CN209772075U - 一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，包括等离子体射流、混合段、煤粉注入装置和反应器组成；煤粉注入装置包括阳极、阴极头、阴极管和等离子体电源，沿混合段的圆周方向均匀布置，阳极和阴极头之间有一定的间隙，在等离子载气和等离子体电源高压电场的共同作用下产生等离子电弧，可以对阴极管进入的煤粉颗粒有效地预热和加速，使煤粉能有更高的速度进入等离子体射流中心高温区域，混合效果好；被预热的煤粉也可以减少等离子体射流加热与其接触煤粉的能量消耗，提高等离子体射流热能的利用率和乙炔的产率，避免了未完全反应的煤粉在反应器壁面的沉积和结焦。

Description

一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置

技术领域

本实用新型属于煤化工技术领域，涉及一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置。

背景技术

我国富煤、少气、缺油的资源条件，决定了中国能源结构以煤为主，而乙炔作为最基础的化工原料，主要还是通过电石法制取，但由于电石法生产流程过长，能耗高，还存在严重的“三废”问题，等离子法裂解煤直接制取乙炔的反应过程可以在数毫秒内完成，煤粉在接触等离子体射流后被急剧的加热，脱出挥发份，生成乙炔和其它小分子烃类，简捷而清洁的工艺路线无疑有着广阔的发展前景。但由于等离子体射流本身具有高温，高焓，高速的特点，等离子体射流的中心温度达到10⁴K量级，射流的速度达到10²米每秒量级，在反应通道的圆周平面和横截面都有一定的分布特性，而硫化气携带的煤粉在进入反应器时，经过二次气体加速的煤粉速度也只能达到几十米每秒，很难进入等离子体射流中心的高温区域，只能与靠近反应器器壁的低温等离子体反应，与等离子体射流的混合效果差，热能利用率低，也不利于乙炔的生成，未充分反应的煤粉很容易附着在反应器器壁上结焦并堵塞反应通道。因此，如何使煤粉与等离子体射流充分接触、混合成为等离子裂解煤制乙炔过程的关键技术。

专利CN101734993A公布了一种等离子体高温碳转化反应煤粉注入管，将带有冷却水的煤粉管伸入到等离子体射流的高温区域，以提高煤粉的反应效率和等离子体射流热能的利用率，但冷的煤粉加速气体和低的煤粉喷射速率仍不能达到理想效果,而且煤粉注入管的外壁直接与等离子体射流接触，很容易烧坏。专利CN201454523U公布了一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置，通过改变煤粉喷嘴出口截面形状及喷嘴的空间角度，使煤粉与等离子体射流达到好的混合效果，但仅增加了煤粉在喷射平面的分散性，并没有增加煤粉颗粒的喷射速度，很难进入射流的高温区。专利CN1448223A公布了空心阴极中心轴向送粉等离子喷涂枪，采用梯形结构的阳极腔室控制粉末在等离子体射流中的飞行轨迹，实现喷涂粒子的加热和加速，形成熔融的粒子流，功率为数千瓦级，只适合对少量的粉末加热，很难在兆瓦级的工业装置上对每小时数吨的粉末加热和加速。

发明内容

本实用新型针对现有技术中等离子体功率不足、等离子与煤粉混合效果、裂解效率低、反应器或混合段内壁结焦等提供一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置。一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，包括等离子体射流、混合段、煤粉注入装置和反应器依次组成，混合段位于反应器的上方，并与反应器上下联接形成空腔，煤粉注入装置沿混合段的圆周方向均匀布置，等离子体射流置于空腔顶部；煤粉注入装置包括阳极、阴极头、阴极管和等离子体电源；阳极呈空芯结构，一端联接混合段与空腔联通，另一端设置阴极管，阴极管放置于阳极内并与阳极设置一定间隙，阴极头安装于阴极管靠近空腔的一端，等离子体电源联接阳极和阴极管。在等离子载气和等离子体电源高压电场作用下产生稳定的电弧。对阴极管进入的煤粉颗粒有效地预热和加速，实现煤粉颗粒与等离子体射流的充分混合和反应。

所述的一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，阴极头和阴极管均为空心结构。

所述的一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，阴极头为耐高温、难熔、放电性能好的导电材料。

如上所述的导电材料包括金属、石墨烯材料等。

所述的一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，阳极外部设有冷却系统。

所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，煤粉注入装置分布在混合段的周围，数量为2-16个。

所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，阴极管的圆周方向进入载气。

所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，载气可以为氩气、氮气或氢气其中一种或一种以上形成等离子载气。

如上所述阳极的内腔为文丘里结构，在等离子载气和等离子体电源高压电场的作用下产生稳定的等离子电弧，阴极头的端部设置在接近阳极的最小截面处，更有利于电弧产生和压缩载气。

本实用新型涉及的一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，能够对进入反应器的煤粉颗粒充分的加速和预热，使煤粉能有更高的速度进入等离子体射流中心高温区域，混合效果好，被预热的煤粉也可以减少等离子体射流加热与其接触煤粉的能量消耗，提高等离子体射流热能的利用率和乙炔的产率，同时避免了未完全反应的煤粉在反应器壁面的结焦。

附图说明

图1为一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置结构主视图；

图2为一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置结构俯视图；

图3为图1的局部放大图；

图4为实施例2的结构主视图；

附图标号：1等离子体射流，2混合段，3煤粉注入装置，4阳极，5等离子电弧，6阴极头，7等离子体电源，8阴极管，9煤粉颗粒，10反应器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，由等离子体射流1，混合段2，煤粉注入装置3，和反应器10组成。混合段2位于反应器10的上方，与反应器10形成空腔，在其外侧圆周方向均匀分布8个煤粉注入装置3，数量为2-16个，煤粉注入装置3包括阳极4，阴极头6，等离子体电源7和阴极管8，阳极4呈空芯结构，一端联接反应器2，另一端内部放置阴极头6，用金属钨制作的阴极头6设置于在阴极管8的端部，阳极4内壁面与阴极头6设2mm间隙，等离子载气由煤粉注入装置3的入口以圆周方向进入阳极4和阴极头6的间隙，阳极4的内腔为文丘里结构，在等离子载气和等离子体电源7高压电场的作用下产生稳定的等离子电弧5，阴极头6的端部接近阳极4的最小截面处，更有利于电弧的产生，同时压缩等离子载气，约束等离子电弧5，旋转的等离子载气使得等离子电弧5的弧根会在阳极4和阴极头6的表面游动，在两电极的环隙形成均匀的高温气流场，被电离加热的等离子在在阳极4的出口端进一步加速，在阳极4的中心产生负压，带动煤粉颗粒9加速的同时对煤粉颗粒预热，由阴极管7进入的硫化态的煤粉9可在瞬间被加热至500-600K，速度达到50-100m/s，从混合段2的煤粉注入口喷出与下行的等离子体射流1混合，瞬间被裂解生成乙炔和其他烃类分子，进入后续冷却分离系统。阳极4的外侧有冷却介质，可以为气冷、水冷、油冷或其它介质。由于等离子体射流毫秒级反应过程这一特殊性，而有利于乙炔生成的温度为1200K，被预热的煤粉从500K升温至1200K，一方面减少了等离子体射流的能量损失，提高了等离子体射流的热能利用率，一方面也省去了把煤粉从室温加热至500-600K的时间，相当于延长了煤粉与等离子体射流接触反应的时间，会有更多的煤粉颗粒被加热，并参与裂解反应，经过加速的煤粉颗粒也能够射入等离子体射流的高温区域，提高煤粉与等离子体射流的混合效率和煤粉的转化率，更有利于乙炔的生成，同时也避免了未完全反应煤粉在反应器壁面的沉积和结焦。

实施例2：与实施例1的不同之处在于煤粉注入装置3在混合段2上为多层布置，相邻层之间存在一定夹角，且功率可调，功率大的煤粉注入装置3会将等离子体射流1推向相对弱的一方，使等离子体射流1在反应器10内呈空间螺旋状下行，增强煤粉颗粒9与等离子体射流1的混合效果，能有效提高煤粉的转化率。

Claims (7)

1.一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，包括等离子体射流、混合段、煤粉注入装置和反应器依次组成，混合段位于反应器的上方，并与反应器上下联接形成空腔，煤粉注入装置沿混合段的圆周方向均匀布置，等离子体射流置于空腔顶部；其特征在于煤粉注入装置包括阳极、阴极头、阴极管和等离子体电源；阳极呈空芯结构，一端联接混合段与空腔联通，另一端设置阴极管，阴极管放置于阳极内并与阳极设置一定间隙，阴极头安装于阴极管靠近空腔的一端，等离子体电源联接阳极和阴极管。

2.根据权利要求1所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于，所述的阴极头和阴极管均为空心结构。

3.根据权利要求1、2任一所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于，所述的阴极头为耐高温、难熔、放电性能好的导电材料。

4.根据权利要求1、2任一所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于，所述的阳极外部设有冷却系统。

5.根据权利要求1所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于，所述的煤粉注入装置分布在混合段的周围。

6.根据权利要求1所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于，所述阴极管的圆周方向进入载气。

7.根据权利要求1、6任一所述一种等离子体裂解煤制乙炔的混合与反应装置，其特征在于阳极的内腔为文丘里结构，阴极头的端部设置在接近阳极的最小截面处。