CN103756713B - 多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及清洁能源领域，尤其涉及多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺，包括：将CO2、煤、O2、水蒸汽送进多等离子体炬制氢发生器（3）内制氢；将CO2、煤、O2、水蒸汽、H2送进多等离子体炬制油合成器（6）、多等离子体炬制甲烷发生器（18）分别进行液化反应、甲烷化反应；捕集CO2送CO2脱氧器（14）进行脱氧反应。本发明的有益效果在于：1、任何煤种都可以，包括生活垃圾、有机质、污泥都可以做为原料使用；2、原料消耗少：节煤50—85%，节水50—75%，不产生污水；3、转化率提高：30%以上；4、CO2全部捕集使用；5、设备投资节约60—90%；6、节约用地20—50%；7、降低生产成本30—60%；8、工艺流程少：设备不容易出故障；9、适合大规模生产。

Description

多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺
技术领域
本发明涉及清洁能源领域，尤其涉及多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺。
背景技术
现行直接液化与间接液化煤制油技术的主要缺陷：
1、对煤质要求高：如直接液化对煤种要求很高，我国只有少数几个地区的煤炭适合。对煤质的高要求，如：
（1）煤化程度
煤化程度越深，加氢液化越难。高等挥发烟煤（长焰煤、气煤）和年轻褐煤是比较适宜的液化原料，中等变质程度以上的很难液化。
（2）煤岩组成
镜质组和壳质组是活性组分，易加氢液化，而惰质组难液化或根本不能液化。
（3）矿物质组成及含量
矿物质的含量越低越好，5%左右最好，最大不超过10%。
2、原料消耗大：制1吨油产品，需耗煤3—6吨，需耗水7—12吨，产生污水4—6吨。
3、转化率低：40—60%。
4、大量CO2浪费：制1吨油产品，需产生排放CO2量6—12吨。
5、设备投资大：平均每1万吨需设备投资1.2—1.8亿元。
6、占地面积大：因工艺繁杂，造成土地不能集约使用。
7、生产成本高：制1吨油产品，需3500—6500元。
8、工艺流程多：设备容易出故障。
9、单条生产线规模小：单条生产线年制油在20万吨以下。
现行煤制天然气的几种技术，也存在这9大主要问题。尤其设备投资更大，如年产40亿立方煤制天然气项目，需设备投资240—300亿元。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供多等离子体炬联产制油与天然气的装置及其工艺，克服现有技术的缺陷，实现原料多样化、转化率高、投资少、处理规模大的同时，使原料得到合理利用、循环利用。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：多等离子体炬联产制油与天然气的装置，包括：CO2保温罐、螺杆传感送煤器、O2储罐、水蒸汽储罐、H2储罐、CO2脱氧器、多等离子体炬制氢发生器、多等离子体炬制油合成器、脱杂净化分离器、加H2微波分馏器、多等离子体炬制甲烷发生器、二级CH4发生器、三级CH4发生器、CH4冷却器、CH4储罐、汽油储罐、柴油储罐；所述CO2保温罐、螺杆传感送煤器、O2储罐、水蒸汽储罐与多等离子体炬制氢发生器、多等离子体炬制油合成器、多等离子体炬制甲烷发生器连通，H2储罐与多等离子体炬制氢发生器、多等离子体炬制油合成器、多等离子体炬制甲烷发生器连通，多等离子体炬制油合成器、脱杂净化分离器、加H2微波分馏器依次连通，加H2微波分馏器与汽油储罐、柴油储罐连通；多等离子体炬制甲烷发生器、二级CH4发生器、三级CH4发生器、CH4冷却器、CH4储罐依次连通，加H2微波分馏器、三级CH4发生器与水蒸汽储罐连通，多等离子体炬制油合成器、多等离子体炬制甲烷发生器与CO2脱氧器、螺杆传感送煤器）连通，CO2脱氧器与O2储罐连通。
作为优选，所述多等离子体炬制氢发生器包括等离子体炬、文丘里催化器、循环弯管、送煤管、蒸汽锅炉、余热锅炉、H2净化器、水蒸汽储罐、蒸汽轮机、发电机、远程防爆监控器、水蒸汽进口、O2进口、螺杆出灰渣口；多等离子体炬制氢发生器炉膛顶端设有蒸汽锅炉、余热锅炉、H2净化器，蒸汽锅炉与蒸汽轮机连接为发电机发电，余热锅炉与水蒸汽储罐连接，H2净化器与H2储罐连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛下部设有文丘里催化器，文丘里催化器与等离子体炬连接，CO2保温罐与等离子体炬、螺杆传感送煤器连接，螺杆传感送煤器通过送煤管将CO2送入多等离子体炬制氢发生器炉膛，多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有循环弯管，循环弯管与送煤管连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有水蒸汽进口，水蒸汽储罐与水蒸汽进口连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有O2进口，O2进口与O2储罐连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有远程防爆监控器，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制氢发生器炉膛底部设有螺杆出灰渣口。
作为优选，所述多等离子体炬制油合成器包括：等离子体炬、文丘里催化器、循环弯管、送煤管、远程防爆监控器、加H2进气口、加水蒸汽进气口、加O2进气口；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器连接，CO2脱氧器与碳黑回收器、O2储罐连接；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器，文丘里催化器与等离子体炬连接，CO2保温罐与等离子体炬、螺杆传感送煤器连接，螺杆传感送煤器通过送煤管将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管，循环弯管与送煤管连接；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池连接，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器连接。送煤管上设有加H2进气口、加水蒸汽进气口、加O2进气口，加O2进气口与O2储罐连接。
作为优选，所述多等离子体炬制甲烷发生器由等离子体炬、文丘里催化器、循环弯管、送煤管、远程防爆监控器、加H2进气口、加O2进气口组成；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器、二级CH4发生器连接，二级CH4发生器与三级CH4发生器连接，CO2脱氧器与碳黑回收器、O2储罐连接；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器，文丘里催化器与等离子体炬连接，CO2保温罐与等离子体炬、螺杆传感送煤器连接，螺杆传感送煤器通过送煤管将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管，循环弯管与送煤管连接；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池连接，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器连接。送煤管上设有加H2进气口、加O2进气口，加O2进气口与O2储罐连接。
作为优选，所述的等离子体炬包括：空心阴极底座、凹凸阴极、一阳极、二阳极、长增压筒、阴极冷却循环水、阳极冷却循环水、长增压筒冷却循环水、载体风、电极催化芯、绝缘体、直流电源、高压脉冲电源、高压脉冲器；所述载体风包括：第一路载体风、第二路载体风、第三路载体风、第四路载体风、第五路载体风；所述空心阴极底座、凹凸阴极、一阳极、二阳极、长增压筒依次排列并且左右对称，所述直流电源的阴极与一侧的空心阴极底座、凹凸阴极连接，直流电源的阳极与同侧的一阳极、二阳极连接；所述高压脉冲电源的阴极与另一侧的空心阴极底座、凹凸阴极连接，高压直流脉冲电源的阳极与同侧的一阳极、二阳极连接；蜂窝状的电极催化芯插在等离子炬催化器中央，一端通过绝缘体与高压脉冲器连接；阴极冷却循环水流经左右两侧的空心阴极底座、凹凸阴极，阳极冷却循环水流经左右两侧的一阳极、二阳极，长增压筒冷却循环水流经两侧的长增压筒。
多等离子体炬联产制油与天然气的工艺，包括以下步骤：
1）打开远程防爆总控监测系统电源开关；
2）打开CO2保温罐、螺杆传感送煤器、O2储罐、水蒸汽储罐阀门，分别将CO2、煤、O2、水蒸汽送进多等离子体炬制氢发生器内制氢，生成的H2送H2储罐，CO2送CO2保温罐；多等离子体炬制氢发生器制氢反应温度为200—1050℃，压力为0.01—10MPa；
3）CO2保温罐、螺杆传感送煤器、O2储罐、水蒸汽储罐、H2储罐分别将CO2、煤、O2、水蒸汽、H2送进多等离子体炬制油合成器进行液化反应生成液化合成物；液化合成物送脱杂净化分离器净化后得到C5-18H10-36烃类物质和液体溶液：C5-18H10-36烃类物质送加H2微波分流器，H2储罐将H2通入加H2微波分流器与C5-18H10-36烃类物质反应生成粗油；粗油进行油品分离；液体溶液送循环溶剂池供多等离子体炬制油合成器作为加氢溶剂循环应用；
4）CO2保温罐、螺杆传感送煤器、O2储罐、水蒸汽储罐、H2储罐分别将CO2、煤、O2、水蒸汽、H2送进多等离子体炬制甲烷发生器进行甲烷化反应；将多等离子体炬制甲烷发生器中CH4含量达到15—70%时送二级CH4发生器，二级CH4发生器中CH4含量达到70—85%时送三级CH4发生器中继续通入H2储罐（4）输出的H2制取CH4；三级CH4发生器将CH4送CH4冷却器冷却；
5）将多等离子体炬制油合成器捕集的CO2送CO2脱氧器进行脱氧反应，将O2送O2储罐，C送碳黑回收器；将多等离子体炬制甲烷发生器捕集的CO2送CO2脱氧器进行脱氧反应，将O2送O2储罐，C送碳黑回收器。
作为优选，步骤3）还包括催化剂，催化剂送入多等离子体炬制油合成器，催化剂为稀土钛系化合物、稀土铁系化合物中的一种或两者混合物。
作为优选，步骤4）还包括催化剂，催化剂送入多等离子体炬制甲烷发生器，催化剂为稀土钛系化合物、稀土铁系化合物中的一种或两者混合物。
本发明的有益效果在于：1、任何煤种都可以，包括生活垃圾、有机质、污泥都可以做为原料使用；2、原料消耗少：节煤50—85%，节水50—75%，不产生污水；3、转化率提高：30%以上；4、CO2全部捕集使用；5、设备投资节约60—90%；6、节约用地20—50%；7、降低生产成本30—60%；8、工艺流程少：设备不容易出故障；9、适合大规模生产：可几倍或十几倍地提高单条生产线年制油与制天然气的生产能力。
附图说明
图1是油与天然气联产结构示意图；
图2是多等离子体炬碳氢氧循环煤制油的工艺示意图；
图3是多等离子体炬碳氢氧循环煤制天然气的工艺示意图；
图4是多等离子体炬制氢发生器的结构示意图；
图5是多等离子体炬制油合成器的结构示意图；
图6是多等离子体炬制甲烷发生器的结构示意图；
图7是等离子体炬的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
多等离子体炬联产制油与天然气的装置，包括：CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、多等离子体炬制氢发生器3、H2储罐4、催化剂5、多等离子体炬制油合成器6、脱杂净化分离器7、加H2微波分馏器8、汽油储罐9、柴油储罐10、循环溶剂池11、硝基硫基尘渣池12、碳黑回收器13、CO2脱氧器14、O2储罐15、水蒸汽储罐16、远程防爆总控监测系统17、多等离子体炬制甲烷发生器18、二级CH4发生器19、三级CH4发生器20、CH4冷却器21、冷却水池22、CH4储罐23；所述CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、O2储罐15、水蒸汽储罐16与多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制油合成器6、多等离子体炬制甲烷发生器18连通，H2储罐4与多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制油合成器6、多等离子体炬制甲烷发生器18连通，多等离子体炬制氢发生器3、催化剂5、多等离子体炬制油合成器6依次连通，多等离子体炬制氢发生器3、催化剂5、多等离子体炬制甲烷发生器18依次连通，多等离子体炬制油合成器6、脱杂净化分离器7、加H2微波分馏器8依次连通，加H2微波分馏器8与汽油储罐9、柴油储罐10连通，脱杂净化分离器7与循环溶剂池11、硝基硫基尘渣池12连通；多等离子体炬制甲烷发生器18、二级CH4发生器19、三级CH4发生器20、CH4冷却器21、CH4储罐23依次连通，三级CH4发生器20还与冷却水池22连通；加H2微波分馏器8、三级CH4发生器20与水蒸汽储罐16连通，多等离子体炬制油合成器6、多等离子体炬制甲烷发生器18与CO2脱氧器14、碳黑回收器13连通，碳黑回收器13中的碳供多等离子体炬制油合成器6循环使用，或直接作为碳黑产品出售；CO2脱氧器14与O2储罐15连通。
为了提高产业化规模，节约土地，降低设备投资，降低生产成本和运营成本，优选油与天然气联产方式，如图1所示：
优选5个多等离子体炬制氢发生器3制氢，统一送H2储罐4，供制油与天然气使用。
优选3个多等离子体炬制油合成器6串联直接液化制油。
优选5个多等离子体炬制甲烷发生器18串联直接制天然气。
优选催化剂为稀土钛系化合物、稀土铁系化合物中的一种或两者混合物。
图2是多等离子体炬碳氢氧循环煤制油工艺示意图，图中装置包括：CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、多等离子体炬制氢发生器3、H2储罐4、催化剂5、多等离子体炬制油合成器6、脱杂净化分离器7、加H2微波分馏器8、汽油储罐9、柴油储罐10、循环溶剂池11、硝基硫基尘渣池12、碳黑回收器13、CO2脱氧器14、O2储罐15、水蒸汽储罐16、远程防爆总控监测系统17。螺杆传感送煤器2的煤吹送CO2保温罐1的CO2进入多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制油合成器6，催化剂5与多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制油合成器6连接，多等离子体炬制油合成器6与脱杂净化分离器7连接，脱杂净化分离器7与加H2微波分馏器8、循环溶剂池11、硝基硫基尘渣池12连接，循环溶剂池11与多等离子体炬制油合成器6连接；多等离子体炬制氢发生器3制出的氢气送H2储罐4，H2储罐4的H2一部分送多等离子体炬制油合成器6，另一部分送加H2微波分馏器8，加H2微波分馏器8与汽油储罐9、柴油储罐10、水蒸汽储罐16连接，水蒸汽储罐16与多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制油合成器6连接；多等离子体炬制油合成器6还与CO2脱氧器14连接，CO2脱氧器14脱氧后的O2通过O2储罐15存储并输送至多等离子体炬制氢发生器3，CO2脱氧器14脱氧后的碳由碳黑回收器13回收并与螺杆传感送煤器2输出的煤一起加入循环反应。
实施步骤：
1）打开远程防爆总控监测系统17电源开关，以及有关系统循环水开关；
2）依次打开CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、O2储罐15、水蒸汽储罐16阀门，分别将CO2、煤、水蒸汽、O2等送进多等离子体炬制氢发生器3内进行制氢；
优选CO2保温罐1保持CO2气体温度200—1050℃，热能来源可以是直接捕集高温状态下的CO2送进CO2保温罐1，或通过热交换加温CO2气体后进CO2保温罐1；
优选多等离子体炬制氢发生器3制氢反应温度200—1050℃，压力0.01—10MPa；
优选多等离子体炬制氢发生器3完成的主要反应有：
CO2+C（煤）——2CO    （1）
CO+O2——CO2          （2）
CO+H2O——H2+CO2      （3）
反应式（1）为催化反应，将CO2+C（煤）直接转化成CO；
反应式（2）为氧化反应，将约2—15%CO燃烧，为多等离子体炬制氢发生器3增加反应温度，达到最大限度节省电能消耗的目的；
反应式（3）为直接制氢反应，85—95%CO与H2O（水蒸汽）反应产生H2+CO2，经通氢分子筛分离将CO2送CO2保温罐1循环使用；将H2送H2储罐4，一部分H2送多等离子体炬制油合成器6内直接合成液化，一部分H2送加H2微波分馏器8内精制油类产品；
3）将CO2、煤、水蒸汽、O2等送进多等离子体炬制油合成器6内进行直接液化反应；
优选多等离子体炬制油合成器6直接液化合成温度200—480℃，压力3—32MPa；
优选多等离子体炬制油合成器6完成除反应式（1）、（2）、（3）外，主要反应为直接液化产生烃类（粗油）产品：
CO2+C（煤、碳黑）+H2O（水蒸汽）+H2+O2——C5-18H10-36+H2O   （4）
nCO+2n H2→n H2O+Cn H2n          （5）
nCO+(2n+1)H2→n H2O+Cn H2n     （6）
反应式（4）为直接液化反应；
反应式（5）、（6）为同步间接液化反应；
本发明通过反应式（4）、（5）、（6）几乎同步反应，能明显提高汽油辛烷值与柴油十六辛烷值20%以上，大大提高油品质量；
4）将多等离子体炬制油合成器6合成液化物中C5-18H10-36烃类物质含量达到30—80%时，将烃类物质送脱杂净化分离器7净化分离，其中：
将净化后的C5-18H10-36烃类物质送加H2微波分馏器8继续加H2反应；
将除尘渣和脱硫、脱硝的尘渣硫硝物质送硝基硫基尘渣池12，供做硝基硫基肥料原料；
将净化后多余H2经H2管道送加H2微波分馏器8内精制油类产品；
将净化后以含有石脑油等物质为主的液体溶液送循环溶剂池11，供多等离子体炬制油合成器6作为加氢溶剂循环应用；
5）将加H2微波分馏器8合成的粗油进行油品分离，将分馏的C5-11H10-22（汽油）送汽油储罐9，将分馏的C12-18H24-36（柴油）送柴油储罐10。
本发明煤制油工艺优选完成反应的主要机理为：
等离子体热裂解反应→加氢反应→脱杂原子反应→油品。
1、煤+CO2等离子体加氢在多等离子体炬制油合成器6内直接液化过程中，在200—300℃时，煤的化学结构中键能最弱的部分开始断裂转化成自由基碎片：R-CH2-CH2-R′v R→CH2+R′-CH2；
2、煤在CO2等离子体热解过程中，生成的游离基从供氢溶剂中取得氢而稳定下来，生成分子量较小的以C5-18H10-36为主的烃类产物；
3、煤中的有机质中的杂原子如O、N、S在加氢的条件下能与氢反应，分别生成H2O、H2S、NH3等，对提高煤加氢液化产品的质量和保护环境很重要；同时H2S、NH3经脱杂净化分离器7脱硝脱硫净化处理，可生产硝基硫基肥料。
本发明H2S、NH3也可以在脱杂净化分离器7内用高压脉冲净化器进行脱硫、脱硝，同时回收H2循环利用。
主要反应为：
H2S——H2+S         （6）
2NH3——3H2+N2      （7）；
6）将多等离子体炬制油合成器6捕集的CO2送CO2脱氧器14进行脱氧反应：将O2送O2储罐15，供多等离子体炬制氢发生器3和多等离子体炬制油合成器6循环使用；将C送碳黑回收器13，供多等离子体炬制油合成器6循环使用，或直接作为碳黑产品出售；
CO2脱氧器14完成主要反应：
CO2——C（碳黑）+O2     （8）
本发明从多等离子体炬制氢发生器3和多等离子体炬制油合成器6两处捕集的CO2，在密闭环境下100%回收，实现C、O2资源化循环利用，达到节煤、节能目的。
本发明经脱杂净化分离器7处理，用尘渣硝硫物质做硝基硫基肥料，实现污染物近零排放，达到环保清洁能源目的。
本发明催化剂为价格低廉的稀土钛系化合物或稀土铁系化合物，或2者混合物。
图3是多等离子体炬碳氢氧循环煤制天然气的工艺示意图，图中装置包括：CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、多等离子体炬制氢发生器3、H2储罐4、催化剂5、多等离子体炬制甲烷发生器18、二级CH4发生器19、三级CH4发生器20、CH4冷却器21、冷却水池22、CH4储罐23、硝基硫基尘渣池12、碳黑回收器13、CO2脱氧器14、O2储罐15、水蒸汽储罐16、远程防爆总控监测系统17。螺杆传感送煤器2的煤吹送CO2保温罐1的CO2进入多等离子体炬制氢发生器3、多等离子体炬制甲烷发生器18，催化剂5与多等离子二级CH4发生器19连接，二级CH4发生器19与三级CH4发生器20连接，三级CH4发生器20与水蒸汽储罐16、CH4冷却器21连接，CH4冷却器21与冷却水池22、CH4储罐23连接，水蒸汽储罐16与多等离子体炬制氢发生器3、多多等离子体炬制甲烷发生器18连接，多等离子体炬制氢发生器3制出的氢气送H2储罐4，H2储罐4的H2送多等离子体炬制甲烷发生器18、二级CH4发生器19、三级CH4发生器20；多等离子体炬制甲烷发生器18还与CO2脱氧器14连接，CO2脱氧器14脱氧后的O2通过O2储罐15存储并输送至多等离子体炬制氢发生器3，CO2脱氧器14脱氧后的碳由碳黑回收器13回收并与螺杆传感送煤器2输出的煤一起加入循环反应。
实施步骤：
1）打开远程防爆总控监测系统17电源开关，以及有关系统循环水开关；
2）依次打开CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、O2储罐15、水蒸汽储罐16阀门，分别将CO2、煤、O2等送进多等离子体炬制甲烷发生器18内进行甲烷化反应；
优选多等离子体炬制甲烷发生器18甲烷化反应温度200—750℃，压力0.01—25MPa；
优选多等离子体炬制甲烷发生器18完成的主要反应有：
CO2+C（煤）——2CO       （1）
CO+O2——CO2             （2）
反应式（1）为催化反应，将CO2+C（煤）直接转化成CO；
反应式（2）为氧化反应，将约2—15%CO燃烧，为多等离子体炬制甲烷发生器18增加反应温度，达到最大限度节省电能消耗的目的；
CO2+C（煤、碳黑）+H2O（水蒸汽）+H2+O2——CH4+H2O  （9）
CO+3H2→CH4+H2O                                  （10）
反应式（9）为直接甲烷化反应；
反应式（10）为同步甲烷化反应；
3）将多等离子体炬制甲烷发生器18中CH4含量达到15—70%时，送二级CH4发生器19和三级CH4发生器20中继续加H2制取CH4；
优选二级CH4发生器18中CH4含量达到70—85%时送三级CH4发生器20中继续加H2制取CH4；
将多等离子体炬制甲烷发生器18除尘渣和脱硫、脱硝的尘渣硫硝物质送硝基硫基尘渣池12，供做硝基硫基肥料原料；
4）将三级CH4发生器20高含量CH4送CH4冷却器21冷却，冷却水送冷却水池22循环利用。冷却后CH4送CH4储罐23；
优选CH4冷却器21温度20℃以下；
优选送CH4储罐23的CH4含量达到94%以上；
5）将多等离子体炬制甲烷发生器18捕集的CO2送CO2脱氧器14进行脱氧反应。将O2送O2储罐15，供多等离子体炬制氢发生器3和多等离子体炬制甲烷发生器18循环使用；将C送碳黑回收器13，供多等离子体炬制甲烷发生器18循环使用，或直接作为碳黑产品出售；
CO2脱氧器14完成主要反应：
CO2——C（碳黑）+O2     （8）
本发明通过三级加氢方式直接制天然气，工艺简单易行，充分实现碳、氢、氧循环利用和污染近零排放。
图4是多等离子体炬制氢发生器3的结构示意图，多等离子体炬制氢发生器3由等离子体炬24、文丘里催化器25、循环弯管26、送煤管27、蒸汽锅炉28、余热锅炉29、H2净化器30、水蒸汽储罐31、蒸汽轮机32、发电机33、远程防爆监控器34、水蒸汽进口35、O2进口36、螺杆出灰渣口37组成；多等离子体炬制氢发生器炉膛顶端设有蒸汽锅炉28、余热锅炉29、H2净化器30，蒸汽锅炉28与蒸汽轮机32连接为发电机33发电，余热锅炉29与水蒸汽储罐31连接，H2净化器30与H2储罐4连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛下部设有文丘里催化器25，文丘里催化器25与等离子体炬24连接，CO2保温罐1与等离子体炬24、螺杆传感送煤器2连接，螺杆传感送煤器2通过送煤管27将CO2送入多等离子体炬制氢发生器炉膛，多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有循环弯管26，循环弯管26与送煤管27连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有水蒸汽进口35，水蒸汽储罐31与水蒸汽进口35连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有O2进口36，O2进口36与O2储罐15连接；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有远程防爆监控器34，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制氢发生器炉膛底部设有螺杆出灰渣口37。
实施步骤：
1）打开等离子体炬24电源和循环水阀门；
2）依次打开CO2储罐14、O2储罐15、水蒸汽储罐31、螺杆传感送煤器2阀门，将CO2、O2、水蒸汽和煤送进多等离子体炬制氢发生器内膛3进行直接氢；
优选CO2保温罐1保持CO2气体温度200—1050℃。热能来源可以是直接捕集高温状态下的CO2送进CO2保温罐1，或通过热交换加温CO2气体后进CO2保温罐1；
优选多等离子体炬制氢发生器3制氢反应温度200—1050℃，压力0.01—10MPa；
优选多等离子体炬制氢发生器3完成的主要反应有：
CO2+C（煤）——2CO     （1）
CO+O2——CO2           （2）
CO+H2O——H2+CO2       （3）
反应式（1）为催化反应，将CO2+C（煤）直接转化成CO；
反应式（2）为氧化反应，将约2—15%CO燃烧，为多等离子体炬制氢发生器3增加反应温度，达到最大限度节省电能消耗的目的；
反应式（3）为直接制氢反应，85—98%CO与H2O（水蒸汽）反应产生H2+CO2，经通氢分子筛分离将CO2送CO2保温罐1循环使用。将H2送H2净化器30净化后送H2储罐4；
优选多等离子体炬制氢发生器内膛3上部温度为500—1050℃；
优选多等离子体炬制氢发生器内膛3中部温度为400℃以上；
优选多等离子体炬制氢发生器内膛3下部温度为200—300℃以上；
优选多等离子体炬制氢发生器内膛3压力0.1KPa—12MPa；
优选多等离子体炬制氢发生器内膛3高度2—80米，内径Φ0.5—50米；
优选循环弯管5进口气体温度300℃以上；
本发明循环弯管26优点，一是利用多等离子体炬制氢发生器内膛3的高温气体送进送煤管27，给煤粉直接预热，有利于CO2+煤催化反应。二是形循环成涡，有效克服普通气化炉送煤不顺畅的缺陷；
优选等离子体炬24排列为1—10层，每层1—12个；
优选等离子体炬24每层4个一组，形成涡流切圆式反应气流；
优选等离子体炬24功率50KW—3MW；
优选蒸汽锅炉28蒸汽出口温度300—705℃；
优选余热锅炉29蒸汽出口温度150℃以上；
3）将蒸汽锅炉28蒸汽送蒸汽轮机32供发电机33发电；
4）余热锅炉29蒸汽送水蒸汽储罐31后经水蒸汽进口35送进多等离子体炬制氢发生器内膛3；
5）打开远程防爆监控器34电源，在线监测多等离子体炬制氢发生器内膛3上、中、下部温度、压强、气体成分，以及超温、超压自动防爆报警或超低温、超低压自动报警；
6）将多等离子体炬制氢发生器内膛3的灰渣，从螺杆出灰渣口37处排出。
图5是多等离子体炬制油合成器6的结构示意图，多等离子体炬制油合成器6由等离子体炬24、文丘里催化器25、循环弯管26、送煤管27、远程防爆监控器34、加H2进气口38、加水蒸汽进气口39、加O2进气口40组成；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器14连接，CO2脱氧器14与碳黑回收器13、O2储罐15连接；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器25，文丘里催化器25与等离子体炬24连接，CO2保温罐1与等离子体炬24、螺杆传感送煤器2连接，螺杆传感送煤器2通过送煤管27将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管26，循环弯管26与送煤管27连接；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器34，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池11连接，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器7连接。送煤管27上设有加H2进气口38、加水蒸汽进气口39、加O2进气口40，加O2进气口40与O2储罐15连接。
实施步骤：
1）打开等离子体炬24电源和循环水阀门；
2）依次打开H2储罐4、CO2储罐1、O2储罐15、水蒸汽储罐31、螺杆传感送煤器2阀门，将H2、CO2、O2、水蒸汽和煤送进多等离子体炬制油合成器6进行直接液化反应；
优选H2从加H2进气口38送进；
优选CO2从等离子体炬24载体风送进；
优选水蒸汽从加水蒸汽进气口39送进；
优选O2从加O2进气口40送进；
优选多等离子体炬制油合成器6直接液化温度200—480℃，压力3—32MPa；
优选多等离子体炬制油合成器6完成除反应式（1）、（2）、（3）外，主要反应为直接液化产生烃类（粗油）产品：
CO2+C（煤、碳黑）+H2O（水蒸汽）+H2+O2——C5-18H10-36+H2O    （4）
nCO+2n H2→n H2O+CnH2n           （5）
nCO+(2n+1)H2→n H2O+CnH2n        （6）
反应式（4）为直接液化反应；
反应式（5）、（6）为同步间接液化反应；
本发明通过反应式（4）、（5）、（6）几乎同步反应，能明显提高汽油辛烷值与柴油十六辛烷值20%以上，大大提高油品质量；
3）将多等离子体炬制油合成器6合成液化物中C5-18H10-36烃类物质含量达到30—80%时，将烃类物质送脱杂净化分离器7净化分离；
将净化后以含有石脑油等物质为主的液体溶液送循环溶剂池11，供多等离子体炬制油合成器内膛6作为加氢溶剂循环应用；
优选等离子体炬24排列为1—8层，每层4—8个；
优选等离子体炬24每层4个一组，形成涡流切圆式反应气流；
优选等离子体炬24功率50KW—3MW；
4）打开远程防爆监控器34电源，在线监测多等离子体炬制油合成器内膛6上、中、下部温度、压强、气体成分，以及超温、超压自动防爆报警或超低温、超低压自动报警。
图6是多等离子体炬制甲烷发生器18的结构示意图，多等离子体炬制甲烷发生器18由等离子体炬24、文丘里催化器25、循环弯管26、送煤管27、远程防爆监控器34、加H2进气口38、加O2进气口40组成；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器14、二级CH4发生器19连接，二级CH4发生器19与三级CH4发生器20连接，CO2脱氧器14与碳黑回收器13、O2储罐15连接；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器25，文丘里催化器25与等离子体炬24连接，CO2保温罐1与等离子体炬24、螺杆传感送煤器2连接，螺杆传感送煤器2通过送煤管27将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管26，循环弯管26与送煤管27连接；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器34，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池11连接，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器7连接。送煤管27上设有加H2进气口38、加O2进气口40，加O2进气口40与O2储罐15连接。
实施步骤：
1）打开多等离子体炬制甲烷发生器18电源开关和循环水阀门；
2）依次打开CO2保温罐1、螺杆传感送煤器2、O2储罐15、水蒸汽储罐16阀门，分别将CO2、煤、O2等送进多等离子体炬制甲烷发生器18内进行甲烷化反应；
优选多等离子体炬制甲烷发生器18甲烷化反应温度200—750℃，压力0.01—25MPa；
优选多等离子体炬制甲烷发生器18完成的主要反应有：
CO2+C（煤）——2CO      （1）
CO+O2——CO2            （2）
反应式（1）为催化反应，将CO2+C（煤）直接转化成CO；
反应式（2）为氧化反应，将约2—15%CO燃烧，为多等离子体炬制甲烷发生器18增加反应温度，达到最大限度节省电能消耗的目的；
CO2+C（煤、碳黑）+H2O（水蒸汽）+H2+O2——CH4+H2O    （9）
CO+3H2→CH4+H2O           （10）
反应式（9）为直接甲烷化反应；
反应式（10）为同步甲烷化反应；
3）将多等离子体炬制甲烷发生器18中CH4含量达到15—70%时，送二级CH4发生器19和三级CH4发生器20中继续加H2制取CH4；
4）打开远程防爆监控器34电源，在线监测多等离子体炬制甲烷发生器18上、中、下部温度、压强、气体成分，以及超温、超压自动防爆报警或超低温、超低压自动报警。
图7是等离子体炬24的结构示意图，等离子体炬24由：空心阴极底座41、凹凸阴极42、一阳极43、二阳极44、长增压筒45、阴极冷却循环水46、阳极冷却循环水47、长增压筒冷却循环水48、载体风、电极催化芯55、绝缘体54、直流电源58、高压脉冲电源59、高压脉冲器60组成；所述载体风包括：第一路载体风49、第二路载体风50、第三路载体风51、第四路载体风52、第五路载体风53；所述空心阴极底座41、凹凸阴极42、一阳极43、二阳极44、长增压筒45依次排列并且左右对称，所述直流电源58的阴极与一侧的空心阴极底座41、凹凸阴极42连接，直流电源58的阳极与同侧的一阳极43、二阳极44连接；所述高压脉冲电源59的阴极与另一侧的空心阴极底座41、凹凸阴极42连接，高压直流脉冲电源59的阳极与同侧的一阳极43、二阳极44连接；蜂窝状的电极催化芯55插在等离子体炬24中央，一端通过绝缘体54与高压脉冲器60连接；阴极冷却循环水46流经左右两侧的空心阴极底座41、凹凸阴极42，阳极冷却循环水47流经左右两侧的一阳极43、二阳极44，长增压筒冷却循环水48流经两侧的长增压筒45。
实施步骤：
1）打开阴极冷却循环水46、47、长增压筒冷却循环水48的开关；
2）打开直流电源58、高压脉冲电源59、高压脉冲器60开关；
3）打开各路开关，将所需原料物质送入等离子体炬24内进行反应。
载体风风压优选：第一路载体风49≥1KPa,第二路载体风50≥5KPa，第三路载体风51≥10KPa,第四路载体风52≥15KPa，第五路载体风53≥20KPa。
采取多路载体风的目的，是分别将CO2、碳黑、H2O（水蒸汽）、O2、H2等反应原料送入等离子体炬24中在等离子体状态下完成所需反应。
优选等离子体炬24载体风多种搭配方式：优选第一路载体风49、第二路载体风50、第三路载体风51为CO2送碳黑粉；第四路载体风52为O2，第五路载体风53为水蒸汽。此种载体风搭配方式适用于制氢。
优选等离子体炬24载体风多种搭配方式：优选第一路载体风49、第二路载体风50为CO2送碳黑粉；第三路载体风51为O2；第四路载体风52为水蒸汽；第五路载体风53为H2。此种载体风搭配方式适用于制油。
优选等离子体炬24载体风多种搭配方式：优选第一路载体风49、第二路载体风50为CO2送碳黑粉；第三路载体风51为O2；第四路载体风52、第五路载体风53为H2。此种载体风搭配方式适用于制甲烷。
优选电极催化芯55为蜂窝状或网板状，由一组或多组排列，材质优选耐酸碱性不锈钢。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.多等离子体炬联产制油与天然气的装置，其特征在于包括：CO2保温罐(1)、螺杆传感送煤器(2)、O2储罐(15)、水蒸汽储罐(16)、H2储罐(4)、CO2脱氧器(14)、多等离子体炬制氢发生器(3)、多等离子体炬制油合成器(6)、脱杂净化分离器(7)、加H2微波分馏器(8)、多等离子体炬制甲烷发生器(18)、二级CH4发生器(19)、三级CH4发生器(20)、CH4冷却器(21)、CH4储罐(23)、汽油储罐(9)、柴油储罐(10)；所述CO2保温罐(1)、螺杆传感送煤器(2)、O2储罐(15)、水蒸汽储罐(16)与多等离子体炬制氢发生器(3)、多等离子体炬制油合成器(6)、多等离子体炬制甲烷发生器(18)连通，H2储罐(4)与多等离子体炬制氢发生器(3)、多等离子体炬制油合成器(6)、多等离子体炬制甲烷发生器(18)连通，多等离子体炬制油合成器(6)、脱杂净化分离器(7)、加H2微波分馏器(8)依次连通，加H2微波分馏器(8)与汽油储罐(9)、柴油储罐(10)连通；多等离子体炬制甲烷发生器(18)、二级CH4发生器(19)、三级CH4发生器(20)、CH4冷却器(21)、CH4储罐(23)依次连通，加H2微波分馏器(8)、三级CH4发生器(20)与水蒸汽储罐(16)连通，多等离子体炬制油合成器(6)、多等离子体炬制甲烷发生器(18)与CO2脱氧器(14)、螺杆传感送煤器(2)连通，CO2脱氧器(14)与O2储罐(15)连通。
2.根据权利要求1所述的多等离子体炬联产制油与天然气的装置，其特征在于，所述多等离子体炬制氢发生器(3)包括等离子体炬(24)、文丘里催化器(25)、循环弯管(26)、送煤管(27)、蒸汽锅炉(28)、余热锅炉(29)、H2净化器(30)、水蒸汽储罐(31)、蒸汽轮机(32)、发电机(33)、远程防爆监控器(34)、水蒸汽进口(35)、O2进口(36)、螺杆出灰渣口(37)；多等离子体炬制氢发生器炉膛顶端设有蒸汽锅炉(28)、余热锅炉(29)、H2净化器(30)，蒸汽锅炉(28)与蒸汽轮机(32)连通为发电机(33)发电，余热锅炉(29)与水蒸汽储罐(31)连通，H2净化器(30)与H2储罐(4)连通；多等离子体炬制氢发生器炉膛下部设有文丘里催化器(25)，文丘里催化器(25)与等离子体炬(24)连通，CO2保温罐(1)与等离子体炬(24)、螺杆传感送煤器(2)连通，螺杆传感送煤器(2)通过送煤管(27)将CO2送入多等离子体炬制氢发生器炉膛，多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有循环弯管(26)，循环弯管(26)与送煤管(27)连通；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有水蒸汽进口(35)，水蒸汽储罐(31)与水蒸汽进口(35)连通；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有O2进口(36)，O2进口(36)与O2储罐(15)连通；多等离子体炬制氢发生器炉膛上设有远程防爆监控器(34)，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制氢发生器炉膛底部设有螺杆出灰渣口(37)。
3.根据权利要求1所述的多等离子体炬联产制油与天然气的装置，其特征在于，所述多等离子体炬制油合成器(6)包括：等离子体炬(24)、文丘里催化器(25)、循环弯管(26)、送煤管(27)、远程防爆监控器(34)、加H2进气口(38)、加水蒸汽进气口(39)、加O2进气口(40)；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器(14)连通，CO2脱氧器(14)与碳黑回收器(13)、O2储罐(15)连通；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器(25)，文丘里催化器(25)与等离子体炬(24)连通，CO2保温罐(1)与等离子体炬(24)、螺杆传感送煤器(2)连通，螺杆传感送煤器(2)通过送煤管(27)将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管(26)，循环弯管(26)与送煤管(27)连通；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器(34)，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池(11)连通，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器(7)连通；送煤管(27)上设有加H2进气口(38)、加水蒸汽进气口(39)、加O2进气口(40)，加O2进气口(40)与O2储罐(15)连通。
4.根据权利要求1所述的多等离子体炬联产制油与天然气的装置，其特征在于，所述多等离子体炬制甲烷发生器(18)由等离子体炬(24)、文丘里催化器(25)、循环弯管(26)、送煤管(27)、远程防爆监控器(34)、加H2进气口(38)、加O2进气口(40)组成；多等离子体炬制油合成器炉膛顶端与CO2脱氧器(14)、二级CH4发生器(19)连通，二级CH4发生器(19)与三级CH4发生器(20)连通，CO2脱氧器(14)与碳黑回收器(13)、O2储罐(15)连通；多等离子体炬制油合成器炉膛下部设有文丘里催化器(25)，文丘里催化器(25)与等离子体炬(24)连通，CO2保温罐(1)与等离子体炬(24)、螺杆传感送煤器(2)连通，螺杆传感送煤器(2)通过送煤管(27)将CO2送入多等离子体炬制油合成器炉膛，多等离子体炬制油合成器炉膛上设有循环弯管(26)，循环弯管(26)与送煤管(27)连通；多等离子体炬制油合成器炉膛上设有远程防爆监控器(34)，对反应中的温度、压力、气体成分进行监控；多等离子体炬制油合成器炉膛与循环溶剂池(11)连通，多等离子体炬制油合成器炉膛底部与脱杂净化分离器(7)连通；送煤管(27)上设有加H2进气口(38)、加O2进气口(40)，加O2进气口(40)与O2储罐(15)连通。
5.根据权利要求2至4任一权利要求所述的多等离子体炬联产制油与天然气的装置，其特征在于，等离子体炬(24)包括：空心阴极底座(41)、凹凸阴极(42)、一阳极(43)、二阳极(44)、长增压筒(45)、阴极冷却循环水(46)、阳极冷却循环水(47)、长增压筒冷却循环水(48)、载体风、电极催化芯(55)、绝缘体(54)、直流电源(58)、高压脉冲电源(59)、高压脉冲器(60)；所述载体风包括：第一路载体风(49)、第二路载体风(50)、第三路载体风(51)、第四路载体风(52)、第五路载体风(53)；所述空心阴极底座(41)、凹凸阴极(42)、一阳极(43)、二阳极(44)、长增压筒(45)依次排列并且左右对称，所述直流电源(58)的阴极与一侧的空心阴极底座(41)、凹凸阴极(42)连通，直流电源(58)的阳极与同侧的一阳极(43)、二阳极(44)连通；所述高压脉冲电源(59)的阴极与另一侧的空心阴极底座(41)、凹凸阴极(42)连通，高压直流脉冲电源(59)的阳极与同侧的一阳极(43)、二阳极(44)连通；蜂窝状的电极催化芯(55)插在等离子体炬24中央，一端通过绝缘体(54)与高压脉冲器(60)连通；阴极冷却循环水(46)流经左右两侧的空心阴极底座(41)、凹凸阴极(42)，阳极冷却循环水(47)流经左右两侧的一阳极(43)、二阳极(44)，长增压筒冷却循环水(48)流经两侧的长增压筒(45)。
6.多等离子体炬联产制油与天然气的工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)打开远程防爆总控监测系统(17)电源开关；
2)打开CO2保温罐(1)、螺杆传感送煤器(2)、O2储罐(15)、水蒸汽储罐(16)阀门，分别将CO2、煤、O2、水蒸汽送进多等离子体炬制氢发生器(3)内制氢，生成的H2送H2储罐(4)，CO2送CO2保温罐(1)；多等离子体炬制氢发生器(3)制氢反应温度为200—1050℃，压力为0.01—10MPa；
3)CO2保温罐(1)、螺杆传感送煤器(2)、O2储罐(15)、水蒸汽储罐(16)、H2储罐(4)分别将CO2、煤、O2、水蒸汽、H2送进多等离子体炬制油合成器(6)进行液化反应生成液化合成物；液化合成物送脱杂净化分离器(7)净化后得到C5—18H10—36烃类物质和液体溶液：C5 —18H10—36烃类物质送加H2微波分流器(8)，H2储罐(4)将H2通入加H2微波分流器(8)与C5 —18H10—36烃类物质反应生成粗油；粗油进行油品分离；液体溶液送循环溶剂池(11)供多等离子体炬制油合成器(6)作为加氢溶剂循环应用；
4)CO2保温罐(1)、螺杆传感送煤器(2)、O2储罐(15)、水蒸汽储罐(16)、H2储罐(4)分别将CO2、煤、O2、水蒸汽、H2送进多等离子体炬制甲烷发生器(18)进行甲烷化反应；将多等离子体炬制甲烷发生器(18)中CH4含量达到15—70％时送二级CH4发生器(19)，二级CH4发生器(19)中CH4含量达到70—85％时送三级CH4发生器(20)中继续通入H2储罐(4)输出的H2制取CH4；三级CH4发生器(20)将CH4送CH4冷却器(21)冷却；
5)将多等离子体炬制油合成器(6)捕集的CO2送CO2脱氧器(14)进行脱氧反应，将O2送O2储罐(15)，C送碳黑回收器(13)；将多等离子体炬制甲烷发生器(18)捕集的CO2送CO2脱氧器(14)进行脱氧反应，将O2送O2储罐(15)，C送碳黑回收器(13)。
7.根据权利要求6所述的多等离子体炬联产制油与天然气的工艺，其特征在于，步骤3)还包括催化剂(5)将催化剂送入多等离子体炬制油合成器(6)，催化剂为稀土钛系化合物、稀土铁系化合物中的一种或两者混合物。
8.根据权利要求6所述的多等离子体炬联产制油与天然气的工艺，其特征在于，步骤4)还包括催化剂(5)将催化剂送入多等离子体炬制甲烷发生器(18)，催化剂为稀土钛系化合物、稀土铁系化合物中的一种或两者混合物。
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