CN1240647C - 煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺及装置，其特征是在等离子反应器中采用多枪喷入等离子体和煤粉气流以及天然气保护气体，进行反应生成乙炔混合气，冷却、分离后，产品乙炔气储存，工作气返回到等离子发生器中再利用；喷入的天然气在等离子反应器壁面形成气体保护层，阻挡炭碎片在器壁上结焦，同时进行热解反应形成乙炔混合气；在该装置中设有循环水冷却套和换热器，自身热能得到了有效的利用。本发明相比现有技术，乙炔转化率提高了4%～6%，反应器效率提高了10%左右，反应装置连续运行时间提高了5倍以上，反应装置热效率提高了15%～25%。

Description

煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种工业制备乙炔的工艺及设备，特别是一种利用煤、天然气等离子体热解制乙炔的工艺及装置。

背景技术

乙炔是一种重要的基本化工原料。传统水解电石法制备乙炔，其工艺流程长、设备简陋，特别是能源消耗较大、环境污染较为严重。现有很多人在研究和改进乙炔的工艺和设备。发明人曾在今年三月申请了发明专利，《煤等离子体热解制乙炔工艺及设备》，是制乙炔的一种较为先进的高新技术，其工艺是在等离子发生器中产生等离子体并由工作气体喷入等离子反应器中以形成等离子体氛围，同时再将煤粉喷入等离子体氛围中进行反应生成乙炔混合气，后通过淬水枪冷却，再进入气液固分离器中冷却分离，分离后的水煤渣排出，乙炔混合气进入气体分离器中进一步分离，分离后的产品乙炔气从乙炔气体出口送出储存，工作气循环进入等离子发生器中利用；氩气保护气喷入等离子反应器壁面与等离子体氛围之间形成保护气体层，以阻挡炭碎片在器壁上碰撞结焦，在等离子发生器的外壳中设有循环水冷却套循环冷却。

现有用于上述煤等离子体热解制乙炔工艺的装置，包括等离子发生器中安装的等离子阴极棒和阴极棒绝缘子、等离子阳极棒和阳极棒绝缘子、循环水冷却套和工作气体通道，并由顶盖密封固定；氩气煤粉通道和氩气保护气通道设在等离子体氛围的外壳上，氩气煤粉喷入等离子氛围中进行反应，氩气保护气在等离子体氛围与等离子反应器壁间形成旋流筒状气体保护层，阻挡炭碎片结焦；在等离子发生器的下端设有等离子反应器、淬冷枪和气固分离器；气固分离器分离出的产品乙炔气体由管道送出储存，工作气体由管道送入等离子发生器中循环使用。

但是发明人经过近半年的进一步研究，发现上述的工艺及设备在进行工业化生产时，生产负荷受到限制，且其能耗较大。首先，现有装置采用单套等离子阴阳极棒，其负荷增大受到限制；第二，现有工艺中的保护层为氩气保护层，其功能单一，不能作为煤等离子反应的辅助气体；第三，原等离子发生器及淬冷水带走大量热能，没有对其进行利用，该能量损失占总输入能量的40％左右，使其效率降低，热能没有充分利用。

发明内容

本发明针对现有的煤等离子体热解制乙炔工艺及装置存在的不足，提出一种煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺及装置，以解决现有煤等离子体热解制乙炔工艺及装置中存在的等离子发生器单一，工业化生产时负荷受到限制的问题；氩气作为气体保护层，其功能单一，不能作为煤在等离子反应器中反应的辅助气体问题；自生热能没有得到充分利用的问题。

本发明实现上述目的的技术方案是在等离子发生器中由工作气体入口通入工作气体后，对等离子发生器入口施加以电源，并以50～80m/s的速度喷入等离子反应器中产生等离子弧，形成3000℃～8000℃的热等离子场；天然气管中的天然气和煤粉气流管中的煤粉气流经预热换热器预热后，由天然气喷管及煤粉气流喷管将20～100μm的煤粉以4～6m/s的速度和50～90g/min的煤量喷入等离子反应器中的热等离子场进行反应，生成的乙炔混合气体在淬冷器中经淬冷器水射流对其进行快速冷却至300℃～600℃，再经水汽换热器放热后进入气固分离器进行气、固分离，分离出的炭黑进入封闭的水槽中，分离出的乙炔混合气体经气固分离器气体出口进入气体分离器中进行再分离，分离出的乙炔气体产品经气体分离器出口输出储存，分离出的氢气与氩气混合后循环进入等离子发生器中；

冷却系统的冷却水经等离子发生器上的循环冷却水套进口进入冷却槽路中冷却等离子发生器中的等离子阴阳极棒，吸收热量后的冷却水通过循环冷却水套出口送出，再经水汽换热器入口进入水汽换热器中进行热交换，吸收热量后的150℃～250℃的蒸汽再经水汽换热器出口送入预热换热器中，预热天然气管中的天然气和煤粉气流管中的煤粉气流后，将120℃～225℃的水蒸汽通过预热换热器水蒸汽出口送出；

天然气管中的天然气预热后经天然气喷管沿等离子反应器的内壁面环形喷入，并在等离子反应器的内壁面形成筒状旋转天然气阻挡层，同时不断喷入的天然气在热等离子场的作用下，不断进行反应形成乙炔混合气体；

一种用于上述煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺的装置，包括电源、工作气体入口、气体分离器出口、气体分离器、循环冷却水套进口、等离子发生器、等离子反应器、淬冷水入口、淬冷器、水汽换热器、气固分离器气体出口、水槽、预热换热器水蒸汽出口、预热换热器、煤粉气流管、天然气管煤粉气流喷管、等离子发生器入口、天然气喷管、循环冷却水套出口、水汽换热器出口、水汽换热器入口、气固分离器、天然气阻挡层、等离子弧、煤粉气流、淬冷器水射流、热等离子场、等离子反应器外壳、等离子发生器外壳、等离子阳极棒绝缘子、等离子阳极棒、等离子阴极棒、顶盖、工作气体通道外壳、等离子阴极棒绝缘子、循环冷却水套、工作气体喷出通道，其结构特征是在等离子发生器的顶盖上安装有电源、工作气体入口、煤粉气流喷管、等离子发生器入口，天然气喷管；在等离子发生器中安装有等离子阴极棒和等离子阴极棒绝缘子以及与等离子阴极棒相对应的等离子阳极棒和等离子阳极棒绝缘子；在等离子发生器入口之间设有煤粉气流喷管；在等离子发生器的周边设有天然气喷管；在等离子发生器中设有循环水冷却套以及循环冷却水套进口和循环冷却水套出口，并由顶盖固定密封，循环冷却水套出口由冷却水管连通水汽换热器的水汽换热器入口，水汽换热后，再经水汽换热器出口连通预热换热器，对预热换热器中的煤粉气流管中的煤粉气流和天然气管中的天然气预热，后由预热换热器水蒸汽出口送出；在等离子发生器的下端面依次设有等离子反应器、淬冷器、水汽换热器、气固分离器以及水槽；气固分离器分离出的乙炔混合气体由气固分离器气体出口由管道连通气体分离器，经分离出的产品乙炔气体由管道送出储存，分离出的氢气和氩气由管道送入工作气体入口中。

其中所述的等离子发生器入口至少是由两个或两个以上的等离子发生器入口构成；煤粉气流喷管至少是由两个或两个以上的煤粉气流喷管构成，以使煤粉能够均匀地喷入等离子场中进行反应；所述的天然气喷管至少是由两个或两个以上的天然气喷管构成，以使喷出的天然气能够形成旋流筒状的天然气阻挡层；所述的天然气喷管的安装角度和安装个数是能使天然气喷管喷出的天然气形成旋流筒状的天然气阻挡层；所述的等离子反应器外壳是由内壁面的防结焦层和中间耐高温层以及外壁的保温层复合而构成。

本发明在现有煤等离子体热解制乙炔工艺的基础上，对工艺作了进一步的改进，并从工艺方法上实现了高温C碎片与内壁面的彻底隔离以延长连续运行的时间，提高了反应区煤粉的局部浓度和接触时间，减少了热能的损失及工作气体再循环使用以提高产品乙炔气体的转化率及热效率；采用天然气体沿该等离子反应器的内壁面纵向螺旋喷入，形成旋转筒状的天然气作为C碎片与反应器壁面之间的阻隔层，有效地抑制了反应器内壁面的结焦现象，延长了该装置的连续运行时间，更重要的是天然气不仅是C碎片与反应器壁面之间的阻隔层，同时也是煤粉与等离子连续反应的工作气体，为该装置的工业化连续生产提供了充分条件；采用在等离子发生器中纵向对称安装多个等离子喷枪和多个煤粉气流喷枪，以增加煤粉与等离子反应时间，并在等离子场高温区形成滞止浓缩区，提高反应区煤粉的局部浓度和时间，由于采用该方式，不需穿过边界层，缩短了煤粉进入等离子火焰高温区的距离，增长了反应时间；采用产品气体分离后的工作气体实现再循环，提高了系统的经济性，为工业化连续生产创造了条件；采用在等离子发生器中设置循环水冷却套，水汽换热器和预热换热器，利用热能冷却乙炔混合气、加热煤粉气流和天然气，提高了生产效率，减少了热量损失。本发明工艺设计合理，无环境污染。

本发明由于对现有煤等离子体热解制乙炔的装置进行了改进，并实现了上述煤、天然气在等离子体热解制乙炔的工艺，其突出的特点是设置了纵向多枪喷入等离子弧和煤粉气流，使煤粉与等离子有充分的反应时间和反应充分的空间；设置了纵向多枪喷入天然气作为C碎片与反应器壁面之间的阻隔层，不仅有效地抑制了反应器内壁面的结焦现象，而且给煤粉与等离子体的连续反应提供了充分条件；安装了循环水冷却套系统、水汽换热器和预热换热器，不仅自生的热能得到充分的利用，而且提高了生产效率，减少了能源浪费，本发明设备装置设计合理，结构紧凑。

通过以上这些工艺及装置的改进，使得本发明的工艺及装置比现有煤等离子体热解制乙炔的工艺及装置连续运行时间提高了3倍以上，乙炔转化率提高了4％～6％，达到了88％～93％，反应器效率提高了10％左右，反应装置的负荷提高5倍以上，反应装置的的热效率提高15％～25％。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明装置的主剖面结构示意图

图3是本发明装置图2A-A的单套等离子阴阳极棒的剖面结构示意图

图4是本发明的等离子发生器剖面结构示意图

图5是本发明等离子发生器冷却水路线结构示意图

图中：1：电源 2：工作气体入口 3：气体分离器出口 4：气体分离器5：循环冷却水套进口 6：等离子发生器 7：等离子反应器 8：淬冷水入口9：淬冷器 10：水汽换热器 11：气固分离器气体出口 12：水槽 13：预热换热器水蒸汽出口 14：预热换热器 15：煤粉气流管 16：天然气管 17：煤粉气流喷管 18：等离子发生器入口 19：天然气喷管 20：循环冷却水套进口 21：水汽换热器出口 22：水汽换热器入口 23：气固分离器 24：天然气阻挡层 25：等离子弧 26：煤粉气流 27：淬冷器水射流 28：热等离子场 29：等离子反应器外壳 30：等离子发生器外壳 31：等离子阳极棒绝缘子 32：等离子阳极棒 33：等离子阴极棒 34：顶盖 35：工作气体通道外壳 36：等离子阴极棒绝缘子 37：循环冷却水套 38：工作气体喷出通道

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的工艺和设备进一步祥细说明，本实施例是对本发明的进一步说明，并不对本发明作任何限制。

实施例1

本发明是在现有工艺的基础上对其进行了改进，如附图1所示，在等离子发生器(6)中首先由氩气和氢气的混合气体入口，即工作气体入口(2)通入工作气体，然后对等离子发生器入口(18)施加以0～400伏特的电源(1)，并以50～80m/s的速度喷入等离子反应器(7)中产生等离子弧(25)，形成3000℃～8000℃的热等离子场(28)；其次是将天然气管(16)中的天然气和煤粉气流管(15)中的煤粉气流经预热换热器(14)预热后，由天然气喷管(19)及煤粉气流喷管(17)将20～100μm的煤粉以4～6m/s的速度和50～90g/min的煤量喷入等离子反应器(7)中的热等离子场(28)进行反应，生成的乙炔混合气体在淬冷器(9)中经淬冷器水射流(27)对其进行快速冷却至300℃～600℃，再经水汽换热器(10)放热后进入气固分离器(23)进行气、固分离，分离出的炭黑进入封闭的水槽(12)中，分离出的乙炔混合气体经气固分离器气体出口(11)进入气体分离器(4)中进行再分离，分离出的乙炔气体产品经气体分离器出口(3)输出储存，分离出的氢气与氩气混合后循环进入等离子发生器(6)中再使用。

冷却系统的冷却水经等离子发生器(6)上的循环冷却水套进口(5)进入冷却槽路中冷却等离子发生器(6)中的等离子阴阳极棒，吸收热量后的冷却水通过循环冷却水套出口(20)送出，再经对流式水汽换热器入口(22)进入对流式水汽换热器(10)中进行热交换，吸收热量后的150℃～250℃的蒸汽再经对流式水汽换热器出口(21)送入表面式预热换热器(14)中，预热天然气管(16)中的天然气和煤粉气流管(15)中的煤粉气流后，将120℃～225℃的水蒸汽通过表面式预热换热器水蒸汽出口(13)送出利用。

天然气管(16)中的天然气预热后经天然气喷管(19)沿等离子反应器(7)的内壁面环形喷入，并在等离子反应器(7)的内壁面形成天然气阻挡层(24)，同时不断喷入的天然气在热等离子场(28)的作用下，进行反应形成乙炔混合气体；

上述用于煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺的装置，包括电源(1)、工作气体入口(2)、气体分离器出口(3)、气体分离器(4)、循环冷却水套进口(5)、等离子发生器(6)、等离子反应器(7)、淬冷水入口(8)、淬冷器(9、水汽换热器(10)、气固分离器气体出口(11)、水槽(12)、预热换热器水蒸汽出口(13)、预热换热器(14)、煤粉气流管(15)、天然气管(16)煤粉气流喷管(17)、等离子发生器入口(18)、天然气喷管(19)、循环冷却水套出口(20)、水汽换热器出口(21)、水汽换热器入口(22)、气固分离器(23)、天然气阻挡层(24)、等离子弧(25)、煤粉气流(26)、淬冷器水射流(27)、热等离子场(28)、等离子反应器外壳(29)、等离子发生器外壳(30)、等离子阳极棒绝缘子(31)、等离子阳极棒(32)、等离子阴极棒(33)、顶盖(34)、工作气体通道外壳(35)、等离子阴极棒绝缘子(36)、循环冷却水套(37)、工作气体喷出通道(38)，其整体结构是在等离子发生器(6)的顶盖(34)上安装有0～400伏特的电源(1)、工作气体入口(2)、煤粉气流喷管(17)、等离子发生器入口(18)，天然气喷管(19)；在等离子发生器(6)中安装有等离子阴极棒(33)和等离子阴极棒绝缘子(36)以及与等离子阴极棒(33)相对应的等离子阳极棒(32)和等离子阳极棒绝缘子(31)；在等离子发生器入口(18)之间设有煤粉气流喷管(17)；在等离子发生器(6)的周边设有天然气喷管(19)；在等离子发生器(6)中设有循环水冷却套(37)以及循环冷却水套进口(5)和循环冷却水套出口(20)，并由顶盖(34)固定密封，循环冷却水套出口(20)由冷却水管连通表面蛇型水汽换热器(10)的水汽换热器入口(22)，水汽换热后，再经水汽换热器出口(21)连通表面单程预热换热器(14)，对表面单程预热换热器(14)中的煤粉气流管(15)中的煤粉气流和天然气管(16)中的天然气预热，后由预热换热器水蒸汽出口(13)送出；在等离子发生器(6)的下端面依次设有等离子反应器(7)、淬冷器(9)、表面蛇型水汽换热器(10)、气固分离器(23)以及水槽(12)；气固分离器(23)分离出的乙炔混合气体由气固分离器气体出口(11)由管道连通气体分离器(4)，经分离出的产品乙炔气体送出储存，分离出的氢气和氩气由管道送入工作气体入口(2)中。

其中所述的等离子发生器(18)可以是两个或两个以上的等离子发生器(18)；煤粉气流喷管(17)可以是两个或两个以上的煤粉气流喷管(17)组成，以使煤粉能够均匀地喷入热等离子场(28)中进行反应；所述的天然气喷管(19)是可以两个或两个以上的天然气喷管(19)组成，以使喷出的天然气能够形成旋流筒状的天然气阻挡层(24)；所述的天然气喷管(19)的安装角度和安装个数是能使天然气喷管(19)喷出的天然气形成旋流筒状的天然气阻挡层(24)；所述的等离子反应器外壳(29)是由内壁面的防结焦层和中间耐高温层以及外壁的保温层复合而构成。

在制作时，装置的整体结构和零部件连接或焊接以及管道的连通等，按照化工对容器的制作规程及制作要求执行；气体分离器、水汽换热器和预热换热器按工艺要求选用即可。

Claims (4)

1.一种煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺，其特征是在等离子发生器(6)中由工作气体入口(2)通入工作气体后，对等离子发生器入口(18)施加以电源(1)，并以50～80m/s的速度喷入等离子反应器(7)中产生等离子弧(25)，形成3000℃～8000℃的热等离子场(28)；天然气管(16)中的天然气和煤粉气流管(15)中的煤粉气流经预热换热器(14)预热后，由天然气喷管(19)及煤粉气流喷管(17)将20～100μm的煤粉以4～6m/s的速度和50～90g/min的煤量喷入等离子反应器(7)中的热等离子场(28)进行反应，生成的乙炔混合气体在淬冷器(9)中经淬冷器水射流(27)对其进行快速冷却至300℃～600℃，再经水汽换热器(10)放热后进入气固分离器(23)进行气、固分离，分离出的炭黑进入封闭的水槽(12)中，分离出的乙炔混合气体经气固分离器气体出口(11)进入气体分离器(4)中进行再分离，分离出的乙炔气体产品经气体分离器出口(3)输出储存，分离出的氢气与氩气混合后循环进入等离子发生器(6)中进行再反应；

冷却系统的冷却水经等离子发生器(6)上的循环冷却水套进口(5)进入冷却槽路中冷却等离子发生器(6)中的等离子阴阳极棒，吸收热量后的冷却水通过循环冷却水套出口(20)送出，再经水汽换热器入口(22)进入水汽换热器(10)中进行热交换，吸收热量后的150℃～250℃的蒸汽再经水汽换热器出口(21)送入预热换热器(14)中，预热天然气管(16)中的天然气和煤粉气流管(15)中的煤粉气流后，将120℃～225℃的水蒸汽通过预热换热器水蒸汽出口(13)送出再利用；

天然气管(16)中的天然气预热后经天然气喷管(19)沿等离子反应器(7)的内壁面环形喷入，并在等离子反应器(7)的内壁面形成旋转筒状的天然气阻挡层(24)，同时不断喷入的天然气在热等离子场(28)的作用下，不断进行反应形成乙炔混合气体。

2.一种用于权利要求1的煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺的装置，包括电源(1)、工作气体入口(2)、气体分离器出口(3)、气体分离器(4)、循环冷却水套进口(5)、等离子发生器(6)、等离子反应器(7)、淬冷水入口(8)、淬冷器(9)、水汽换热器(10)、气固分离器气体出口(11)、水槽(12)、预热换热器水蒸汽出口(13)、预热换热器(14)、煤粉气流管(15)、天然气管(16)、煤粉气流喷管(17)、等离子发生器入口(18)、天然气喷管(19)、循环冷却水套出口(20)、水汽换热器出口(21)、水汽换热器入口(22)、气固分离器(23)、天然气阻挡层(24)、等离子弧(25)、煤粉气流(26)、淬冷器水射流(27)、热等离子场(28)、等离子反应器外壳(29)、等离子发生器外壳(30)、等离子阳极棒绝缘子(31)、等离子阳极棒(32)、等离子阴极棒(33)、顶盖(34)、工作气体通道外壳(35)、等离子阴极棒绝缘子(36)、循环冷却水套(37)、工作气体喷出通道(38)，其特征是在等离子发生器(6)的顶盖(34)上安装有电源(1)、工作气体入口(2)、至少是两个或两个以上的煤粉气流喷管(17)，至少是两个或两个以上的等离子发生器入口(18)，至少是两个或两个以上的天然气喷管(19)，在等离子发生器(6)中安装有等离子阴极棒(33)和等离子阴极棒绝缘子(36)以及与等离子阴极棒(33)相对应的等离子阳极棒(32)和等离子阳极棒绝缘子(31)；在等离子发生器入口(18)之间设有煤粉气流喷管(17)；在等离子发生器(6)的周边设有天然气喷管(19)；在等离子发生器(6)中设有循环水冷却套(37)以及循环冷却水套进口(5)和循环冷却水套出口(20)，并由顶盖(34)固定密封，循环冷却水套出口(20)由冷却水管连通水汽换热器(10)的水汽换热器入口(22)，水汽换热后，再经水汽换热器出口(21)连通预热换热器(14)，对预热换热器(14)中的煤粉气流管(15)中的煤粉气流和天然气管(16)中的天然气预热，后由预热换热器水蒸汽出口(13)送出；在等离子发生器(6)的下端面依次设有等离子反应器(7)、淬冷器(9)、水汽换热器(10)、气固分离器(23)以及水槽(12)；气固分离器(23)分离出的乙炔混合气体由气固分离器气体出口(11)由管道连通气体分离器(4)，经分离出的产品乙炔气体由管道送出储存，分离出的氢气和氩气由管道送入工作气体入口(2)中循环使用。

3.根据权利要求2所述的煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺的装置，其特征是天然气喷管(19)的安装角度和安装个数是能使天然气喷管(19)喷出的天然气形成旋流筒状的天然气阻挡层(24)。

4.根据权利要求2所述的煤、天然气等离子体热解制乙炔工艺的装置，其特征是等离子反应器外壳(29)是由内壁面的防结焦层和中间耐高温层以及外壁的保温层复合而构成。

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