CN1907926A - 防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法和结构，是在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段的下部设置环形燃烧室，燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝，能快速燃烧或反应的物质在燃烧室内快速反应产生高温高压气体从所述环形狭缝快速喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与通道内壁接触，达到防止反应器通道结焦目的。

Description

防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法及结构

技术领域

本发明涉及一种等离子体煤裂解制乙炔的工艺和装置。

背景技术

近20年来，国内外科学家就对利用氢气等离子体制乙炔技术在实验室规模上进行了大量基础研究工作，取得了丰富的研究成果，等离子体裂解煤制乙炔的科学科学性得到了验证。科学研究成果表明等离子体裂解煤制乙炔技术路线具有无环境污染、流程短、能耗低(电石法的70％)等优点，但是反应炉结焦及提高乙炔产率两个关键技术问题一直没有得到解决。

目前采用热等离子体裂解煤制乙炔的工艺技术世界上还处于中试阶段，未见有大规模的产业化装置投入运行的报道。等离子体煤裂解制乙炔的过程中，在反应器内壁的结焦问题一直是阻碍这个过程进一步发展的一大难题，进而也妨碍了其工业化的步伐。

进入20世纪90年代后，德国的AKAD WISS PHYS CHEM公司开发了用氧等离子体射流快速彻底地清除等离子体反应器壁上地硬碳沉积地技术。该过程是清除反应器壁上地硬碳沉积与烃类热解过程交替进行的一个过程，在清除过程中，将一个旋转弧开动1min～2min。该套系统不需要特别昂贵的设备，并且环境友好，可以用在各种各样的等离子体装置中，尤其是适用于碳流体以及煤转化制乙烯、乙炔的反应器中，其优点是能方便、快速将反应器内壁上的硬碳沉积物清除掉，缺点是反应器不能连续工作。德国的Huls公司开发了将煤在电弧中转化为乙炔，并在第二个弧中引入气流将副产品-焦，气化成合成气的技术。德国的VEB CHEMLEIPZIG公司开发了在等离子体热解反应器连续操作条件下，周期性引入含氧等离子体使热解焦化学分解的焦清除技术，该技术有点在于等离子体热解的持续生产，同时延长了反应器的服务寿命和工作的可靠性。

田亚峻对煤在电弧射流中的结焦机理进行了初步的研究，指出下行床反应器不同部位的结焦机理是不同的，结焦过程是通过温度影响结焦前驱体物种的途径实现的。在高温区，自由碳是主要的前驱体；在中温区，聚合和复合大分子有机物小液滴是主要的结焦前驱体，黏附在反应器壁上被炭化形成结焦物；在低温区，结焦物为残煤。同时从理论的角度提出消除结焦物的办法：即从化学角度出发主要是控制热解过程中产生的结焦前驱体；从物理角度出发就是如何防止结焦前驱体碰到反应器壁上；但并未给出解决问题的具体方案。针对这一热等离子体裂解煤下行床制乙炔过程的严重结焦问题，张济宇提出，可通过在原料煤中加入适量的惰性焦载体进行清焦，将反应过程中结焦前驱体物种直接附着于惰性焦载体上被带出，同时惰性焦载体在下行过程中不断冲刷反应管壁，从而达到消除器壁结焦的目的。田原宇根据反应器壁结焦机理及不同粒径煤粉结焦性不同的实验结果提出了采用进料粒径双峰分布的清焦方案。吕永康、田原宇在考察粒径对煤热解的影响时，实验分析了煤粒度对反应器结焦的影响，发现不同煤阶的煤粉粒径在小于100目时基本上不发生结焦现象，100～120目附近开始形成结焦，大于140目严重结焦；即细颗粒易发生结焦，而粗颗粒不易结焦。另外，煤粉粒度越小，转化率越高，裂解越彻底，产品气中乙炔在气体中的比例相对越大。利用小粒径煤粉的高转化率生产乙炔；大粒径煤粉部分热解转化，残煤在高速旋转的等离子体气流作用下离心抛出，对反应器壁形成冲刷，及时连续动态清除反应器壁的结焦，可缓解或消除等离子体裂解煤制乙炔装置的结焦现象。

以上的延缓等离子体反应器结焦和清除反应器结焦物的方法为见到中试实验的报道，且具体实施困难。综上所述，要实现热等离子体制乙炔的工业化应用，必须寻找经济有效的方法解决结焦问题，以期实现其工业化应用。

发明内容

本发明针对等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的问题，在现有等离子体煤裂解制乙炔中试实验装置的基础上，提出了防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法及结构，在煤粉与等离子体射流混合段的下部增加一段能产生高温高压燃烧室，燃烧室使用能够快速度燃烧的物质，燃烧室内高温高压气体从环形狭缝中高速喷出，在等离子体反应段内壁形成高温高速气膜，阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与通道内壁接触，达到防止反应器通道结焦目的。

本发明技术方案如下：

防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法，通过等离子体发生器产生等离子体射流，和煤粉混合并将煤粉加热汽化，产生乙炔，从通道排出，其特征在于设置一个燃烧室，向燃烧室内通入快速燃烧或反应的物质，产生高温高压气体，高温高压气体沿通道内壁向下喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，高温高速气膜能阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与通道内壁接触，达到防止反应器通道结焦目的。

燃烧室环绕设置在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段的下部，燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝，能快速燃烧或反应的物质从多根管道通入燃烧室，在燃烧室内快速反应产生高温高压气体从所述环形狭缝快速喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，高温高速气膜运动方向与通道内气流方向平行。

快速燃烧或反应的物质为氢气和氧气的混合物，或者天然气和氧气的混合物，所述的混合物组份可以调节，使得其产生的高温高速气膜是氧化气氛或还原气氛。

防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的结构，包括等离子体反应器，其特征在于在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段下部的通道周围，有环绕通道的燃烧室，燃烧室上有进气口，在燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝。

本发明有以下优点：

1、由于高温高速气膜能阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与反应器通道内壁接触，因此，该方法能够有效的防止反应器通道结焦，高温高速气膜使用能够快速燃烧产生高温高速气流的物质，如氢气和纯氧的混合物和天然气和纯氧的混合物等。

2、煤粉成分复杂且粒径分布为10～80μm，难免有少数大粒径穿过气膜在反应器壁形成结焦物，长时间运行就会影响正常的反应。在此情况下调整燃烧混合物的比例，适当的增加混合物中氧气的含量，使气膜的气氛为氧化气氛，结焦物在高温氧化气氛中转变为气态的一氧化碳和二氧化碳，从而达到清除结焦物的目的。

3、等离子体煤裂解制乙炔过程是一个吸热反应，以往的所需的热量全部来源于炽热的等离子体所携带的能量，等离子体所携带的能量来源于电能，因此，等离子体携带的能量成本较燃烧法产生能量要高的多，高温高速气膜在阻挡气相碳和煤粉颗粒的过程中能够在等离子体反应段提供部分的热量，从而降低乙炔气的单位电耗。

4、高温高速气膜能阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与反应器通道内壁接触，避免了高速未融化的高速煤粉粒子对反应器内壁的冲刷损耗，有效的延长反应器内壁的使用寿命。

5、高温高速气膜在反应器内部不可避免要于反应器内部的煤粉进行能量和物质的传递，相当于对煤粉颗粒的再次加热，有利于煤粉的气化，从而增加了煤粉的转化率。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是图1的A-A示意图。

具体实施方式

例1

防止等离子体煤裂解制乙炔反应器结焦的结构，包括等离子体反应器1，等离子体反应器1产生的等离子体射流2进入射流通道3，射流通道3的下部分为煤粉与等离子体射流2的混合段4，有煤粉管道5通入混合段4，在混合段4下部的通道周围，有环绕通道的燃烧室6，燃烧室6上有进气口7，在燃烧室6的环形内壁和燃烧室6下方的通道内壁10之间有环形狭缝12。

在等离子体射流2与煤粉管道5输送进的煤粉在混合段4快速混合，煤粉被快速加热气化，在等离子体反应段9生成乙炔，能快速燃烧的氢气和纯氧气混合气由2～4根进气口7输送入燃烧室6，混合气在燃烧室内快速反应产生高温高压气体，高温高压气体从燃烧室6下部环形狭缝12快速喷出，在通道内壁10形成高温高速气膜11，高温高速气膜11运动方向与气固两相流8平行。

等离子体炬输出功率为2MW，煤粉输送量为1200kg/h，反应器内壁直径为Φ100mm。高温高压气体从Φ90mm×2mm环形狭缝喷出形成高温高速气膜，环形狭缝距煤粉管道40mm。正常运行时调整氢气和氧气比例，燃烧焰气氛弱还原气氛，长时间运行后，反应器内部压力上升，反应器内壁结焦物使反应通道面积减小调，反应段的压降所造成的，反应器内部压力逐步上升，但上升的压力大于正常运行压力的0.01Mpa后，调整氢气和氧气比例使燃烧焰气氛弱氧化气氛，将固体的结焦物氧化成气态的一氧化碳和二氧化碳。反应器压力逐步下降道正常运行压力后，调整氢气和氧气比例使燃烧焰气氛还原化气氛，如此循化往复保证等离子体反应器长周期稳定运行。

例2

等离子体炬输出功率为2MW，煤粉输送量为1200kg/h，反应器内壁直径为Φ100mm。使用天然气和纯氧气的产生高温高压气体，高温高压气体从Φ95mm×2mm环形狭缝喷出形成高温高速气膜，环形狭缝距煤粉管道40mm。正常运行时调整天然气和氧气比例，燃烧焰气氛弱还原气氛，长时间运行后，反应器内部压力上升，反应器内壁结焦物使反应通道面积减小调，反应段的压降所造成的，反应器内部压力逐步上升，但上升的压力大于正常运行压力的0.01Mpa后，调整天然气和氧气比例使燃烧焰气氛弱氧化气氛，将固体的结焦物氧化成气态的一氧化碳和二氧化碳。反应器压力逐步下降道正常运行压力后，调整氢气和氧气比例使燃烧焰气氛还原化气氛，如此循化往复保证等离子体反应器长周期稳定运行。其余同例1。

Claims (5)

1、防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法，通过等离子体发生器产生等离子体射流，和煤粉混合并将煤粉加热汽化，产生乙炔，从通道排出，其特征在于设置一个燃烧室，向燃烧室内通入快速燃烧或反应的物质，产生高温高压气体，高温高压气体沿通道内壁向下喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，高温高速气膜能阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与通道内壁接触，达到防止反应器通道结焦目的。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于燃烧室环绕设置在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段的下部，燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝，能快速燃烧或反应的物质从多根管道通入燃烧室，在燃烧室内快速反应产生高温高压气体从所述环形狭缝快速喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，高温高速气膜运动方向与通道内气流方向平行。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于快速燃烧或反应的物质为氢气和氧气的混合物，或者天然气和氧气的混合物。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的混合物组份可以调节，使得其产生的高温高速气膜是氧化气氛或还原气氛。

5、防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的结构，包括等离子体反应器，其特征在于在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段下部的通道周围，有环绕通道的燃烧室，燃烧室上有进气口，在燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝。

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