CN117619302A - 一种乙炔的制备方法、电弧等离子体反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乙炔的制备方法、电弧等离子体反应装置。所述制备方法包括：将气体携带碳粉送入等离子体反应器的电弧等离子体炬中，电弧加热以使得所述碳粉气化形成碳蒸汽射流；向等离子体反应器输入反应气体，使得所述反应气体和所述碳蒸汽射流混合、并裂解反应得到乙炔，所述反应气体包括氢气或氢气与含烃类化合物的混合物。本发明将碳粉在等离子体炬内气化形成碳蒸汽射流，再与含烃类混合物混合，能够提高二者混合速度和混合均匀性，从而提高乙炔收率，且相较电石法，能耗少、污染小。

Description

一种乙炔的制备方法、电弧等离子体反应装置

技术领域

本发明涉及乙炔生产技术技术领域，特别涉及一种乙炔的制备方法、电弧等离子体反应装置。

背景技术

乙炔是利用碳质物料转换生产的基础化工原料之一。工业乙炔的传统制备方法主要包括电石法，但是通过电石法制备乙炔的能耗严重且会带来大量的污染。

相对于电石法制乙炔，电弧等离子体热解煤粉直接生成乙炔理论上具有节约资源、减少污染排放、能耗低等优点，被认为是对电石法生产乙炔的革命。自上世纪20年代，GB286825公开了对含碳材料(包括煤粉、焦碳等)通过电弧加热气化/热解、在以C-H气氛为主的气相反应制取乙炔，90多年来有持续不断的研究，但这项技术路线至今尚未获得工业应用，主要问题是热解煤粉制乙炔大规模工业反应器存在电能消耗高、反应器易结焦和规模扩大等问题，造成运行成本高、不稳定，经济性(主要是反应器的能耗指标)与理想值差之甚远。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种乙炔的制备方法、电弧等离子体反应装置，该装置能使电弧等离子体与煤粉快速混合均匀，并提高反应区温度的均匀性，从而提高产品均匀性和能效性，并且具有功率大、能效高、可避免反应器壁结焦等多个优点，从而兼顾工业应用多种需求。

为实现上述目的，一方面，本发明提出的一种乙炔的制备方法，包括以下步骤：

S1，将气体携带碳粉送入等离子体反应器的电弧等离子体炬中，电弧加热以使得所述碳粉气化形成碳蒸汽射流；

S2，向等离子体反应器输入反应气体，使得所述反应气体和所述碳蒸汽射流混合、并裂解反应得到乙炔，所述反应气体包括氢气或氢气与含烃类化合物的混合物。

可选地，在步骤S1中，所述碳蒸汽射流平均焓值为30～80MJ/kg。

可选地，所述步骤S1中，碳粉的质量流量与输入等离子体炬的气体的质量流量之比N大于1。

可选地，所述步骤S1中，碳粉的质量流量与输入等离子体炬的气体的质量流量之比N大于5。

可选地，所述反应气体垂直于碳蒸汽射流的流动方向分量的动量与碳蒸汽射流的动量比值为M，M＝0.2～5；可选地，M＝0.5～2。

可选地，所述步骤S2中含烃类化合物包括含烃类气体、含烃类液体、、含烃类固体粉末中的至少一种，可选地，所述含烃类固体粉末包括煤粉、废旧塑料粉末或废旧树脂粉末，所述煤粉的挥发分大于20％。

可选地，所述步骤S2中还包括输入氧化剂；所述氧化剂包括气态或液态H₂O、CO₂、O₂；和/或，

所述步骤S1中，所述碳粉包括煤粉、煤制焦炭粉、蓝碳粉、石油焦炭粉、废旧树脂粉、废旧塑料粉或等离子体反应器排出的碳粉；和/或，

所述碳粉的氢质量含量不大于1.5％；和/或，

所述气体包括氧气、一氧化碳、二氧化碳、氩气、氮气、以及空气中的一种或多种；和/或，

所述等离子体反应器中的总气相的氢碳摩尔比(H/C)为3～8。

另一方面，本发明提出一种电弧等离子体反应装置，包括：

反应器，内部形成两端开口的反应腔，所述反应腔的侧壁上设置多个介质输送喷嘴，用以输入反应气体；以及，

等离子体炬，所述等离子体炬包括第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴和电弧通道，所述电弧通道与所述反应腔同轴设置，且所述电弧通道的一端与第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴连通，另一端与所述反应腔的一端开口连通，所述第一电极容纳腔中设置第一电弧电极，所述第一固体粉末喷嘴用以将碳粉送入电弧通道中；

其中，所述反应腔的侧壁上设有多个电极孔，各所述电极孔内设有与所述第一电弧电极的极性相反的第二电弧电极。

可选地，所述多个介质输送喷嘴沿所述反应腔的环周方向均匀设置，所述多个介质输送喷嘴轴线切于反应器横断面内、并与反应腔同轴的切圆，所述切圆直径小于反应腔直径的1/3；和/或，

所述多个电极孔沿所述反应腔的环周方向间隔设置，且各所述多个电极孔的轴线与所述反应腔的中心轴的夹角α为30°～150°，所述多个电极孔轴线切于反应器横断面内、与反应腔同轴线的切圆，所述切圆直径小于反应腔直径的1/3；

可选地，所述多个介质输送喷嘴与所述反应腔多个电极孔重合。

可选地，所述第一电极容纳腔设有一个，且所述第一电极容纳腔与所述反应器同轴设置；同时所固体粉末喷嘴为多个，围绕电弧通道轴线均匀分布，所述固体粉末喷嘴的轴线与第一电极的轴线之间的夹角β为10°～90°；或者，

所述第一电极容纳腔设有多个，所述多个第一电弧电极的极性相同，多个所述第一电极容纳腔围绕电弧通道轴线周向均匀分布，所述多个第一电弧电极轴线与所述电弧通道轴线之间的夹角γ为10°～90°；同时所述第一固体粉末喷嘴为一个，所述第一固体粉末喷嘴轴线与电弧通道同轴设置。

可选地，所述反应腔(201)的侧壁上或者在等离子体炬四周设置多个第二固体粉末喷嘴，多个所述第二固体粉末喷嘴沿所述反应腔或等离子体炬的环周方向均匀设置、或多个所述第二固体粉末喷嘴的轴向位置位于第一固体粉末喷嘴至第二电弧电极下方之间或第二电弧电极下方设置。

所述电弧通道的内壁材质为高电阻材料；所述反应腔内壁的材质为多孔材料。

本发明提供的技术方案中，将碳粉在等离子体炬内气化形成高焓、高流速碳蒸汽射流，高温碳蒸汽射流与反应气体快速混合，能够提高二者混合速度和混合均匀性，提高加热均匀性，从而提高乙炔收率，显著降低乙炔生成能耗；快速混合提高了混合速度和缩短了反应时间，从而提高了反应器空速，减少反应器能耗；电弧等离子体通道外围的碳粉隔离了等离子体通道对电弧通道壁的辐射和对流传热，降低了电弧等离子体炬的热损耗；此外，以碳粉为碳源生成乙炔具有最低的乙炔生成焓，进一步降低了乙炔生成能耗，且避免电弧通道壁结焦。贴反应腔壁通入少量氧化介质，消除反应器壁结焦问题。相较电石法，能耗少、污染小。

另外，本发明能够实现采用电弧等离子体一步将固体碳原料和转化为乙炔，能耗低，并能够保持碳粉气化过程的低能耗。本发明能够解决现有电弧热解煤粉制乙炔过程的气-固混合困难、热解过程分散性大导致的乙炔收率低的问题。本发明还能够减少电弧转化固体碳原料为乙炔的反应器结焦。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的乙炔的制备方法的实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的电弧等离子体反应装置的一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的电弧等离子体反应装置的另一实施例的结构示意图；

图4为本发明提供的电弧等离子体反应装置的另一实施例的结构示意图；

图5为图2，3，4的A-A断面(第二电弧电极)剖视图；

图6为图3的B-B断面剖视图；

图7为图4的C-C断面剖视图；

图8为本发明提供的电弧等离子体反应装置的反应原理示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

乙炔是利用碳质物料转换生产的基础化工原料之一。工业乙炔的传统制备方法主要包括电石法，但是通过电石法制备乙炔的能耗严重且会带来大量的污染。

相对于电石法制乙炔，电弧等离子体热解煤粉直接生成乙炔理论上具有节约资源、减少污染排放、能耗低等优点，被认为是对电石法生产乙炔的革命。自上世纪20年代，GB286825公开了I.G.FARBENINDUSTRIE等人提出对含碳材料(包括煤粉、焦碳等)通过电弧加热气化/热解、在以C-H气氛为主的气相反应制取乙炔，90多年来有持续不断的研究，但这项技术路线至今尚未获得工业应用，主要问题是热解煤粉制乙炔大规模工业反应器存在电能消耗高、反应器易结焦和规模扩大等问题，运行成本高、不稳定，经济性(主要是反应器的能耗指标)与理想值间差之甚远。

造成上述主要问题的原因在于：用于工业生产的电弧加热煤粉制乙炔的反应器装置必须同时满足：(1)稳定、长时间、足够高的电弧功率；(2)足够高的电能利用效率；(3)避免反应器和电极结焦。这些要求涉及因素众多，相互关联，难以兼顾。

例如，高温的电弧等离子体对煤粉的加热速度快，达到化学平衡时间短，反应速度快，煤热解气化后在1600～3500K温度区间迅速生成乙炔，但维持时间必须极短，小于3毫秒，否则C-H气体体系中的碳原子会迅速聚合，沉积为碳黑，属不可逆反应，维持时间长会造成乙炔收率降低；又由于等离子体能量高度集中，体积小，仅依靠气体传热难以使煤粉区温度很快均匀上升，导致：未进入高温区的煤粉不能气化或不能完全气化，煤粉在低温区释放的挥发份也容易转化成焦油和甲烷，不能得到乙炔；而高温区煤粉浓度低，导致乙炔生成能耗增加；因而造成煤粉耗量高、乙炔生成能耗高。因此，煤粉与等离子体或高温气体必须在极短的时间内混合均匀，需要解决高速等离子体射流与低速煤粉气固2相流大尺度快速混合均匀问题。

例如，等离子体炬有利于提高加热功率、电弧稳定、由于小电流而延长电极寿命、可以避免电极结焦，但等离子炬本身就产生大于10％的能耗，而且，为了提高等离子体炬的热效率和电弧的稳定，需要大量使用工质气体，几乎占用了反应所需气氛的大部分气体，煤粉只能以少量气体输送，因此煤粉与等离子体射流混合困难。然而，不采用等离子体炬，在反应器中直接采用电弧加热则存在煤粉在电极上结焦等问题，并且电弧电压难以提高从而电弧功率难以满足工业规模要求，而依靠提高电弧电流的方法来提高加热功率则带来电极损耗增加的问题，且由于电弧的自收缩特性，提高电流并不能使等离子体体积空间成正比增加，给煤粉与等离子体混合和均匀加热带来困难，使得反应器能效降低。

表1列出以固体碳、甲烷、丙烷为原料的的乙炔生成焓和实际反应条件下的能耗的计算值，计算条件为碳转化率为1、乙炔收率为1。理论上，以固体碳为原料生产乙炔的乙炔生成焓和实际反应能耗比以烃类原料要低，以甲烷为原料能耗最高，丙烷能耗次之。理论分析煤粉热解生成乙炔的能耗位于甲烷(天然气)和丙烷之间。然而目前报道的工业生产数据或实验数据的结果正好相反，煤粉热解生产乙炔的能耗要远高于天然气生产乙炔。

以碳粉气化生产乙炔理论上可以获得最高能量效率，并且能够避免气固混合问题。但由于氢气的离解温度低(～3500K)，导热系数大，氢等离子体炬难以产生平均温度高于碳粉气化温度(>4200K)的等离子体，因此现有的氢等离子体炬技术难以实现碳粉直接气化。

表1不同原料的乙炔生成焓和能耗(C_(s)、H₂生成焓为0)

kW-h/kg-C2H2	CH4	C3H8	C(s)
				乙炔生成焓	4.03	2.80	2.43
1700℃(H/C＝6)	7.32	6.09	5.72
				2000℃(H/C＝6)	8.4	7.18	6.8

鉴于此，本发明一实施例提出一种乙炔的制备方法，能耗低且污染小。

参阅图1、8，所述乙炔的制备方法包括以下步骤：

S1，将气体携带碳粉送入等离子体反应器的电弧等离子体炬中，电弧加热以使得所述碳粉气化形成碳蒸汽射流。

本实施例中，使用气体输送碳粉，所述气体(即气体携带碳粉中的气体)是指非卤素、不含氢的气体，优选价格低廉的气体以降低成本。进一步地，气体为双原子分子，离解温度不低于碳粉升华温度(即不小于4200K)的气体、或者在低于碳粉升华温度时与碳反应强烈的气体、或者在低于碳粉升华温度时形成的气体具有较低的导热性的气体，如此，电弧加热时，气体能够因为复合而释放大量热量，或是因为形成低导热性气体而在电弧周围形成高温度场，从而有利于碳粉气化形成碳等离子体和提高等离子体焓值。具体地，所述气体包括一氧化碳、氩气、氮气、二氧化碳、水蒸气、氧气、以及空气中的任意一种，或者其中任意两种或者任意n种(n＞2)的混合气体。也可以使用二氧化碳或水蒸气输送煤粉具有较好的安全性，但会因为他们与碳反应产生煤气而带来能量损耗。

本实施例中，所述碳粉的氢质量含量不大于1.5％，通过选用氢含量低的碳粉作为原料，能够降低碳粉气化的难度，提升碳粉气化效率。具体地，所述碳粉包括碳黑、无烟煤粉、煤制焦炭粉、蓝碳(半焦)粉、石油焦炭粉或反应后的煤焦粉等。使用无烟煤时，也可预先处理无烟煤粉、废旧树脂粉，包括去除灰分(机械法、酸碱法)、烘干(>150℃)、高温热解脱氢(>500℃)；其他碳粉也可做类似处理。碳粉在使用前预先进行干燥处理，减少水煤气反应产生的能量耗损。与以链烃(如：天然气、丙烷等)为碳源技术相比，以碳粉为碳源生成乙炔具有最低的乙炔生成焓，从而可以降低乙炔生成能耗。

此外，为提高碳粉的气化效率，本实施例中，所述碳粉的粒径小于100μm；碳粉粒径小，碳粉比表面积大，更易于受热并气化，但过小颗粒碳粉难以进入电弧。

所述气体携带碳粉中，所述碳粉和所述气体中非碳元素的摩尔比大于2，优选大于5以上。由于气体不是参与步骤S2反应的必要气体，气体会带走一部分能量导致能量损耗，同时减少了碳粉在等离子体内的停留时间，不利于碳粉气化，但气体量过少也会不利于碳粉输送。鉴于此，本实施例优选碳粉的质量流量与输入等离子体炬的气体的质量流量之比N大于1，优选地N大于5，以在保证碳粉输送的同时，尽可能降低能量损失。

所述碳蒸汽射流中，所述碳粉的气化率为20％～70％，如此，一方面能够保证足够的碳粉利用率，另一方面，剩余的未气化碳粉富集在等离子体炬10的内壁面附近，能够隔离等离子体对等离子体炬10内壁面传热，从而降低乙炔生成能耗，同时保护和冲刷等离子体炬10内壁面和与等离子体炬10续接的反应腔201内壁面，防止壁面结焦；此外，碳粉气化温度在4,200K以上，碳等离子体温度可达6,000K以上，气相碳射流(等离子体)温度为4,500～10,000K，产生的所述碳蒸汽射流的比焓为30～80MJ/kg-C(不包括固相碳)，有助于后续的裂解反应；所述碳蒸汽射流的速度大于100m/s，所述碳蒸汽射流平均焓值为30～80MJ/kg，即每公斤碳蒸汽射流的平均焓值为30～80MJ。

S2，向等离子体反应器输入反应气体，使得所述反应气体和所述碳蒸汽射流混合、并裂解反应，得到乙炔，所述反应气体包括氢气或氢气与含烃类化合物的混合物。添加烃类化合物补充碳源，为充分利用炭等离子体能量增加乙炔产量。

在本实施例中，可以采用径向和切向输入氢气与补充碳源(含碳氢化合物)，使氢气与补充碳源与碳蒸汽射流发生接近直角对撞混合、并在反应腔内产生旋转流动；在实际应用过程中，可以采用急冷控制混合反应时间Δt，得到乙炔；补充碳源(含碳氢化合物)为气体时，混合反应时间Δt为1.5～3ms；补充碳源(含碳氢化合物)为固态粉末时，混合反应时间Δt为2.5～5ms。由于碳等离子体的比焓高，携带的能量大，需补充一定量的碳源，以充分利用碳等离子体携带的能量。含烃类化合物可挥发出C-H小分子的碳摩尔流量与碳等离子体中碳的摩尔流量比值为0～3；含烃类化合物包括含烃类气体、含烃类液体、含烃类固体粉末中的至少一种。例如，含烃类化合物包括但不限于天然气、焦炉煤气、煤层气、乙烷、丙烷、乙烯、丙炔、丁炔、丁烷、轻油；包括反应器裂解反应产物中分离出的链烃(非乙炔，包含甲烷、乙烯、丙炔、丁炔等)等；含烃类固体粉末包括煤粉、废旧树脂粉末、废旧塑料粉末或等离子体反应器排出的碳粉，煤粉为高挥发性煤粉例如烟煤、长焰煤等，挥发分大于20％；煤粉使用前可干燥处理，以提高乙炔收率。

所述含烃类的化合物不包括苯环类的芳香烃。苯环类的芳香烃的碳环不易断裂生成小分子碳氢化合物，不适合生产乙炔。所述含烃类的化合物的废旧树脂粉末和废旧塑料粉末也不宜有过多的烃类化合物以外的其它杂质，有机物物杂质会增加能量消耗，无机物杂质容易在反应器壁面结疤。

氢气是生成乙炔的必要物质，且在反应器20内添加多余的氢有利于维持乙炔的稳定性，以保持乙炔的生成，氢量过多则增加了能耗。本实施例中，等离子体反应器中的总气相的氢碳摩尔比(H/C)为3～8。即碳蒸汽射流、氢气和反应气体混合后，氢和碳的元素摩尔比(H/C)为3～8；或碳等离子体、氢气、和含烃类固体粉末热解气体产物的混合物中，氢和碳的元素摩尔比(H/C)为3～8。

本发明裂解反应主要生成乙炔、氢气、一氧化碳以及少量的链烃等。在裂解反应结束后，可以对反应产物进行分离，分离出的乙炔作为产物收集，剩余的链烃气体和部分氢气等可以回用至反应器20中，作为补充碳源和氢源继续参与其中的裂解反应。其中，所述烃类混合气体在乙炔未转化的平均热力学平衡温度为1,600～2,200K。

以热解煤粉制备乙炔的方法为例，高温的电弧等离子体对煤粉的加热速度快，达到化学平衡时间短，反应速度快，煤热解气化后在1,600～3,500K温度区间迅速生成乙炔，但如果维持时间过长则会导致烃类混合气体中碳原子不断聚合沉积成炭黑，导致乙炔收率下降。且由于等离子体能量高度集中，体积小，仅依靠气体传热难以使煤粉区温度很快均匀上升，这就会导致，未进入高温区的煤粉不能气化或不能完全气化，乙炔收率低；同时，煤粉在低温区释放的挥发组份也容易转化成焦油和甲烷，不能得到乙炔；此外，高温区煤粉浓度低也会造成乙炔生成能耗增加；从而造成煤粉耗量高、乙炔生成能耗高、乙炔收率低的问题。

鉴于此，本实施例中，氢气与气态补充碳源的混合气体(含烃类气体或含烃类液体，其中含烃类液体可以为雾化之后的雾化形式)与碳等离子体以气-气相混合的方式混合，提高了混合效率，使得在极短时间内高温碳蒸汽射流和烃类混合气体就能均匀混合生成乙炔，且能耗少；同时，将烃类混合气体在反应器20内的停留时间控制在1.5～3ms以内，能够避免碳原子聚合生成炭黑，降低了副反应几率，有助于反应更偏向于乙炔生成方向，提高了乙炔收率；或者大量氢气驱动煤粉与高焓碳蒸汽射流快速混合均匀，消除了煤粉热解生成乙炔过程分散性问题，将氢气与煤粉(含烃类固体粉末)与高焓碳等离子体在反应器20内的停留时间控制在2.5～5ms以内，从而可以缩短反应时间，提高乙炔收率；同时减少反应器20表面积、从而降低反应器20的热损耗。其中，补充碳源中添加的链烃量以碳蒸汽射流碳含量为准，具体地，含烃类气体中的可裂解为碳氢小分子的碳与所述碳蒸汽射流中的气相碳的质量流量比为0～3，即设定碳蒸汽射流中的碳的摩尔流量为1，则，输入的含烃类气体中的碳的摩尔流量可以为0.3、0.5、0.8、1、1.2、1.5、2等。

具体地，为控制反应气体和所述碳蒸汽射流在1.5～3ms内混合并裂解反应，可以控制反应气体和碳蒸汽射流流速和急冷水的急冷位置，使其在反应器20中的停留时间不大于3ms。具体地，在一些实施例中，碳蒸汽射流的流速约为300m/sec，补充碳源烃类气体的流速(冷态)约为100m/sec，如此能够使得二者快速混合均匀，二者与氢气混合后在反应腔内流速约为～300m/sec且在反应器20中的停留时间控制在1.5～3ms以内，则反应腔的混合反应段长度为450～900mm；在反应器20产物出口处进行急冷，即可终止反应。具体可以使其冷却至500K以下，以冻结反应。

进一步地，为提高两种气体的混合效率，在一些实施例中，反应气体沿与碳蒸汽射流的中心轴向相交的方向输入，控制进入反应腔的反应气体垂直于碳蒸汽射流的流动方向的动量与碳蒸汽射流的动量比值为M，M优选为0.5～2，如此，二者可以高效混合，混合速度通常可以控制在1ms以内。更进一步地，在另一些实施例中，反应气体以偏离反应腔轴线输入反应腔，在反应腔内形成旋转流动，如此，能够提高两组气体的混合接触面积，提高混合效率，同时，能够避免因两种气体对冲而造成碳蒸汽射流向反应腔201内壁面流动、在反应腔内壁面结焦。此外，反应腔201内旋转流动的气体也能促使进入反应腔201内的未气化碳粉向反应腔201壁面移动，一方面有利于隔离向反应腔201内壁面的传质，从而减少结焦，同时，也能够冲刷反应腔201内壁面，从而消除反应腔201内壁上的结焦；另一方面，也能减少向反应腔201内壁的传热，减少能量损耗。

进一步，沿反应腔四周均匀输入氧化剂；所述氧化剂包括气态或液态H₂O、CO₂、O₂等、或他们的混合物，所述氧化剂在压力作用下经过反应腔器壁多孔结构进入反应腔器内壁面附近，所述氧化剂在反应腔器内壁面附近与C-H小分子反应，生成稳定的H₂、CO的气体分子，抑制C-H小分子在反应腔内壁面结焦，并冷却反应腔器壁。

本发明另一实施例提出一种电弧等离子体反应装置100，图2至图7为本发明提出的电弧等离子体反应装置100的具体实施例。借助本电弧等离子体反应装置100，不仅能够实现上述乙炔制备方法，而且能够进一步促进碳粉气化，降低能量损耗，避免结焦。

参阅图2和图5，所述电弧等离子体反应装置100包括反应器20和等离子体炬10。其中，内部形成两端开口的反应腔201，所述反应腔201的侧壁上设置多个介质输送喷嘴，用以输入反应气体。通常反应器竖直放置也可以水平放置。图示实施例中，反应腔201沿上下方向延伸，其上端为第一端，其下端为第二端，第一端和第二端相对设置。等离子体炬10包括第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴4和电弧通道101，所述电弧通道101与所述反应腔201同轴设置，且所述电弧通道101的一端与第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴4连通，另一端与所述反应腔201的一端开口连通，电弧通道101用于产生电弧和气化碳粉。所述第一电极容纳腔中设置第一电弧电极7，所述第一固体粉末喷嘴用以将碳粉送入电弧通道101中。其中，所述反应腔的侧壁上设有多个电极孔，各所述电极孔内设有与所述第一电弧电极的极性相反的第二电弧电极。

需要说明的是，本发明实施例中，介质输送喷嘴可以与电极孔重合：即可以通过电极孔输入反应气体(如图2所示)；介质输送喷嘴与电极孔重合的同时，还是可以有气体补充碳源喷嘴2(如图3所示)；介质输送喷嘴与电极孔重合的同时，还是可以有第二固体粉末喷嘴5(如图4所示)。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述电弧通道101的一端与所述反应腔201的上端开口连通，所述电弧通道101具有与反应腔201的上端连接的出口端、以及与出口端相对设置的入口端。所述电弧通道101包括与入口端邻接的电弧通道入口1，在送料方向(碳粉流动方向)上，所述电弧通道入口1前的横截面呈渐小设置(图2)，其下游为直管过渡到直径渐大(图2、图3)。

本发明技术方案中，等离子体炬10与反应器20连接，且等离子体炬10的电弧通道入口1前沿碳粉流动方向呈锥形收缩(图2)，如此，当携带有碳粉的等离子体工质气体进入电弧通道101时，此处收缩口的设置能够将其中的碳粉浓缩至等离子体炬10的轴心，使得碳粉大部分集中在电弧内，有助于提高碳粉气化率。在电弧通道内，随着碳粉快速气化，体积急剧增加，电弧通道在碳等离子体流动方向呈渐大设置，降低等离子体炬内压力和等离子体流动速度，增长碳粉在等离子体内停留时间，提高碳粉气化率。此外，等离子体炬10也可以与反应器20一体设置。

参阅图3和图5、图6，本实施例中，所述反应腔201呈圆筒型，所述等离子体炬10设于反应器20的第一端，且与所述反应器20同轴设置，如此，自等离子体炬10出口端喷射出的碳蒸汽射流能够沿反应器20中心轴方向进入反应腔201内；等离子体炬喷口直径d1小于等于反应腔入口直径d2。

具体地，本实施例电弧通道101包括电弧通道入口1和连接于电弧通道入口1和反应腔201之间的电弧通道。其中，等离子体炬10还包括第一电弧电极7，第一电弧电极7设于电弧通道入口1中心，且沿其中心轴方向延伸，且端部伸向电弧通道入口附近，以使其形成的电弧柱6大部分位于电弧通道内，少部分位于反应腔201内。电弧通道管壁102一般采用水冷却外壁。

等离子体炬10的第一电极容纳腔和第一电弧电极7具体可以设置一个，也可以设置多个。

参见图3，在一些实施例中，所述等离子体炬10第一电极容纳腔和第一电弧电极7设有一个，并设置多个第一固体粉末喷嘴4，所述第一固体粉末喷嘴4数量≥3，位于电弧通道入口附近，围绕电弧通道轴对称均匀分布，所述第一固体粉末喷嘴4的轴线与电弧通道轴线之间的夹角β为10°～90°。

具体地，电弧通道入口1为环形腔，气体携带的碳粉从多个第一固体粉末喷嘴4向电弧通道内输送，碳粉在气流带动下从电弧周围均匀注入电弧电离通道(即电弧柱6)，碳粉在电弧电离通道内被等离子体加热气化，未进入电弧柱内的碳粉隔离电弧对通道壁的辐射和对流传热。具体地，电弧通道为圆管型，且长径比大于5；第一电弧电极7采用钨合金或石墨，并采用Ar、N₂等惰性气体保护，例如，在电弧通道入口1中心开设连通电弧通道的孔，第一电弧电极7设于其中，且与孔壁间隔设置，孔内流通惰性气体；第一电弧电极7采用水冷却。

参见图4和图7，在一些实施例中，所述等离子体炬10第一电弧电极7设有多个，第一电弧电极7的数量≥3；第一电弧电极7围绕电弧通道轴线周向均匀分布，并设置一个第一固体粉末喷嘴4，所述第一固体粉末喷嘴4位于多个第一电弧电极7中心，与电弧通道同轴，所述电极轴线与第一固体粉末喷嘴(电弧通道轴线)之间的夹角γ为10°～90°；电弧从多个电极出发汇聚于电弧通道轴心，碳粉沿轴心注入电弧电离通道(即电弧柱6)。

参见图2、3、5。进一步地，在等离子体炬10设有一个的基础上，所述反应腔201的侧壁上设有多个电极孔3，多个所述电极孔3沿所述反应腔201的环周方向间隔设置，各所述电极孔3内设有与第一电弧电极的极性相反的第二电弧电极8，各所述电极8整体收容在所述电极孔3内，且所述第二电弧电极8的顶部朝向所述反应腔201内。具体地，各第二电弧电极8的顶部不伸出反应腔201的内壁面，避免结焦；电极孔3通常为圆孔，第二电弧电极8设于电极孔3中心且与孔壁间隔，同时第二电弧电极8周围采用气体保护，以与反应腔201壁面隔离绝缘，并避免第二电弧电极8结焦；其中，等离子体炬10为阴极转移弧等离子体炬(第一电弧电极7为阴极)，多个第二电弧电极8为阳极。等离子体炬10具有多个第一电弧电极7时，第一电弧电极7的数目与第二电弧电极8的数目相同；具体电连接时，多个独立恒流电源的负极共同与所述阴极转移弧等离子体炬10的单个第一电弧电极7相连，或多个多个独立恒流电源的负极分别于多个第一电弧电极7相连；独立恒流电源的正极分别与所述多个阳极第二电弧电极8相连。

电极孔轴线与反应器轴线之间夹角a为30°～150°之间，优选为60°～120°；多个电极孔轴线切于反应器横断面内、与反应腔同轴线的切圆，切圆直径小于反应腔直径的1/3，电极孔气流方向产生轴向流动、径向流动和切向流动。

在使用本电弧等离子体炬反应装置100制备乙炔时，可以自电极孔3输入氢气、或混合气体或者回用的补充氢/碳源；电极孔喷出的混合气体与碳蒸汽射流快速混合反应生成乙炔。如此，既可以将混合气体或者回用的补充氢/碳源作为保护气体，保护第二电弧电极8，又能用于输入烃类混合气体帮助制备乙炔，减少专用的气体输入孔，简化装置结构。各电极孔3靠近第一端设置(参见图2)，如此，电极孔3内喷出的保护气体或者烃类混合气体能够对自等离子体炬10出口端喷出的碳蒸汽射流的回流起到消除作用，避免等离子体炬10出口端或者反应腔201第一端结焦。

也可以设置气体补充碳源喷嘴2(参见图3)。气体补充碳源喷嘴2沿所述反应腔201的环周方向间隔设置，气体补充碳源喷嘴2轴线与反应器轴线之间夹角α’为30°～150°之间，喷嘴轴线在反应腔断面的投影切于反应腔内同心圆，喷嘴气流方向产生与碳蒸汽射流同向的轴向流动、径向流动和切向流动。气体补充碳源喷嘴2喷出的烃类混合气体与碳蒸汽射流快速混合反应生成乙炔。此设置中各电极孔3输入氢气防止电弧对电极孔壁面击穿。

气体补充碳源喷嘴2可设置于靠近等离子体炬电弧通道出口的反应腔第一端。气体补充碳源喷嘴2喷出的链烃或含烃类混合气体能够对自等离子体炬10出口端喷出的碳蒸汽射流的回流起到消除作用，避免等离子体炬10出口端或者反应腔201第一端结焦；气体补充碳源喷嘴2也可以设置于电极孔同平面位置、或位于电极孔下游。

气体补充碳源喷嘴2也可以为雾化喷嘴，喷出液态链烃；使用氢气对液体雾化。

气体补充碳源喷嘴2喷出用于喷含烃类混合气体或雾化含烃类液体时，气体补充碳源喷嘴2轴向相交的切圆直径小于反应腔直径1/2，优选不大于反应腔直径1/3，和小于等离子体炬电弧通道出口直径。

参见图4、图7，第二固体粉末喷嘴5，多个第二固体粉末喷嘴5环绕反应腔轴线均匀设置，且轴向位置靠近电弧通道入口附近(图4)，喷嘴轴线同向偏离电弧通道轴线、相交同一切圆大于等离子体炬电弧通道直径，喷入含烃类固体粉末环绕电弧弧柱周围，隔离电弧对电弧通道壁的传热和约束电弧；或喷嘴轴线交于反应器轴线，煤粉沿反应腔四周慢速进入腔环绕等离子体炬碳蒸汽射流；或轴向位置靠近第二电弧电极上下游附近(如图3介质喷嘴位置)，氢气或其它气体输送煤粉进入反应器，喷嘴轴线同向偏离电弧通道轴线、相交同一切圆小于等离子体炬电弧通道出口直径，喷入含烃类固体粉末与炬碳蒸汽射流混合；电极孔喷出的高速等离子体射流使固体粉末、碳蒸汽射流与氢气快速混合均匀，反应生成乙炔；第二固体粉末喷嘴5轴线与反应腔轴线之间的夹角γ为20°～90°之间。

此外，所述反应腔201的侧壁上设有多个冷却介质雾化喷嘴9，多个所述冷却介质雾化喷嘴9靠近所述第二端设置，且沿所述反应腔201的环周方向设置。从而能够对第二端气体进行急冷冷却，以终止裂解反应。

且环绕内壁面可以设置水冷管道，以在需要时进行强制冷却。反应器20的壁温控制小于1100K。

此外，所述反应腔内壁采用耐高温耐磨材料，如刚玉、碳化硅、耐高温金属等，为网状联通多微孔结构。在压力作用下，氧化性性保护剂通过反应腔器壁网状联通多微孔渗透至反应腔；保护剂在管壁内吸热冷却反应腔器壁，液态性保护剂还冷起蒸发冷却作用；氧化性性保护剂与反应腔器壁附近C-H小分子反应生成稳定的分子，抑制碳粉气化的C-H小分子在反应腔器壁面结焦，并降低壁面附近温度。

基于上述实施例，本发明进一步提出乙炔的制备方法的另一实施例。所述乙炔的制备方法包括以下步骤：

步骤S100，用气体携带碳粉并自所述入口端送入所述电弧通道101中，电弧加热以使得所述碳粉气化形成碳蒸汽射流；

步骤S200，向反应腔201内输入：1)氢气与含烃类气体，使所述混合气体与所述碳蒸汽射流在1.5～3ms内混合并裂解反应，得到乙炔；2)或氢气和雾化烃类液体，使所述氢气和雾化烃类液体与所述碳蒸汽射流在2～4ms内混合并裂解反应，得到乙炔；3)或氢气和含烃类固体粉末(即固体粉末补充碳源)，使所述氢气和含烃类固体粉末与所述碳蒸汽射流在2.5～5ms内混合并裂解反应，得到乙炔；

步骤S300，向反应腔201贴壁输入气态O₂、或H₂O、或CO₂、或他们的混合物，氧化剂与反应腔器壁附近C-H小分子反应生成稳定的分子，抑制碳粉气化的C-H小分子在反应腔器壁面结焦，并降低壁面附近温度。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

提供如图2所示的电弧等离子体反应装置100。所述电弧等离子体反应装置100包括反应器20和等离子体炬10；所述等离子体炬10为阴极转移弧等离子体炬，等离子体炬内部形成电弧通道101，所述电弧通道101的一端与所述反应腔201的一端开口连通，所述电弧通道101包括与远离所述反应腔201的入口端邻接的电弧通道入口1；在送料方向上，所述电弧通道入口1的横截面呈渐小设置，在其下游所述电弧通道横截面呈渐大设置；第一电极7位于电弧通道入口，与电弧通道同轴线，电极7为阴极；所述反应器20内部形成两端开口的反应腔201，6个电极孔3位于靠近反应腔与等离子体炬联接的一端，电极孔3的轴线垂直于反应腔轴线夹角α为70°(图3)，电极孔3的轴线相交的切园直径为等离子体炬出口处直径d2的1/6，每个电极孔内安装1个第二电弧电极8，第二电弧电极8为阳极；其中，第一电弧电极7和第二电弧电极8均采用保护气体保护，电弧通道壁液态水冷却。

所述碳粉为煤焦炭粉，预先烘干处理，挥发分含量小于1％，脱除灰分后含碳量95％，平均一次粒径小于20μm；等离子体工质气体为空气。按照碳粉和等离子体工质气体的质量流量比为20/1的比例，将一氧化碳和碳粉自等离子体炬10入口端4送入电弧通道101中；引发电弧，其中，电弧电流600A、电压1200V；电弧加热形成碳蒸汽射流进入反应腔201，平均温度大于6000K，流速约600m/sec，且所述碳蒸汽射流中，所述碳粉的气化率为30％，所述碳蒸汽射流的比焓约为60MJ/kg。

将含烃类混合气体以～80m/sec的流速(冷态)自电极孔3处送入反应腔201内与碳蒸汽射流混合，混合气体动量和总质量大于碳蒸汽射流，混合与反应控制时间～2ms，碳蒸汽射流中气相碳、烃类气体及氢气发生反应生成乙炔。

其中，含烃类混合气体为焦炉煤气，且其中含25％甲烷、55％氢气、约20％一氧化碳；焦炉煤气预先净化脱水；焦炉煤气的输入量是碳蒸汽射流中气相碳的流量4倍；混合后总的氢与气相碳的比例为4.2。含烃类混合气体也可以是甲烷与氢气的混合体，也可以是反应产物分离出烃类气体在添加天然气和氢气。

乙炔收率(产品乙炔碳与反应前气相总碳的摩尔比)为80％，碳转化率(气态碳/总碳，不包括CO)59％；等离子体炬热效率为96％，乙炔能耗为9.2kWh/kg。

实施例2

提供如图3所示的电弧等离子体反应装置100，其中，与图3不同的是喷嘴2位于电极孔3的下游(下方)。所述电弧等离子体反应装置100包括反应器20和等离子体炬10；所述等离子体炬10为阴极转移弧等离子体炬，等离子体炬内部形成电弧通道101，所述电弧通道101的一端与所述反应腔201的一端开口连通；所述电弧通道101包括与远离所述反应腔201的入口端邻接的电弧通道入口1；在送料方向上，所述电弧通道入口1的横截面呈渐小设置，在其下游所述电弧通道横截面呈渐大设置；第一电极7位于电弧通道入口，与电弧通道同轴线，电极7为阴极；所述反应器20内部形成两端开口的反应腔201；6个第一固体粉末喷嘴4位于靠近反应腔与等离子体炬联接的一端、环绕反应腔壁四周均布，喷嘴4的轴线与电弧通道轴线之间的夹角α未60°；气体喷嘴2位于电极孔3的下游(下方)，气体喷嘴2的轴线与反应腔轴线之间的夹角α’为90°，喷嘴2轴线相切的切园直径d3为等离子体炬出口处直径；6个电极孔3位于喷嘴2的上游、环绕反应腔壁四周均布、与喷嘴2角向相差15°，电极孔3与喷嘴2的轴向间距小于反应腔室半径，电极孔3的轴线与反应腔轴线之间的夹角α为70°，电极孔3轴线相交于反应腔轴线，每个电极孔内安装1个第二电极8，所述电极8为阳极；其中，电弧电极7和阳极电极8均采用保护气体保护，电弧通道壁和阳极壁采用水冷。

所述碳粉为无烟煤，脱挥发分处理，挥发分含量低于0.2％经造粒后粒径30～50μm；等离子体工质气体为氧气。按照碳粉和等离子体工质气体的质量流量比为20/1的比例，将一氧化碳和碳黑自等离子体炬10入口端送入电弧通道101中；引发电弧，其中电弧电流～600A、电压1200V；电弧加热形成碳蒸汽射流，平均温度大于6000K，流速约～600m/sec；所述碳蒸汽射流中，所述碳粉的气化率为30％，所述碳蒸汽射流的比焓约为55MJ/kg。

将氢气以200m/sec的流速(冷态)自电极孔3处送入反应腔201与碳蒸汽射流混合形成碳蒸汽射流-氢气混合体；将天然气以200m/sec流速自气体补充碳源喷嘴2送入反应腔201内与碳蒸汽射流-氢气混合体混合；总的混合与反应控制时间～2ms，碳蒸汽射流中气相碳与发生裂解反应生成乙炔。

其中，输入反应腔的天然气与碳蒸汽射流中气相碳摩尔流量比为1.5/1；天然气与氢气的摩尔流量比为1.5/1；混合后总的氢碳(气相)的比例约为4/1。

乙炔收率(产品乙炔碳与反应前气相总碳的摩尔比)为75％，乙炔能耗约为9.0kWh/kg。

实施例3

提供如图4所示的电弧等离子体反应装置100。所述电弧等离子体反应装置100包括反应器20和等离子体炬10；所述等离子体炬10为阴极转移弧等离子体炬，等离子体炬内部形成电弧通道101，所述电弧通道101的一端与所述反应腔201的一端开口连通，所述电弧通道101包括与远离所述反应腔201的入口端邻接的电弧通道入口1，在送料方向上，所述电弧通道入口1的横截面呈渐小设置；所述反应器20内部形成两端开口的反应腔201；电弧通道与反应腔同直径；第一固体粉末喷嘴4与电弧通道同轴线；6个第一电弧电极7围绕反应腔轴线轴对称均匀分布,电极7轴线与反应腔轴线之间夹角γ’为30°；6个第二固体粉末喷嘴5位于靠近反应腔与等离子体炬联接的一端、环绕反应腔壁四周均布，喷嘴可为矩形，其在反应器周向宽度w1大于轴向高度w2，第二固体粉末喷嘴5的轴线垂直于反应腔轴线，且同向偏转相切于与电弧通道横断面的切圆(俯视图，图7未画出切圆)；6个电极孔3位于第二固体粉末喷嘴下游、环绕反应腔壁四周均布，电极孔3的轴线垂直于反应腔轴线(电极孔轴线与反应腔轴线之间的夹角α为90°)，电极孔3的轴线相切于反应腔的切园直径d3(图5)小于等离子体炬出口处反应腔直径的1/6，且轴线偏离反应腔径向射线的方向与第二固体粉末喷嘴同侧；每个电极孔内安装1个电极8，所述电极8为阳极；其中，电弧电极7和阳极电极8均采用保护气体保护，电弧通道壁采用水冷，反应腔壁为网状联通多微孔结构；反应腔壁采用液态水蒸发冷却，并贴壁通入氧气。

将碳粉用氧气携带送入第一固体粉末喷嘴4，进入电弧通道101中。所述碳粉为本反应中煤粉裂解后焦粉，挥发分含量低于0.5％，经酸碱脱灰处理，含碳量大于96％，粒径小于20μm；碳粉和输送碳粉的气体的质量流量比为20/1，按照煤粉与输送煤粉的气体的质量流量比为20/1。

将煤粉用空气携带均匀分配送入6个第二固体粉末喷嘴5；煤粉贴电弧通道壁旋转流动。烟煤挥发份含量38～42％，含碳量85％，经烘干处理，磨碎粒径平均小于35nm。

引发电弧，其中电弧电流～600A、电压～1350V；电弧加热形成碳蒸汽射流，平均温度大于6500K，流速～600m/sec；所述碳蒸汽射流中，所述碳粉的气化率为33％，所述碳蒸汽射流的比焓约为60MJ/kg。

将氢气以250m/sec的流速(冷态)自电极孔3处送入反应腔201，带动煤粉与碳蒸汽射流混合，电极孔氢气经阳极电弧加热后的动量大于碳蒸汽射流动量；总的混合与反应控制时间～3ms，碳蒸汽射流中气相碳与煤粉裂解的碳氢小分子以及电极空输入的氢气发生反应生成乙炔。

其中，碳粉流量150kg/h，煤粉流量300kg/h，输入反应器氢气流量(循环)1900Nm³/h；反应器电功率810kW；乙炔产量0.8t/h，乙炔能耗10kWh/kg，产氢120Nm³/h，产CO 60Nm³/h。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，所列数据也因工艺条件、原料变化、反应器条件差异有较大范围变化。凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种乙炔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将气体携带碳粉送入等离子体反应器的电弧等离子体炬中，电弧加热以使得所述碳粉气化形成碳蒸汽射流；

S2，向等离子体反应器输入反应气体，使得所述反应气体和所述碳蒸汽射流混合、并裂解反应得到乙炔，所述反应气体包括氢气或氢气与含烃类化合物的混合物。

2.根据权利要求1所述的乙炔的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述碳蒸汽射流平均焓值为30～80MJ/kg。

3.根据权利要求1所述的乙炔的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳粉的质量流量与输入等离子体炬的气体的质量流量之比N大于1。

4.根据权利要求1所述的乙炔的制备方法，其特征在于，所述反应气体在垂直于碳蒸汽射流的流动方向的动量与碳蒸汽射流的动量比值为M，M＝0.2～5。

5.根据权利要求1所述的乙炔的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中含烃类化合物包括含烃类气体、含烃类液体、含烃类固体粉末中的至少一种，所述含烃类固体粉末包括煤粉、废旧树脂粉末或废旧塑料粉末；所述煤粉的挥发分大于20％。

6.根据权利要求1所述的乙炔的制备方法，其特征在于，

所述步骤S2中还包括输入氧化剂；所述氧化剂包括气态或液态H₂O、CO₂、O₂；和/或，

所述步骤S1中，所述碳粉包括煤粉、煤制焦炭粉、蓝碳粉、石油焦炭粉、废旧树脂粉、废旧塑料粉或等离子体反应器排出的碳粉；和/或，

所述碳粉的氢质量含量不大于1.5％；和/或，

所述气体包括氧气、一氧化碳、二氧化碳、氩气、氮气、以及空气中的一种或多种；和/或，

所述等离子体反应器中的总气相的氢碳摩尔比(H/C)为3～8。

7.一种电弧等离子体反应装置，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的乙炔的制备方法中，包括：

反应器，内部形成两端开口的反应腔，所述反应腔的侧壁上设置多个介质输送喷嘴，用以输入反应气体；以及，

等离子体炬，所述等离子体炬包括第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴和电弧通道，所述电弧通道与所述反应腔同轴设置，且所述电弧通道的一端与第一电极容纳腔、第一固体粉末喷嘴连通，另一端与所述反应腔的一端开口连通，所述第一电极容纳腔中设置第一电弧电极，所述第一固体粉末喷嘴用以将碳粉送入电弧通道中；

其中，所述反应腔的侧壁上设有多个电极孔，各所述电极孔内设有与所述第一电弧电极的极性相反的第二电弧电极。

8.如权利要求7所述的电弧等离子体反应装置，其特征在于，

所述多个介质输送喷嘴沿所述反应腔的环周方向均匀设置，所述多个介质输送喷嘴轴线切于反应器横断面内、并与反应腔同轴的切圆，所述切圆直径小于反应腔直径的1/3；和/或，

所述多个电极孔沿所述反应腔的环周方向间隔设置，且各所述多个电极孔的轴线与所述反应腔的中心轴的夹角α为30°～150°，所述多个电极孔轴线切于反应器横断面内、与反应腔同轴线的切圆，所述切圆直径小于反应腔直径的1/3；

可选地，所述多个介质输送喷嘴与所述多个电极孔重合。

9.如权利要求7所述的电弧等离子体反应装置，其特征在于，

所述第一电极容纳腔设有一个，且所述第一电极容纳腔与所述反应器同轴设置；同时所述第一固体粉末喷嘴为多个，围绕电弧通道轴线均匀分布，所述第一固体粉末喷嘴的轴线与第一电弧电极的轴线之间的夹角β为10°～90°；或者，

所述第一电极容纳腔设有多个，所述多个第一电弧电极的极性相同，多个所述第一电极容纳腔围绕电弧通道轴线周向均匀分布，所述多个第一电弧电极的轴线与所述电弧通道轴线之间的夹角γ为10°～90°；同时所述第一固体粉末喷嘴为一个，所述第一固体粉末喷嘴轴线与电弧通道同轴设置。

10.如权利要求7所述的电弧等离子体反应装置，其特征在于，所述反应腔的侧壁上或者在等离子体炬四周设置多个第二固体粉末喷嘴，多个所述第二固体粉末喷嘴沿所述反应腔或等离子体炬的环周方向均匀设置、或多个所述第二固体粉末喷嘴的轴向位置位于第一固体粉末喷嘴至第二电弧电极之间或第二电弧电极下方设置，和/或，

所述电弧通道的内壁材质为高电阻材料；所述反应腔内壁的材质为多孔材料。