CN101508623B

CN101508623B - 一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置

Info

Publication number: CN101508623B
Application number: CN200910080099XA
Authority: CN
Inventors: 程易; 郭文康; 吴昌宁; 熊新阳; 周军; 金涌; 刘军
Original assignee: Tsinghua University; Xinjiang Tianye Group Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Xinjiang Tianye Group Co Ltd
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: CN101508623A

Abstract

本发明属于化工设备领域一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置，该装置包括：等离子体炬阳极，等离子体炬阴极，等离子体炬阴阳极交汇区，等离子体炬阳极工作气体入口和等离子体炬阴极工作气体入口；混合区和煤粉喷射管；反应区，反应区壁面和反应区原料气喷射管；急冷区，急冷介质喷射管和急冷区出口，并在混合区、反应区或急冷区内设置遮流构件。本发明在高温、高流速的反应装置内设置遮流构件，改变流体的空间分布，加大注入物料的入射深度，增强反应物之间的接触和混合效率，进而达到提高煤裂解装置煤转化和热转化能力的目的。

Description

一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置

技术领域

本发明属于化工设备领域一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置。

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例，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，相关研究始于20世纪60年代的英国Sheffield大学：在高温、高焓、高反应活性的电弧热等离子体射流中，煤的挥发分甚至固定碳可直接转化为乙炔。此后，大量的研究集中在英国、美国、德国、印度、前苏联等国家。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。

美国AVCO公司在1980年完成了1MW级工业装置的试验，等离子体炬输入功率为807kW，使用水做急冷介质，气体分离前单位生产能耗为10.5kWh/kg乙炔。德国Huels公司与Bergbau Forschung GmbH公司(德国采矿研究公司，现名DMT)在80年代合作，建成并试验了1.25MW的中试装置，所取得的单位生产能耗为14～16kWh/kg乙炔。

2007年，我国新疆天业集团在2MW装置平台上进行的中试试验，在大功率等离子体炬长寿命运行和反应器清焦两个关键技术上取得了关键性进展，气体分离前乙炔能耗的最好指标达到10.5kWh/kg乙炔，计及分离能耗4.0kWh/kg，低于污染治理费用外的电石法生产乙炔的综合能耗15.0kWh/kg乙炔。2008年，新疆天业集团建成国际上最大的5MW工业试验装置，在正常开停车情况下单次操作连续运行10小时以上，累积开车时间达到500小时以上，裂解气流量和乙炔含量达到经济性要求，有望短期内实现万吨级乙炔工业化新技术。

国内外不同研究机构所采用的试验装置在系统构成方面存在共性，装置主要包括3个共同的部分，即等离子体发生装置、反应器(包括混合和反应段)、急冷和分离装置。试验装置多采用直流电弧热等离子体，根据煤与氢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。AVCO公司的旋转电弧实验装置采用前者，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，能得到高乙炔产率，但易损伤电极，且装置结构较复杂。大多数的试验装置均采用后者，但因此增大了煤粉与等离子体射流取得良好混合效果的难度；这主要由于等离子体射流的速度很大，而煤粉的入射速度则要低得多，煤粉在高速等离子体射流中的入射深度受到限制，对反应装置进行工程放大时这一矛盾将更为凸显。

对上述采用等离子体发生装置后混合操作模式的煤裂解反应装置，由于煤粉主要密集于热等离子体的周边，而热等离子体中心区域的高品位热能并没有得到充分利用，由此导致能量利用效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有等离子体煤裂解反应装置存在的不足之处，主要通过在反应装置内增设遮流构件，改变高温、高速等离子体的空间分布形态，便于固体物料或者气体物料注入到等离子体中心区域即具有更高能量品质的区域，增强反应物之间的接触和混合效率，进而达到提高煤裂解装置煤转化和热转化能力的最终目的。

为实现上述目标，本发明所采用的技术方案具体包括：

所述涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置包括：等离子体炬阳极工作气体入口1，等离子体炬阴极工作气体入口2，等离子体炬阳极3，等离子体炬阴极4和等离子炬阴阳极交汇区5；煤粉喷射管7和混合区9；反应区10，反应区壁面11和反应区原料气喷射管12；急冷介质喷射管13，急冷区14和急冷区出口15，其特征在于，在混合区9、反应区10或急冷区14内设置遮流构件。

所述混合区9内设置遮流构件为在混合区9内4～16根煤粉喷射管7正上方1～20mm距离处安置4～16根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成2～8组相互独立的混合区遮流构件16，在混合区遮流构件16的一端为混合区遮流构件内冷却介质入口17另一端为混合区遮流构件内冷却介质出口18。

所述反应区10内设置遮流构件为在反应区10内4～16根原料气喷射管12正上方1～30mm距离处安置4～16根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成2～8组相互独立的反应区遮流构件19，在反应区遮流构件19的一端为反应区遮流构件内冷却介质入口20，另一端为反应区遮流构件内冷却介质出口21。

所述急冷区14内设置遮流构件为在急冷区14内6～32根急冷介质喷射管13正上方1～30mm距离处安置6～32根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成3～16组相互独立的急冷区遮流构件22，在急冷区遮流构件22的一端为急冷区遮流构件内冷却介质入口23，另一端为急冷区遮流构件内冷却介质出口24。

所述等离子体为直流电弧等离子体、高频等离子体或微波等离子体中的一种。

所述等离子体炬工作气体为氢气、氮气、氧气和水蒸气中的一种或几种。

所述煤粉为固体煤粉、煤与生物质的粉状混合物或煤与石油焦的粉状混合物中的一种。

所述中空管道由金、银或铜材质中的一种制成。

所述冷却介质为高压水、盐水、碱水或机油中的一种。

本发明具有以下优点：

(1)遮流构件可显著加大物料射流的入射深度，增强反应物之间的接触和混合效率，可有效强化混合区内煤与等离子体的混合和反应、反应区补充原料与反应物流的混合和反应、以及急冷区内急冷介质与反应后物流的混合和反应；

(2)对于安装了该遮流构件的等离子体煤裂解反应装置，系统的煤转化和热转化能力都能显著得到提升；

(3)在该遮流构件的遮护作用下物料射流可至等离子体射流/反应物流的中心区域，便于进行等离子体煤裂解反应装置的工程放大设计。

附图说明

图1a为无遮流构件的等离子体煤裂解反应装置示意图；

图1b为图1a中反应装置混合区的A-A剖视图；

图1c为图1a中反应装置反应区的B-B剖视图；

图1d为图1a中反应装置急冷区的C-C剖视图；

图2a为混合区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图；

图2b为图2a中改进装置混合区的D-D剖视图；

图3a为混合区和反应区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图；

图3b为图3a中改进装置反应区的E-E剖视图；

图4a为混合区、反应区和急冷区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图；

图4b为图4a中改进装置急冷区的F-F剖视图；

图中：1-等离子体炬阳极工作气体入口，2-等离子体炬阴极工作气体入口，3-等离子体炬阳极，4-等离子体炬阴极，5-等离子体炬阴阳极交汇区，6-气相流场流速大小示意，7-煤粉喷射管，8-煤粉在混合区内运动轨迹示意，9-混合区，10-反应区，11-反应区壁面，12-反应区原料气喷射管，13-急冷介质喷射管，14-急冷区，15-急冷区出口，16-混合区遮流构件，17-混合区遮流构件内冷却介质入口，18-混合区遮流构件内冷却介质出口，19-反应区遮流构件，20-反应区遮流构件内冷却介质入口，21-反应区遮流构件内冷却介质出口，22-急冷区遮流构件，23-急冷区遮流构件内冷却介质入口，24-急冷区遮流构件内冷却介质出口。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，并不对本发明进行任何限制。

实施例1

图1a为无遮流构件的等离子体煤裂解反应装置示意图，图1b为图1a中反应装置混合区的A-A剖视图，图1c为图1a中反应装置反应区的B-B剖视图，图1d为图1a中反应装置急冷区的C-C剖视图。如图1a所示，无遮流构件的等离子体煤裂解反应装置包括：等离子体炬阳极工作气体入口1，等离子体炬阴极工作气体入口2，等离子体炬阳极3，等离子体炬阴极4和等离子炬阴阳极交汇区5；混合区9和煤粉喷射管7；反应区10，反应区壁面11和反应区原料气喷射管12；急冷区14，急冷介质喷射管13和急冷区出口15。

等离子体炬采用氢气作为工作气体，输入功率为3.8～4.2MW，氢气流量为100～110kg/h，等离子体炬阴阳极交汇区5内氢等离子体的平均温度超过3000K，中心区域温度约5000K。反应区内径150mm，长500mm。

未安置遮流构件时，混合区9内氢等离子体射流的速率为300～1200m/s，混合区9出口处为缩径结构，最大速度约1000m/s；煤粉总通量为1300～2000kg/h，煤粉由外径10mm、内径9mm的煤粉喷射管7喷射之后形成的射流速率为10～40m/s，煤粉的入射深度有限，仅能与20～30％的等离子体接触。

在上述装置的混合区9内6根煤粉喷射管7的正上方2～3mm距离处安置6根外径8mm、内径6mm的中空铜管，铜管探入混合区部分的长度为50mm，相邻铜管采用中空弯头部件连接，形成3组相互独立的混合区遮流构件16。煤裂解过程等离子体发生后的温度大于铜材质的熔点，基于高温等离子体的工作环境下长周期运行的要求，遮流构件需要有内置冷却介质导热保护的配套设计。各组构件内通高压水作为冷却介质，高压水由混合区遮流构件内冷却介质入口17进入，携带由铜管外壁向铜管内壁传导的热量之后经混合区遮流构件内冷却介质出口18导出(图2)。图2a为混合区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图，图2b为图2a中改进装置混合区的D-D剖视图。

如图2a所示，安置混合区遮流构件16之后，等离子体射流受构件的阻碍作用分为四股分射流，分射流向下移动15～25mm之后合流；遮流构件正下方形成气相速率低于煤粉射流速率、宽约8mm、高约15mm的遮护区域，煤粉可顺利地输送到整个遮护区域，煤粉与等离子体的接触面积增大5～15倍，显著增强了反应物之间的接触和混合效率，有效提高了煤裂解装置的煤转化和热转化能力。

为保护遮流构件的材质，经冷却介质移热将导致等离子体的热量有所损耗。本设计中混合区9内每组遮流构件的移热速率不超过40kW，总损失不超过120kW(总输入功率的3％)。

实施例2

本例基于实施例1中改进后的等离子体煤裂解反应装置增设反应区遮流构件。

在实施例1所述工艺条件下，反应区平均温度为1800～2500K，该温度较乙炔生成和稳定存在的最低温度1400K要高，通过4根外径6mm、内径5mm的反应区原料气喷射管12喷射煤焦油中轻芳烃馏分和丙烷的补充原料混合气进入反应区参与裂解反应，充分利用反应区的热量，同时混合气的碳氢质量比达5∶1～10∶1，有利于提高产品气中乙炔的体积浓度。

未安置遮流构件时，反应区10内反应物流的速率为200～400m/s，补充原料混合气经反应区原料气喷射管12喷射之后形成的射流速率为40～80m/s，其入射深度不够理想，与反应物流的接触比例为20～40％。

在本实施例中，在所述4根原料气喷射管12的正上方2mm距离处安置4根外径8mm、内径6mm的中空铜管，铜管探入混合区部分的长度为50mm，相邻铜管采用中空弯头部件连接，形成2组相互独立的反应区遮流构件19，各组构件内通高压水作为冷却介质，高压水由反应区遮流构件内冷却介质入口20进入，携带由铜管外壁向铜管内壁传导的热量之后经反应区遮流构件内冷却介质出口21导出(图3)。图3a为混合区和反应区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图，图3b为图3a中改进装置反应区的E-E剖视图。

如图3a所示，安置反应区遮流构件19之后，反应物流受构件的阻碍作用分为三股分射流，分射流向下移动10～20mm之后合流；遮流构件正下方形成压力较低的遮护区域，混合气的入射深度由30～40mm提高到60～70mm，混合气与反应物流的接触面积增大4～10倍，显著增强了反应物之间的接触和混合效率，有效提高了煤裂解装置的煤转化和热转化能力。

本设计中，反应区10内每组遮流构件的移热速率不超过20kW，总损失不超过40kW(总输入功率的1％)。

实施例3

本例基于实施例2中改进后的等离子体煤裂解反应装置增设急冷区遮流构件。在实施例2所述工艺条件下，急冷区入口温度为1400～1800K，以水为急冷介质，瞬间将反应物流冷却到600～800K。107～108K/s的降温速率是保证等离子体煤裂解制乙炔过程乙炔产率的第一个必要条件；急冷介质与反应物流的充分接触是保证乙炔产率的第二个必要条件。

未安置遮流构件时，急冷区14内反应物流的速率为150～300m/s，水由8根外径5mm、内径4mm的急冷介质喷射管13喷射之后形成的射流速率为60～100m/s，与反应物流的接触比例为60～70％。

在本实施例中，在所述8根急冷介质喷射管13正上方4mm距离处安置8根外径8mm、内径6mm的中空铜管，铜管探入混合区部分的长度为70mm，相邻铜管采用中空弯头部件连接，形成4组相互独立的急冷区遮流构件22，各组构件内通高压水作为冷却介质，高压水由急冷区遮流构件内冷却介质入口23进入，携带由铜管外壁向铜管内壁传导的热量之后经急冷区遮流构件内冷却介质出口24导出(图4)。图4a为混合区、反应区和急冷区采用遮流构件的等离子体煤裂解反应改进装置示意图，图4b为图4a中改进装置急冷区的F-F剖视图。

如图4a所示，安置急冷区遮流构件22之后，反应物流受构件的阻碍作用分为五股分射流。一方面，构件的存在增大了反应物流的相界面面积，有利于提高其降温速率；另一方面，急冷介质由于构件的遮护作用能喷射到中心区域，与反应物流的接触比例升高到80～95％，保证了急冷介质与反应物流的充分接触。急冷区遮流构件的引入使得产品气中乙炔的体积浓度从8.0～8.5％提高到8.5～9.0％。

本设计中，急冷区中每组遮流构件的移热速率不超过5kW，总损失不超过40kW(总输入功率的1％)。

本实施例中在混合区9、反应区10或急冷区14内均设置了遮流构件，与无遮流构件的等离子体煤裂解反应装置相比，在其他工艺条件相同的情况下，裂解产品气从2300～2600Nm³/h提高到3200～3500Nm³/h，产品气中乙炔的体积浓度从7.0～7.5％提高到8.5～9.0％，比能耗指标从18～20kWh/kg乙炔优化到11～13kWh/kg乙炔。

Claims

1.一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置包括：等离子体炬阳极工作气体入口(1)，等离子体炬阴极工作气体入口(2)，等离子体炬阳极(3)，等离子体炬阴极(4)和等离子体炬阴阳极交汇区(5)；煤粉喷射管(7)和混合区(9)；反应区(10)，反应区壁面(11)和反应区原料气喷射管(12)；急冷介质喷射管(13)，急冷区(14)和急冷区出口(15)，其特征在于，在混合区(9)、反应区(10)或急冷区(14)内设置遮流构件；所述混合区(9)内设置遮流构件为在混合区(9)内4～16根煤粉喷射管(7)正上方1～20mm距离处安置4～16根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成2～8组相互独立的混合区遮流构件(16)，在混合区遮流构件(16)的一端为混合区遮流构件内冷却介质入口(17)另一端为混合区遮流构件内冷却介质出口(18)；所述反应区(10)内设置遮流构件为在反应区(10)内4～16根原料气喷射管(12)正上方1～30mm距离处安置4～16根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成2～8组相互独立的反应区遮流构件(19)，在反应区遮流构件(19)的一端为反应区遮流构件内冷却介质入口(20)，另一端为反应区遮流构件内冷却介质出口(21)；所述急冷区(14)内设置遮流构件为在急冷区(14)内6～32根急冷介质喷射管(13)正上方1～30mm距离处安置6～32根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成对地连接，形成3～16组相互独立的急冷区遮流构件(22)，在急冷区遮流构件(22)的一端为急冷区遮流构件内冷却介质入口(23)，另一端为急冷区遮流构件内冷却介质出口(24)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体为直流电弧等离子体、高频等离子体或微波等离子体中的一种。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述等离子体炬工作气体为氢气、氮气、氧气和水蒸气中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述煤粉为固体煤粉、煤与生物质的粉状混合物或煤与石油焦的粉状混合物中的一种。

5.根据权利要求1所述的装置，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。