重整器提供燃料。另外，可利用碳纳米材料反应器单元2F中的放热反应释放的热量对送至重整器的进料预热，从而减少该过程需要的燃料量。
在一种实施方式中，可从外部来源输入额外量的二氧化碳，与送至重整器的进料混合，以实现额外的优点。当送至重整器的烃类为甲烷时，也可经由物流218将最多至等摩尔量的外部二氧化碳送至反应器。在这些情况下，总体过程如以下总反应(V)所示：
CH4+CO2→2C+2H2O    (V)
这种过程提供了一种消耗二氧化碳的手段，从而防止将其释放至大气中，人们认为二氧化碳是全球变暖的主要作用者。因为总反应(V)是放热的，通过对该过程各单元操作进行有效的能量集成，可以在很少或没有额外燃烧矿物燃料下，实现联合生产碳纳米管和隔绝外部产生的二氧化碳。
在参考图3描述的其他情况中，还可通过反应方案(III)所示的干重整过程获得合成气。干重整过程与参考图2所述的内容基本类似，包括任选利用蒸汽重整。与之前相同，可再循环二氧化碳副产物，将其与送至重整器的进料混合，提高重整器生产的一氧化碳的量。
但是可使用一些额外特点.这些额外特点可包括使用冷箱代替膜分离器，从合成气分离氢和未反应烃类.这个特点可用于大规模生产厂家中.而且该方法使得制备氢作为有价值的共同产物.
可参考图3对此进行更详细的描述。由图3可知，可将烃类301导至预处理反应器3A。与图2一样，烃预处理反应器3A能去除硫，使可能存在的各种烯烃饱和，并任选预重整烃类301。部分烃类物流302可为烃转化反应器3B供应燃料。
离开预处理反应器3A之后，烃类可经由管线303进入烃转化反应器3B中。采用图3中的烃转化反应器3B进行二氧化碳干重整过程和催化蒸汽重整过程。需要时可选择各种其他烃转化反应器3B。
烃类物流303、蒸汽316和再循环的二氧化碳气流313可在烃转化反应器3B内、在约700-1000℃的温度下反应。反应产物可通过管线304离开烃转化反应器3B。气流304可包含氢、一氧化碳、二氧化碳和未反应烃类(例如甲烷)。然后可将这种气流304导至热回收装置3C。热回收装置3C还可包括过程热锅炉、各种热交换器和冷却塔(未显示)，以冷却气流304。
然后，冷却至要求的下游温度的气流304可作为气流305进入二氧化碳去除单元3D。离开热回收装置3C的气流305的化学组成与气流304相同，但是温度低于气流304。热回收装置3C中还可产生过程蒸汽316和输出蒸汽315(来自水314)。在二氧化碳去除单元3D中，可从气流305获得二氧化碳流312和贫二氧化碳流306。
然后可将分离的二氧化碳气体312导至二氧化碳压缩单元3H，然后作为物流313再循环至烃转化单元3B中。贫二氧化碳流306可行至一氧化碳分离单元3E，制备产物一氧化碳流307和粗氢流309。可用的典型一氧化碳分离装置可包括冷箱、膜***或变压吸附单元。可选择最合适的一氧化碳分离装置。可将离开一氧化碳分离单元3E的废气流318再循环，用作烃转化单元3B的燃料。流出物流319可包含供应至烃转化单元3B的燃料燃烧的产物。
可将一氧化碳分离单元3E中产生的一氧化碳307导至碳纳米材料生产单元3F。可将来自碳纳米材料生产单元3F的废二氧化碳流311导至二氧化碳压缩单元3H，然后可将压缩的物流导至烃转化反应器3B。物流308包含固体纳米碳产物，并且可以例如包含沉积在筛网或过滤器上的固体碳纳米材料，或者可以包含富含碳纳米材料产物的流出气体(例如，一氧化碳、二氧化碳等)的物流。
纳米碳生产单元3F可包括若干子单元(未显示)，例如碳纳米材料生产反应器、用于从流出气流分离固体碳纳米材料产物的装置、用于分离和再循环未反应的进料气的装置、以及可能的用于从二氧化碳副产物流分离不需要的副产物的装置。
粗氢流309可进入变压吸附装置3G，该装置通常包含吸附剂材料。通常该吸附剂材料是活性炭或沸石5A吸附剂材料。变压吸附过程的产物可以是高压氢气，该产物作为物流310离开单元3G。该物流中存在的剩余气体将经由管线317离开单元3G，并可用作烃转化单元3B中的燃料气体。
可以设计上述过程的许多变化形式。例如，可通过燃烧来自重整器的部分氢产物来产生重整器所需要的热量。或者，可出售氢产物，用天然气作为重整器的燃料。或者，可利用碳纳米材料反应器单元3F中的放热反应释放的热量对送至重整器的进料预热，从而减少该过程需要的燃料量。
在一种实施方式中，可从外部来源输入额外量的二氧化碳，将其与送至重整器的进料混合，以实现额外的优点。当送至重整器的烃类为甲烷时，还可经由物流320将最多至等摩尔量的外部二氧化碳送至反应器。在这些条件下，总体过程可如总反应(V)所示。向重整器加入输入的二氧化碳减少了该过程产生的氢副产物的量。
该方法提供了一种消耗二氧化碳的手段，由此防止将二氧化碳释放至大气中，人们认为二氧化碳是全球变暖的主要作用者。因为总反应(V)是放热的，通过对该过程的各单元操作进行有效的能量集成，可以在很少或没有额外燃烧矿物燃料下，实现联合生产碳纳米管和隔绝外部产生的二氧化碳。
以上讨论的所有方法的联合方案有助于事实上消除碳纳米材料制备过程中二氧化碳排放。还可以输入二氧化碳用作过程的部分进料。因此，该联合方法可以用作以有价值产物(碳纳米材料)的形式隔绝二氧化碳的有效方法。
应当理解，本文所述的方法和设备仅仅是示例，本领域技术人员在不偏离本揭示内容的原理和范围的情况下可进行变化和修改。所有这些变化和修改都意在包括在上述本揭示内容的范围之内。而且，所揭示的所有代表性例子不一定都要选择，因为可组合各方面提供所需结果。因此，本揭示内容仅受以下权利要求限制。

Claims (23)

1.一种制备碳纳米管的方法，该方法包括：
(a)制备包含一氧化碳、二氧化碳、氢和烃类的合成气；
(b)从合成气分离氢和烃类，以制备一氧化碳和二氧化碳的产物气流以及氢和烃类的副产物气流；
(c)使用产物气流中的一氧化碳制备碳纳米管；以及
(d)将来自产物气流和来自碳纳米管生产的二氧化碳再循环。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制备合成气包括：
(a)将烃类气流和二氧化碳气流配混形成配混气流；
(b)转化配混气流形成合成气。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，转化配混气流包括在700-1000℃的温度和最高至150个大气压的压力下进行干重整。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，转化配混气流进一步包括蒸汽重整。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述重整在铂、钯、铑或镍催化剂存在下进行。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括预处理烃类气流以去除杂质。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，烃类是甲烷。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制备合成气包括：
(a)配混烃类气流、二氧化碳气流和氧气流形成配混气流；
(b)转化配混气流形成包含一氧化碳、二氧化碳、氢、未反应烃类和未反应氧的转化气流；以及
(c)使转化气流脱氧，以去除未反应氧并形成合成气。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，转化配混气流包括在700-1400℃的温度下，最高至150个大气压的压力下，在铂、钯、铑或镍催化剂存在下，对烃类进行催化重整。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括预处理烃类气流以去除杂质。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，烃类是甲烷。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将产物气流分离成一氧化碳流和二氧化碳流。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括对副产物气流中的氢进行纯化并回收纯氢。
14.一种制备碳纳米管的设备，该设备包括：
(a)合成气生产单元，制备包含一氧化碳、二氧化碳、氢和烃类的合成气；
(b)分离单元，用于从合成气分离氢和烃类，以获得一氧化碳和二氧化碳的产物气流以及氢和烃类的副产物气流；
(c)碳纳米管制备单元，用于使用产物气流中的一氧化碳制备碳纳米管；以及
(d)二氧化碳再循环装置，用于将从碳纳米管生产单元的二氧化碳再循环至合成气生产单元。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，合成气生产单元包括二氧化碳气体来源、烃类气体来源、将二氧化碳气体和烃类气体配混成配混气流的配混装置、以及转化配混气流形成合成气的转化反应器.
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，转化反应器是干重整器单元或干重整器单元和蒸汽重整器单元的组合。
17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，烃类是甲烷。
18.如权利要求14所述的设备，其特征在于，合成气生产单元包括二氧化碳气体来源，烃类气体来源，氧气来源，将二氧化碳气体、烃类气体和氧气配混成配混气流的配混装置，使配混气流转化形成包含一氧化碳、二氧化碳、氢、未反应烃类和未反应氧的转化气流的转化反应器，以及从转化气流去除未反应氧并形成合成气的脱氧单元。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，转化反应器是具有铂、钯、铑或镍催化剂的催化重整器单元。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于，烃类是甲烷。
21.如权利要求14所述的设备，其特征在于，分离单元是膜分离器、变压吸附单元或深冷分离器。
22.如权利要求14所述的设备，其特征在于，该设备进一步包括将产物气流分离成一氧化碳气流和二氧化碳气流的纯化单元，其中该纯化单元是膜分离器、变压吸附单元或深冷分离器。
23.如权利要求14所述的设备，其特征在于，该设备进一步包括从副产物气流纯化和回收氢的精炼单元。
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