CN102698677A - 一种等离子体对撞流反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体对撞流反应方法，尤其涉及一种利用等离子体高温射流对煤粉进行加温加速后对撞，增强其混合和传热的反应方法；本方法采用由两组或两组以上等离子体炬和混合器，同轴相向安装在反应器外壁周边；工作时，煤粉从进料管进入混合器送入离子体产生的等离子高温射流中，经加热和加速后在反应器中心区域与之相同的等离子射流对撞，形成对撞流湍动区，强化煤粉和高温射流混合和传热。

Description

一种等离子体对撞流反应方法

技术领域

本发明涉及一种等离子体对撞流反应方法。

技术背景

等离子体裂解煤制乙炔技术，是借助等离子体温度高、反应活性好的煤与乙炔接近的碳氢比特性，将煤粉直接喷入温度在3500度到上万度高温等离子体中，煤粉发生极快的爆裂，释放出煤中的挥发份，加上高温等离子体也和固体碳作用一起生成大量的碳氢组分的裂解气，很迅速达到化学平衡，形成以乙炔、氢气为主的裂解气，热等离子体裂解煤制乙炔过程是在极端条件下操作的反应过程，超高温和毫秒级接触时间，煤粉与高温等离子体混合和传热是实现煤粉反应的关键所在，这就对等离子体煤制乙炔的反应装置设计有一个非常高的要求，通常等离子体煤制乙炔反应装置是下行式，等离子炬在最顶端，等离子炬下面依次连接着混合器和反应器，等离子炬产生等离子体射流向下喷射，煤粉以一定的速度由混合器与等离子体射流垂直方向射入，与等离子体混合和反应，由于等离子体射流刚性强，速度高，能量集中，导致煤粉与之混合和反应较为困难，直接影响反应的效率；再者装置规模扩大后，上述现象尤为突出。对撞流概念自上个世纪70年代由Elperin提出以来,其基本思想是两股或多股流体相向流动和对撞，从而产生一个湍动的区域，强化其过称的传热、传质现象，采用对撞流概念在物料的干燥和混合等化工生产中取得了较好的效果。

等离子体裂解煤属气固相超短接触的反应，要得到高的发气量，就必须在短时间内将等离子体的大量的能量传递给煤；但阻碍煤粉气化的原因有两个：其一，等离子体射流和煤粉瞬间接触后，煤粉颗粒表面形成气膜和胶质体（粘稠液体），气膜和胶质体阻止热进一步向煤粉中心传递，同时由于形成气膜和胶质体需要吸收大量周围热能，煤粉颗粒周围环境温度的快速下降，煤粉中心不能获得快速升温气化所需要的能量而处在较低温度，直到淬冷后出反应器，结果是总是有大部分煤粉没有气化。其二，等离子体射流和煤粉瞬间接触时，等离子体射流和煤粉颗粒相对速度最大，这时对流传热系数也最大。等离子体射流和煤粉瞬间接触后，煤粉被等离子体射流很快加速，等离子体射流和煤粉颗粒速度相等，这时对流传热系数也最小。以上两个原因造成等离子体裂解煤制乙炔发气量和乙炔浓度难以提高，从而造成生产成本太高。

发明内容

本发明的目的在于解决煤粉在高温的等离子体射流中停留时间短，煤粉颗粒得不到充分加热，气化率低的问题，进而提供一种将煤粉射流与等离子炬高温射流预混并加热加速后，与之相同的射流对撞，实现了煤粉颗粒经过加速、减速和再加速三个过程，等离子体射流和煤粉颗粒维持较高的相对速度，同时煤粉在高温区域停留时间延长，达到了强化煤粉与高温等离子体射流混合和传热过程，增强煤粉气化效果。

实现上述目的的解决方案是：

一种等离子体对撞流反应方法，包含等离子炬、反应器、混合器组成，两组或两组以上等离子炬和混合器同轴相向安装在反应器外壁周边上；煤粉进入混合器与等离子体射流混合，煤粉被等离子体射流加热和加速，发生煤粉裂解反应，含有初步裂解煤粉的高温高速混合气射流从混合器出口喷射入反应器中，在反应器中含煤粉的混合气射流与之相同的射流对撞，煤粉颗粒在对撞过程中速度快速下降，并在对撞过程中被加热，在对撞中心区域煤粉颗粒又被对撞射流再次加速和加热。

所述的一种等离子体对撞流反应方法，包括由等离子炬、反应器、混合器组成，两组或两组以上等离子炬同轴相向安装在反应器外壁周边，反应器顶端安装等离子炬和混合器或进粉管任一。 

所述的一种等离子体对撞流反应方法，连接在反应器外壁上等离子炬功率和混合器送粉量均相同，以保证在反应器中心区域产生的对撞流湍动区稳定。

所述的一种等离子体对撞流反应方法，反应器顶端可安装至少一个等离子炬，根据反应器装置能量需求，增加反应器功率。

所述的一种等离子体对撞流反应方法，安装反应器顶端等离子炬功率与反应器外壁周边上的等离子炬功率大小为1KW-10MW；即等离子炬的功率根据反应器需要补充热量大小进行配置。

所述的一种等离子体对撞流反应方法，适用于等离子煤裂解工艺，也可用于金属冶炼、物料改性、等离子喷涂等。

本发明所述的一种等离子体对撞流反应方法，煤粉从进料管送入混合器中的等离子体射流中，经加热、加速后，喷射入反应器中心与相向的流体对撞，在反应器中心区域形成对撞流湍动区，能使煤粉充分混合并加热。

本发明的优点与效果是：

其一，利用对撞流强化了煤粉与高温流体混合和传热，大幅提高了煤粉的反应效率。

其二，采用两组或多组相向对撞，避免了煤粉与壁面的撞击而损失能量，避免高温流体对壁面烧蚀，有利于能量利用和设备寿命延长。

其三，采用对撞流的反应装置，可以避免由于规模扩大而产生的放大效应，且结构简单可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1的示意图。

图2为本发明实施例1的俯视图。

图3为本发明实施例2的示意图。

附图标号说明：1-等离子炬  2-反应器  3-进料管  4-混合器。 

具体实施方式

实施例1

参见附图1和附图2，一种等离子体对撞流反应方法，包括反应器2外壁周边安装1MW的等离子炬1、混合器4，在反应器2的顶端安装1MW等离子炬。反应器2顶端的等离子炬1用于加温反应装置，煤粉由进料管3进入混合器4喷入等离子炬产生的高温射流，由这样的四股夹带煤粉颗粒的等离子高温射流相互对撞来强化煤粉与高温等离子体混合和传热。

实施例2

参见附图3本装置的实施例2与实施例1不同之处在于，反应器2的顶端未安装等离子炬，即反应器2顶端不产生等离子体射流，周边外壁安装的等离子炬1功率均为1KW。

实施例3

实施例3与实施例1、2的不同之处在于在反应器2的同一平面的圆周上同轴的均布6台等离子炬1、混合器4,等离子炬1功率为10MW。

实施例4

实施例4与实施例1、2、3的不同之处在于，反应器2的圆周上同轴均布两层等离子炬1、混合器3，上层和下层的等离子炬数量是4台和6台，上层等离子炬功率均为1MW，下层等离子炬功率均为10MW。

实施例5

实施例5与实施例1、2、3、4的不同之处在于，反应器2的圆周上同轴的均布一层1MW的等离子炬1，而不设置混合器4，反应器的顶端连接进料管3.即在反应器中心产生的等离子射流与从反应器上部进来的煤粉对撞形成湍流。

实施例6

实施例6与实施例1-5的不同之处在于，反应器2的圆周上同轴的均布一层1MW的等离子炬1，而不设置混合器4，反应器2的顶端连接5MW等离子炬1和混合器4，即在反应器中心产生的等离子射流与从反应器顶端进来的煤粉与等离子混合射流对撞形成湍流。

Claims (6)

1.一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于包含等离子炬、反应器、混合器组成，两组或两组以上等离子炬和混合器同轴相向安装在反应器外壁周边；煤粉进入混合器与等离子体射流混合，煤粉被等离子体射流加热和加速，发生煤粉裂解反应，含有初步裂解煤粉的高温高速混合气射流从混合器出口喷射入反应器中，在反应器中含煤粉的混合气射流与之相同的射流对撞，煤粉颗粒在对撞过程中速度快速下降，并在对撞过程中被加热，在对撞中心区域煤粉颗粒又被对撞射流再次加速和加热。

2.一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于包括由等离子炬、反应器、混合器组成，两组或两组以上等离子炬同轴相向安装在反应器外壁周边，反应器顶端连接等离子炬和混合器或进粉管任一。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于连接在反应器外壁上等离子炬功率和混合器送粉量均相同。

4.根据权利要求2所述的一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于安装在反应器外壁周边的等离子炬功率均相同。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于反应器顶端可安装至少一个等离子炬。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种等离子体对撞流反应装置及方法，其特征在于安装反应器顶端等离子炬功率与反应器外壁周边上的等离子炬功率大小为1KW-10MW。

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