CN104451762B - 一种电弧热解煤粉制乙炔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电弧热解煤粉制乙炔装置，包括反应容器和至少一个反应单元，反应容器内具有反应腔，反应单元包括至少一个第一煤粉喷嘴、至少一对第二煤粉喷嘴和至少一组直流电弧的电极对，煤粉在气流的输送下经第一和第二煤粉喷嘴进入反应腔中流动形成第一和第二煤粉气体混合区，第一煤粉混合区存在一个与煤粉流动方向平行的对称面，依所述对称面第二煤粉混合区位于第一煤粉混合区两侧，依所述对称面位于第一煤粉混合区两侧的电极对之间的电弧的弧柱沿煤粉流动方向延伸，弧柱受煤粉气体混合物约束和控制形成稳定的位形结构，大部分弧柱位于煤粉气体混合区。本发明的电弧热解煤粉制乙炔装置，具有煤粉加热高效、能量效率高、反应器容量可任意增大等优点。
Description
技术领域
本发明涉及乙炔制备技术领域，尤其涉及一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置。
背景技术
现有技术中，GB 1,089,092发布了D.M.Grifiiths等人1963年首次提出烟煤颗粒通过高温加热2000～3000℃制取气态和固态产品的方法的发明，主要产品包括乙炔和活性炭，加热方法主要将煤粉穿过电弧、或等离子体射流尾焰、或烟煤经过高温部分燃烧、或煤粉与高温气体混合获得。US 3,384,467发布了P.R.Ammann等人1964年首次提出的用电弧等离子体热解煤粉的方法和装置，对煤粉的加热方法包括电阻加热和电弧加热，其能量利用效率高达96％。但由于电弧稳定的要求，使得装置在加热和流动结构上设计难以满足加热温度、加热均匀性和淬冷均匀性的要求，主要气态产品成分复杂，包含了为H2、CO、CH4和C2H2等，其中乙炔收率最低；而存在最大的问题是长期运行阳极和阴极的结焦问题和煤粉结块问题；此外受结构设计限制，加热功率难以放大，难以满足工业化应用要求。
由于电弧存在流动/传热与电磁场的多场耦合，且具有高度的非线性，稳定控制是一个难题。为了解决电弧稳定控制能满足对煤粉均匀加热的要求和避免电极结焦，专利文件CN03138792.6、CN200410012196.2、CN200410012523.4、CN200810175364.8公开了采用电弧等离子体炬产生的等离子体射流“尾焰”加热煤粉的方法和装置。上述专利虽然解决电弧稳定控制及避免电极结焦问题，但在等离子体炬中产生了额外的能量损耗，一般等离子体炬能量效率低于80％，即使像CN200810175364.8的V型双等离子体炬，部分电 弧位于等离子体炬喷嘴外侧，并大量使用供工质气体，其等离子体炬的热效率也低于87％。而且由于电弧稳定控制的需要，等离子体炬大量使用气体，等离子体炬所用气体要求高，处理这些气体本身需要昂贵设备和消耗能量；同时等离子体炬大量使用气体使得等离子体射流平均焓值降低，功率越大的等离子体炬平均焓值越低，由于加热效率与热源与加热对象焓差成正比，从而降低了等离子体对煤粉的传热效率；等离子体炬大量使用气体，占用了煤粉输送的用气量，使得煤粉输送不得不采用的高浓度输送，从而造成输送管路易堵塞问题。此外大型等离子体炬电极寿命有限，且其结构复杂，更换电极困难，更换电极影响到设备运行和增加维护工作量。
CN201320593044.0采用轴向多电极和轴向磁场旋转控制电弧方法实现多电弧的产生和电弧与煤粉直接接触，虽然能提高热能利用效率，但由现有专业知识可知该方法难以避免与煤粉接触的电极结焦、并联电极之间的间隙易被污染和击穿，且由于同向电流的多电弧之间的洛伦兹力的相互吸引作用，多电弧很容易演化成单电弧。
由于受技术的限制，等离子体的功率难以提高。CN200810175364.8公开的氢等离子体炬的功率虽然可以达到5MW，但距离工业生产的规模需求相差甚远。
发明内容
本发明的目的在于提供此前在电弧等离子体热解煤粉制乙炔的方法和装置上存在的问题和技术限制的解决方案。
本发明的另一目的在于提供采用电弧直接热解煤粉制乙炔的方案和方法，从而提高能量效率。
本发明的目的还在于提供使煤粉穿过电弧或与电弧直接接触，从而获得对 煤粉高效加热的方案和方法。
本发明的目的还在于提供采用煤粉约束电弧稳定和控制电弧运行参数的方案和方法。
本发明的目的还在于解决反应器规模扩大时电弧之间的相互干扰或单一扩大电弧功率时等离子体对煤粉加热的均匀性问题，提供扩大反应器的规模的方案和方法。
为了解决背景技术中存在的技术问题并达到上述一个或多个发明目的，本发明提出了一种电弧直接热解煤粉制乙炔装置，具有煤粉加热高效，能量效率高的优点。
本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置，包括反应容器和至少一个反应单元，反应单元安装在反应容器上，反应容器内具有反应腔，反应单元包括至少一个第一煤粉喷嘴、至少一对第二煤粉喷嘴、和至少一组电极对，电极对包括一个阳电极和一个阴电极，煤粉在气流的输送下经第一煤粉喷嘴进入反应腔中流动形成第一煤粉气体混合区和经一对第二煤粉喷嘴进入反应腔中流动形成第二煤粉气体混合区，第一煤粉气体混合区存在一个与煤粉气体流动方向平行的对称面，第二煤粉气体混合区依所述对称面位于第一煤粉气体混合区的两侧，优选关于对称面对称，第一煤粉气体混合区和第二煤粉气体混合区在两者相交处叠合且无明显界面，第二煤粉气体混合区中的煤粉流动方向具有与第一煤粉气体混合区的煤粉气体流动方向相同的分量；电极对依所述对称面位于第一煤粉气体混合区两侧，优选关于对称面对称布置；电极对产生的电弧在第一煤粉气体混合区和第二煤粉气体混合区的约束和控制下，电弧的弧柱沿煤粉气体混合区中煤粉流动方向延伸，形成稳定位形结构；弧柱全部或大部分位于反应器容器内，弧柱大部分位于第一煤粉气体混合区与第二煤粉气体混合区的叠 合区域和位于第一煤粉气体混合区。
多个反应单元并列排布，构成扩大规模反应器，多个反应单元沿与煤粉气体混合区对称面平行的方向、且与煤粉气体混合区中煤粉流动方向垂直的方向延伸并列排布。优选地，每个反应单元结构相同。
任一反应单元还包括至少一对无机粉末喷嘴，无机粉末在气流的输送下经无机粉末喷嘴进入反应腔中流动形成无机粉末气体混合区，上述无机粉末气体混合区位于第二煤粉气体混合区与反应腔壁之间，无机粉末流动方向存在与第一煤粉气体混合区中的煤粉流动方向相同的分量。
第一煤粉喷嘴所安装的反应容器壁与煤粉气体混合区中煤粉流动方向垂直、且其喷射方向与煤粉气体混合区的对称面重合；顺着煤粉流动方向，电极对中的两个电极、一对第二煤粉喷嘴、一对无机粉末喷嘴均依所述煤粉气体混合区对称面依次安装在反应容器的关于第一煤粉气体混合区对称面对称的两个侧壁上；优选地，一对第二煤粉喷嘴的结构尺寸相同，一对固体粉末喷嘴结构尺寸相同；优选地，一对第二煤粉喷嘴对称安装，一对固体粉末喷嘴对称安装；优选地，存在一个垂直于所述对称面、且平行于第一煤粉气体混合区中煤粉流动方向的平面，第一煤粉喷嘴喷口、电极对两轴线、第二喷嘴喷口、和无机粉末喷嘴喷口关于所述平面对称布置。
电极对的每个电极轴线与煤粉流动方向平行的中心线的夹角α1为[0°,90°]，优选地，α1为[0°,70°]。
优选地，第二煤粉喷嘴轴线与煤粉流动方向平行的中心线的夹角α2为[20°,90°]。
优选地，无机粉末喷嘴轴线煤粉流动方向平行的中心线α3为[30°,90°]。
每个反应单元还设有至少一对位于所述煤粉气体混合区对称面的煤粉气体混合区两外侧、且位于无机粉末喷嘴远离电极对一侧的淬冷介质喷嘴，淬冷介质喷嘴的喷射方向朝向第一煤粉气体混合区和第二煤粉气体混合区，淬冷介质喷射距离到达对面无机粉末气体混合区。
优选地，淬冷介质喷嘴位于反应器的两个侧壁上，在所述两个侧壁上两对面的一对淬冷介质喷嘴在平行于或/和垂直于煤粉流动方向位置相互错开。
相邻电极对位于反应器同一侧壁的电极的极性相反。优选地，两相邻电极对之间的间距相等。
相邻电极对位于反应器同一侧壁的电极的极性相同。优选地，由两组同侧极性相同的相邻电极对构成一个双电弧单元；优选地，双电弧单元的相邻电极对间距小于等于相邻双电弧单元的相邻电极对的间距。
输送煤粉至第一、第二煤粉喷嘴的气体用富含氢气、富含甲烷的气体，优选地，输送煤粉的气体使用经分离出乙炔等产品、且富含氢气的反应尾气。
电极对的电极为石墨电极、水冷棒状金属电极，或使用一对阴阳极转移弧等离子体炬。
电极对使用石墨电极或棒状水冷金属的，电极对中电极安装点的周边具有电极保护气体通道，所述保护气体为N2、Ar、H2、等非氧化性气体，或经分离出氧化性气体和烃类气体的反应尾气；优选地，阳极保护气体经分离出乙炔和氧化性气体的反应尾气。
输送煤粉至第一、第二煤粉喷嘴的气体使用富含氢气、或富含甲烷的气体，如分离出乙炔等产品的反应尾气、天然气、或瓦斯、或沼气等，优选地，输送煤粉的气体使用经分离出乙炔等产品、且富含氢气的反应尾气。
电极对的电极端部间距大于第一煤粉喷嘴在垂直于所述对称面方向的宽 度。优选地，电极端部与安装电极的反应器侧壁平齐，弧柱全部位于反应器容器内。
优选地，任一电极对所连接直流电源采用两个相同的子电源串联组成，直流电源的中点共地。
每个电弧对应的第一、第二煤粉喷嘴在平行于煤粉气体混合区对称面方向的宽度W1、W2小于300mm，优选地，为50～200mm。电极对相邻间距W0大于等于W1或W2。
优选地，第一煤粉喷嘴在垂直于所述对称面方向的宽度B1为其平行于所述对称面W1的(1/2～2)倍。
优选地，第二煤粉喷嘴在垂直于所述对称面方向的宽度B2为其平行与所述对称面宽度W2的(1/4～1)倍。
优选地，B1+2×B2大于W1或W2。
每对电极电弧电流为200～2000A，优选地，电弧电流400～1000A。
每对电极之间的电弧电压为1～20kV，优选地，电弧电压2.5～10kV。
优选地，每对电极电弧功率为1～10MW。
煤粉喷嘴煤粉气体混合物在煤粉喷嘴出口速度为5～100m/sec，优选地，为10～50m/sec。
可以有任意多相邻电弧构成多电弧组合单元。
优选地，同一组合电弧单元的每个电弧对应第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、固体粉末喷嘴在平行于对称面的同侧可以分别合并。
本发明提出的一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置，其包括以下优点和有益效果：
(1)本发明中的电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置，采用电弧直接电解煤 粉制乙炔，且弧柱全部位于反应器容器内，提高能量效率，并通过使煤粉穿过电弧或与电弧直接接触，从而获得对煤粉高效加热的效果。
(2)本发明采用煤粉气体混合物流体、结合固体粉末气体混合物流体和反应器壁结构约束电弧，解决了电弧等离子体位形结构形成及稳定的控制问题。
(3)本发明方案解决了反应器规模扩大问题。并采用煤粉气体混合物流体约束电弧，结合各电极电流和电弧电流对电弧产生的洛伦兹力作用，解决了反应器规模扩大时多路电弧并联电弧之间相互干扰问题。
(4)与现有采用等离子体炬的技术相比，减少了电弧等离子体炬的热损耗、减少了气体用量，从而大大降低了能量损耗，且简化了设备，引弧简单，更换电极方便。
(5)与现有采用等离子体炬的技术相比，本方案的电极保护气体用量很少，且可以使用分离掉C-H产品的反应器尾气，避免采用等离子体炬需大量使用纯氢气，现有技术中采用反应尾气分离获得氢气所需设备昂贵，并且分离氢气需要耗能。
(6)与现有采用等离子体炬的技术相比，等离子体炬大量使用氢气占据了输送煤粉的用气量，使得煤粉不得不采用高浓度输送，容易堵塞煤粉管路。本发明煤粉输送采用分离出乙炔产品的反应尾气可以满足煤粉输送，且含有大量H2，正好可以满足反应工艺要求。
(7)本发明解决了乙炔反应器结焦问题。
附图说明
图1为本发明提出的一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置的一种实施例的示意图；
图2为图1的长轴方向侧视图；
图3为本发明提出的一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的示意图；
图4为图1的半剖俯视图(省略淬冷介质喷嘴部件)；
图5为本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的一种设计的长轴方向剖视图(省略淬冷介质喷嘴部件)；
图6为本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的另一种设计的长轴方向剖视图(省略淬冷介质喷嘴部件)。
具体实施方式
如图1-6所示，图1为本发明提出的一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置的一种实施例的示意图；图2为图1的长轴方向侧剖视图；图3为本发明提出的一种电弧等离子体热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的示意图；图4为图1的半剖俯视图(省略淬冷介质喷嘴部件)；图5为本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的一种设计的长轴方向剖视图(省略淬冷介质喷嘴部件)；图6为本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置的另一种实施例的另一种设计的长轴方向剖视图(省略淬冷介质喷嘴部件)。
参照图1-4，在一种实施例中，本发明提出的一种电弧热解煤粉制乙炔装置，包括反应容器2和至少一个反应单元，反应单元安装在反应容器2上，反应容器2内具有反应腔，反应单元包括至少一个第一煤粉喷嘴1、至少一对第二煤粉喷嘴5、和至少一组电极对4,4’，电极对4,4’包括一个阳电极4和一个阴电极4’，煤粉在气流的输送下经第一煤粉喷嘴1进入反应腔中流动形成第一煤粉气体混合区11和经一对第二煤粉喷嘴5进入反应腔中流动形成第二煤粉气体混合区51，第一煤粉气体混合区11存在一个与煤粉气体流动方向平行的对称面S，第二煤粉气体混合区51依对称面S位于第一煤粉气体混合区11的两侧， 第二煤粉气体混合区51优选关于对称面S对称，第一煤粉气体混合区11和第二煤粉气体混合区51在两者相交处叠合且无明显界面，第二煤粉气体混合区51中的煤粉流动方向具有与第一煤粉气体混合区11的煤粉气体流动方向相同的分量；电极对4,4’依对称面S位于第一煤粉气体混合区11两侧，优选关于对称面S对称，电极对4,4’产生的电弧41在第一煤粉气体混合区11和第二煤粉气体混合区51的约束和控制下，电弧41的弧柱沿煤粉气体混合区11中煤粉流动方向延伸，形成稳定位形结构；电弧41弧柱大部分位于第一煤粉气体混合区11与第二煤粉气体混合区51的叠合区域和位于第一煤粉气体混合区11。
在上述方案中，由于煤粉气体混合物中煤粉对电弧的约束和控制作用远强于气体，所以第一煤粉气体混合区11中煤粉流动作用很容易将电弧拉伸延长，第二煤粉气体混合区51煤粉依对称面S从第一煤粉气体混合区11两侧约束电弧因自身电流产生的洛伦兹力作用向外扩张，形成“V”状位形结构；沿着电弧延长方向，在电弧加热作用下，气体温度逐渐升高，在电弧“V”形底部，气体温度达到电离水平，维持电弧在第一煤粉气体混合区11中的通道，使电弧“V”状位形结构维持稳定。
在上述方案中，相邻电弧由于受煤粉气流混合区中的煤粉约束，稳定在一对电极轴线的对称线和平行于煤粉流动线组成的平面附近。
在上述方案中，由于煤粉进入电弧通道，煤粉具有强烈的吸附电子作用，降低了等离子体电导率从而可提高电弧的电场强度；电弧区的煤粉升温和热解过程大量吸热，降低等离子体温度，也从而可提高电弧的电场强度；两者共同作用进而电弧功率密度，有利于反应单元规模的扩大。
在上述方案中，第一煤粉喷嘴和第二煤粉喷嘴喷射的煤粉气体混合物进入反应腔内形成第一煤粉气体混合区11和第二煤粉气体混合区51，电极对4,4’ 之间的电弧41大部分位于上述第一煤粉气体混合区11和第二煤粉气体混合区51，部分煤粉穿过电弧41而与电弧41直接接触，煤粉气体混合物与受电弧41直接加热，提高电弧41对煤粉加热的效率。
可以并排设置多个反应单元，从而提高整个装置的反应容量，扩大装置的生产规模；多个反应单元排布与对称面S平行，与煤粉流动方向垂直；优选情况下，各反应单元结构尺寸相同，相邻反应单元之间的间距相等。
在进一步改进的技术方案中，任一反应单元还包括至少一对无机粉末喷嘴6，无机粉末在气流的输送下经无机粉末喷嘴6进入反应腔中流动形成无机粉末气体混合区61，上述无机粉末气体混合区61位于煤粉气体混合区51与反应腔壁之间，无机粉末流动方向存在与第一煤粉气体混合区11中的煤粉流动方向相同的分量。
第一煤粉喷嘴1所安装的反应容器2壁与第一煤粉气体混合区11中煤粉流动方向垂直、且其喷射方向与第一煤粉气体混合区11的对称面S重合；顺着煤粉流动方向，电极对4,4’中的两个电极、一对第二煤粉喷嘴5、一对无机粉末喷嘴6均依次安装在反应容器2的依第一煤粉气体混合区11对称面S的两个侧壁上；优选地，电极对4,4’中的两个电极、一对第二煤粉喷嘴5、一对无机粉末喷嘴6均分别对称安装；优选地，存在一个垂直于所述对称面S的平面S’，第一煤粉喷嘴1喷口、电极对4，4’两轴线、第二煤粉喷嘴5喷口、和无机粉末喷嘴6喷口均分别关于所述平面S’对称安装；优选地，一对第二煤粉喷嘴5的结构尺寸相同，一对无机粉末喷嘴6结构尺寸相同。
在上述改进中，通过设置无机粉末喷嘴6，无机粉末喷嘴6喷射的无机粉末气体混合物流体在煤粉气体混合物流体外侧向下流动，形成无机粉末气体混合区61，从而在煤粉外围形成隔离层，对作为反应区域的煤粉气体混合区51实行 隔热保温，一方面可以提高煤粉气体混合区51边缘温度，提高反应效率；另一方面可以隔离煤粉碰撞反应器壁，从而避免反应器壁结焦；同时挤压煤粉气体混合区51关于对称面S的两外侧，使在煤粉气体混合区11两侧的电弧相互靠近，从而稳定电弧长度。
在上述布置方式，使煤粉气体混合物流体与无机粉末流体形成稳定流动层；保证电弧41的弧柱平面平行于煤粉气体混合物流体的流线，弧柱平面垂直于煤粉气体混合区11的对称面，电弧41形状稳定。
每个反应单元设有至少一对位于所述第一煤粉气体混合区11对称面S的第二煤粉气体混合区51两外侧、且位于无机粉末喷嘴6远离电极对4,4’一侧的淬冷介质喷嘴7，淬冷介质喷嘴7的喷射方向朝向第一煤粉气体混合区11和第一煤粉气体混合区51，淬冷介质喷射距离到达对面无机粉末气体混合区61；优选地，淬冷介质喷嘴7位于反应容器2的两个侧壁上，在所述两个侧壁上两对面的一对淬冷介质喷嘴7在平行于或/和垂直于煤粉流动方向位置相互错开，淬冷介质喷嘴7在侧壁上形成与反应单元排列方向平行的队列。
将淬冷介质喷嘴7布置在反应区末端，淬冷介质喷嘴7喷出的淬冷介质使反应产物迅速降温，避免已生成的乙炔裂解生成炭黑，同时，淬冷介质喷嘴7布置在反应器长边两侧，喷嘴伸进反应器壁内，几乎与无机粉末与反应物之间的界面平齐，淬冷喷嘴喷出的介质穿透反应物流动层，达到对面无机粉末保护层，淬冷介质喷嘴7在反应器长边两侧对面位置相互错开，可采用多层水冷喷嘴提高淬冷介质覆盖反应产物流动断面的均匀性。
电弧41电极可使用棒状石墨电极、或水冷棒状金属电极；电极对也可以使用一对转移弧等离子体炬。
使用棒状石墨电极或棒状水冷金属的电极对4,4’中电极安装点的周边具 有电极保护气体通道3，从而可以通入保护气体保护电极免受煤粉气体侵蚀和绝缘电极与反应器壁。所述保护气体为N2、Ar、H2、等非氧化性气体，或经分离出氧化性气体和烃类气体的反应尾气；优选阳极保护气体使用经分离出乙炔和氧化性气体的反应尾气。
电极对的两电极端部在垂直于煤粉气体混合区对称面S方向间距大于第一煤粉喷嘴的宽度W1，优选地，电极端部与安装电极的反应器侧壁平齐，在保护电极避免煤粉接触和电隔离电极与反应器壁之间产生均衡。
由于电极端部不在反应器壁内，与电弧等离子体炬方法相比，因绝缘要求电极保护气体用量大大减少。因而电极保护气体选择范围可以扩大，可以使用氮气、氢气、氩气等非氧化性气体，也可以使用经分离出乙炔等烃类产品和氧化性气体的反应尾气，优选阳极保护气体为经分离出乙炔和氧化性气体的反应尾气。气体来源容易，且使用量少。
由于电弧的弧柱几乎全部在反应器的反应腔内，电弧产生热能几乎全部被反应物利用，与等离子体炬高热损耗相比，热能利用效率增高。
使用空心电极或转移弧等离子体炬时，电弧在等离子体炬管内的弧电压小于总弧电压20％，热能损耗增加不明显。
由于反应工艺要求增加一定量的氢气，而反应尾气中也富含氢气。因此将反应器尾气分离出乙炔等所需产品后用于煤粉输送是尾气的循环利用，且反应尾气中其他烃类气体也有利于提高乙炔收率，因而可显著提高效率。在反应初期或反应尾气中氢含量不足时，需增加或使用氢气、富含甲烷的天然气或瓦斯或沼气等。
在进一步改进的设计中，请参考图2并结合图3，电极对4，4’的每个电极轴线与煤粉流动方向平行的中心线的夹角α1为[0°,90°]，优选地，α1为 [0°,70°]；优选地，第二煤粉喷嘴5轴线与煤粉流动方向平行的中心线的夹角α2为[20°,90°]，优选地，无机粉末喷嘴6轴线煤粉流动方向平行的中心线α3为[30°,90°]；从安装角度和使用，一般α3>α2>α1。
上述结构设计中，将电极向下斜插入反应器，更容易避免与煤粉飞溅到电极上从而产生结焦；向下倾斜插入时，电极端部可伸进反应器，伸进长度大于电极直径，避免电弧41加热电极孔内气体，可提高电极与电极孔壁之间的绝缘水平。
电极下方的第二煤粉喷嘴5以向下斜插入反应器为好，产生的煤粉气体混合流有向下流动分量，减小煤粉对撞和使煤粉流动更为顺畅；无机粉末喷嘴6也可以向下斜插入反应器，无机粉末喷嘴6轴线向下倾斜与水平线之间的夹角α3优选30°～90°，无机粉末喷嘴6轴线可与反应器壁向内收缩的斜面平行。
优选地，任一电极对4,4’所连接直流电源采用两个相同的子电源串联组成，且直流电源中点共地。上述设计中，直流电源的中点共地，可以降低电极对4,4’地绝缘水平，其中，子电源可以由可实现电流调节的整流电源和串联的稳流电抗器构成。
优选地，相邻电极对位于同一侧壁的电极极性相反，相邻电极对之间电弧41电流方向相反，相邻电弧41之间产生的洛仑兹力相斥，各电弧41在其相邻单元电弧41洛仑兹力推斥作用下保证电弧41曲线的平面维持在各自电极轴线位置附近；优选各电极对相邻间距相等。
相邻电极对位于反应器同一侧壁的电极的极性相同；优选地，由两组同侧极性相同的相邻电极对构成一个双电弧单元，双电弧单元的电极对的相邻间距小于等于相邻双电弧单元的相邻电极对的间距；每个双电弧单元的双电弧相互靠近，电弧稳定在各自单元的两对电极之间。
可以有任意多相邻电弧构成多电弧组合单元，优选地，同一组合电弧单元的每个电弧对应第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、固体粉末喷嘴可以合并；构成多电弧组合单元时，同一组合单元的所有电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、无机粉末喷嘴、淬冷介质喷嘴必须同步运行，同一组合单元的所有电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴必须同步停止运行，避免产生故障和事故。
为了反应单元布局方便，反应容器2的反应腔的煤粉流动横断面长方形，反应单元的布置可以粉体下行流动，也可以上行流动和水平流动，其中，煤粉竖直向下流动时，结构设计较为简单，非下行流动方式，需要考虑重力对煤粉颗粒和无机粉末颗粒的影响。
在材料选择上，反应容器2的采用耐火度1500K的以上耐火材料或金属材料制作，优选材料为采用铝质耐火材料、镁质耐火材料、耐火水泥中的一种或多种制作，电极对4，4’的电极为石墨电极、水冷棒状金属电极、或水冷空心金属电极；优选地，电极对4,4’使用石墨电极或棒状水冷金属。
为了便于对本发明内容的进一步理解，现对尺寸设计和工艺设计说明如下：
最基本的反应单元包括一个第一煤粉喷嘴、一组电极对、一对机构尺寸相同的第二煤粉喷嘴、一对结构尺寸相同的无机粉末喷嘴；对于单电弧的反应单元，每个反应单元平行于对称面S的宽度W0与相邻电极对之间的间距D1相同；相邻电极对间距D1由电弧41对煤粉加热的范围、相邻电弧41的洛伦兹力作用以及相邻电极、相邻电弧之间的绝缘所限制，D1平行于对称面S的长度为50～300mm，优选为60～200mm。
煤粉喷嘴出口为长条形，如椭圆形、腰型、矩形，或多个圆形、多边形等并排组成长条形，第一、第二煤粉喷嘴在平行于对称面S方向的宽度W1、W2需 要盖住电弧41直径，且受电弧41对煤粉加热的范围限制，W1、W2小于等于相邻电极对间距D1，优选为50～200mm。
第一煤粉喷嘴在垂直于所述对称面S方向的宽度B1选择为其平行于所述对称面S宽度W1的(1/2～2)倍；第二煤粉喷嘴在垂直于所述对称面S方向的宽度B2选择为其平行与所述对称面S宽度W2的(1/4～1)倍；B1+2×B2大于W1或W2。
无机粉末喷嘴6的出口为长条形，如椭圆形、腰型、矩形，或多个圆形、多边形等并排组成长条形，无机粉末喷嘴6平行于对称面方向的宽度W3大于等于煤粉喷嘴的长度W2，在垂直于长轴方向的宽度B3选择10～50mm之间。
可以有任意多相邻电弧构成多电弧组合单元，优选地，同一组合电弧单元的每个电弧对应第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、固体粉末喷嘴在反应器同长边侧可以分别合并。
反应单元在其并排方向的长度为全部反应单元长度之和加上两端无机粉末层厚度，所述无机粉末层厚度约10～50mm。
在第二煤粉喷嘴5与无机粉末喷嘴6之间的反应容器2流动断面在垂直于对称面S的宽度在50～400mm之间，优选100～300mm；在无机粉末喷嘴6下方的反应容器2流动断面垂直于对称面S的宽度优选向内收缩。
无机粉末喷嘴6距离第二煤粉喷嘴5的高度为100～1000mm之间。
自电极端部至淬冷介质喷嘴7的垂直距离为反应区间高度H，由反应所需时间和反应物平均流动速度决定，H取值范围为500～2500mm。
每对电极放电端部之间在垂直于对称面S方向的间距大于第一煤粉喷嘴1在垂直于对称面S方向的宽度B1，避免第一煤粉喷嘴1喷出煤粉直接接触电极，在电极上结焦和磨损电极；电极可以缩进反应容器2壁的电极孔内，优选与反应容器2壁面平齐，兼顾对电极的保护和电极对4,4’电极孔壁之间的绝 缘。
电弧电流选择范围为200～2000A。电流过小，电弧41功率低，生产规模太小，不经济；电流过大影响，所需电弧41周围煤粉厚度增加，影响加热均匀性，从而降低效率；相邻电弧41之间的洛伦兹力作用也是限制电流提高的因素之一。电弧电流优选范围400～1000A。
电极直径主要由电弧电流和气体性质决定。电弧电流优选400～1000A；高功率石墨电极耐受电流能力超过0.25A/mm2，选择电极直径约为Φ50～Φ75；水冷金属电极材料优先选择钨合金，直径为Φ10～Φ30；阳极直径大于阴极直径。
电弧电压由电弧长度和电弧电场强度决定。影响电弧电场强度的有电弧电流、煤粉气体混合物流体流速、煤粉浓度等因素，改变电弧电流、煤粉气体混合物流体流速、煤粉浓度也可以调节电弧长度。电弧41的最大长度主要由煤粉气体混合物流动通道收缩位置限制。工作电弧41电压选择1～20kV之间。电压过小，电弧功率低，生产规模太小，不经济；电压过高，电弧41长度增加，稳定控制难度增加，且受反应容器2内绝缘水平限制。优选2.5～10kV；
每对电极之间的电弧41功率优选1～10MW。
从控制电弧电压和电弧稳定的需要，并兼顾煤粉穿过电弧区停留的时间要求，第一煤粉喷嘴1中喷出的煤粉气体混合物出口速度为5～100m/sec，优选10～50m/sec。
第二煤粉喷嘴5喷出的煤粉速度出口流动速度为5～100m/sec，优选10～50m/sec。第二煤粉喷嘴5喷出的煤粉速度出口向下流动速度分量小于第一煤粉喷嘴1中喷出的煤粉气体混合物出口速度。
在另一种实施例中，与第一种实施例不同之处在于，每个反应单元具有两对电极形成双电弧单元，请参考图5和图6，每两对相邻电极位于对称面S的同 边同极性，两对相邻电极之间的两个电弧电流方向相同，产生的洛伦兹力相互吸引，引起电弧相互靠近。
与所述每两对相邻电极同边同极性电极对应的电极上方的第一煤粉喷嘴1、电极下方的第二煤粉喷嘴5、无机粉末喷嘴6和淬冷介质喷嘴7构成一个双电弧反应单元。双电弧反应单元的每对电极对应的电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、无机粉末喷嘴和淬冷介质喷嘴必须同时运行，而其电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴必须同时停运。双电弧反应单元的两对相邻电极对应的相邻煤粉喷嘴、相邻无机粉末喷嘴可以分别合并，合并后的煤粉喷嘴在平行于对称面的长度W11、W21可以小于合并前各自单元同侧相邻煤粉喷嘴长度之和。
可以由任意多相邻电弧和与之对应的第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、无机粉末喷嘴和淬冷介质喷嘴构成多电弧反应单元。多电弧反应单元的每组电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴、无机粉末喷嘴和淬冷介质喷嘴必须同时运行，而其电极对、第一煤粉喷嘴、第二煤粉喷嘴必须同时停运。多电弧反应单元的第一煤粉喷嘴、在位于对称面同侧的第二煤粉喷嘴和无机粉末喷嘴可以分别合并。
参考图5，在设计时，两个相邻的双电弧反应单元在位于对称面S同侧的电极可以极性相反，两个相邻反应单元的两对双电弧之间的洛伦兹力相互排斥，每个反应单元的双电弧受其自身两侧相邻双电弧反应单元的双电弧产生的推斥力联合作用而稳定在所述反应单元的两对电极之间；相邻反应单元的相邻电极间距优选小于等于双电弧反应单元相邻两对电极之间的间距,有利于提高电弧平面两侧煤粉加热的均匀性。
参考图6，在设计时，也可以两个相邻双电弧反应单元在反应器同长边的 电极的极性相同；此时，同一单元的两对电极的相邻间距小于相邻两个反应单元之间的相邻电极的间距；由于洛伦兹力与电弧间距的距离平方成反比，同一单元的两个电弧之间的洛伦兹力作用大于相邻两个单元的相邻电弧洛伦兹力作用，每个反应单元的双电弧稳定在所述反应单元的两对电极之间。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (36)
1.一种电弧热解煤粉制乙炔装置，包括反应容器(2)和至少一个反应单元，反应单元安装在反应容器(2)上，反应容器(2)内具有反应腔，反应单元包括至少一个第一煤粉喷嘴(1)、至少一对第二煤粉喷嘴(5)、和至少一组电极对(4,4’)，电极对(4,4’)包括一个阳电极(4)和一个阴电极(4’)，煤粉在气流的输送下经第一煤粉喷嘴(1)进入反应腔中流动形成第一煤粉气体混合区(11)和经一对第二煤粉喷嘴(5)进入反应腔中流动形成第二煤粉气体混合区(51)，第一煤粉气体混合区(11)存在一个与煤粉气体流动方向平行的对称面(S)，第二煤粉气体混合区(51)依对称面(S)位于第一煤粉气体混合区(11)的两侧，第一煤粉气体混合区(11)和第二煤粉气体混合区(51)在两者相交处叠合且无明显界面，第二煤粉气体混合区(51)中的煤粉流动方向具有与第一煤粉气体混合区(11)的煤粉气体流动方向相同的分量；电极对(4,4’)依对称面(S)位于第一煤粉气体混合区(11)两侧，电极对(4,4’)产生的电弧(41)在第一煤粉气体混合区(11)和第二煤粉气体混合区(51)的约束和控制下，电弧(41)的弧柱沿煤粉气体混合区(11)中煤粉流动方向延伸，形成稳定的位形结构；电弧(41)的全部弧柱或大部分弧柱位于反应器容器内，大部分弧柱位于第一煤粉气体混合区(11)与第二煤粉气体混合区(51)的叠合区域和位于第一煤粉气体混合区(11)。
2.根据权利要求1所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，具有多个反应单元，多个反应单元沿与煤粉气体混合区(11)对称面(S)平行的方向、且与煤粉气体混合区(11)中煤粉流动方向垂直的方向延伸并列排布。
3.根据权利要求2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个反应单元结构相同。
4.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，任 一反应单元还包括至少一对无机粉末喷嘴(6)，无机粉末在气流的输送下经无机粉末喷嘴(6)进入反应腔中流动形成无机粉末气体混合区(61)，上述无机粉末气体混合区(61)位于煤粉气体混合区(51)与反应腔壁之间，无机粉末流动方向存在与第一煤粉气体混合区(11)中的煤粉流动方向相同的分量。
5.根据权利要求4所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，第一煤粉喷嘴(1)所安装的反应容器(2)壁与第一煤粉气体混合区(11)中煤粉流动方向垂直、且其喷射方向与第一煤粉气体混合区(11)的对称面(S)重合；顺着煤粉流动方向，电极对(4,4’)中的两个电极、一对第二煤粉喷嘴(5)、一对无机粉末喷嘴(6)均位于第一煤粉气体混合区(11)对称面(S)两侧并依次安装在反应容器(2)的关于对称面(S)两侧的两个侧壁上。
6.根据权利要求4所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，一对第二煤粉喷嘴(5)的结构尺寸相同，一对无极粉末喷嘴(6)结构尺寸相同，电极对(4,4’)中的两个电极、一对第二煤粉喷嘴(5)和一对无机粉末喷嘴(6)均关于第一煤粉气体混合区(11)对称面(S)对称。
7.根据权利要求4所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，存在一个垂直于所述对称面(S)、且平行于第一煤粉气体混合区中煤粉流动方向的平面(S’)，第一煤粉喷嘴(1)喷口、电极对两个电极(4，4’)、第二煤粉喷嘴(5)、和无机粉末喷嘴(6)喷口均关于所述平面(S’)对称布置。
8.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：电极对(4，4’)的每个电极轴线与煤粉气流混合区(11)中煤粉流动方向平行线的夹角α1为[0°,90°]。
9.根据权利要求8所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：α1为[0°,70°]。
10.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：第二煤粉喷嘴(5)轴线与煤粉气流混合区(11)中煤粉流动方向平行线的夹角α2为[20°,90°]。
11.根据权利要求4所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：无机粉末喷嘴(6)轴线煤粉气流混合区(11)中煤粉流动方向平行线夹角α3为[30°,90°]。
12.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个反应单元设有至少一对位于所述第一煤粉气体混合区(11)对称面(S)的第二煤粉气体混合区(51)两外侧、且位于无机粉末喷嘴(6)远离电极对(4,4’)一侧的淬冷介质喷嘴(7)，淬冷介质喷嘴(7)的喷射方向朝向第一煤粉气体混合区(11)和第一煤粉气体混合区(51)，淬冷介质喷射距离到达对面无机粉末气体混合区(61)。
13.根据权利要求12所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，淬冷介质喷嘴(7)位于反应容器(2)的关于对称面(S)两侧的两个侧壁上，在所述两个侧壁上两对面的一对淬冷介质喷嘴(7)在平行于或/和垂直于煤粉流动方向位置相互错开。
14.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：相邻电极对(4，4’)位于反应器同一侧壁的电极的极性相反。
15.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：相邻电极对之间的间距相等；或，相邻电极对(4，4’)位于反应容器(2)同一侧壁的电极的极性相同。
16.根据权利要求15所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：由两组同侧极性相同的相邻电极对构成一个双电弧单元。
17.根据权利要求16所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：双电弧单元两组电极对的相邻间距小于等于相邻双电弧单元的相邻电极对的间距。
18.根据权利要求16所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：可以有任意多相邻电弧构成多电弧组合单元。
19.根据权利要求18所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：同一组合电弧单元的每个电弧对应第一煤粉喷嘴(1)、第二煤粉喷嘴(5)、无机粉末喷嘴(6)在对称面(S)同侧可以分别合并。
20.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：输送煤粉至第一、第二煤粉喷嘴的气体用富含氢气、富含甲烷的气体。
21.根据权利要求20所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：输送煤粉的气体使用经分离出乙炔产品、且富含氢气的反应尾气。
22.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：电极对(4，4’)的电极为石墨电极、水冷棒状金属电极、或一对阴阳极转移弧等离子体炬。
23.根据权利要求22所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：电极对(4,4’)使用石墨电极或棒状水冷金属；电极对(4,4’)使用石墨电极或棒状水冷金属的，电极对(4,4’)中电极安装点的周边具有电极保护气体通道(3)。
24.根据权利要求23所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：所述保护气体为N2、Ar或H2的非氧化性气体、或他们的混合气体，或经分离出氧化性气体和烃类气体的反应尾气。
25.根据权利要求24所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于：阳极使用经分离出乙炔产品和氧化性气体的反应尾气。
26.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个电弧对应的第一煤粉喷嘴(1)、第二煤粉喷嘴(5)在平行于煤粉气体混合区(11)对称面(S)方向的宽度W1、W2小于300mm。
27.根据权利要求10所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，W1、W2为50～200mm。
28.根据权利要求26所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，第一煤粉喷嘴(1)在垂直于所述对称面(S)方向的宽度B1为其平行于所述对称面(S)宽度W1的(1/2～2)倍。
29.根据权利要求28所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，第二煤粉喷嘴(5)在垂直于所述对称面(S)方向的宽度B2为其平行与所述对称面(S)宽度W2的(1/4～1)倍。
30.根据权利要求29所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，B1+2×B2大于W1或W2；每个电极对(4,4’)的电弧电流为200～2000A。
31.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个电极对(4,4’)的电弧电流为400～1000A；每个电极对(4,4’)之间的电弧电压为1～20kV。
32.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个电极对(4,4’)之间的电弧电压2.5～10kV。
33.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，每个电极对(4,4’)电弧功率为1～10MW。
34.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，第一煤粉喷嘴(1)、第二煤粉喷嘴(5)喷射的煤粉气体混合物在喷嘴出口速度为5～100m/sec。
35.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，第一煤粉喷嘴(1)、第二煤粉喷嘴(5)喷射的煤粉气体混合物在喷嘴出口速度为10～50m/sec。
36.根据权利要求1或2所述的电弧热解煤粉制乙炔装置，其特征在于，任一电极对(4,4’)所连接直流电源采用两个相同的子电源串联组成，直流电源的中点共地。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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