CN102068953B - 应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于煤化工领域，用于高温气体、气液、气固及气液固多相混合物的毫秒级快速冷却的一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置。该装置包括等离子体发生装置、等离子体反应器、等离子体快速冷却装置和冷却介质喷嘴。等离子体快速冷却装置的横截面为包括但不限于椭圆的二维封闭图形，冷却介质喷嘴安装在冷却装置内壁的相同或不同高度的横截面上，并根据冷却效果的不同在冷却装置横截面上进行均匀或非均匀分布。本发明所述装置缩短了冷却介质进入高温区的距离，提高冷却效率；在放大过程中，无放大效应；可以将化学冷却和物理冷却相结合，提高过程综合价值。
Description
技术领域
本发明属于煤化工领域，用于高温气体、气液、气固及气液固多相混合物的毫秒级快速冷却，特别涉及一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置。
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。
等离子体裂解煤制乙炔过程，就是利用等离子体(为直流电弧氢等离子体)的高温高焓条件，实现煤中挥发分(甚至固定碳)向乙炔的转化。
等离子体裂解煤制乙炔过程必须以很快的时间向煤粉供热，使其在高温下迅速并充分地释放挥发分并反应，同时使产物迅速离开高温反应体系，并通过合适的方式进行急冷，以防止生成的乙炔分解。该过程等离子体发生器出口射流最高温度可达104K量级，平均温度约3500K，可以实现在极短的时间内向煤粉供热。而反应段出口的温度仍有2000K左右，需要将该温度下的流体迅速冷却。许多研究表明，107～108K/s的降温速率是保证该过程乙炔产率的必要条件。20世纪80年代美国AVCO公司分别用水、煤和丙烷各自作为冷却剂，采用轻质烃类作冷却剂，不仅可以利用热解气的余热，而且还可以生成更多的乙烯和乙炔，降低工艺的能耗。目前，工业上一般采用喷射雾化水的方式进行冷却，虽然可以达到最大程度保留乙炔的目的，消耗了大量的水的同时浪费了大量的高品位热源，从而导致该过程的经济可行性较差。所以，能否有效利用这一热源，提高冷却效率，就关系到整个过程是否具有较高的能量利用率和较优的经济效益。
对于这个毫秒级、超高温反应过程，为获得目的产物气体乙炔，必须将气固高温流体(～1500K)快速冷却至乙炔可以稳定存在的温度，由于毫秒级快速冷却的要求，冷却装置的几何设计至关重要。冷却装置中最常用的圆形通道截面对于高速气固流的冷却效果较差，等离子体射流具有高温、高焓、高速的特点，且在混合器通道的横截面上具有一定的温度和速度分布，裂解产物在等离子体射流的作用下，冷却介质很难射入中部的高温区，仅对高温区的边缘有冷却效果。同时，圆形通道截面在过程放大中会遇到致命的障碍。因此，毫秒级快速冷却装置设计对冷却效果是极为重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置。
一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置由等离子体发生装置、等离子体反应器、等离子体快速冷却装置和冷却介质喷嘴组成，其特征在于，等离子体快速冷却装置3的横截面为包括但不限于椭圆的二维封闭图形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.55～7，横截面的长轴与短轴的比值为1～8，所述长轴定义为横截面内具有最大距离的两点所在的直线，短轴为所述横截面内具有最小距离的两点所在的直线；冷却介质喷嘴4安装在等离子体冷却装置3内壁的相同或不同高度的横截面上，并根据冷却效果的不同在等离子体冷却装置3横截面上进行均匀或非均匀分布。
所述冷却介质喷嘴4数目为6～48个。
所述冷却介质喷嘴4出口截面包括但不局限于圆形、椭圆或方形。
所述冷却介质喷嘴4横截面的长轴(非圆形截面)与等离子体快速冷却装置3的横截面具有交角α，冷却介质喷嘴4所在的等离子体快速冷却装置3横截面的圆周面与冷却介质喷嘴4中心线交点处的切线与冷却介质喷嘴4中心线成交角β，冷却介质喷嘴4中心线与等离子体快速冷却装置3的横截面具有交角γ。其中α为0°～45°，β为45°～135°，γ为-45°～45°。
所述冷却介质喷嘴4均匀或非均匀分布在等离子体冷却装置3的不同高度的横截面上，安装冷却介质喷嘴4的不同高度的横截面数目为1～4。
所述冷却介质喷嘴4使用的冷却介质包括：循环水、纯水、水煤浆上清液、气相冷凝水以及它们的混合物；高C/H质量比的物质为含戊烷在内的C5以下气态烷烃、天然气、焦炉气、炼油厂气、乙炔尾气、乙烯废气以及它们的混合气；苯、粗苯及苯的同系物；C6及以上的脂肪烃的单一或其混合液体；液化石油气、石油分馏物及残渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦油砂油和页岩油、煤生油、煤焦油、循环汽油、焦化粗柴油的糠醛萃取物、煤粉以及它们的混合物。
所述等离子体反应器2出口处的流体是高温气固混合物，包括含C2H2、CH4、CO、H2和CO2等的裂解气，以及气态焦油、炭黑和反应后的煤粉。
所述的毫秒级快速冷却装置，流体经过等离子体反应器2出口到等离子体冷却装置3出口的时间为0.1～10ms。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述装置中缩短了冷却介质进入高温区的距离，提高冷却效率；
(2)本发明所述装置中在放大过程中，无放大效应；
(3)本发明所述装置中可以将化学冷却和物理冷却相结合，提高过程综合价值。
附图说明
图1是本发明的装置正视图；
图2是本发明的装置侧视图；
图3是冷却介质喷嘴空间安装角度α示意图；
图4是快速冷却装置椭圆形截面示意图；
图5是快速冷却装置长方形截面示意图。
图中标号：1-等离子体发生装置；2-等离子体反应器；3-等离子体快速冷却装置；4-冷却介质喷嘴；5-等离子体反应产物；6-冷却介质。
具体实施方式
本发明提供一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置。在图1-图2所示的快速冷却装置结构图中，等离子体发生装置1安装在等离子体反应器2上端，等离子体反应器2下端安装等离子体快速冷却装置3；冷却介质喷嘴4按照空间安装角度α为0°～45°，β为45°～135°，γ为-45°～45°安装在等离子体快速冷却装置3的1～4个不同高度的横截面上。等离子体反应产物5从等离子体发生装置1进入等离子体反应器2内，冷却介质6从冷却介质喷嘴4进入离子体快速冷却装置3。等离子体反应产物5(等离子体煤裂解产物)在等离子体发生装置1作用下，进入等离子体反应器2反应，等离子体反应产物5在快速冷却装置3中被冷却介质6快速冷却。
以下结合实例和附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
图4所示快速冷却装置3的横截面为椭圆形，椭圆长轴长300mm，短轴长150mm；冷却介质喷嘴4的数目为24个，12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处30mm高度上，另外12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处60mm高度上，同一高度的12个喷嘴均匀分布在横截面上，如图3所示；冷却介质喷嘴4的出口截面为圆形，空间安装角度β为90°，γ为0°。
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，氢等离子体的平均温度超过3000K，中心区域温度为5000～6000K。裂解产物温度为1200～1500K，速度为150～200m/s。裂解产物在快速冷却装置中使用冷却介质水进行冷却，使用冷却水量为3t/h，较传统的圆形截面快速冷却装置使用水量减少约20％。裂解产物出口温度为400～600K，对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7.50～8.60％，较原来提高约1.5个百分点。
实施例2
如图5所示的快速冷却装置3的横截面为长方形，长300mm，宽150mm；冷却介质喷嘴4的数目为24个，12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处30mm高度上，另外12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处60mm高度上，同一高度的12个喷嘴均匀分布在横截面上；冷却介质喷嘴4的出口截面为圆形，空间安装角度β为90°，γ为0°。
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，氢等离子体的平均温度超过3000K，中心区域温度为5000～6000K。裂解产物温度为1200～1500K，速度为150～200m/s。裂解产物在快速冷却装置中使用冷却介质水进行冷却，使用冷却水量为3.5t/h，较传统的圆形截面快速冷却装置使用水量减少约15％。裂解产物出口温度为400～600K，对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7.50～8.60％，较原来提高约1.5个百分点。
实施例3
图4所示快速冷却装置3的横截面为椭圆形，椭圆长轴长300mm，短轴长150mm；冷却介质喷嘴4的数目为24个，12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处30mm高度上，另外12个喷嘴安装在距快速冷却装置3入口处60mm高度上，同一高度的12个喷嘴均匀分布在横截面上；冷却介质喷嘴4的出口截面为方形，长20mm，宽5mm，空间安装角度α为45°，β为90°，γ为0°(如图3所示)。
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，氢等离子体的平均温度超过3000K，中心区域温度为5000～6000K。裂解产物温度为1200～1500K，速度为150～200m/s。裂解产物在快速冷却装置中使用冷却介质水进行冷却，使用冷却水量为2.5t/h，采用方形喷嘴较圆形喷嘴使用水量减少约15％。裂解产物出口温度为400～600K，对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7.50～8.60％，较原来提高约1.5个百分点。
Claims (1)
1.一种应用于等离子体煤裂解过程的毫秒级快速冷却装置，由等离子体发生装置(1)、等离子体反应器(2)、等离子体快速冷却装置(3)和冷却介质喷嘴(4)组成，其特征在于，等离子体快速冷却装置(3)的横截面为椭圆的二维封闭图形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为3.55～7，横截面的长轴与短轴的比值为1～8，所述长轴定义为横截面内具有最大距离的两点所在的直线，短轴为所述横截面内具有最小距离的两点所在的直线；冷却介质喷嘴(4)安装在等离子体快速冷却装置(3)内壁的相同或不同高度的横截面上，并在等离子体快速冷却装置(3)横截面上进行均匀或非均匀分布；冷却介质喷嘴(4)为非圆形面的横截面长轴与等离子体快速冷却装置(3)的横截面具有交角α，冷却介质喷嘴(4)所在的等离子体快速冷却装置(3)横截面的圆周面与冷却介质喷嘴(4)中心线交点处的切线与冷却介质喷嘴(4)中心线成交角β，冷却介质喷嘴(4)中心线与等离子体快速冷却装置(3)的横截面具有交角γ，α为0°～45°，β为45°～135°，γ为-45°～45°；流体经过等离子体反应器(2)出口到等离子体快速冷却装置(3)出口的时间为0.1～10ms。
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