CN205627919U - 一种电弧加热煤粉制乙炔反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，包括反应器，反应器内部具有反应内腔，在所述反应器的一端设有第一煤粉喷嘴，另一端设有产物出口，在第一煤粉喷嘴的中心设有一个电弧电极；在靠近第一煤粉喷嘴一端的反应器上设有n支电弧等离子体炬，n支电弧等离子体炬与反应内腔联通，n≥3；n支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中轴线与反应内腔的中轴线之间的夹角为α，n支电弧等离子体炬的中4轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆。所述反应器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。
Description
技术领域
本实用新型涉及乙炔制备技术领域，尤其涉及一种电弧加热煤粉制乙炔反应器。
背景技术
相对于电石法制乙炔，电弧等离子体热解煤粉制乙炔，由于节约资源、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。
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1800～3500K温度区间迅速生成乙炔，但维持时间必须极短，小于几毫秒，因为C-H气体体系中的碳原子会不断地结合，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，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也造成乙炔生成能耗增加，因而造成煤粉耗量高、乙炔生成能耗高的问题。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。
已发展的多种电弧加热煤粉制乙炔的方法与装置，如专利文件UK2145591、US3989512A、US3931542A、US410588、US5406046A、US7030336B1、UA77739C2、JP225100-91、CN014202904646、 CN201410787386.5等，部分较好解决工业化反应器的一些问题，但总是存在部分不足，不能满足工业化要求的全部条件。
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15％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，造成煤粉输送困难。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。
实用新型内容
基于背景技术存在的技术问题，本实用新型提出了一种电弧加热煤粉制乙炔反应器。所述反应器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。
本实用新型提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，包括反应器，反应器内部具有反应内腔，在反应器的一端设有第一煤粉喷嘴，另一端设有产物出口，在第一煤粉喷嘴的中心设有一个电弧电极；在靠近第一煤粉喷嘴一端的反应器上设有n支电弧等离子体炬，n支电弧等离子体炬与反应内腔联通，n≥3；n支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中轴线与反应内腔的中轴线之间的夹角为α，n支电弧等离子体炬的中轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切 圆，所述公共切圆位于第一煤粉喷嘴下方的反应内腔中。
优选地，α为45°～105°。
优选地，所述反应内腔的横截面为圆形或正多边形；优选地，所述公共切圆的直径为所述反应内腔最小横截面园直径或多边形对角线长度的0～1/3。
优选地，n支电弧等离子体炬为转移弧等离子炬，n支转移弧等离子体炬的极性都相同，且与第一煤粉喷嘴中心的电弧电极的极性相反，n支等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆内汇聚，并与电弧电极产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
优选地，n支电弧等离子体炬为转移弧等离子炬，n支转移弧等离子体炬中任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n≥4且为偶数，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通，并与第一煤粉喷嘴中心的电弧电极产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
优选地，将第一煤粉喷嘴中心的电弧电极悬空，n支转移弧等离子体炬中任意相邻两支等离子体炬的极性相反，n≥4，且为偶数，n支等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通。
优选地，以气体输送方式将煤粉注入n支电弧等离子体炬的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与电弧等离子体轴向流动方向一致；优选地，在n支电弧等离子体炬的电弧通道外周面上旋转对称设有多个第二煤粉喷嘴，以气体输送方式将煤粉从多个第二煤粉喷嘴切向注入到n支电弧等离子体炬电弧通道内，各煤粉喷嘴的通过的气流量、煤粉量相同；更优选地，以气体输送方式将煤粉在所述电弧等离子体炬的电弧通道轴向上分多级注入，优选地，多个第二煤粉喷嘴在电弧等离子体炬的电弧通道外周面上轴向多 层分布。
优选地，多个第二煤粉喷嘴的煤粉注入量为反应器煤粉注入总量的1/2～1。
优选地，转移弧等离子体炬的电弧电流为100～1000A，转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的1/2；优选地，转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的2/3。
优选地，在n支电弧等离子体炬下方的反应器上设有多个粉体喷嘴，多个粉体喷嘴喷出的粉体注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层，且具有向产物出口方向流动的轴向分量；优选地，在n支电弧等离子体炬下方的反应器上倾斜旋转设有多个粉体喷嘴，多个粉体喷嘴喷出的粉体切向注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层；更优选地，粉体为煤粉热解反应后不含挥发份的含碳灰粉。
优选地，在n支电弧等离子体炬上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆，同时每层电弧等离子体炬的旋转方向都与所述n支电弧等离子体炬的旋转方向相同。
本实用新型提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，工作过程中，通过上述结构设定的n支电弧等离子体炬，其喷出的等离子体炬高温气体射流中心与所述公共切圆相切，由此汇聚于所述公共切圆的周围，并产生高速旋转流动的高温气体涡旋；与此同时，当电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，转移弧等离子体炬产生的电弧在切圆周围或且切圆内汇聚，并与第一煤粉喷嘴中心的电极电弧在所述公共切圆内上下附近联通。因此，本实用新型中，第一煤粉喷 嘴中心的高温等离子体射流和第一煤粉喷管煤粉气体混合流、等离子体炬中心产生的高温高速等离子体射流和被加速的煤粉气体混合流在所述公共切圆附近汇聚，形成向产物出口流动高速涡旋区，高速涡旋区在向产物出口游流动过程中扩展至反应器整个截面；高温气体与温度相对较低煤粉气体混合流迅速混合均匀，在此过程煤粉被迅速加热气化，气态物质迅速达到化学热力学平衡状态，在反应器出口经高速淬冷，从而收获乙炔、氢气、一氧化碳和其他气体、以及残炭等产品。
其中，由于高速涡旋区的存在，使煤粉原料与高温气体迅速混合均匀，并在反应器截面内迅速扩散，从而分布均匀，形成均匀的高温气体-煤粉颗粒两相流，并向反应器下方快速流动，在此过程中煤粉被加热，产生物理或/和化学反应，从产物出口流出反应器。此外由于等离子体射流速度可达每秒数百米甚至千米以上，涡旋区旋转线速度极高，而反应器直径只有数十厘米量级，高速涡旋区能迅速扩散，均匀充满反应器截面，煤粉进入高速旋转的高温气体区域，与高温气体的混合均匀所需时间只需毫秒量级，因此非常有利于高温气体对产品的加热均匀性，有利于提高产品分布均匀性和降低能耗。
其中，本实用新型中还通过将煤粉直接注入转移弧等离子体炬的电弧通道内，在将电弧等离子体炬喷管内轴心的电弧与喷管壁隔离，不仅大大降低了电弧与喷管壁之间的传热损耗，而且煤粉可以捕获等离子体的电荷扩散，提高电弧与喷管壁的击穿电压。
此外，本实用新型中还在反应器上设有固体粉末喷嘴，其喷出的固体粉末保护层限制高温气体、煤粉混合流碰壁，避免反应器壁烧损和结焦，提高反应器温度均匀性。
因此，与现有的反应器相比，本实用新型提出的电弧加热煤粉制乙炔的反 应器具有以下优点：
(1)借助于等离子体射流技术产生涡旋，使煤粉与高温气体不仅混合均匀，而且能快速混合均匀，并且使反应区温度均匀，解决了现有技术中明显的不足。
(2)涡旋气流的高速流动与煤粉颗粒产生差速，迅速消除煤粉热解的焦油产生的热障，提高煤粉热解速度，从而提高反应效率。
(3)形成高速涡旋能促进反应产物的气固分离。
(4)将煤粉直接注入等离子体炬的电弧通道中，有利于减少电弧等离子体炬热能损耗，从而提高了电弧等离子体炬电能效率，并可增大了等离子体炬功率，隔绝电弧与等离子体炬喷管内壁之间击穿从而提高了等离子体炬的可靠性，免去了等离子体炬喷管复杂的水冷结构。
(5)多支等离子体炬组合和多层等离子体炬有利于提高单台反应器的功率，增大反应器规模。
(6)高温还原性气体携带碳粉不仅完全避免反应器壁结焦，而且对反应区起保温作用，提高反应区温度的均匀性，且不影响反应区的气氛要求。
附图说明
图1为本实用新型提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器的纵剖面示意图；
图2为图1的电弧等离子体炬布置俯视图和电源连接示意图；
图3为高速气体漩涡示意图和一种实施例的电弧通路示意图；
图4为本实用新型提出的电弧加热煤粉制乙炔反应器另一实施例的电弧通路示意图。
图5为图1的电弧等离子体炬中注入煤粉混合物方式的纵剖面示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本实用新型提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器的纵剖面示意图。图2为图1的电弧等离子体炬布置俯视图和电源连接示意图。图3为高速气体漩涡示意图和一种实施例的电弧通路示意图。图4为本实用新型提出的电弧加热煤粉制乙炔反应器另一实施例的电弧通路示意图。图5为图1的电弧等离子体炬中注入煤粉混合物方式的纵剖面示意图。
参照图1-5，本实用新型提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，包括反应器2，反应器2内部具有反应内腔，在反应器2的一端端设有第一煤粉喷嘴1，另一端设有产物出口7；在第一煤粉喷嘴1的中心设有一个电弧电极3-0，在靠近第一煤粉喷嘴1一端的反应器2上设有n支电弧等离子体炬3，n支电弧等离子体炬与反应内腔联通，n≥3；n支电弧等离子体炬3同向旋转布置在反应内腔的同一截面上，且每支电弧等离子体炬3的中轴线与反应内腔的中轴线之间的夹角为α，n支电弧等离子体炬3的中轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于第一煤粉喷嘴1下方的反应内腔内。
在本实用新型技术方案中，反应器本体2可以竖直放置，也可以水平放置或者倒置。
参照图1，在本实用新型的一个优选技术方案中，反应器本体2竖直放置，第一煤粉喷嘴1位于所述反应器2顶部且联通至反应内腔，产物出口7位于反应器2底端。其中，反应内腔的横截面为旋转对称结构，优选为圆形或正多边形。
n支电弧等离子体炬3位于第一煤粉喷嘴1下方的反应器2上、并联通至反应内腔，n支电弧等离子体炬3的喷嘴出口端面与所述反应内腔侧壁平齐；n支 电弧等离子体炬3都旋转对称布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬3的中轴线与所述反应内腔的中轴线的夹角为α。
参照图2，n支电弧等离子体炬3的中心轴线在反应内腔的横截面上投影后并向反应内腔延伸，在反应内腔的横截面上有一个公共切圆，其中所述公共切圆下游至产物出口7为反应内腔的反应段。
在上述技术方案中，由于热解煤粉制乙炔需要富氢环境，电弧等离子体炬3的工质气体采用氢气、或富含氢的碳氢化合物，如甲烷等。电弧等离子体炬3产生的高温等离子体射流在所述公共切圆周围汇聚，并顺着等离子体射流方向产生旋转流动的高温气体漩涡区6，高温气体漩涡区6的最高平均气温在3500K以上。高温气体漩涡区6在向产物出口7移动过程中，快速径向扩张，直至充满反应器截面，除了反应器壁面附近区域外在反应器截面保持较好的温度均匀性，平均气温有所下降。
从第一煤粉喷嘴1喷出的煤粉下落进入高温气体漩涡区6，被高速旋转流动的气体卷席，迅速与高温气体混合均匀，煤粉随着气体流动扩充至反应器整个截面，并向反应器出口流动；煤粉从进入高温气体漩涡区到反应器出口经历时间2～6毫秒，在这个过程中，煤粉迅速升温、热解、释放挥发份，在反应器出口达到C-H体系化学热力学平衡(不考虑固态碳)，平均气体温度在1700K～2000K之间，经过急冷，收获乙炔、乙烯、氢气、一氧化碳、以及其他C-H化合物等产品。
在上述技术方案中，为了保证煤粉在高温气体涡旋区6内的停留时间，从而保证被充分加热和完全热解，所述公共切圆的直径优选为反应段所在反应内腔最小截面直径的0～1/3；优选为电弧等离子体炬3的喷管开口直径的0.5-2倍。其中，所述公共切圆直径过小，不利于高温气体径向扩散和温度均匀、不 利于煤粉与高温气体混合均匀；所述公共切圆直径过大，则高温气体扩散快，易烧坏反应器。
在上述技术方案中，α优选为45°～105°。其中，角度过大，例如大于105°，n支电弧等离子体炬3产生的射流向上流动，在克服第一煤粉喷嘴煤粉下落的速度后还产生向上流动分量，从而形成回流，虽然有利于煤粉与高温气体混合，但反应物在高温区的停留时间可能过长，乙炔裂解生成固态炭黑，造成乙炔收率降低；角度过小，例如小于45°，则电弧等离子体炬的旋流数减小，涡旋向下流动快，不利于反应区横截面内的温度均匀、煤粉扩散以及煤粉与高温气体的混合。
n支电弧等离子体炬3可为通常所说的非转移弧等离子体炬、转移弧等离子体炬、或他们的组合，优选为转移弧等离子体炬，转移弧等离子体炬相对于非转移弧等离子体炬具有结构简单、电极损耗低、能耗低的特点。
所述n支等离子体炬3为非转移弧等离子体炬时，第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0没有电流通过，可以悬空或取消。
所述n支电弧等离子体炬3为转移弧等离子体炬时，为使电弧稳定以致形成稳定涡旋，优选2种方案：
第一种方案是，n支转移弧等离子体炬3的极性都相同，且与第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0的极性相反，发自n支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1的电弧在所述公共切圆周围汇聚，并与电弧电极3-0产生的电弧在所述公共切圆内联通，由于第一煤粉喷嘴的流体的向下流动作用和电弧自身的洛伦兹力作用，n支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1产生的电弧与电弧电极3-0产生的电弧的在公共切圆内联通，其轴向位置位于公共切圆的下方；n≥3，有利于产生涡旋、减少煤粉射流碰壁；优选地，各转移弧等离子体炬的电流相等，通 过依靠等离子体炬射流的惯性，克服相邻电弧之间的洛伦兹力作用，维持电弧等离子体炬射流中心的电弧在各自平衡位置的稳定。
第二种方案是，n支转移弧等离子体炬3中任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n≥4且为偶数，n支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通，并与第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。由于第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0的分流作用，因此与电弧电极3-0同极性的转移弧等离子体炬电流小于与电弧电极3-0极性相反的转移弧等离子体炬的电流。其中，相邻转移弧等离子体炬3的电弧电流方向相反，优选地，阴极和阳极转移弧等离子体炬电流大小分别相等，相邻射流的电弧作用力相互推斥，维持射流的电弧在各自平衡位置的动态稳定；多对转移弧等离子体炬对数至少为2，即n≥4，有利于产生涡旋、减少煤粉射流碰壁。
采用第二种方案时，第一煤粉喷嘴中心的电弧电极3-0可悬空或取消。
参照图3，在上述技术方案中，维持上述转移弧等离子体炬电弧稳定的电源联结方式是：其中任意1支电弧等离子体炬3的电弧电极3-1或第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0连接到电压控制型电源的正极或负极，其余的电弧电极连接到电流控制型电源的正极或负极。优选所述第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0联接到1支电压控制型电源的正极或负极，所述n支电弧等离子体炬3的电弧电极3-1分别联接到n支电流控制型电源的正极或负极，所述n支电流控制型电源和1支电压控制型电源的另一极都联接到公共点、并接地。
其中，第一煤粉喷嘴中心的电弧电极3-0优选为阴极，棒状热阴极可以承受更高的电流。n支电弧等离子体炬的电弧电极3-1和第一煤粉喷嘴1中心的电弧电极3-0的电流代数和为零。为使高温气体涡旋区6的等离子体电位接近于 地电位，电压控制型电源的电压控制为所连接电极电弧从电极到电弧汇聚处的电压平均值。
参照图2、图3，图3实施例为6支转移弧等离子体炬，第一煤粉喷嘴中心未安装电弧电极或该电极悬空。通过上述结构设定的n支转移弧等离子体炬3，其喷出的等离子体炬高温气体射流中心与所述公共切圆相切、汇聚于所述公共切圆的周围，n支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1产生的电弧汇聚于公共切圆周围，并在公共切圆周围动态相互联通，主要电弧电流通路为相邻电弧等离子体炬的两两联通并不断左右切换联通，两两联通的电弧再相互联通，但不会形成环路联通。参见图4，图4为4支转移弧等离子体炬和第一煤粉喷嘴中心安装的电弧电极形成的电弧通路示意图，除了n支转移弧等离子体炬的电弧电极3-1产生的电弧汇聚于公共切圆周围、并在切圆周围动态相互联通外，4支转移弧等离子体炬的电弧电极3-1产生的电弧还与第一煤粉喷嘴的中心的电极电弧在所述公共切圆内下方联通。由此产生高速旋转流动的高温气体涡旋区6，其涡旋方向与n支等离子体炬高温气体射流一致。由于电弧等离子体炬高温气体射流的宽度，初始高温气体涡旋区的直径大于所述公共切圆的直径，与此同时，高温气体涡旋区向下游流动过程中可迅速扩展，均匀充满反应内腔横断面，保持除了反应器内壁附近外的大部分横断面区域温度均匀。
采用转移弧等离子体炬时，可向转移弧等离子体炬喷管内注入煤粉。参照图5，以气体输送方式将煤粉注入n支电弧等离子体炬3的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与等离子体轴向流动方向一致，从而将电弧稳定约束在电弧通道轴心部位。
对于上述技术方案，可通过在n支电弧等离子体炬3的喷管上旋转对称设 有多个第二煤粉喷嘴8，以气体输送方式将煤粉从多个第二煤粉喷嘴8切向注入到n支电弧等离子体炬3的电弧通道中实现，多个第二煤粉喷嘴8切向的旋转方向一致。
其中，n个转移弧等离子体炬的全部第二煤粉喷嘴8的煤粉注入量优选为反应器煤粉注入总量的1/2～1，即注入反应器煤粉的大部分或全部都可通过n支转移弧等离子体炬注入。
通过上述结构设定，用气体输送煤粉形成气体-颗粒两相流的煤粉混合物，以与电弧等离子体炬3的电弧通道内电弧等离子体流动相同方向、带有径向分量和微切径向分量注入电弧等离子体炬3的电弧通道内。由此通过多个第二煤粉喷嘴8注入后在所述电弧通道的内表面和通道中的电弧等离子体之间形成气体-煤粉颗粒混合物流动层9，所述流动层具有与所述电弧等离子体流动方向一致的轴向分量，以及与所述喷管截面平行的径向分量和微切向分量。
由于切向注入的气体-煤粉混合物流动层9将等离子体电弧稳定地约束在电弧等离子体炬的电弧通道的中心，且气体-颗粒两相流的密度大大高于气体密度，对电弧约束和不稳定限制作用大大提高，因而可以通过增加电弧长度来提高电弧电压；由于气体-煤粉混合物流动层9的煤粉颗粒对电荷的捕获作用，限制了等离子体的扩散，大大提高电弧与电弧等离子体炬的喷管内壁面之间的击穿水平，有利于提高弧电压的设计水平和简化等离子体炬结构；由于气体-煤粉混合物流动层9很好地吸收了电弧的径向传热，大大提高了等离子体炬的热效率，并且免去了等离子炬的水冷需求，简化了等离子体炬复杂的水冷结构；同时气体-煤粉混合物流动层9很好地吸收了电弧的径向传热，还降低了电弧向下游发展的横向扩张，提高了电弧电场强度，并还提高了电弧电压和电弧功率。
为了进一步提高电弧等离子体炬3中的电弧电压，从而提高电弧功率，以气体输送方式将煤粉在所述电弧等离子体炬喷管的轴向上分多级注入；其通过多个第二煤粉喷嘴8在电弧等离子体炬3的喷管上轴向多层分布实现。由于将气体-颗粒两相流分多级注入电弧等离子体炬的喷管中，可以实现多级压缩电弧，减小电弧向下游发展时的横向扩张，从而提高电弧电压。
对于第一喷粉喷嘴1，将煤粉混合物以机械方式或气流输送方式输送至反应内腔顶端的第一煤粉喷管1，煤粉混合物在电弧电极3-0周围以自由落体或气流带动方式从第一煤粉喷嘴1中喷出，煤粉混合物将电弧限制在第一煤粉喷管中心，并吸收电弧对第一煤粉喷管的径向传热，降低热损耗，同时也提高电弧电压。在本实用新型所述技术方案中，也可以用类似转移弧等离子体炬3代替反应器顶端的第一煤粉喷嘴和其顶端中心的电弧电极。
在上述技术方案中的反应器中，受电弧加热和加速作用，电弧等离子体炬3中心电弧产生的高温高速等离子体射流和电弧区外的煤粉气体混合流在公共切圆附近汇聚，由于多个射流中心与公共切圆相切，均布的射流相互作用因而在公共切圆周围产生高温气体涡旋区6；第一煤粉喷嘴1中心的高温等离子体射流和第一煤粉喷嘴1中电极周围的煤粉气体混合流与高温气体涡旋区6汇合向下流动，并扩展至反应器整个截面，高温气体与温度较低煤粉气体混合流主要依靠对流迅速混合均匀，且保证反应区在横断面内温度均匀；混合均匀的煤粉气体混合流通过反应段从反应器下端流出，在此过程煤粉被迅速加热气化，气态物质迅速达到化学热力学平衡状态，在反应器出口经高速淬冷，收获乙炔、氢气、一氧化碳、和其他C1～C4等烃类气体、以及残炭等产品。
由于煤粉在高速涡旋气流内与气流的差速，使煤粉在热解过程中能快速挥发而失去焦油热障，提高煤粉热解速度。
在上述技术方案中，为了保证待加工煤粉与高温气体快速混合均匀，需要高温气体涡旋区的速度足够高，要求电弧等离子体炬3的出口射流的速度大于500m/sec。
为了保证绝大部分煤粉在高温气体涡旋区6内的停留时间，从而保证被充分加热和完全热解，公共切圆的直径不易过大，公共切圆直径优选小于反应段中反应内腔截面最小直径的1/3，优选小于电弧等离子体炬喷口直径的2倍；煤粉颗粒尽可能磨细，优选直径小于80微米；电弧等离子体炬3的数目应不少于3支。足够支数的等离子炬有利于产生涡旋、减少煤粉射流碰壁；此外等离子体炬3的数目增多还有利于增加等离子体的总功率，从而增大单台反应器规模。
在上述技术方案中，在保证煤粉充分热解的前提下，反应物料流过反应区内的时间不易过长，否则，C-H平衡体系中的碳会沉积为固态，从而造成乙炔收率降低。反应物料在反应器内公共切圆下游区的停留时间为毫秒量级，优选小于6毫秒。停留时间取决于反应段长度与反应物料向下游流动的速度的比值。
在上述技术方案中，为了保证高温气体涡旋区电弧稳定，每个电弧电流控制为100～1000A，优选为150～800A，所述电弧电流过低则电弧处于V-I特性显著下降区，难以控制稳定运行，所述电弧电流过高则由于电弧间相互洛仑兹力作用过强，造成电弧在涡旋区拐点外偏，难以控制涡旋区域大小或电弧的稳定。控制电弧稳定的一个有利的方法是每支转移弧等离子体炬喷管内部的弧压降大于每支等离子体炬全部电弧电压的1/2，优选每支转移弧等离子体炬喷嘴内部的弧压降大于每支等离子体炬全部电弧电压的2/3。
在上述技术方案中，输送煤粉的等离子体工质气体采用氢气、甲烷、或包 含上述气体的含链烃的反应尾气，以提供反应所需富裕氢气环境。含链烃的反应尾气还可提供反应所需低热解能碳源，有利于降低乙炔生成电耗和降低煤粉耗量。
部分煤粉颗粒、特别是颗粒较大的煤粉颗粒可能未充分热解就逃离高温涡旋区触碰反应器壁，必然会造成反应器壁结焦。利用反应产物中残炭在反应器壁形成粉末保护层5，可以完全隔离未充分热解碳粉碰撞反应器壁，还有利于对反应保温和提高反应区温度的均匀性。为此，在电弧等离子体炬3下方的反应器上倾斜旋转设有多个粉体喷嘴4；采用不参与反应或有利于反应的还原性气体，如CO、H2等输送碳粉至粉体喷嘴4，碳粉进入反应内腔，在反应内腔的壁面上形成粉体保护层5。采用反应尾气中富含烃类的燃气、经部分氧化生成高温合成气输送碳粉形成粉体保护层5，更有利于对反应区保温和提高反应区温度均匀性。或采用反应尾气中富含烃类的燃气输送碳粉至部分粉体喷嘴，其余部分粉体喷嘴喷入氧气，燃料气和氧气相间输送至粉体喷嘴4，在反应内腔的壁面上形成燃烧的气体加碳粉的粉体保护层5，所述粉体喷嘴4喷出燃气和氧气合成气氛为富燃性质，燃烧产生的气氛为还原性质，不会对反应区造成大的影响。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，包括反应器(2)，反应器(2)内部具有反应内腔，在反应器(2)的一端设有第一煤粉喷嘴(1)，另一端设有产物出口(7)，其特征在于，在第一煤粉喷嘴(1)的中心设有一个电弧电极(3-0)；在靠近第一煤粉喷嘴(1)一端的反应器(2)上设有n支电弧等离子体炬(3)，n支电弧等离子体炬(3)与反应内腔联通，n≥3；n支电弧等离子体炬(3)同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬(3)的中轴线与反应内腔的中轴线之间的夹角为α，n支电弧等离子体炬(3)的中轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于第一煤粉喷嘴(1)下方的反应内腔中。
2.根据权利要求1所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，α为45°～105°。
3.根据权利要求1所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，所述反应内腔的横截面为圆形或正多边形。
4.根据权利要求3所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，所述公共切圆的直径为所述反应内腔最小横截面圆直径或多边形对角线的0～1/3。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，n支电弧等离子体炬(3)为转移弧等离子炬，n支转移弧等离子体炬(3)的极性都相同，且与第一煤粉喷嘴(1)中心的电弧电极(3-0)的极性相反，n支转移弧等离子体炬(3)产生的电弧在所述公共切圆内汇聚、并与电弧电极(3-0)产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
6.根据权利要求1-4任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，n支电弧等离子体炬(3)为转移弧等离子炬，n支转移弧等离子体炬(3)中任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n≥4，且为偶数，n支转移弧 等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通，并与第一煤粉喷嘴(1)中心的电弧电极(3-0)产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
7.根据权利要求6所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，将第一煤粉喷嘴(1)中心的电弧电极(3-0)悬空，n支转移弧等离子体炬(3)中任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n≥4，且为偶数，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通。
8.根据权利要求5所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，以气体输送方式将煤粉注入n支电弧等离子体炬(3)的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与电弧等离子体轴向流动方向一致。
9.根据权利要求6所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，以气体输送方式将煤粉注入n支电弧等离子体炬(3)的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与电弧等离子体轴向流动方向一致。
10.根据权利要求7所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，以气体输送方式将煤粉注入n支电弧等离子体炬(3)的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与电弧等离子体轴向流动方向一致。
11.根据权利要求8-10任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，在n支电弧等离子体炬(3)的喷管上旋转对称设有多个第二煤粉喷嘴(8)，以气体输送方式将煤粉从多个第二煤粉喷嘴(8)切向注入到n支电弧等离子体炬(3)的电弧通道中。
12.根据权利要求11所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，以 气体输送方式将煤粉在所述电弧等离子体炬电弧通道的轴向上分多级注入。
13.根据权利要求12所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，多个第二煤粉喷嘴(8)在电弧等离子体炬(3)的喷管上轴向多层分布。
14.根据权利要求5所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，转移弧等离子体炬(3)的电弧电流为100～1000A，转移弧等离子体炬(3)喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的1/2。
15.根据权利要求6所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，转移弧等离子体炬(3)的电弧电流为100～1000A，转移弧等离子体炬(3)喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的1/2。
16.根据权利要求7所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，转移弧等离子体炬(3)的电弧电流为100～1000A，转移弧等离子体炬(3)喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的1/2。
17.根据权利要求14-16任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，转移弧等离子体炬(3)喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的2/3。
18.根据权利要求1-4任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，在n支电弧等离子体炬(3)下方的反应器上设有多个粉体喷嘴(4)，多个粉体喷嘴(4)喷出的粉体(5)注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层，且具有向产物出口(7)方向流动的轴向分量。
19.根据权利要求18所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，在n支电弧等离子体炬(3)下方的反应器上倾斜旋转设有多个粉体喷嘴(4)，多个粉体喷嘴(4)喷出的粉体(5)切向注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层。
20.根据权利要求18所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，粉体(5)为煤粉热解反应后不含挥发份的含碳灰粉。
21.根据权利要求1-4任一项所述的电弧加热煤粉制乙炔反应器，其特征在于，在n支电弧等离子体炬(3)上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆，同时每层电弧等离子体炬的旋转方向都与所述n支电弧等离子体炬的旋转方向相同。
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170210 Address after: Room No. 600 Hefei Innovation Industrial Park building A3 210-D6 high tech Zone Wangjiang Road Hefei 230088 cities in Anhui Province Patentee after: Hefei Epli plasma Co., Ltd. Address before: Lake Road Shushan District of Hefei City, Anhui province 230088 No. 168 science homes 4 -1601 Patentee before: Xia Weili |
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20161012 Effective date of abandoning: 20180807 |