CN103084129B - 多段等离子体裂解碳质材料反应器及用其生产乙炔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多段等离子体裂解碳质材料反应器，其包括：主要用于使碳质材料、载气和第一加热气体混合、以及热解碳质材料的反应管第一段；主要用于使热解产生的挥发分发生气相反应的反应管第二段～第N段，其中N为大于或等于2的整数；至少一个位于反应管第一段侧面的碳质材料和载气入料的入口；至少一个位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口；至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于裂解含挥发分的碳质材料以生产高产率裂解产物的高能效装置和方法，特别是，涉及一种多段等离子体裂解碳质材料反应器以及利用该多段等离子体反应器裂解碳质材料的方法，更特别地，也涉及一种利用该多段等离子体反应器生产乙炔的方法。
背景技术
通常，碳质材料和其他成分、如氢气一起被电弧装置或本领域普通技术人员熟知的其它合适的热源加热，以便使碳质材料裂解或热解。作为碳质材料分解的结果而产生的产物组成取决于分解区或反应区的反应条件。众所周知，某些特定的反应条件有利于某些特定组分的形成，例如，反应区温度高于1300K时有利于中间产物乙炔的形成，而在或接近1300K时与同时发生的乙炔的分解相比，也有利于乙炔的形成。
一般而言，当电弧被用作热源时，电弧穿过气体、如氢气，导致气体温度在极短时间内增加到极高的温度。弧柱温度通常达8000K～20000K。气体离开电弧时的温度通常在2000K～5000K左右。在此条件下，气体分子、如氢气分子可能部分离解成氢原子、甚至是H+或者H-，由此产生高温等离子体气体。
一旦高温等离子体气体、如等离子体氢气离开电弧，等离子体气体原子或离子、例如氢原子就有重新结合成分子的极快的倾向，并且如果是这样的话，它们将释放出大量的热。除了等离子体气体的显热外，上述热的一部分大多数通过导热、对流和辐射被紧靠等离子体气体的原子或离子、或与之接触的碳质材料颗粒所吸收，从而导致碳质材料颗粒被热解和/或裂解或分解，更具体地说，导致碳质材料颗粒放出其挥发性成分，即脱挥发。
已知和确定的是：随碳质材料类型的不同，碳质材料的分解和脱挥发的步骤和条件会有很大变化。此前，因不知道如何以合理的成本由固态碳质材料获得高产率的裂解产物如乙炔的方法，所以气态和液态碳质材料是人们常用的入料。另外气态和液态入料易于处理，并且对电弧设备的损耗较低。
另一方面，虽然基本工艺步骤是已知的，但教导人们如何以一种高能效的方式使来自于固态碳质材料的某些特定裂解产物、如乙炔的产率最大化的例如工艺过程和工艺动力学仍然可能不是非常清楚。
在现有技术中，为使来自于固态碳质材料的某些裂解产物的产率最大化而对设备和工艺进行的改进，人们已经做了很多尝试和实验。
例如，US4358629公开了一种分解固体碳质材料将其转化为乙炔的方法。具体来说，该专利教导人们选择低成本、高产率的操作条件。在该专利中，建议碳质材料和气体的热和焓的特定值与特定的粒径和反应时间相结合。上述所有教导和建议有助于以商业上有竞争力的成本生产乙炔。
事实上，US4358629描述了一种电弧反应器，其沿着固体碳质材料移动的方向依次包括四个区域，即固体碳质材料粉末分散区，电弧区，反应区和激冷区。由于所述粉末在电弧区的停留时间极短和所述粉末此时暂时的热惰性，所述粉末的温度肯定保持接近于其在入口的温度，而同时流经的气体达到8000K的高温。固体碳质材料粉末在反应区仅通过导热和对流被加热气流加热。这样，所有电力由薄电弧区输入，即足以将所述粉末温度提高至1800K以上的大量能量导致能量不合理的过度聚集，并不可避免地将过于集中的热暴露在反应器的壁上，从而导致反应器壁过热。为保护反应器的壁而必须从反应器的壁附近移走的热占整个电力输入的一半左右，结果，大量有价值的能量不得不浪费。此外，特定区域出现极高的温度对反应器壁结构的设计、壁材料的选择构成极大挑战，也使壁保护成为难题。
《煤在氢气和氦气等离子体中的热解》(Baumann，H.，Bittner，D.，Beiers，H.G.，Klein，J.& Juntgen，H，Fuel，1988，Vol.67，pp 1120-1123，August)和《一些气态和液态烃在氢气等离子体中的热解》(Beiers，H.G.，Baumann，H.，Bittner，D.，Klein，J.and Juntgen，H，Fuel，1988，Vol.67，pp 1012-1016，July)公开了一种被描述为进行煤或气态和液态烃热解的设备，其包括一个等离子体发生器和一个等离子体反应器。在所述设备中，等离子体发生器产生在输出端平均温度为3300K的高温气流，该气流随后从顶部入口被引入到作为反应器的反应管中。干煤粉或气态和液态烃从靠近顶部入口的其侧部入口被喷入到反应管中，其中冷煤粉预计与上述热等离子体气流进行充分混合。然而，由于等离子体气流高速下行，并因此形成对流体-粉末混合的强烈障碍，以致于煤粉和等离子体气流之间的接触和传热效率被减弱，并对反应器的性能产生不利影响，同时这种反应器结构和入料安排导致几乎无法避免结焦现象，因为煤粉或气态和液态烃连续地冲刷和撞击反应器的壁表面。
CN1562922公开了一种类似于上述文章所描述的反应器，但是引入了被喷在反应管内壁上以防止反应管内壁结焦的氩气，然而，该专利文献中公开的反应器仍没有克服上述所有技术缺陷。
US4536603公开了一种煤与热气流反应生产乙炔的方法，此方法依次包括以下步骤：在温度可控的条件下使燃料、氧和水蒸汽反应，从而生成主要包括氢气、一氧化碳和水蒸汽、并有少量二氧化碳、基本没有O，OH和O2的热气流。所述热气流被提速并高速碰撞颗粒状烟煤或次烟煤物流，而后热气体和煤的混合物的速度被减至约150-300英尺/秒。控制颗粒状煤和热气体的物流数量，以便在反应区形成约为10-100pisa的压力和约为1800-3000°F的温度。煤和热气体的混合物被保持在上述压力和温度下约2-30毫秒，从而生成包括焦和乙炔的产物流。随后产物流的温度在少于2毫秒的时间内被降至低于约900°F，以便基本终结进一步反应，并从其中回收乙炔。回收焦并将其用作产生热气体的燃料的至少一部分。
US 4588850公开了一种用电弧或等离子方法由煤生产乙炔和合成或还原气体的方法，其中变成粉末的煤在一种能量密度为1-5kWh/Nm3、停留时间为0.5-10毫秒、温度为至少1500℃的电弧反应器中被热解，，这样由煤衍生的气态化合物的数量不超过煤中所谓的挥发分的数量的1.8倍。在随后激冷后剩余的焦被喂入第二电弧反应器中，其中借助于气化介质并结合电弧或等离子方法加热，焦在其中被转变为合成或还原气体，焦在反应器中停留时间为1-15毫秒，焦温度至少为800℃。来自热解区的气流被净化，并用选择性溶液从其中回收乙炔。经过净化步骤后的气体同样被冷却和净化。
CN101742808公开了一种能代替常规线形等离子体发生器的大功率V形等离子体发生器，其声称具有较低的能耗和便捷的操作条件。所述V形等离子体发生器可用于产生各种高温等离子体气体，例如等离子体氢气和惰性气体。
US4367363公开了一种从煤转化为乙炔的方法中产生的气态输出气流中回收纯净乙炔的方法。所述气态输出气流在酸气去除阶段通过将HCN和H2S吸附在有机溶剂、如N-甲基吡咯烷酮中，并用苛性试剂、如NaOH冲洗以除去CO2而被初步处理。在第二阶段，用有机溶剂冲洗所述气态输出气流，从而提供脱硫气体的处理并分离纯乙炔产物。在第三阶段，经过第二阶段处理的气体首先被加氢，随后被脱硫和甲烷化处理。经过第三阶段处理的输出气流被循环回煤转化为乙炔的过程中。在第四阶段，来自第二阶段的有机溶剂被提纯并被循环回第一阶段和/或第二阶段中。
所有上述参考文献的公开内容在此全文引入以作参考。
在上述对现有技术的介绍和描述中，对于本领域普通技术人员来说，很明显用于裂解或分解碳质材料的单段反应器存在很多急需解决的缺陷。例如，当根据裂解产物、如乙炔的最大产率所要求的反应温度需要增加或优化碳质材料粉末的反应时间时，单段反应器的高度无法随意加长。热气流温度沿单段反应器纵向方向迅速下降，导致为使裂解产物的产率最大化反应气流必须在较短的移动距离内被激冷，并因此使得碳质材料变为裂解产物的转化非常有限。同时如前所述，严重的能源浪费以及在反应器内壁附近过高的温度分布也是不允许被忽视的严重技术问题。
下面描述代表了具体涉及热分解含有挥发分的固体碳质材料以使某些来自固体碳质材料的特定裂解产物的产率最大化的反应器和方法的新理解。同时，进一步提供了尽可能快地加热固体碳质材料颗粒以尽可能快地分解释放挥发分的所述颗粒，从而避免固体碳质颗粒中的那些挥发分发生二次反应而形成焦的必要工艺参数。
在上述分析的基础上，通过无数尝试和实验，本发明人终于发明了几乎解决了上述所有缺陷、例如获得碳质材料细粉末和等离子体气流之间的良好接触效率的用于裂解或分解固体碳质材料的新设备，即工作机理与现有单段等离子体反应器中流体-粉末混合概念大为不同的多段等离子体反应器。
发明内容
本发明第一方面提供了一种多段等离子体裂解碳质材料反应器，包括：反应管第一段，主要用于使碳质材料、载气和第一加热气体混合、以及热解碳质材料；
反应管第二段～第N段，主要用于使热解产生的挥发分发生气相反应，其中N为大于或等于2的整数；
至少一个位于反应管第一段侧面的碳质材料和载气入料的入口；
至少一个位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口；
至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；
至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；
至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口；
其中，碳质材料从反应管第一段的侧面进入反应管中，并向下流动，最后到达反应管最后一段的底部或下部，同时完成热解、气相反应和激冷过程。
在上述多段等离子体反应器中，优选地，所述反应管第一段的操作温度要确保使进入其中的碳质材料的温度达到650℃～1250℃，而所述反应管第二段～第N段的操作温度要确保在其中发生的气相反应温度达到1500℃～2900℃。所述第一加热气体优选为氢气、氮气、甲烷、惰性气体和/或氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的等离子体气体，而第二～第N加热气体优选为氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的高温等离子体气体。另一方面，进入所述反应器中的激冷介质应确保使其中的反应产物在离开反应器前优选地被激冷至527℃以下。
同样优选的是：由热解产生的挥发分在反应管第二段～第N段各段中发生的气相反应时间为0.4～4.0毫秒，而在所述反应器中发生的热解、气相反应和激冷的时间总和少于50毫秒，例如30-40毫秒。一般而言，所述激冷介质可包括水、水蒸汽、丙烷、芳香族化合物、惰性气体、任何类型的碳质材料和/或它们的混合物，同时所述载气可选自于氢气、甲烷、氮气、气态碳质材料、惰性气体和/或它们的混合物，特别是，所述惰性气体可是氩气。
所述反应管的横截面可为圆形、方形、椭圆形、多边形或任何其他规则形状，更优选地，所述反应管第二段～第N段的横截面面积为反应管第一段的横截面面积的1～3倍。此外，所述碳质材料和载气的入口数量优选为2～100，所述第一加热气体的入口数量优选为1～12，所述第二～第N加热气体的入口数量优选为2～64，而所述激冷介质的入口数量优选为8～128。特别优选地，上述入口在水平方向上被对称和/或相对地布置。
宽泛地说，所述碳质材料可为固态、液态和/或气态材料，特别是，所述碳质材料可进一步选自于煤、煤焦油、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。
一般而言，所述氢气、氮气、甲烷和/或惰性气体的等离子体气体和高温等离子体气体可由输入功率为10kW～20MW的等离子体发生器产生。
为获得更好的激冷效果，所述碳质材料和载气入料的入口、第二～第N加热气体的入口、和激冷介质的入口呈中心对称分布，并在水平方向上优选形成范围为-60°-+60°的夹角。同样，为获得更好的混合效果和最佳停留时间，两个在水平方向上相对或不直接相对的所述碳质材料和载气入料的入口、第二～第N加热气体的入口沿垂直方向优选形成一个角度，更优选地，两个在水平方向上相对或不直接相对的碳质材料和载气入料的入口沿垂直方向形成的角度大于两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度。
对于本领域普通技术人员来说，很清楚两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度可以相同或不同，而且所述第二～第N加热气体的入口的至少一个可被任选地用作碳质材料和载气入料的补充或辅助入口。
本发明第二方面提供了一种使用前述多段等离子体反应器裂解碳质材料的方法，包括：
a)借助于载气经碳质材料和载气入料的入口从反应管第一段的侧面将碳质材料引入反应管第一段中；
b)经位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口将第一加热气体气流引入所述反应管第一段中，其中迫使碳质材料和载气与第一加热气体混合，并且碳质材料随后在第一加热气体气流的热作用下被热解；
c)经第二～第N加热气体的入口分别将第二～第N加热气体引入反应管第二段～第N段中，其中由热解产生的挥发分在其中发生气相反应，任选地，碳质材料在第二～第N加热气体气流的热作用下继续被热解，从而产生裂解和/或热解产物；
d)经激冷介质入口将所述激冷介质引入所述反应器中，以便激冷或冻结所述裂解和/或热解产物；
e)经激冷产物和气体出口将裂解和/或热解产物、气体、和/或热解的碳质材料的残余物排出所述反应器。
本发明第三方面提供了一种使用前述多段等离子体反应器生产乙炔的方法，包括：
a)借助于载气经碳质材料和载气入料的入口从反应管第一段的侧面将碳质材料引入反应管第一段中；
b)经位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口将第一加热气体气流引入所述反应管第一段中，其中迫使碳质材料和载气与第一加热气体混合，并且碳质材料随后在第一加热气体气流的热作用下被热解；
c)经第二～第N加热气体的入口分别将第二～第N加热气体引入反应管第二段～第N段中，其中由热解产生的挥发分在其中发生气相反应，任选地，碳质材料在第二～第N加热气体气流的热作用下继续被热解，从而产生裂解和/或热解产物；
d)经所述激冷介质的入口将激冷介质引入所述反应器中，从而激冷或冻结所述裂解和/或热解产物；
e)经激冷产物和气体的出口将裂解和/或热解产物、气体，和/或热解的碳质材料的残余物排出所述反应器；
f)从裂解和/或热解产物和气体中分离出乙炔。
在上述根据本发明第二或第三方面的方法中，裂解和/或热解产物通常包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯和焦等。同时，为获得碳质材料最佳的分散效果和加热速度，碳质材料的平均粒径优选为10～300微米，碳质材料在进入所述反应器前温度优选为20～300℃，而碳质材料和载气的体积比优选为10/90～90/10。
所述反应器的操作压力一般可为负压-正压。碳质材料在反应管第一段中被加热的速度优选大于104K/秒。裂解产物在其生成后优选在4毫秒内被激冷或冻结。所述第二～第N加热气体的温度、流量，和/或种类可相同或不相同，同时可任选地至少从第二～第N加热气体的入口之一补充或添加所述碳质材料和载气。
附图说明
图1为本发明两段等离子体反应器的代表性示意图。
图2为本发明三段等离子体反应器代表性技术方案的示意图。
图3为本发明三段等离子体反应器一个优选技术方案的示意图。
图4为本发明三段等离子体反应器又一个优选技术方案的示意图。
具体实施方式
通过下面参考附图的描述进一步详细解释本发明，其中附图中所示的相对应的或等同的部件或特征用相同的标记数表示。
一般而言，由热解碳质材料、例如烟煤所释放出的挥发分的反应在裂解产物生产中起着必要和重要的作用。由于碳质材料经历与高反应活性的气体、例如高温等离子体气体的极快的反应，并且这样的反应要求瞬间被终止，以至于无法用常规工艺描述或计算上述热解和反应。广泛地讲，裂解产物分布取决于碳质材料的类型和采用的操作条件，如果反应和/或停留时间只有数毫秒，就不可能有充分的时间达到热动力平衡，因此就不会生成可测数量的由碳质材料产生的挥发分二次反应所形成的烟灰。
对于固体碳质材料而言，碳质材料的传热和热解、均相固-气反应和均相气相反应都会影响裂解产物形成的速度、即产率。事实上，本发明的主要目的之一就是使一些特定裂解产物、如乙炔的产率最大化，因此了解和确定上述热解和反应的特性、机理和操作条件是完成本发明的关键。
无数测试和观察证实：碳质材料、特别是固体碳质材料的热解温度优选为650℃～1250℃，例如680-1100℃，更优选为700℃～930℃，特别优选为750℃～900℃，例如850℃，而由碳质材料获得的挥发分的气相反应温度优选为1500℃～2900℃，更优选为1500℃～2500℃，特别优选为1500℃～2000℃，例如为1750℃或1850℃。
上述温度决定了反应管第一段中的优选操作温度和反应管第二段～第N段中的优选操作温度，因为碳质材料的热解主要发生在反应管第一段中，超过最大生成量60％的挥发分是在反应管第一段中形成的，而上述挥发分的气相反应则主要是在反应管第二段～第N段中发生的。
为了获得理想的尽可能快和尽可能完全的转化，所述挥发分的上述气相反应时间优选少于4毫秒，例如2毫秒，更优选少于1毫秒，特别优选少于0.4毫秒，例如少于0.3或0.2毫秒。这样的反应时间可保证获得裂解产物的高产率。
总的来说，提高裂解产物、特别是乙炔的产率的可行方法有以下几种：
首先，初级挥发分和在高温等离子体气体，如等离子体氢气和/或包括氦气的惰性气体中的反应活性高、但存活时间短的等离子体成分之间的极快的反应高度控制着某些特定裂解产物、如乙炔的产率。因此，如果极快速热解碳质材料而释放出高浓度或大量的挥发分，裂解产物的产率就会较高，这可通过合理选择碳质材料的超细粒径分布，或考虑到挥发分中的氧可被转化为一氧化碳而消耗乙炔，采用低品位、但氧含量低的碳质材料来实现。
其次，选择热解碳质材料的最佳操作条件，以便获得最大数量的挥发分。因此，合适的热解时间、压力和/或温度是使所述挥发分生成量达到最大的关键。
第三，使上述挥发分与尽量多的高反应活性的等离子体成分接触，这么做可增加反应表面、并提高反应转化率。
第四，挥发分与高反应活性等离子体成分的反应温度是影响裂解产物产率的另一个重要因素，一般而言，裂解产物的产率随上述气相反应的温度提高而增加，但过高的反应温度会导致形成可测数量的烟灰和氢气。
本领域普通技术人员从以上分析中可明显看出：碳质材料的热解和初级挥发分与高反应活性等离子体成分的气相反应都是形成裂解产物的最重要的过程。然而，热解的最佳工艺参数或操作条件通常与上述气相反应的最佳工艺参数或操作条件不同，如果像现有技术中存在的单段等离子体反应器的结构设计那样，即热解和气相反应在同一空间或区域中发生，热解和气相反应的工艺参数或操作条就无法达到很好的平衡和最佳化。
针对上述致命的缺点，本发明人通过无数尝试和实验提出并发明了一种全新结构的多段等离子体反应器，所发明的多段等离子体反应器巧妙地使上述热解和气相反应发生在不同空间或区域中，从而使热解和气相反应的工艺参数或操作条件同时达到最优。
详细地，如图1-2所示，所述多段等离子体反应器包括：
反应管第一段，主要用于使碳质材料、载气与第一加热气体混合，以及热解碳质材料；
反应管第二段～第N段，主要用于使热解产生的挥发分发生气相反应，其中N为大于或等于2的整数；
至少一个位于反应管第一段侧面的碳质材料和载气入料的入口；
至少一个位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口；
至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；
至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；
至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口；
其中，碳质材料从反应管第一段的侧面进入反应管中，并向下流动，最后到达反应管最后一段的底部或下部，同时完成热解、气相反应和激冷过程。
上述多段等离子体反应器的结构设计使得热解和气相反应的工艺参数和操作条件各自独立地被控制或选择、以及可被同时最优化成为可能，而这又是现有单段等离子体反应器的结构设计无论如何也无法达到的。
在上述多段等离子体反应器中，因为热解温度大大低于气相反应温度，所以其中主要发生热解的反应管第一段的操作温度可低于其中主要发生初级挥发分和高反应活性的等离子体成分的气相反应的反应管第二段～第N段的操作温度，因此用于热解的第一加热气体可为氢气、氮气、甲烷、惰性气体和/或氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的等离子体气体，而第二～第N加热气体可为氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的高温等离子体气体。
为了防止由气相反应获得的裂解产物、如乙炔分解或发生二次反应最终形成低价值的烟灰和氢气，所生成的裂解产物在离开所述反应器前必须瞬间被激冷。一般而言，裂解产物在其形成后优选在4毫秒、例如2毫秒之内被激冷至650℃，优选600℃，特别优选527℃以下。所述激冷介质可优选包括水、水蒸汽、丙烷、芳香族化合物、惰性气体、任何类型的碳质材料和/或它们的混合物。
所述反应器系统的压力可以为负压-正压，例如70～200KPa，优选100～150KPa，更优选110～140KPa。反应器的长度和入料流量典型地取决于入料在反应管各段中的停留时间和反应时间。更典型地，在所述反应器中发生的热解、气相反应和激冷的时间总和优选少于50毫秒。
为了获得超细颗粒的或分散良好的碳质材料的优异传送效率和/或实现碳质材料与加热气体的充分混合或紧密接触，通常需要用于传送碳质材料的载气，并且载气可选自于氢气、甲烷、氮气、气态碳质材料、惰性气体和/或它们的混合物。惰性气体的示范性实例例如是氩气和/或氦气。
所述反应器的横截面可是任何形状，例如圆形、方形、椭圆形、多边形或任何其他规则形状。但为了防止反应管内壁表面发生明显结焦，所述反应管第二～第N段的横截面面积优选为反应管第一段的横截面面积的1～3倍，如图4所示。这样的喇叭口设计防止了入料或裂解产物直接冲刷上述反应器内表面、并在其上形成或聚积焦。
同样，为了在所述反应器内部空间中均匀地分布或分散入料、加热气体、裂解产物和/或激冷介质，优选的是：碳质材料和载气入料的入口数量为2～100，第一加热气体的入口数量为1～12，第二～第N加热气体的入口数量为2～64，而激冷介质的入口数量为8～128，而且更优选的是：上述入口在水平方向上被对称和相对地布置。
在本发明多段等离子体反应器中使用的碳质材料可为固态、液态和/或气态材料，而优选为固体碳质材料，其例如选自于煤、煤焦油、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。
在本发明多段等离子体反应器中，所用氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的高温等离子体气体和/或等离子体气体可由一个输入功率为10kW～20MW的等离子体发生器产生。与上述等离子体发生器相关的细节可取自或参考前述参考文献，例如US4358629、CN1562922A或CN101742808A，为了节省篇幅，关于等离子体发生器的详细描述在此省去。
由于主要在反应管第一段中发生的碳质材料热解的时间一般比主要在反应管第二段～第N段中发生的初级挥发分与高温等离子体气体中所含的反应活性高、但存活时间短的等离子体成分的气相反应的时间长，所以入料在第一段中的停留时间远大于其在第二段～第N段中的停留时间，为了实现这一安排，优选的是：两个在水平方向上相对或不直接相对的碳质材料和载气入料的入口、第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成一个角度，并且更优选地：两个在水平方向上相对或不直接相对的碳质材料和载气入料的入口沿垂直方向形成的角度大于两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度，当然，两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度可以相同或不同。
为了获得对裂解产物、特别是新鲜乙炔的最佳激冷效果，以便使它们的产率达到最大，同样优选的是：所述碳质材料和载气入料的入口、第二～第N加热气体的入口、和激冷介质的入口呈中心对称分布，并在水平方向上更优选地形成范围为-60°至+60°的夹角。
本发明多段等离子体反应器的上述新颖结构设计具有以下优点和特征：
首先，当需要根据裂解产物、如乙炔的最大产率所要求的反应温度增加或优化碳质材料粉末的停留或反应时间时，多段等离子体反应器的高度可以随意被加长或缩短。
其次，热气流温度沿多段等离子体反应器纵向方向缓慢或松弛下降或甚至稍许提高将导致为使裂解产物的产率最大化反应气流可在较长的移动距离内被激冷，这将大大提高碳质材料变为裂解产物的转化率。
第三，因为采用逐段或分步加热，避免了严重的能源浪费和在反应器内壁附近过高的温度分布，结果，热释放的过度集中不会出现。
本发明多段等离子体反应器可被用于生产来自各种碳质材料的裂解产物，典型的方法如下所述：
a)借助于载气经所述碳质材料和载气入料的入口，从反应管第一段的侧面将碳质材料引入到反应管第一段中；
b)经位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口将第一加热气体气流引入所述反应管第一段中，其中迫使碳质材料和载气与第一加热气体混合，并且碳质材料随后在第一加热气体气流的热作用下被热解；
c)经第二～第N加热气体的入口分别将第二～第N加热气体引入反应管第二段～第N段中，其中热解产生的挥发分在其中发生气相反应，任选地，碳质材料在第二～第N加热气体气流的热作用下继续被热解，从而产生裂解和/或热解产物；
d)经所述激冷介质的入口将激冷介质引入所述反应器中，以便激冷或冻结所述裂解和/或热解产物；
e)经激冷产物和气体的出口将裂解和/或热解产物、气体、和/或热解的碳质材料残余物排出所述反应器。
一般而言，碳质材料的裂解产物是混合物，其包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯、氢气和焦等，如果想获得某些特定裂解产物、如乙炔，就需要分离所述裂解产物的混合物，以便得到基本纯的裂解产物。例如，前述参考文献US 4367363就公开了从上述裂解产物混合物中分离出纯净乙炔的分离方法。为了节省篇幅，关于分离的详细描述在此省去。
为了获得碳质材料热解和裂解的最佳效果，除了多段等离子体反应器的结构设计外，还应进一步考虑或选择入料的物理和化学性质，以便使裂解产物的产率达到最大。一般而言，碳质材料的平均粒径优选为10～300微米，而碳质材料在进入所述反应器前温度优选为20～300℃。碳质材料和载气的体积比一般为10/90～90/10，优选为20/80～80/20，更优选为30/70～70/30，特别优选为40/60～60/40，例如50/50。
最后，还应该清楚：碳质材料在反应管第一段中被加热的速度优选大于104K/秒，并且为了操作的灵活性和在不同环境下对操作的不同需求，第二～第N加热气体的温度、流量，和/或种类可以相同或不同，而且所述第二～第N加热气体的入口的至少一个可被任选地用作碳质材料和载气入料的补充或辅助入口，以便可任选地至少从第二～第N加热气体的入口之一补充或添加所述碳质材料和载气。
例如，如图3和图4所示，两个相邻的加热气体入口5和12之一、以及7和13之一被用作碳质材料和载气入料的补充或辅助入口，此时，由于取消了两个加热气体的入口，而且碳质材料和载气入料的补充或辅助入口可与加热气体的入口非常近，反应器中各含有碳质材料和载气入料的补充或辅助入口、和加热气体入口的两段可变为一段，如图3和图4所示，五段等离子体反应器最终变为三段等离子体反应器。
实施例
实施例1
其示意图被表示在图1中的两段等离子体裂解煤的反应器被用于将煤转化为乙炔和其他化学品。所述两段等离子体反应器借助于一个输入功率为10kW～20MW的等离子体发生器来工作。如图1所示，所述反应器由两段平直的腔道(即反应管)4和6、一个第一加热气体1的顶部入口、两个煤粉和载气入料2的入口、两个第二加热气体5的入口，两个激冷介质9的入口和一个裂解产物11的出口10组成，其中煤粉和载气入料2与第一加热气体1的混合区3在煤粉和载气入料2的入口下方，并紧靠反应管第一段4的上部。所述反应器的壁在三个加热气体入口附近由铜构成，其他区域由钢构成，同时利用在所述壁和其保护外套之间的环面间隙中高速循环的水来冷却所述反应器的壁。
将一种高挥发性烟煤磨成煤粉颗粒，粒径分布(PSD)为：72重量％＜106微米，100重量％＜150微米。作为入料，300°K煤粉经煤粉入口与氢载气一起被引入到反应管第一段中。经工业分析，以干燥无灰基计算，煤粉含约40重量％的挥发分，同时以干燥基(在110℃下干燥2小时)计算，煤粉具有下面表1所示的元素组成：
表1
| C w％ | H w％ | O w％ | N w％ | S w％ | H2O w％ | 灰分w％ |
| 79.2 | 5.5 | 6.3 | 1.6 | 1.1 | 2.3 | 4.0 |
在以下操作条件下运行所述反应器：系统压力为115kPa，等离子体发生器的输入功率为60kW，煤粉流量30kg/h，氢气流量4.2kg/h(其中作为加热气体流量为4.0kg/h，作为载气流量为0.2kg/h)。氢气作为加热气体被加热成温度约为2600°K的等离子体氢气，以便使热转换因子达到约82％，等离子体氢气随后经一个第一加热气体入口和两个第二加热气体入口被均等地引入到反应管第一段和第二段中。水经两个在裂解产物出口附近的激冷介质入口被喷入到反应器中，以便瞬间激冷或冻结所形成的产物流。煤粉在反应器中的总停留时间约为40毫秒。所述反应器的能量效率约为80％，也就是说，输入功率的80％被产物流和冷却等离子体发生器和等离子体反应器的壁的水所摄取，其中由反应器导致的热损失约为4.6kW。
在上述操作条件下形成的所述反应器的输出产物流具有在下面表2中所示的乙炔产率和能耗：
表2
| 乙炔/100kg煤 | SER |
| 17.4kg | 9.5kWh/kg-C2H2 |
在上述表2中，SER指以电极所传送的电力为基准的总比能需求(grossSpecific Energy Requirement)。
对比实施例1
除了用现有的单段等离子体反应器代替两段等离子体反应器外，重复实施例1所描述的实验步骤，其中两个第二加热气体入口被删除，等量的加热气体经一个第一加热气体入口被喷入到反应管的单段中。
两个不同类型的反应器的性能排列在下面的表3中。通过比较从表3中可明显看出：除了煤转化率略低外，本发明两段等离子体反应器的性能大大好于现有单段等离子体反应器的性能。
表3
| 实施例 | 对比实施例1 | 实施例1 |
| 反应器类型 | 单段反应器 | 两段反应器 |
| 乙炔产率，kg/100kg煤 | 14.2 | 17.4 |
| SER，kWh/kg-C2H2 | 11.4 | 9.5 |
| 产物流中C2H2的质量比例，重量％ | 24.3 | 28.1 |
| 煤转化率，％ | 40.6 | 39.1 |
| 反应器壁的热流量损失，kW | 5.8 | 4.6 |
| 能量效率，％ | 76.7 | 80.2 |
在上述表3中，SER的含义与表2中的相同，能量效率指与输入功率相比被产物流和冷却水所摄取的热的相对数量。
实施例2
除了用三段等离子体反应器代替两段等离子体反应器外，重复实施例1所描述的实验步骤，其中所述三段等离子体反应器借助于一个输入功率为10kW～20MW的等离子体发生器来工作。如图2所示，所述反应器由三段平直的腔道(即反应管)4、6、和8、一个第一加热气体1的顶部入口、两个煤粉和载气入料2的入口、两个第二加热气体5的入口、两个第三加热气体7的入口、两个激冷介质9的入口和一个裂解产物11的出口10组成，其中煤粉和载气入料2与第一加热气体1的混合区3在煤粉和载气入料2的入口下放，并紧靠反应管第一段4的上部。所述反应器的壁在5个加热气体入口附近由铜构成，其他区域由钢构成，同时用在所述壁和其保护外套之间的环面间隙中高速循环的水来冷却所述反应器的壁。实施例2中所用的煤粉与实施例1中所用的相同，并被磨成粒径分布(PSD)为：80重量％＜100微米；和100重量％＜120微米的细粉末。
在以下操作条件下运行所述反应器：系统压力为125kPa，等离子体发生器的输入功率为80kW，煤粉流量40kg/h，氢气流量5.25kg/h(其中作为加热气体流量为5.0kg/h，作为载气流量为0.25kg/h)。氢气作为加热气体被加热成温度约为2800°K的等离子体氢气，以便使热转换因子达到约84％，等离子体氢气随后经一个第一加热气体入口、两个第二加热气体入口和两个第三加热气体入口被均等地引入到反应管第一段、第二段和第三段中。水经两个在裂解产物出口附近的激冷介质入口被喷入到反应器中，以便瞬间激冷或冻结所形成的产物流。煤粉在反应器中的总停留时间约为35毫秒。由传热计算和能量平衡估计：所述反应器的能量效率约为82.2％，也就是说，输入功率的82.2％被产物流和用于冷却等离子体发生器和等离子体反应器的壁的冷却水所摄取，其中由反应器导致的热损失约为5.2kW。
在上述操作条件下形成的所述反应器的输出产物流具有下面表4所示的乙炔产率和能耗：
表4
| 乙炔/100kg煤 | SER |
| 18.1kg | 9.3kWh/kg-C2H2 |
在上述表4中，SER指以电极所传送的电力为基准的总比能需求(grossSpecific Energy Requirement)。
对比实施例2
除了用现有的单段等离子体反应器代替三段等离子体反应器外，重复实施例2中所描述的实验步骤，其中两个第二加热气体入口和两个第三加热气体入口被删除，等量的加热气体通过一个第一加热气体入口被喷入到反应管的单段中。
两个不同类型的反应器的性能排列在下面的表5中。通过比较从表5中可明显看出：除了煤转化率略低外，本发明三段等离子体反应器的性能大大好于现有的单段等离子体反应器的性能，甚至比实施例1中所描述的两段等离子体反应器的性能还好。
表5
| 实施例 | 对比实施例2 | 实施例2 |
| 反应器类型 | 单段反应器 | 三段反应器 |
| 乙炔产率，kg/100kg煤 | 13.7 | 18.1 |
| SER，kWh/kg-C2H2 | 11.9 | 9.3 |
| 产物流中C2H2的质量比例，重量％ | 23.7 | 28.8 |
| 煤转化率，％ | 42.3 | 41.2 |
| 反应器壁的热流量损失，kW | 6.9 | 5.2 |
| 能量效率，％ | 79.5 | 82.2 |
在上述表5中，SER含义与表4中的相同，能量效率指与输入功率相比被产物流和冷却水所摄取的热的相对数量。
本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。
尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。
Claims (32)
1.一种多段等离子体裂解碳质材料反应器，包括：
反应管第一段，用于使碳质材料、载气和第一加热气体混合，以及热解碳质材料；
反应管第二段～第N段，用于使热解产生的挥发分发生气相反应，其中N为大于或等于2的整数；
至少一个位于反应管第一段侧面的碳质材料和载气入料的入口；
至少一个位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口；
至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；
至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；
至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口；
其中，碳质材料从反应管第一段的侧面进入反应管中，并向下流动，最后到达反应管最后一段的底部或下部，同时完成热解、气相反应和激冷过程。
2.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述反应管第一段的操作温度确保进入其中的碳质材料的温度达到650℃～1250℃，同时所述反应管第二段～第N段的操作温度确保在其中发生的气相反应温度达到1500℃～2900℃。
3.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述第一加热气体为氢气、氮气、甲烷、惰性气体和/或氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的等离子体气体，同时第二～第N加热气体为氢气、氮气、甲烷和/或惰性气体的高温等离子体气体。
4.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中进入所述反应器中的激冷介质确保其中的反应产物在离开反应器前被激冷至低于527℃。
5.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中热解形成的挥发分在反应管第二段～第N段各段中发生的气相反应时间为0.4～4.0毫秒。
6.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中在所述反应器中发生的热解、气相反应和激冷的时间总和少于50毫秒。
7.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述激冷介质包括水、丙烷、芳香族化合物、惰性气体和/或它们的混合物。
8.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述载气选自于氢气、甲烷、氮气、惰性气体和/或它们的混合物。
9.根据权利要求3或7或8所述的多段等离子体反应器，其中所述惰性气体是氩气。
10.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述反应管的横截面为圆形、椭圆形、多边形或任何其他规则形状。
11.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述反应管的第二段～第N段横截面的面积为反应管第一段横截面的面积的1～3倍。
12.根据权利要求1所述的多段等离子体反应器，其中所述碳质材料和载气的入口数量为2～100，所述第一加热气体的入口数量为1～12，所述第二～第N加热气体的入口数量为2～64，而所述激冷介质的入口数量为8～128。
13.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述各入口在水平方向上被对称和/或相对地布置。
14.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述碳质材料为固态、液态和/或气态材料。
15.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述碳质材料进一步选自于煤、煤焦油、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成聚合物、市政固体垃圾和/或它们的混合物。
16.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述高温等离子体气体和氢气、氮气、甲烷、和/或惰性气体的等离子体气体由输入功率为10kW～20MW的等离子发生器产生。
17.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述碳质材料和载气入料的入口、第二～第N加热气体的入口、和激冷介质的入口呈中心对称分布，在水平方向上形成范围为-60°至+60°的夹角。
18.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中两个在水平方向上相对或不直接相对的所述碳质材料和载气入料的入口、和第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成一个角度。
19.根据权利要求18所述的多段等离子体反应器，其中两个在水平方向上相对或不直接相对的碳质材料和载气入料的入口沿垂直方向形成的角度大于两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度。
20.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中两个在水平方向上相对或不直接相对的第二～第N加热气体的入口沿垂直方向形成的角度是相同或不同的。
21.根据权利要求1-8和10-12任一项所述的多段等离子体反应器，其中所述第二～第N加热气体的入口的至少一个被用作碳质材料和载气入料的补充或辅助入口。
22.一种使用根据权利要求1-21中任一项所述的多段等离子体反应器裂解碳质材料的方法，包括：
a)借助于载气经碳质材料和载气入料的入口从反应管第一段的侧面将碳质材料引入到反应管第一段中；
b)经位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口将第一加热气体气流引入所述反应管第一段中，其中迫使碳质材料和载气与第一加热气体混合，并且碳质材料随后在第一加热气体气流的热作用下被热解；
c)经第二～第N加热气体的入口分别将第二～第N加热气体引入反应管第二段～第N段中，其中由热解产生的挥发分在其中发生气相反应，碳质材料在第二～第N加热气体气流的热作用下继续被热解，从而产生裂解和/或热解产物；
d)经所述激冷介质的入口将激冷介质引入所述反应器中，以便激冷或冻结所述裂解和/或热解产物；
e)经所述激冷产物和气体的出口将裂解和/或热解产物、气体，和/或热解的碳质材料残余物排出所述反应器。
23.一种使用根据权利要求1-21中任一项所述的多段等离子体反应器生产乙炔的方法，包括：
a)借助于载气经碳质材料和载气入料的入口从反应管第一段的侧面将碳质材料引入到反应管第一段中；
b)经位于反应管第一段顶部的第一加热气体的入口将第一加热气体气流引入所述反应管第一段中，其中迫使碳质材料和载气与第一加热气体混合，并且碳质材料随后在第一加热气体气流的热作用下被热解；
c)经第二～第N加热气体的入口分别将第二～第N加热气体引入反应管第二段～第N段中，其中由热解产生的挥发分在其中发生气相反应，碳质材料在第二～第N加热气体气流的热作用下继续被热解，从而产生裂解和/或热解产物；
d)经所述激冷介质的入口将激冷介质引入所述反应器中，以便激冷或冻结所述裂解和/或热解产物；
e)经激冷产物和气体的出口将裂解和/或热解产物、气体，和/或热解的碳质材料的残余物排出所述反应器；
f)从裂解和/或热解产物和气体中分离出乙炔。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中裂解和/或热解产物包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯和焦。
25.根据权利要求22或23所述的方法，其中碳质材料的平均粒径为10～300微米。
26.根据权利要求22或23所述的方法，其中碳质材料在进入所述反应器前温度为20～300℃。
27.根据权利要求22或23所述的方法，其中碳质材料和载气的体积比为10/90～90/10。
28.根据权利要求22或23所述的方法，其中所述反应器的操作压力为负压至正压。
29.根据权利要求22或23所述的方法，其中碳质材料在反应管第一段中被加热的速率大于104K/秒。
30.根据权利要求22或23所述的方法，其中裂解产物在其形成后4毫秒内被激冷。
31.根据权利要求22或23所述的方法，其中所述第二～第N加热气体的温度、流量和/或种类是相同或不同的。
32.根据权利要求22或23所述的方法，其中至少从第二～第N加热气体的入口之一补充或添加所述碳质材料和载气。
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