CN108201868A - 一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置 - Google Patents

Abstract

一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，采用空心阴极，阴极空心通道用来输送煤粉等物料，阴极和阳极都设置磁旋转线圈，工作时，在阴极和阳极之间产生电弧，在磁旋转线圈产生磁场作用下高速旋转，煤粉由阴极空心通道通入，在高旋转速等离子体弧离心力作用下，煤粉在下行过程中与高温流体混合和反应；本方法可以充分利用等离子体炬弧中心区域的高温来裂解煤粉，实现煤粉高效转化，且不会产生结焦现象。

Description

一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置

技术领域

本发明属于煤化工技术领域，尤其涉及一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置。

背景技术

等离子体裂解煤直接制乙炔技术被公认是极具发展前景的绿色化工技术，它不同于传统的煤转化过程，等离子体煤裂解通过一步反应获得高价值的乙炔、氢气等产品，具有流程短、无催化剂、对煤质适应性广、反应设备小、投资少等优点。

等离子体裂解煤制乙炔反应条件极端苛刻，是一个毫秒级的超短接触反应过程，高速等离子体射流与煤粉混合效率低，煤粉难以进入高温区，造成发气量和乙炔浓度低、反应器易结焦、单位乙炔能耗高，反应放大效应明显，大规模产业化困难，煤粉与等离子体混合、传热、反应问题已成为等离子体裂解煤制乙炔工艺关键性技术难点。

专利号CN201454523U公开了一种应用于等离子体裂解煤制乙炔反应器的煤粉喷射装置，其方法是煤粉喷嘴的出口截面为宽扁形，喷嘴的长轴与与反应器通道截面夹角为α，煤粉喷嘴的中心线与反应器通道交点的切线成β角，更容易使煤粉颗粒附着在反应器壁面上，堵塞反应通道。专利号CN101550054A公开了应用于煤裂解制乙炔过程的热等离子体与煤粉混合结构，其方法是煤粉喷嘴安装在气固下行床混合器通道内壁相同或不同的截面上，分2-3层分布，每层2-50mm,安装角度可在整个空间内进行调整，在煤粉喷嘴的上方安装有遮流构件，目的是提高煤粉颗粒的速度，扩大煤粉射流与等离子体射流的接触面积，但并未达到理想的效果，而且由于等离子体射流的温度梯度较大，由于温度的递减，垂直高度增加煤粉喷嘴的层数，使煤粉反应不完全，更容易形成结焦物，堵塞反应通道，等离子体射流烧蚀和冲刷使遮流构件损耗增大，不利于长时间运行。在浙江大学马杰的博士论文《磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔研究》中，提到自主设计1MW磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔装置，此装置是电弧外加磁场作用下高速旋转将高温等离子体分散，形成空间相对均匀的等离子体高温区，有利于煤粉与等离子体混合，但这种方法存在煤粉在加热过程中，受到高速旋转电弧离心力作用，粘附到反应器壁上，形成结焦，影响装置长期稳定运行，另外，电弧在高速旋转过程与煤粉作用，煤粉发生剧烈的裂解反应，影响电弧的稳定，导致运行电流的波动较大。专利号CN203582762U公开一种多电弧等离子体煤制乙炔反应装置，其方法为在等离子体炬阴极和若干个等离子体炬阳极之间可产生多条电弧，在磁旋转线圈的作用下高速旋转，在反应通道形成多个垂直分布的高温区，此方案是在浙江大学磁旋转弧方案的放大和优化，但同样存电弧稳定性差、结焦等问题，虽然此方案装置功率可以成倍提高，但是多电弧作用阴极，导致装置复杂、阴极负荷大，损耗快，阴极的寿命短等问题。

发明内容

本发明针对现有煤粉与等离子体混合问题和磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，电流波动大，电弧稳定性差，反应器通道易结焦等问题，提出一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置。

为解决上述问题，提供以下技术方案：

一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，该装置包括阴极、阴极磁旋转线圈、进气段、绝缘垫、阳极、阳极磁旋转线圈、淬冷器、等离子体电源依次联接，阴极和阳极之间产生电弧，在磁旋转线圈产生磁场作用下阴极弧根和阳极弧根高速旋转，也即，在磁旋转线圈产生磁场作用下电弧高速旋转；上述装置中心区域形成高温等离子体区域，煤粉由阴极空心通道通入，在电弧产生高温作用下，被加热和反应，即：煤粉在高速旋转电弧作用，产生离心力向外扩散，随着煤粉下行，不断与高温等离子体进行混合、传热和反应。

所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，阴极设置空心通道结构，空心通道作为煤粉输入通道，直径根据等离子体炬功率进行设置。

所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，阴极和阳极均设置磁旋转线圈。

所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，阳极和阴极分别联接等离子体电源正极和负极。

所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，进气段沿圆周方向分布有若干个切向进气孔，孔径为0.5-5mm。

有益效果：

1. 一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置采用磁旋转电弧，高速旋转电弧可以在装置中心区域形成较大的高温区域。

2.从阴极中心通入煤粉，可以利用等离子体的高温区域，使充分煤粉加热和反应。

3.由于煤粉在等离子体炬中心区域，当电弧旋转时不会因向心力作用将煤粉作用于反应器壁面，不会产生结焦现象。

4.电弧弧根在环形阴极高速旋转，相对于电弧固定一点，明显改善阴极工作状况，延长阴极寿命。

具体实施方式

附图说明：

图1是本发明实施例1的示意图；

图2是本发明实施例2的示意图；

图3是本发明实施例3的示意图；

附图标号：1阴极、2阴极磁旋转线圈、3进气段、4绝缘垫、5阳极、6阳极磁旋转线圈、7反应段、8淬冷器、9等离子体电源。

实施例1：

参照附图1所示一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，该装置设置阴极1、阴极磁旋转线圈2、进气段3、绝缘垫4、阳极5、阳极磁旋转线圈6、反应器7、淬冷器8、等离子体电源9依次联接组成，在等离子体电源9作用下阴极和阳极之间产生电弧，阴极磁旋转线圈2产生磁场使阴极弧根旋转，阳极磁旋转线圈6使阳极弧根/弧旋转，从而电弧高速旋转，工作气体由进气段3上的切向孔进入反应通道，煤粉由阴极1空心通道通入，煤粉在电弧产生高温作用下，进行加热和反应，反应产物和煤焦经反应段7到淬冷器8冷却后进入后续分离和提纯工序。

实施例2：

参照附图2所示一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，与实施例1不同之处在于，在反应段7增加进煤粉的喷煤孔，此处喷入煤粉可以利用旋转弧形成高温等离子体外部的热量，有利于提高反应系统能量利用率。

实施例3：

参照附图3所示一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置与实施例1、2不同之处在于，淬冷器8采用环隙式淬冷，此实施例旨在解决装置放大后，中心区域反应物无法迅速冷却问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明可用于天然气、煤层气、重油等原料的裂解和反应；同时本发明还可用于喷涂、飞灰、金属冶炼的技术领域，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，或用于其他行业和领域，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，该装置包括阴极、阴极磁旋转线圈、进气段、绝缘垫、阳极、阳极磁旋转线圈、淬冷器、等离子体电源依次联接，其特征在于阴极和阳极之间产生电弧，在磁场作用下电弧高速旋转；阴极设置空心通道结构，煤粉由阴极空心通道通入，在电弧产生高温作用下，被加热和反应。

2.根据权利要求1所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，其特征在于阴极设置空心通道，直径根据等离子体炬功率进行设置。

3.根据权利要求1、2任一所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，其特征在于阴极和阳极均设置磁旋转线圈。

4.根据权利要求1所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，其特征在于阳极和阴极分别联接等离子体电源正极和负极。

5.根据权利要求1所所述的一种空心阴极磁旋转弧等离子体裂解煤制乙炔反应装置，其特征在于进气段沿圆周方向分布有若干个切向进气孔。