專利名稱:防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子體煤裂解制乙炔的工藝和裝置。
背景技術(shù)：
近20年來，國內(nèi)外科學家就對利用氫氣等離子體制乙炔技術(shù)在實驗室規(guī)模上進行了大量基礎(chǔ)研究工作，取得了豐富的研究成果，等離子體裂解煤制乙炔的科學科學性得到了驗證。科學研究成果表明等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)路線具有無環(huán)境污染、流程短、能耗低(電石法的70％)等優(yōu)點，但是反應(yīng)爐結(jié)焦及提高乙炔產(chǎn)率兩個關(guān)鍵技術(shù)問題一直沒有得到解決。
目前采用熱等離子體裂解煤制乙炔的工藝技術(shù)世界上還處于中試階段，未見有大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化裝置投入運行的報道。等離子體煤裂解制乙炔的過程中，在反應(yīng)器內(nèi)壁的結(jié)焦問題一直是阻礙這個過程進一步發(fā)展的一大難題，進而也妨礙了其工業(yè)化的步伐。
進入20世紀90年代后，德國的AKAD WISS PHYS CHEM公司開發(fā)了用氧等離子體射流快速徹底地清除等離子體反應(yīng)器壁上地硬碳沉積地技術(shù)。該過程是清除反應(yīng)器壁上地硬碳沉積與烴類熱解過程交替進行的一個過程，在清除過程中，將一個旋轉(zhuǎn)弧開動1min～2min。該套系統(tǒng)不需要特別昂貴的設(shè)備，并且環(huán)境友好，可以用在各種各樣的等離子體裝置中，尤其是適用于碳流體以及煤轉(zhuǎn)化制乙烯、乙炔的反應(yīng)器中，其優(yōu)點是能方便、快速將反應(yīng)器內(nèi)壁上的硬碳沉積物清除掉，缺點是反應(yīng)器不能連續(xù)工作。德國的Huls公司開發(fā)了將煤在電弧中轉(zhuǎn)化為乙炔，并在第二個弧中引入氣流將副產(chǎn)品-焦，氣化成合成氣的技術(shù)。德國的VEB CHEMLEIPZIG公司開發(fā)了在等離子體熱解反應(yīng)器連續(xù)操作條件下，周期性引入含氧等離子體使熱解焦化學分解的焦清除技術(shù)，該技術(shù)有點在于等離子體熱解的持續(xù)生產(chǎn)，同時延長了反應(yīng)器的服務(wù)壽命和工作的可靠性。
田亞峻對煤在電弧射流中的結(jié)焦機理進行了初步的研究，指出下行床反應(yīng)器不同部位的結(jié)焦機理是不同的，結(jié)焦過程是通過溫度影響結(jié)焦前驅(qū)體物種的途徑實現(xiàn)的。在高溫區(qū)，自由碳是主要的前驅(qū)體；在中溫區(qū)，聚合和復合大分子有機物小液滴是主要的結(jié)焦前驅(qū)體，黏附在反應(yīng)器壁上被炭化形成結(jié)焦物；在低溫區(qū)，結(jié)焦物為殘煤。同時從理論的角度提出消除結(jié)焦物的辦法即從化學角度出發(fā)主要是控制熱解過程中產(chǎn)生的結(jié)焦前驅(qū)體；從物理角度出發(fā)就是如何防止結(jié)焦前驅(qū)體碰到反應(yīng)器壁上；但并未給出解決問題的具體方案。針對這一熱等離子體裂解煤下行床制乙炔過程的嚴重結(jié)焦問題，張濟宇提出，可通過在原料煤中加入適量的惰性焦載體進行清焦，將反應(yīng)過程中結(jié)焦前驅(qū)體物種直接附著于惰性焦載體上被帶出，同時惰性焦載體在下行過程中不斷沖刷反應(yīng)管壁，從而達到消除器壁結(jié)焦的目的。田原宇根據(jù)反應(yīng)器壁結(jié)焦機理及不同粒徑煤粉結(jié)焦性不同的實驗結(jié)果提出了采用進料粒徑雙峰分布的清焦方案。呂永康、田原宇在考察粒徑對煤熱解的影響時，實驗分析了煤粒度對反應(yīng)器結(jié)焦的影響，發(fā)現(xiàn)不同煤階的煤粉粒徑在小于100目時基本上不發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，100～120目附近開始形成結(jié)焦，大于140目嚴重結(jié)焦；即細顆粒易發(fā)生結(jié)焦，而粗顆粒不易結(jié)焦。另外，煤粉粒度越小，轉(zhuǎn)化率越高，裂解越徹底，產(chǎn)品氣中乙炔在氣體中的比例相對越大。利用小粒徑煤粉的高轉(zhuǎn)化率生產(chǎn)乙炔；大粒徑煤粉部分熱解轉(zhuǎn)化，殘煤在高速旋轉(zhuǎn)的等離子體氣流作用下離心拋出，對反應(yīng)器壁形成沖刷，及時連續(xù)動態(tài)清除反應(yīng)器壁的結(jié)焦，可緩解或消除等離子體裂解煤制乙炔裝置的結(jié)焦現(xiàn)象。
以上的延緩等離子體反應(yīng)器結(jié)焦和清除反應(yīng)器結(jié)焦物的方法為見到中試實驗的報道，且具體實施困難。綜上所述，要實現(xiàn)熱等離子體制乙炔的工業(yè)化應(yīng)用，必須尋找經(jīng)濟有效的方法解決結(jié)焦問題，以期實現(xiàn)其工業(yè)化應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的問題，在現(xiàn)有等離子體煤裂解制乙炔中試實驗裝置的基礎(chǔ)上，提出了防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的方法及結(jié)構(gòu)，在煤粉與等離子體射流混合段的下部增加一段能產(chǎn)生高溫高壓燃燒室，燃燒室使用能夠快速度燃燒的物質(zhì)，燃燒室內(nèi)高溫高壓氣體從環(huán)形狹縫中高速噴出，在等離子體反應(yīng)段內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與通道內(nèi)壁接觸，達到防止反應(yīng)器通道結(jié)焦目的。
本發(fā)明技術(shù)方案如下防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的方法，通過等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體射流，和煤粉混合并將煤粉加熱汽化，產(chǎn)生乙炔，從通道排出，其特征在于設(shè)置一個燃燒室，向燃燒室內(nèi)通入快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體沿通道內(nèi)壁向下噴出，在通道內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，高溫高速氣膜能阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與通道內(nèi)壁接觸，達到防止反應(yīng)器通道結(jié)焦目的。
燃燒室環(huán)繞設(shè)置在等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉與等離子體射流混合段的下部，燃燒室的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室下方的通道內(nèi)壁之間有環(huán)形狹縫，能快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)從多根管道通入燃燒室，在燃燒室內(nèi)快速反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體從所述環(huán)形狹縫快速噴出，在通道內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，高溫高速氣膜運動方向與通道內(nèi)氣流方向平行。
快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)為氫氣和氧氣的混合物，或者天然氣和氧氣的混合物，所述的混合物組份可以調(diào)節(jié)，使得其產(chǎn)生的高溫高速氣膜是氧化氣氛或還原氣氛。
防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的結(jié)構(gòu)，包括等離子體反應(yīng)器，其特征在于在等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉與等離子體射流混合段下部的通道周圍，有環(huán)繞通道的燃燒室，燃燒室上有進氣口，在燃燒室的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室下方的通道內(nèi)壁之間有環(huán)形狹縫。
本發(fā)明有以下優(yōu)點1、由于高溫高速氣膜能阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與反應(yīng)器通道內(nèi)壁接觸，因此，該方法能夠有效的防止反應(yīng)器通道結(jié)焦，高溫高速氣膜使用能夠快速燃燒產(chǎn)生高溫高速氣流的物質(zhì)，如氫氣和純氧的混合物和天然氣和純氧的混合物等。
2、煤粉成分復雜且粒徑分布為10～80μm，難免有少數(shù)大粒徑穿過氣膜在反應(yīng)器壁形成結(jié)焦物，長時間運行就會影響正常的反應(yīng)。在此情況下調(diào)整燃燒混合物的比例，適當?shù)脑黾踊旌衔镏醒鯕獾暮?，使氣膜的氣氛為氧化氣氛，結(jié)焦物在高溫氧化氣氛中轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的一氧化碳和二氧化碳，從而達到清除結(jié)焦物的目的。
3、等離子體煤裂解制乙炔過程是一個吸熱反應(yīng)，以往的所需的熱量全部來源于熾熱的等離子體所攜帶的能量，等離子體所攜帶的能量來源于電能，因此，等離子體攜帶的能量成本較燃燒法產(chǎn)生能量要高的多，高溫高速氣膜在阻擋氣相碳和煤粉顆粒的過程中能夠在等離子體反應(yīng)段提供部分的熱量，從而降低乙炔氣的單位電耗。
4、高溫高速氣膜能阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與反應(yīng)器通道內(nèi)壁接觸，避免了高速未融化的高速煤粉粒子對反應(yīng)器內(nèi)壁的沖刷損耗，有效的延長反應(yīng)器內(nèi)壁的使用壽命。
5、高溫高速氣膜在反應(yīng)器內(nèi)部不可避免要于反應(yīng)器內(nèi)部的煤粉進行能量和物質(zhì)的傳遞，相當于對煤粉顆粒的再次加熱，有利于煤粉的氣化，從而增加了煤粉的轉(zhuǎn)化率。



圖1是本發(fā)明的裝置示意圖。
圖2是圖1的A-A示意圖。
具體實施方式
例1防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器結(jié)焦的結(jié)構(gòu)，包括等離子體反應(yīng)器1，等離子體反應(yīng)器1產(chǎn)生的等離子體射流2進入射流通道3，射流通道3的下部分為煤粉與等離子體射流2的混合段4，有煤粉管道5通入混合段4，在混合段4下部的通道周圍，有環(huán)繞通道的燃燒室6，燃燒室6上有進氣口7，在燃燒室6的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室6下方的通道內(nèi)壁10之間有環(huán)形狹縫12。
在等離子體射流2與煤粉管道5輸送進的煤粉在混合段4快速混合，煤粉被快速加熱氣化，在等離子體反應(yīng)段9生成乙炔，能快速燃燒的氫氣和純氧氣混合氣由2～4根進氣口7輸送入燃燒室6，混合氣在燃燒室內(nèi)快速反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體從燃燒室6下部環(huán)形狹縫12快速噴出，在通道內(nèi)壁10形成高溫高速氣膜11，高溫高速氣膜11運動方向與氣固兩相流8平行。
等離子體炬輸出功率為2MW，煤粉輸送量為1200kg/h，反應(yīng)器內(nèi)壁直徑為Φ100mm。高溫高壓氣體從Φ90mm×2mm環(huán)形狹縫噴出形成高溫高速氣膜，環(huán)形狹縫距煤粉管道40mm。正常運行時調(diào)整氫氣和氧氣比例，燃燒焰氣氛弱還原氣氛，長時間運行后，反應(yīng)器內(nèi)部壓力上升，反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)焦物使反應(yīng)通道面積減小調(diào)，反應(yīng)段的壓降所造成的，反應(yīng)器內(nèi)部壓力逐步上升，但上升的壓力大于正常運行壓力的0.01Mpa后，調(diào)整氫氣和氧氣比例使燃燒焰氣氛弱氧化氣氛，將固體的結(jié)焦物氧化成氣態(tài)的一氧化碳和二氧化碳。反應(yīng)器壓力逐步下降道正常運行壓力后，調(diào)整氫氣和氧氣比例使燃燒焰氣氛還原化氣氛，如此循化往復保證等離子體反應(yīng)器長周期穩(wěn)定運行。
例2等離子體炬輸出功率為2MW，煤粉輸送量為1200kg/h，反應(yīng)器內(nèi)壁直徑為Φ100mm。使用天然氣和純氧氣的產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體從Φ95mm×2mm環(huán)形狹縫噴出形成高溫高速氣膜，環(huán)形狹縫距煤粉管道40mm。正常運行時調(diào)整天然氣和氧氣比例，燃燒焰氣氛弱還原氣氛，長時間運行后，反應(yīng)器內(nèi)部壓力上升，反應(yīng)器內(nèi)壁結(jié)焦物使反應(yīng)通道面積減小調(diào)，反應(yīng)段的壓降所造成的，反應(yīng)器內(nèi)部壓力逐步上升，但上升的壓力大于正常運行壓力的0.01Mpa后，調(diào)整天然氣和氧氣比例使燃燒焰氣氛弱氧化氣氛，將固體的結(jié)焦物氧化成氣態(tài)的一氧化碳和二氧化碳。反應(yīng)器壓力逐步下降道正常運行壓力后，調(diào)整氫氣和氧氣比例使燃燒焰氣氛還原化氣氛，如此循化往復保證等離子體反應(yīng)器長周期穩(wěn)定運行。其余同例1。
權(quán)利要求
1.防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的方法，通過等離子體發(fā)生器產(chǎn)生等離子體射流，和煤粉混合并將煤粉加熱汽化，產(chǎn)生乙炔，從通道排出，其特征在于設(shè)置一個燃燒室，向燃燒室內(nèi)通入快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體沿通道內(nèi)壁向下噴出，在通道內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，高溫高速氣膜能阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與通道內(nèi)壁接觸，達到防止反應(yīng)器通道結(jié)焦目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于燃燒室環(huán)繞設(shè)置在等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉與等離子體射流混合段的下部，燃燒室的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室下方的通道內(nèi)壁之間有環(huán)形狹縫，能快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)從多根管道通入燃燒室，在燃燒室內(nèi)快速反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體從所述環(huán)形狹縫快速噴出，在通道內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，高溫高速氣膜運動方向與通道內(nèi)氣流方向平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)為氫氣和氧氣的混合物，或者天然氣和氧氣的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于所述的混合物組份可以調(diào)節(jié)，使得其產(chǎn)生的高溫高速氣膜是氧化氣氛或還原氣氛。
5.防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的結(jié)構(gòu)，包括等離子體反應(yīng)器，其特征在于在等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉與等離子體射流混合段下部的通道周圍，有環(huán)繞通道的燃燒室，燃燒室上有進氣口，在燃燒室的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室下方的通道內(nèi)壁之間有環(huán)形狹縫。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種防止等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道結(jié)焦的方法和結(jié)構(gòu)，是在等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉與等離子體射流混合段的下部設(shè)置環(huán)形燃燒室，燃燒室的環(huán)形內(nèi)壁和燃燒室下方的通道內(nèi)壁之間有環(huán)形狹縫，能快速燃燒或反應(yīng)的物質(zhì)在燃燒室內(nèi)快速反應(yīng)產(chǎn)生高溫高壓氣體從所述環(huán)形狹縫快速噴出，在通道內(nèi)壁形成高溫高速氣膜，阻止氣相碳和融化的煤粉顆粒與通道內(nèi)壁接觸，達到防止反應(yīng)器通道結(jié)焦目的。
文檔編號C07C4/00GKCN1907926SQ200610041033
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月19日
發(fā)明者熊新陽, 方世東, 孟月東, 郭文康 申請人:中國科學院等離子體物理研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan