DD293704A5

DD293704A5 - PROCESS FOR QUAACING HOT REACTIVE PLASMS

Info

Publication number: DD293704A5
Application number: DD33969590A
Authority: DD
Inventors: Hans-Ulrich Dummersdorf
Original assignee: Veb Chemieanlagenbaukombinat Leipzig,De
Priority date: 1990-04-12
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1991-09-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quenchung von heiszen reaktiven Plasmen. Das Verfahren bezieht sich auf die Intensivquenchung von heiszen reaktiven Plasmen aus Plasmapyrolyseprozessen zur Verhinderung des Zerfalls der als Zielprodukte im Plasmareaktor gebildeten Kohlenwasserstoffe. Mit Hilfe der erfindungsgemaeszen Loesung wird der Quenchprozesz wesentlich intensiviert und dadurch insbesondere der Acetylenzerfall beim Quench stark reduziert. Erfindungsgemaesz wird in einem separaten Kreislauf umlaufendes prozeszeigenes Pyrolysegas in einer Kompressionsstufe auf einen Druck von mindestens 0,2 MPa verdichtet, anschlieszend in einer Lavalduese entspannt und auf UEberschallgeschwindigkeit beschleunigt. Das durch die Entspannung beschleunigte und unterkuehlte Kreislaufgas wird in einer Quenchstufe mit dem heiszen reaktiven Plasma vermischt. Die Effekte bestehen in einer hohen Einmischgeschwindigkeit des Kreislaufgases, die in der Groeszenordnung der des Plasmas liegt, in der durch die Unterkuehlung verminderten Viskositaet des Pyrolysegases sowie in der Erhoehung des thermischen Gradienten zwischen Quench- und Pyrolysegas. Durch die kombinierten Wirkungen aller Effekte wird die Quenchgeschwindigkeit erhoeht und der Acetylenzerfall reduziert.{Plasmapyrolyse; Plasmareaktor; Quench; Lavalduese; Kompression; Entspannung; Abkuehlung; Kreislaufgas; UEberschallgeschwindigkeit}The invention relates to a method for the quenching of hot-reactive plasmas. The method relates to the intensive quenching of hot plasma reactive plasmas from plasma pyrolysis processes to prevent the decomposition of the hydrocarbons formed as target products in the plasma reactor. With the aid of the solution according to the invention, the quenching process is substantially intensified and, in particular, the acetylene decomposition during quenching is greatly reduced. According to the invention circulating in a separate circuit process pyrolysis gas is compressed in a compression stage to a pressure of at least 0.2 MPa, then relaxed in a Lavalduese and accelerated to supersonic speed. The accelerated by the relaxation and unterkuehlte circulation gas is mixed in a quenching stage with the hot reactive plasma. The effects consist in a high mixing speed of the recycle gas, which is in the order of magnitude of the plasma, in the reduced by the Unterkuehlung viscosity of the pyrolysis gas and in the increase of the thermal gradient between quench and pyrolysis gas. The combined effects of all effects increase the quenching rate and reduce acetylene decomposition. {Plasma pyrolysis; Plasma reactor; quench; Laval nozzle; Compression; Relaxation; Cooling; Recycle gas; Supersonic velocity}

Description

Anwendungsgeolet der ErfindungApplication of the invention

Die Erfindung kann in der Plasmachemie, speziell bei Plasmapyrolyseprozessun, zur Quenchung von heißen Plasmen angewendet werden.The invention can be used in plasma chemistry, especially in plasma pyrolysis processes, for quenching hot plasmas.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Hochendotherme Zielprodukte aus Plasmapyrolyseprozessen verschiedener fossiler Rohstoffe, wie Acetylen und Ethylen, sind als kinetisch determinierte Zwischenprodukte eir.es radikalisch ablaufenden Reaktionsprozesses im Plasmapyrolysereaktor aufzufassen, die ein zeitliches Maximum ihrer Konzentration im Verlauf des Reaktionsprozesses besitzen, bei welchem die Bildungs- und Zerfallsprozesse sich kurzzeitig im Gleichgewicht befinden. Kohlenwasserstoffe, die im Pyrolyseplasma zunächst gebildet worden sind, zerfallen bei Aufrechterhaltung der hohen Plasmatemperaturen im weiteren Prozeßverlauf in Ruß und Wasseistoff. Zur Verhinderung dieses Prozesses muß das im Plasma vorliegende chemische Hochtemperaturgleichgewicht möglichst schlagartig eingefroren werden, indem das Plasma einem Hochgeschwindigkeitsquenchprozeß am Konzentrationsmaximum der Zielprodukte unterzogen wird.High-endotherms Target products from plasma pyrolysis processes of various fossil fuels, such as acetylene and ethylene, are to be regarded as kinetically determined intermediates of a free-radical reaction process in the plasma pyrolysis reactor, which have a temporal maximum of their concentration in the course of the reaction process, during which the formation and decomposition processes occur briefly in the reaction Balance. Hydrocarbons, which were initially formed in the pyrolysis plasma, decompose while maintaining the high plasma temperatures in the further course of the process in soot and water. To prevent this process, the high-temperature chemical equilibrium present in the plasma must be frozen as abruptly as possible by subjecting the plasma to a high-speed quenching process at the concentration maximum of the target products.

Je kürzer die Quenchzeit ist, um so weniger Kohlenwasserstoffe zerfallen dabei in Ruß und Wasserstoff.The shorter the quenching time, the less hydrocarbons will decompose into soot and hydrogen.

Die derzeit höchsten Quenchgeschwindigkeiten lassen sich durch Eindüsen von Kaltgas in den Plasmastrahl erzielen.The currently highest quenching rates can be achieved by injecting cold gas into the plasma jet.

In DD-WP 260621 wird ein Verfahren zur Gasquenchung von Pyrolyseplasmen vorgestellt, welches dadurch gekennzt/chnet if.t, daß statt Fremdgasen, wie Wasserstoff, prozeßeigenes Pyrolysegas verwendet wird, welches in den heißen Plasmastrahl geblasen wird.In DD-WP 260621 a method for gas quenching of pyrolysis plasmas is presented, which thereby identifies if instead of foreign gases, such as hydrogen, process-own pyrolysis gas is used, which is blown into the hot plasma jet.

Die mit diesem Verfahren erreichbare Quenchgeschwindigkeit ist endlich und nach oben begrenzt, da die thermische Triebkraft zwischen Plasma und Pyrolysequenchgas infolge des bei Umgebungstemperatur bzw. leicht erhöhter Temperatur vorliegenden Pyrolysequcnchgases festliegt. Zum zweiten liegt die Geschwindigkeit des den Plasmareaktor vorlassenden Plasmas meist unter der des eingedüsten Quenchgases. Dadurch wird in Verbindung mit der hohen Viskosität dos Plasmas eine schnelle Vermischung erschwert.The achievable with this method Quenchgeschwindigkeit is finite and limited above, since the thermal driving force between plasma and Pyrolysequenchgas is fixed due to the existing at ambient temperature or slightly elevated temperature Pyrolysequcnchgases. Secondly, the velocity of the plasma reactor leaving the plasma is usually below that of the injected quenching gas. As a result, rapid mixing is made more difficult in connection with the high viscosity of the plasma.

Im DD-WP 240841 wird die Hydrodynamik des Gasquenchprozesses durch mechanische Mittel, wie Einbauten im Quenchapparat, verbessert und insbesondere ein intensiver Quench des heißen Plasmastrahlzentrums erreicht. Dadurch läßt sich die Quenchgeschwindigkeit weiter steigern.In DD-WP 240841, the hydrodynamics of the gas quenching process are improved by mechanical means, such as internals in the quenching apparatus, and in particular, an intensive quench of the hot plasma jet center is achieved. As a result, the quenching rate can be further increased.

Jedoch ist auch bei dieser Lösung die maximale Quenchgeschwindigkeit infolge der unverändert festliegenden thermischen Triebkraft zwischen Plasma und Quenchgas, der gleichen Strömungsgeschwindigkeitsrelationen und der relativ hohen Viskositäten der beiden Komponenten nach oben begrenzt.However, even in this solution, the maximum quenching rate is limited due to the fixed fixed thermal driving force between the plasma and quench gas, the same flow rate relations and the relatively high viscosities of the two components upwards.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, die Quenchzeit bei der Plasmapyrolyse zu minimieren, um somit eine Effektivitätserhöhung des Gesamtprozesses herbeizuführen.The aim of the invention is to minimize the quenching time during the plasma pyrolysis in order to increase the efficiency of the overall process.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die die Quenchgeschwindigkeit bei der Plasmapyrolyse nach oben begrenzenden Faktoren, wie die Viskosität des Plasmas und des Kreislaufgases als Quenchmittel, zu vermindern, gleichzeitig den Impuls des einzumischenden Quenchgases zu erhöhen und damit die Vermsichungsgeschwindigkeit. Das thermische Triebkraftgefälle zwischen Plasma und Kreislaufgas soll dabei ebenfalls vergrößert werden.The invention has for its object to reduce the quenching rate in the plasma pyrolysis upwardly limiting factors, such as the viscosity of the plasma and the recycle gas as quenching agent, at the same time to increase the pulse of quenching gas to be mixed and thus the Vermsichungsgeschwindigkeit. The thermal power gradient between plasma and recycle gas should also be increased.

Des weiteren gilt es, eino Verbesserung der hydrodynamischen Bedingungen der Vermischung hervorzurufen.Furthermore, it is necessary to cause an improvement in the hydrodynamic conditions of the mixing.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren zur Quenchung von heißen reaktiven Plasmen aus Plasmapyrolyseprozessen durch ein im separaten Kreislauf umlaufendes prozeßeigenes Pyrolysegas, welches unter Verwendung einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt wird, zum Einsatz kommt.According to the invention the object is achieved in that a method for quenching hot reactive plasmas from Plasmapyrolyseprozessen by a circulating in a separate cycle process intrinsic pyrolysis gas which is accelerated using a Laval nozzle to supersonic speed and cooled to a temperature below ambient temperature, is used.

Das Kreislau/gas wird vor Eintritt in die Lavaldüse auf mindestens 0,2MPa verdichtet. Unmittelbar ntn-i. dem Verlassen der Lavaldüse wird das Kreislaufgas in das heiße Plasma eingedüst.The Kreislau / gas is compressed before entering the Laval nozzle to at least 0.2MPa. Immediately ntn-i. leaving the Laval nozzle, the cycle gas is injected into the hot plasma.

Die Wirkungsweise der Erfindung besteht darin, daß das im Kreislauf umlaufende Pyrolysegas, welches eine TemperaturThe operation of the invention is that the circulating in the circulation pyrolysis gas, which is a temperature

oberhalb und nahe der Umgebungstemperatur besitzt, auf mindestens 0,2MPa verdichtet wird und durch die anschließendeabove and near the ambient temperature, is compressed to at least 0.2MPa and by the subsequent

Entspannung in einer Lavaidüse eine Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur erreicht. Die Strömungsgeschwindigkeit beim Verlassen der Lavaidüse liegt oberhalb der Schallgeschwindigkeit, womit der Impuls des unterkühlten Kreislaufgases sehr hoch ist. Dieses schnellströmende, unterkühlte Kreislaufgas wird erfindungsgemäß mit dem den Plasmareaktor verlassenden heißen reaktiven Plasma vermischt.Relaxation in a lava nozzle achieves a cooling to a temperature below the ambient temperature. The flow velocity when leaving the lava nozzle is above the speed of sound, whereby the momentum of the supercooled recycle gas is very high. This rapidly flowing, supercooled circulating gas is mixed according to the invention with the plasma reactor leaving the hot reactive plasma.

Infolge des hohen Impulses des unterkühlten Kreislaufgases kommt es zu einem Zerreißen des Plasmastrahles, verbur -ien mit einer hohen Vermischungsgeschwindigkeit.As a result of the high momentum of the supercooled recycle gas, the plasma jet breaks up, producing a high blending speed.

Der zweite Effekt, der durch die erfindungsgemäße Lösung erzielt wird, besteht darin, daß durch Unterkühlung des Kreislaufgases durch die Entspannung in der Lavaidüse die thermische Triebkraft zwischen Kreislaufgas und Plasma vergrößert wird, was zu einem schnelleren und intensiveren Temperaturausgleich zwischen beiden Medien führt.The second effect, which is achieved by the solution according to the invention, is that the thermal driving force between the circulating gas and plasma is increased by supercooling the recycle gas by the relaxation in the lava nozzle, resulting in a faster and more intense temperature compensation between the two media.

Ein weiterer Effekt besteht in einer erhöhten Wärmekapazität des umlaufenden Pyrolysegases und damit einer niedrigeren Temperatur der Gasmischung nach dem Quench. Infolge der niedrigen Temperatur der Überschallkreislaufgasströmung wird eine gegenüber der Umgebungstemperatur reduzierte Viskosität erreicht, was sich positiv auf die Vermischung von Plasma und Kreislaufgas auswirkt.Another effect is an increased heat capacity of the circulating pyrolysis gas and thus a lower temperature of the gas mixture after the quench. Due to the low temperature of the supersonic circuit gas flow, a reduced viscosity compared to the ambient temperature is achieved, which has a positive effect on the mixing of plasma and circulating gas.

Ausführungsbeispielembodiment

In einer Plasmaanlage zur Plasmapyrolyse von Kohle im H₂-Plasma zur Erzeugung von 300000t/a Acetylen, sowie Wasserstoff, Ethylen und f'yrolysekoks, besteht aus fünfzig 10-MW-Plasmatrons mit Plasmareaktor. Das aus Braunkohle gewonnene Pyrolysegas weist folgende Zusammensetzung auf:In a plasma plant for the plasma pyrolysis of coal in the H ₂ plasma to produce 300,000 t / a of acetylene, as well as hydrogen, ethylene and f'yolysis coke, consists of fifty 10 MW plasmatrons with plasma reactor. The pyrolysis gas obtained from lignite has the following composition:

C₂H₂:10Vol.-% C₂H₄: 5 Vol.-% CO:20Vol.-% H₂: 65 Vol.-%.C ₂ H ₂ : 10 vol.% C ₂ H ₄ : 5 vol.% CO: 20 vol.% H ₂ : 65 vol.

Die Pyrolysekoksbeladung des Pyrolysegases beträgt 1 ...1,5kg/Nm³. Innerhalb dieser Plasmaanlage wird erfindungsgemäß ein Pyrolysegaskreislauf realisiert, in welchem eine Menge von 300000 Nm³/h Kreislaufgas umläuft. In einer zentralen Kompressorenstation wird innerhalb des Kreislaufes das umlaufende Pyrolysegs durch zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung auf einen Druck von 0,3 MPa verdichtet und in der Nachkühlung auf eine Temperet! von 325 K abgekühlt. Der Adiabatenexponent im Pyrolysegasstrom ist χ = 1,36, die Schallgeschwindigkeit im Pyrolysegas im Ruhezustand beträgt 532 m/s.The Pyrolysiskoksbeladung the pyrolysis gas is 1 ... 1.5 kg / Nm ³ . Within this plasma system, according to the invention, a pyrolysis gas cycle is realized in which an amount of 300,000 Nm ³ / h of circulating gas circulates. In a central compressor station, the circulating pyrolysis is compressed within the cycle by two-stage compression with intermediate cooling to a pressure of 0.3 MPa and in the aftercooling to a tempered! cooled by 325K. The adiabatic exponent in the pyrolysis gas stream is χ = 1.36, the sound velocity in the pyrolysis gas at rest is 532 m / s.

Der verdichtete Kreislaufgasstrom wird nunmehr auf 50 Plasmareaktoren aufgeteilt und in einer Menge von 6000 NmM³/h je Plasmareaktor jeweils in einer Lavaidüse auf einen Druck von 0,12MPa adiabat entspannt. Dadurch liegen die Pyrolyseparameter in folgender Weise verändert nach der Entspannung vor:The compressed recycle gas stream is now divided into 50 plasma reactors and expanded in an amount of 6000 NmM ³ / h per plasma reactor each in a lava nozzle to a pressure of 0.12 MPa adiabatic. As a result, the pyrolysis parameters are changed after the relaxation in the following way:

Schallgeschwindigkeit im Kreislaufgas: 443m/s Kreislaufgeschwindigkeit: 695m/s Temperatur: 225K.Speed of sound in the recycle gas: 443m / s Circulation speed: 695m / s Temperature: 225K.

Weiterhin wird die Viskosität des Kreislaufgases auf etwa 20% gegenüber dem Wert bei Normalbedingungen abgesenkt.Furthermore, the viscosity of the recycle gas is lowered to about 20% of the value at normal conditions.

In diesen unterkühlten, mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Kreislaufstrom werden je Plasmareaktor 6000 NmVh reaktives heißes Plasma aus dem Plasmapyrolysereaktor mit einer Temperatur von 2200Keingedüst.In this supercooled, flowing at supersonic velocity circulation stream 6000 NmVh reactive hot plasma from the plasma pyrolysis reactor with a temperature of 2200K are injected per plasma reactor.

Infolge der größenordnungsmäßig vergleichbaren hohen Geschwindigkeiten von Plasma und Überschallkreislaufgasströmung sowie der gegenüber dem Umgebungszustand stark abgesenkten Viskosität des Kreislaufgases kommt es zu einer intensiven Vermischung beider Ströme.As a result of the order of magnitude comparable high speeds of plasma and supersonic circulation gas flow and the relation to the ambient state greatly lowered viscosity of the cycle gas, there is an intensive mixing of the two streams.

Durch die größere thermische Triebkraft zwischen Plasma und Kreislaufgas wird der Quench verbessert und der Temperaturausgleich besonders in der Anfangsphase des Kontaktes beschleunigt.Due to the greater thermal driving force between the plasma and the circulating gas, the quench is improved and the temperature compensation is accelerated especially in the initial phase of the contact.

Eine weitere positive Wirkung besteht im höheren Energieaufnahmevermögen der kalten Überschallkreislaufgasströmung und damit eine Absenkung der Mischtemperatur, die sich bei ca. 900K einstellt.Another positive effect is the higher energy absorption capacity of the cold supersonic circulation gas flow and thus a lowering of the mixing temperature, which sets at about 900K.

Der Quenchprozeß wird insgesamt durch die um 10...20% gesteigerte Quenchoeschwindigkeit wesentlich effektiver und der Acetylenzerfall bezogen auf die Produktionskapazität der Anlage gegenüber herkömmlichen Quencharten um ca. 3000 t/a gesenkt.Overall, the quenching process is significantly more effective due to the 10 ... 20% increased quenching rate and the acetylene decomposition, based on the production capacity of the plant, is reduced by approx. 3000 t / a compared to conventional quenching systems.

Nach dem Quenchprozeß wird das Pyrolysegas (900K; 0,12MPa; 600000NmVh) durch rekuperative Abwärmenutzung abgekühlt, über Zyklone und weitere geeignete Feststoffabscheider von Pyrolysekoks befreit und aus dem Pyrolysegasstrom 300000 NmVh in die Weiterverarbeitung ausgekreist.After the quenching process, the pyrolysis gas (900K, 0.12MPa, 600,000NmVh) is cooled by recuperative waste heat recovery, pyrolysis coke is removed via cyclones and other suitable solids separators, and 300,000 NmVh are removed from the pyrolysis gas stream for further processing.

Die anderen 300000NmVh als zweiter Teilstrom werden im Kreislauf über die schon erwähnte Kompression wieder der Lavaidüse zugeführt.The other 300000NmVh as a second partial flow are fed back to the lava nozzle in the cycle via the already mentioned compression.

Es ist jedoch auch möglich, die Auskreisung des Teilstromes zur Weiterverarbeitung nach der Kompressionsstufe durchzuführen.However, it is also possible to carry out the elimination of the partial flow for further processing after the compression stage.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß der apparative Aufwand zur Durchführung des Verfahrens mit einfachen Mitteln sehr gering ist und einen sicheren Betrieb der Quenchstufe garantiert.A further advantage of the method according to the invention is that the apparatus required for carrying out the method is very low with simple means and guarantees safe operation of the quenching stage.

Claims

1. Quenching process on hot reactive plasmas from plasma pyrolysis processes by circulating in a separate circuit process intrinsic pyrolysis gas, characterized in that using a Laval nozzle accelerates the cycle gas to supersonic speed and cooled to a temperature below ambient temperature.

2. The method according to claim 1, characterized in that the cycle gas is compressed before entering the Laval nozzle to at least 0.2 MPa.

3. The method according to claim 1, characterized in that the hot plasma is injected into the leaving the Laval nozzle cycle gas.