CN107081119B - 一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器 - Google Patents

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Abstract

一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，包括煤粉预分散段、等离子体阵列反应段、淬冷段；等离子体阵列反应段一侧壁面布置多排等离子体电极，每排电极均为多根电极组成，相邻两排电极并列或交错排列，电极对之间产生电弧放电，形成阵列状电弧等离子体场；气体携带煤粉经煤粉预分散段，均匀分布后的煤粉至上而下通过电极形成的阵列状电弧等离子体场，煤粉快速升温并在高温环境中瞬间达到热力学平衡，形成富含乙炔的裂解气，通过等离子体区的混合物料进入后续反应和分离单元得到乙炔产品。本发明具有煤粉裂解效率高、能量利用效率高、产品中乙炔含量高、长时间稳定运转等特点。

Description

一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器
技术领域
本发明属于煤化工和乙炔制备技术领域，特别涉及一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器。
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、甲烷部分氧化法和等离子体裂解法，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技术，工艺流程短，不需要石灰石制取电石的高耗能过程，也进而避免了电石炉渣的产生，是高效、清洁、节水的全新乙炔工业制造技术，也是一条新的、有前景的煤直接化工转化途径。
通过电弧、微波和射频等方法可以方便地产生热等离子体，并且实际操作功率可从实验室的千瓦级变化到工业规模的几十兆瓦级。热等离子体具有独特的热力学和输运性质，例如，电-热转化效率高，可方便地实现平均温度达1.5×104K的气体环境。煤在氢等离子体裂解反应器中经历脱挥发分、挥发分气相反应及裂解产物淬冷等三个主要过程，全过程一般在平均温度为1800～3500K的高温环境中10ms内完成，形成富含乙炔的裂解气。高温裂解气经毫秒级淬冷、分离和提纯后，获得乙炔、氢气、一氧化碳、乙烯和甲烷等气相产品。产物氢气一部分循环使用，另一部分作为过程重要的副产品。反应过程排出的固相产物可直接燃烧供电或与其他煤种混配作为煤气化原料。
1963年GB1089092公开了烟煤颗粒通过高温加热2000～3000℃制取气态和固态产品的方法，主要产品包括乙炔和活性炭，加热方法主要将煤粉穿过电弧或等离子体射流尾焰获得。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。
CN201510777922.8公开了一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置，煤粉从侧面喷入竖直方向的等离子射流区，但是由于等离子射流速度极快，即使煤粉高速喷入也难以将煤粉和等离子射流充分混合。另外，煤粉高速喷入限定了喷嘴尺寸，煤粉在粉碎过程中形成的较大的煤粉颗粒在输送过程中容易造成喷嘴的堵塞，需要采用稀相输送，过多的气体引入将导致装置能耗过大。
CN201610082986.0公开了一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，电弧采用中心等离子炬和四周多个等离子炬放电的形式形成等离子射流区，煤粉分为第一煤粉喷嘴和第二煤粉喷嘴，分别从中心等离子炬和四周多个等离子炬的电弧通道中喷入。由于等离子高速射流，煤粉在电弧通道内难以与等离子射流充分混合，从电弧通道进入反应器腔体后，煤粉流动空间变大，速度降低，煤粉更难与等离子射流充分混合，从而导致煤粉裂解的温度较低，乙炔产率低。
CN201410787386.5公开了一种电弧热解煤粉制乙炔装置，在同一平面布置了多组电极，每组电极由正对的两根电极组成，第一煤粉喷嘴从每组电极的上方中部竖直向下喷入，第二煤粉喷嘴从每组电极的下方的壁面喷入。由于等离子高速射流，第一煤粉喷嘴进入的煤粉难以有效进入每组电极形成的等离子射流，大部分从等离子射流边缘滑落，第二煤粉喷嘴进入的煤粉更是难以喷入等离子射流，大部分沿壁面滑落，等离子体产生的高温难以有效利用，乙炔产率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，能够使煤粉有效的和等离子体射流混合，使煤粉快速升温，并在高温环境中瞬间达到热力学平衡，形成富含乙炔的裂解气，具有煤粉裂解效率高、能量利用效率高、平衡气中乙炔含量高、长时间稳定运转等特点。
本发明所采用的技术方案是：一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，包括煤粉预分散段、等离子体阵列反应段、淬冷段；等离子体阵列反应段一侧壁面布置N行等离子体电极，每行包括M或M+1根等离子体电极，相邻两行中的等离子体电极位置对应或交错排列，形成等离子体电极阵列；对侧壁面上的等离子体电极与上述等离子体电极阵列中的等离子体电极位置一一对应，极性相反，两侧壁面上对应的等离子体电极构成电极对，电极对之间产生电弧放电，形成阵列状电弧等离子体场；气体携带煤粉经煤粉预分散段，均布后通过等离子体阵列反应段进行裂解反应，反应后的裂解产物进入淬冷段进行冷却；其中，N、M为正整数。
所述煤粉预分散段通过壁面或者其他内部给热方式对进入的煤粉和气体混合物进行预加热；通过安装在煤粉预分散段内的内构件实现流经煤粉预分散段的煤粉在空间的均匀分布。
所述等离子体电极阵列中的等离子体电极全部为阳极或阳极、阴极交错排列，两侧壁面上的位置相互对应的两个等离子体电极的电极相反。
所述等离子体电极阵列中每行等离子体电极之间的行间距为5～30cm，每行中等离子体电极之间的间距为5～30cm。
所述等离子体阵列反应段两侧壁面上电极对中阴极与阳极的距离为5～30cm，电极对之间的电流为100～700A，优选为500～600A，每对电极的输入功率100kW～2MW。
所述等离子体电极采用石墨电极或者金属电极，等离子体电极能够移动。
所述棒状的等离子体电极周围有气体给入，给入的气体为氢气或碳氢组成的气体。
所述等离子体阵列反应段壁面上等离子体电极阵列中等离子体电极之间设有壁面气体喷嘴或壁面狭缝，通过喷气或其他任何方式给入保护气体或裂解原料，保护气体为水蒸气、CO2保护气、氢气或碳氢组成的气体。
所述淬冷段上开有喷嘴或狭缝，通过喷嘴或狭缝喷入淬冷介质，淬冷介质采用水、碳氢化合物或者煤粉。
所述N为2～10，M为2～20。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明中的等离子体射流阵列能够在较大空间内形成均匀的高温场，煤粉至上而下通过等离子体射流阵列时能够的等离子体射流充分混合，确保煤粉能够在尽可能高的温度下达到热力学平衡，平衡裂解气中的乙炔浓度高；
(2)本发明中无需气体携带煤粉高速进入等离子体射流来确保煤粉和等离子体射流的充分混合，降低了携带煤粉进入反应器的气体量，减少了等离子体射流高品位的能量损失，能量利用率高，经济效益好；
(3)本发明中的等离子体电极采用推进式电极，电极随着放电时间不断损耗后可以通过水平推进来补偿，确保了等离子体反应器长时间运转；
(4)本发明中的等离子体电极下部的反应器壁面上设有气体喷嘴，喷入的冷却气体能够保护反应器壁，避免了反应器壁面的损坏，反应器能够长时间运转。
附图说明
图1为一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器示意图。
图2为一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器等离子阵列反应段一侧半剖示意图。
图3为一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器等离子阵列反应段另一侧半剖示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明提供的方法予以进一步说明，但并不因此而限制本发明，图中省略了许多设备，如压缩机、阀门、压控、温控等。
图1为本发明提供的一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器示意图。图2和图3为本发明提供的一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔反应器等离子阵列反应段半剖示意。
一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，包括煤粉预分散段1、等离子体阵列反应段2、淬冷段3；如图2、图3所示，等离子体阵列反应段2一侧壁面布置N行等离子体电极4、4'，每行包括M或M+1根等离子体电极4、4'，相邻两行中的等离子体电极4、4'位置对应或交错排列，形成等离子体电极阵列；对侧壁面上的等离子体电极4、4'与上述等离子体电极阵列中的等离子体电极4、4'位置一一对应，极性相反，两侧壁面上对应的等离子体电极4、4'构成电极对，电极对之间产生电弧放电，形成阵列状电弧等离子体场9；气体携带煤粉5经煤粉预分散段1，均布后通过等离子体阵列反应段2进行裂解反应，反应后的裂解产物进入淬冷段3进行冷却；其中，N、M为正整数；
氢气或者碳氢组成气体携带煤粉从反应器入口进入煤粉预分散段1，在预分散段内可通过内构件6实现煤粉在空间的均匀分布，并预热到一定温度。优选的，煤粉预分散段1的内构件6可以采用一层或多层导流板式分布器。
均布并预热后的煤粉和气体5至上而下通过多组电极对形成的阵列状电弧等离子射流场9，煤粉颗粒与等离子射流接触后，在数毫秒至数十毫秒内急剧加热，并释放出挥发分，产生乙炔、乙烯等小分子碳氢化合物。每一对等离子电极4、4'产生的等离子射流速度很快，煤粉很难直接进入等离子射流的中心区域，因此采用单个或几个单一的等离子电极产生的等离子射流场难以实现煤粉和等离子射流的充分混合，煤粉颗粒加热温度较低，挥发分中的烃类物质平衡温度较低，平衡气中乙炔浓度低。通过将多组电极排列成阵列状，形成的阵列状电弧等离子射流场9能够通过多个交错排布的等离子射流，实现煤粉颗粒与等离子射流的充分混合，煤粉颗粒最终被加热到2000～3500K，平衡气中的乙炔气体达到较高的浓度。
等离子体阵列反应段2内部空间的每排等离子体电极上部或下部空间的壁面上设有壁面气体喷嘴或狭缝7，可入喷入水蒸气或CO2保护气8或裂解原料，裂解原料可以为煤粉，避免反应器壁面被等离子射流形成的高温场损坏。石墨电极或者金属电极组成的等离子体电极4、4'对可以移动或更换，当等离子电极4、4'对在高温状态下不断消耗，电极对可以逐渐向反应器内移动，保证反应器能够长时间稳定操作。等离子体电极4、4'周围有气体给入，给入的气体为氢气或碳氢组成的气体，给入的气体用于将电弧产生的热量分布在等离子体阵列反应段2中。通过等离子体阵列反应段2的物质在淬冷段3与壁面的喷嘴或狭缝10喷入反应器空间的淬冷介质11充分混合，将高温的裂解产物迅速降温至后续工段所需的温度。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，其特征在于：包括煤粉预分散段(1)、等离子体阵列反应段(2)、淬冷段(3)；等离子体阵列反应段(2)一侧壁面布置N行等离子体电极，每行包括M或M+1根等离子体电极，相邻两行中的等离子体电极位置对应或交错排列，形成等离子体电极阵列；对侧壁面上的等离子体电极与上述等离子体电极阵列中的等离子体电极位置一一对应，极性相反，两侧壁面上对应的等离子体电极构成电极对，电极对之间产生电弧放电，形成阵列状电弧等离子体场(9)；气体携带煤粉(5)经煤粉预分散段(1)，均布后通过等离子体阵列反应段(2)进行裂解反应，反应后的裂解产物进入淬冷段(3)进行冷却；其中，N、M为正整数；
所述煤粉预分散段(1)通过壁面或者其他内部给热方式对进入的煤粉和气体混合物(5)进行预加热；通过安装在煤粉预分散段(1)内的内构件(6)实现流经煤粉预分散段(1)的煤粉在空间的均匀分布；
所述等离子体电极阵列中的等离子体电极全部为阳极或阳极、阴极交错排列，两侧壁面上的位置相互对应的两个等离子体电极的电极相反；
所述等离子体电极采用石墨电极或者金属电极，等离子体电极能够移动；
所述等离子体电极周围有气体给入，给入的气体为氢气或碳氢组成的气体；
所述等离子体阵列反应段(2)壁面上等离子体电极阵列中等离子体电极之间设有壁面气体喷嘴或壁面狭缝(7)，通过喷气或其他任何方式给入保护气体(8)或裂解原料，保护气体(8)为水蒸气、CO2保护气、氢气或碳氢组成的气体；
所述N为2～10，M为2～20。
2.根据权利要求1所述的一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，其特征在于：所述等离子体电极阵列中每行等离子体电极之间的行间距为5～30cm，每行中等离子体电极之间的间距为5～30cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，其特征在于：所述等离子体阵列反应段(2)两侧壁面上电极对中阴极与阳极的距离为5～30cm，电极对之间的电流为100～700A，每对电极的输入功率100kW～2MW。
4.根据权利要求1或2所述的一种热等离子体阵列裂解煤制乙炔的反应器，其特征在于：所述淬冷段(3)上开有喷嘴或狭缝(10)，通过喷嘴或狭缝(10)喷入淬冷介质(11)，淬冷介质(11)采用水、碳氢化合物或者煤粉。
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