CN101550054A

CN101550054A - 应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构

Info

Publication number: CN101550054A
Application number: CNA2009100837034A
Authority: CN
Inventors: 程易; 颜彬航; 吴昌宁; 双玥; 章莉
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: CN101550054B

Abstract

本发明公开了化工设备技术领域一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬，热等离子体射流混合区，气固下行床混合器通道，以及位于等离子体炬下方、环绕在气固下行床混合器通道内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴。混合器通道的横截面为二维封闭图形，且沿热等离子体射流轴向流动方向变化；煤粉喷嘴在混合器通道相同或不同高度的横截面上分布；煤粉喷嘴的出口横截面为宽扁形，其安装角度可在整个空间范围内进行调整。本发明能够使通过煤粉喷嘴射出的煤粉与热等离子体射流良好混合，能够有效地提高煤粉转化率，提高乙炔收率，并缓解反应器结焦现象。

Description

应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构

技术领域

本发明涉及一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，属于化工设备技术领域。

背景技术

乙炔是重要的基础有机化工原料。生产乙炔的工业方法主要有电石法、甲烷部分氧化法和甲烷电弧裂解法，其中电石法乙炔工艺成熟，工业生产中占绝对比重，但是污染和能耗均相对较高。等离子体裂解煤制乙炔是一条新的、有前景的煤直接化工转化途径。我国学者及工程技术人员从90年代开始，在这一领域进行了大量的基础研究和工程研究。由于我国油气资源相对匮乏，而煤资源丰富，因此等离子体裂解煤制乙炔过程作为一种清洁且流程短的煤转化过程，在煤的化工利用方面具有重要的潜在工业前景。

等离子体煤裂解制乙炔过程是一个高温毫秒级超短接触反应过程，反应条件极端苛刻。等离子体发生器出***流最高温度可达10⁴K量级，平均温度约3000K，射流速度在10²米每秒量级。煤粉由流化气携带，在到达煤粉喷嘴出口之前由二次加速气体加速，最后以数十米每秒的速度在接近等离子体射流出口处射入等离子体射流。煤粉与热流体接触后，在数毫秒内被急剧加热，同时释放挥发分并反应，生成产物乙炔和少量其他小分子烃类等。

自20世纪60年代起，许多国家的研究者一直在从事等离子体裂解煤的实验研究，包括10～100kW级别小功率装置的实验室研究，以及在300kW以上功率装置上的工业中试试验。等离子体煤裂解制乙炔装置主要包括三个部分：等离子体发生装置，反应器(包括混合器和反应段)，急冷和分离装置。实验装置多采用直流电弧热等离子体，根据原料混合位置的不同可大致分为两类：发生装置前混合和发生装置后混合。20世纪80年代AVCO公司的旋转电弧装置属于前者，煤粉进入电弧区被直接加热，具有良好的混合效率。对于气态、液态烃类做原料的裂解也多采用前者。虽然发生装置前混合，确切地说是反应物进入电弧区，有利于原料的加热与混合，能得到高的乙炔收率，但易损伤电极，且装置结构较复杂。目前，大多数的装置均采用后者，即原料通过射入等离子体发生器出口下游的等离子体射流中实现混合，但这样增大了优化煤粉与等离子体射流混合效果的难度。

等离子体煤裂解制乙炔过程的混合器通道内的等离子体射流具有高温、高焓、高速的特点，且在混合器通道的横截面上具有一定的温度和速度分布，被加速的煤粉很难射入等离子体射流中部的高温区，大量煤粉在靠近壁面的区域完成加热和反应，并且由于壁面温度相对较低，加热不完全的煤粉会粘着在壁面，造成反应器壁结焦、堵塞，最终导致操作中断。另外，煤粉无法与高温的等离子体射流充分混合，也会导致煤粉转化率较低、产品气中乙炔的气相体积含率较低，影响过程的经济性。此外，与实验室小试研究不同的是，工业装置单位有效功率的煤处理量约是实验室小试装置的10倍，而由于等离子体射流能量集中的特性，反应器的几何尺寸变化并没有如此显著。另外，热等离子体与煤粉混合结构设计中还存在高浓煤粉的分散等问题。

如上所述，对于等离子体煤裂解制乙炔工业装置，良好的热等离子体与煤粉混合结构设计是整个装置设计过程中十分重要的一环，对等离子体煤裂解制乙炔过程的可操作性和经济性有着极其重要的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构。

一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬1，热等离子体射流混合区2，气固下行床混合器通道3，以及位于等离子体炬1下方、环绕在气固下行床混合器通道3内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴5，其特征在于，煤粉喷嘴5安装在气固下行床混合器通道3内壁的相同或不同高度的1～6个横截面上，分2～3层分布，每层距离为2～50mm，其安装角度可在整个空间范围内进行调整；煤粉喷嘴5上方0～20mm处安装有内通冷却介质的1～16个遮流构件10；煤粉喷嘴5出口横截面的长轴与气固下行床混合器通道3的横截面具有交角α，煤粉喷嘴5所在的气固下行床混合器通道3横截面的圆周面与煤粉喷嘴5中心线交点处的切线与煤粉喷嘴5中心线成交角β，煤粉喷嘴5中心线与气固下行床混合器通道3的横截面具有交角γ。

所述等离子体炬1的数目为1～6个。

所述煤粉喷嘴5数目为2～16个。

所述煤粉为原料煤、煤和粉状废弃塑料混合物、煤和粉状生物质混合物、煤和粉状石油焦混合物中的一种。

所述冷却介质为高压水、盐水、碱水或机油中的一种。

所述煤粉喷嘴5出口横截面的形状为宽扁形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为4.5～9.5。

所述气固下行床混合器通道3的横截面的形状为二维封闭图形，即圆、椭圆、圆角弓形、圆角扇形和圆角多边形中的一种。

所述气固下行床混合器通道3横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.55～7，横截面长轴与短轴的比值为1～8。

所述交角α，β和γ的角度范围分别为0°～45°，45°～135°和-45°～45°。

所述长轴定义为气固下行床混合器通道3横截面内具有最大距离的两点所在的直线，短轴定义为气固下行床混合器通道3横截面内具有最小距离的两点所在的直线。

本发明的有益效果为：该结构在保证与工业装置功率相适应的煤粉处理量的同时，根据热等离子体射流的特性，提高煤粉喷嘴出口固体颗粒的速度，扩大煤粉射流与热等离子体接触面积，并能迅速分散高浓煤粉，以提高煤粉与热等离子体的混合效率，能够有效地提高煤粉转化率，提高乙炔收率，并缓解反应器结焦现象。

附图说明

图1是一种典型的热等离子体与煤粉混合结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是煤粉喷嘴出口横截面的长轴与混合器通道横截面之间成角示意图；

图4(a)是煤粉喷嘴分层分布的热等离子体与煤粉混合结构示意图；

图4(b)是较高横截面处的煤粉喷嘴的空间分布示意图；

图4(c)是较低横截面处的煤粉喷嘴的空间分布示意图；

图5是带有遮流构件的热等离子体与煤粉混合结构示意图；

图中：1-等离子体炬；2-热等离子体射流混合区；3-气固下行床混合器通道；4-热等离子体在混合区内运动轨迹示意；5-煤粉喷嘴；6-混合区；7-煤粉与热等离子体混合示意；8-气固下行床混合器通道的横截面；9-煤粉喷嘴出口横截面的长轴；10-遮流构件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬1，热等离子体射流混合区2，气固下行床混合器通道3，以及位于等离子体炬1下方、环绕在气固下行床混合器通道3内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴5(图1)。如图2所示，气固下行床混合器通道的横截面8为椭圆形，该椭圆形随热等离子体流动方向均匀变化，最大的椭圆长轴长120mm，短轴长80mm，最小的椭圆长轴长60mm，短轴长30mm；煤粉喷嘴5的数目为6个，安装在同一高度的气固下行床混合器通道的横截面8处，该处横截面椭圆长轴长80mm，短轴长40mm，长轴与短轴比值为2，横截面的横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.87；煤粉喷嘴5的出口横截面呈宽扁形，为长15.6mm、长宽比为6的矩形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为5.72，煤粉喷嘴5的三个空间安装角度分别是，煤粉喷嘴出口横截面的长轴9与气固下行床混合器通道的横截面8的交角α为45°(图3)；煤粉喷嘴5所在的气同下行床混合器通道横截面8的边与煤粉喷嘴5中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴5中心线形成的β角为90°(图2)；煤粉喷嘴5中心线与气固下行床混合器通道的横截面8的交角γ为0°。

等离子体炬输出功率1.8MW，煤粉输送量800kg/h。开启电源，产生热等离子体射流，待反应器内压力和壁温等操作参数稳定后，开启煤粉输送管路，同时开启喷嘴前的煤粉加速气体管路，开启位于进煤口下方的清焦装置，煤粉经煤粉喷嘴5射入等离子体射流，正常运行1h后，反应器各操作参数正常，最大发气量较同等操作条件下的同体积的圆形截面的混合器(圆柱状)提高15％，其间对产品气体取样。运行一段时间后，关闭煤粉管路，关闭电源。待混合器冷却后，拆开反应器观察，进煤口没有结焦情况，混合通道内轻微结焦。对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7.50～8.60％，较原来提高1.5％；对体系进行衡算，煤粉转化率由原来等操作条件下的同体积的圆形截面的混合器(圆柱状)时的22％提高到30％。

实施例2

一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬1，热等离子体射流混合区2，气固下行床混和器通道3，以及位于等离子体炬1下方、环绕在气固下行床混合器通道3内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴5(图4(a))。煤粉喷嘴分布如图4(b)，图4(c)所示，气固下行床混合器通道的横截面8为椭圆形，该椭圆形随热等离子体流动方向均匀变化，最大的椭圆长轴长120mm，短轴长80mm，最小的椭圆长轴长60mm，短轴长30mm；煤粉喷嘴3的数目为6个，安装在相距20mm的两个气固下行床混合器通道的横截面8上(图4(a))，较高的横截面上排列4个煤粉喷嘴3(图4(b))，较低的截面上排列2个煤粉喷嘴3(图4(c))。较高处的横截面椭圆长轴长90mm，短轴长45mm，长轴与短轴比值为2，横截面的横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.89，较低处的横截面椭圆长轴长80mm，短轴长40mm，长轴与短轴比值为2，横截面的横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.87；煤粉喷嘴5的出口横截面呈宽扁形，为长15.6mm、长宽比为6的矩形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为5.72，煤粉喷嘴5的三个空间安装角度分别是，煤粉喷嘴出口横截面的长轴9与气固下行床混合器通道的横截面8的交角α为45°(图3)；煤粉喷嘴5所在的气固下行床混合器通道的横截面8的边与煤粉喷嘴5中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴5中心线形成的β角为90°(图2)；煤粉喷嘴5中心线与气固下行床混合通道的横截面8的交角γ为0°。

等离子体炬输出功率1.8MW，煤粉输送量800kg/h。开启电源，产生等离子体射流，待反应器内压力和壁温等操作参数稳定后，开启煤粉输送管路，同时开启喷嘴前的煤粉加速气体管路，开启位于进煤口下方的清焦装置，煤粉经煤粉喷嘴5射入等离子体射流，正常运行1h后，反应器各操作参数正常，最大发气量较同等操作条件下的安装在相同高度的煤粉喷嘴5的混合器提高5％，其间对产品气体取样。运行一段时间后，关闭煤粉管路，关闭电源。待混合器冷却后，拆开反应器观察，进煤口附近轻微结焦，混合通道内轻微结焦。对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7.90～9.00％，较原来提高1.6％；对体系进行衡算，煤粉转化率由原来安装在相同高度的煤粉喷嘴5的混合器时的30％提高到36％。

实施例3

一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬1，热等离子体射流混合区2，气固下行床混合器通道3，位于等离子体炬1下方、环绕在气固下行床混合器通道3内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴5，以及位于每个煤粉喷嘴5上面15mm处的遮流构件10(图5)。煤粉喷嘴分布如图2所示，在每个煤粉喷嘴5上面15mm处有遮流构件10，气固下行床混合器通道的横截面8为椭圆形，该椭圆形随热等离子体流动方向均匀变化，最大的椭圆长轴长120mm，短轴长80mm，最小的椭圆长轴长60mm，短轴长30mm；煤粉喷嘴5的数目为6个，安装在同一高度的气固下行床混合器通道的横截面8处，该处横截面椭圆长轴长80mm，短轴长40mm，长轴与短轴比值为2，横截面的横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.87；煤粉喷嘴5的出口横截面呈宽扁形，为长15.6mm、长宽比为6的矩形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为5.72，煤粉喷嘴5的三个空间安装角度分别是，煤粉喷嘴出口横截面的长轴9与气固下行床混合器通道的横截面8的交角α为45°(图3)；煤粉喷嘴5所在的气固下行床混合器通道横截面8的边与煤粉喷嘴5中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴5中心线形成的β角为90°(图2)；煤粉喷嘴5中心线与气固下行床混合器通道的横截面8的交角γ为0°。遮流构件10的数目为6个，安装在煤粉喷嘴5上方15mm高度的气固下行床混合器通道的横截面8处。

等离子体炬输出功率1.8MW，煤粉输送量800kg/h。开启电源，产生热等离子体射流，待反应器内压力和壁温等操作参数稳定后，开启煤粉输送管路，同时开启喷嘴前的煤粉加速气体管路，开启位于进煤口下方的清焦装置，煤粉经煤粉喷嘴5射入等离子体射流，正常运行1h后，反应器各操作参数正常，最大发气量较同等操作条件下的无遮流构件的混合器提高30％，其间对产品气体取样。运行一段时间后，关闭煤粉管路，关闭电源。待混合器冷却后，拆开反应器观察，进煤口没有结焦情况，混合通道内轻微结焦。对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)8.60～9.20％，较原来提高5％；对体系进行衡算，煤粉转化率由原来等操作条件下的无遮流构件的混合器的30％提高到37％。

Claims

1、一种应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，包括等离子体炬(1)，热等离子体射流混合区(2)，气固下行床混合器通道(3)，以及位于等离子体炬(1)下方、环绕在气固下行床混合器通道(3)内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴(5)，其特征在于，煤粉喷嘴(5)安装在气固下行床混合器通道(3)内壁的相同或不同高度的1～6个横截面上，分2～3层分布，每层距离为2～50mm，其安装角度可在整个空间范围内进行调整；煤粉喷嘴(5)上方0～20mm处安装有内通冷却介质的1～16个遮流构件；煤粉喷嘴(5)出口横截面的长轴与气固下行床混合器通道(3)的横截面具有交角α，煤粉喷嘴(5)所在的气固下行床混合器通道(3)横截面的圆周面与煤粉喷嘴(5)中心线交点处的切线与煤粉喷嘴(5)中心线成交角β，煤粉喷嘴(5)中心线与气固下行床混合器通道(3)的横截面具有交角γ。

2、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述等离子体炬(1)的数目为1～6个。

3、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述煤粉喷嘴(5)数目为2～16个。

4、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述煤粉为原料煤、煤和粉状废弃塑料混合物、煤和粉状生物质混合物、煤和粉状石油焦混合物中的一种。

5、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述冷却介质为高压水、盐水、碱水或机油中的一种。

6、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述煤粉喷嘴(5)出口横截面的形状为宽扁形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为4.5～9.5。

7、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述气固下行床混合器通道(3)的横截面的形状为二维封闭图形，即圆、椭圆、圆角弓形、圆角扇形和圆角多边形中的一种。

8、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述气固下行床混合器通道(3)横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.55～7，横截面长轴与短轴的比值为1～8。

9、根据权利要求1所述的混合结构，其特征在于，所述交角α，β和γ的角度范围分别为0°～45°，45°～135°和-45°～45°。

10、根据权利要求8所述的混合结构，其特征在于，所述长轴定义为气固下行床混合器通道(3)横截面内具有最大距离的两点所在的直线，短轴定义为气固下行床混合器通道(3)横截面内具有最小距离的两点所在的直线。