專利名稱：多段等離子體裂解碳質(zhì)材料反應(yīng)器及用其生產(chǎn)乙炔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于裂解含揮發(fā)分的碳質(zhì)材料以生產(chǎn)高產(chǎn)率裂解產(chǎn)物的高能效裝置和方法，特別是，涉及一種多段等離子體裂解碳質(zhì)材料反應(yīng)器以及利用該多段等離子體反應(yīng)器裂解碳質(zhì)材料的方法，更特別地，也涉及一種利用該多段等離子體反應(yīng)器生產(chǎn)乙炔的方法。
背景技術(shù)：
通常，碳質(zhì)材料和其他成分、如氫氣一起被電弧裝置或本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的其它合適的熱源加熱，以便使碳質(zhì)材料裂解或熱解。作為碳質(zhì)材料分解的結(jié)果而產(chǎn)生的產(chǎn)物組成取決于分解區(qū)或反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)條件。眾所周知，某些特定的反應(yīng)條件有利于某些特定組分的形成，例如，反應(yīng)區(qū)溫度高于1300K時有利于中間產(chǎn)物乙炔的形成，而在或接近1300K時與同時發(fā)生的乙炔的分解相比，也有利于乙炔的形成。一般而言，當電弧被用作熱源時，電弧穿過氣體、如氫氣，導(dǎo)致氣體溫度在極短時間內(nèi)增加到極高的溫度?；≈鶞囟韧ǔ＿_8000K 20000K。氣體離開電弧時的溫度通常在2000K 5000K左右。在此條件下，氣體分子、如氫氣分子可能部分尚解成氫原子、甚至是H+或者H_，由此產(chǎn)生高溫等離子體氣體。一旦高溫等離子體氣體、如等離子體氫氣離開電弧，等離子體氣體原子或離子、例如氫原子就有重新結(jié)合成分子的極快的傾向，并且如果是這樣的話，它們將釋放出大量的熱。除了等離子體氣體的顯熱外，上述熱的一部分大多數(shù)通過導(dǎo)熱、對流和輻射被緊靠等離子體氣體的原子或離子、或與之接觸的碳質(zhì)材料顆粒所吸收，從而導(dǎo)致碳質(zhì)材料顆粒被熱解和/或裂解或分解，更具體地說，導(dǎo)致碳質(zhì)材料顆粒放出其揮發(fā)性成分，即脫揮發(fā)。已知和確定的是:隨碳質(zhì)材料類型的不同，碳質(zhì)材料的分解和脫揮發(fā)的步驟和條件會有很大變化。此前，因不知道如何以合理的成本由固態(tài)碳質(zhì)材料獲得高產(chǎn)率的裂解產(chǎn)物如乙炔的方法，所以氣態(tài)和液態(tài)碳質(zhì)材料是人們常用的入料。另外氣態(tài)和液態(tài)入料易于處理，并且對電弧設(shè)備的損耗較低。另一方面，雖然基本工藝步驟是已知的，但教導(dǎo)人們?nèi)绾我砸环N高能效的方式使來自于固態(tài)碳質(zhì)材料的某些特定裂解產(chǎn)物、如乙炔的產(chǎn)率最大化的例如工藝過程和工藝動力學仍然可能不是非常清楚。在現(xiàn)有技術(shù)中，為使來自于固態(tài)碳質(zhì)材料的某些裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率最大化而對設(shè)備和工藝進行的改進，人們已經(jīng)做了很多嘗試和實驗。例如，US4358629公開了一種分解固體碳質(zhì)材料將其轉(zhuǎn)化為乙炔的方法。具體來說，該專利教導(dǎo)人們選擇低成本、高產(chǎn)率的操作條件。在該專利中，建議碳質(zhì)材料和氣體的熱和焓的特定值與特定的粒徑和反應(yīng)時間相結(jié)合。上述所有教導(dǎo)和建議有助于以商業(yè)上有競爭力的成本生產(chǎn)乙炔。事實上,US4358629描述了一種電弧反應(yīng)器,其沿著固體碳質(zhì)材料移動的方向依次包括四個區(qū)域，即固體碳質(zhì)材料粉末分散區(qū)，電弧區(qū)，反應(yīng)區(qū)和激冷區(qū)。由于所述粉末在電弧區(qū)的停留時間極短和所述粉末此時暫時的熱惰性，所述粉末的溫度肯定保持接近于其在入口的溫度，而同時流經(jīng)的氣體達到8000K的高溫。固體碳質(zhì)材料粉末在反應(yīng)區(qū)僅通過導(dǎo)熱和對流被加熱氣流加熱。這樣，所有電力由薄電弧區(qū)輸入，即足以將所述粉末溫度提高至1800K以上的大量能量導(dǎo)致能量不合理的過度聚集，并不可避免地將過于集中的熱暴露在反應(yīng)器的壁上，從而導(dǎo)致反應(yīng)器壁過熱。為保護反應(yīng)器的壁而必須從反應(yīng)器的壁附近移走的熱占整個電力輸入的一半左右，結(jié)果，大量有價值的能量不得不浪費。此外，特定區(qū)域出現(xiàn)極高的溫度對反應(yīng)器壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、壁材料的選擇構(gòu)成極大挑戰(zhàn)，也使壁保護成為難題?！睹涸跉錃夂秃獾入x子體中的熱解》(Baumann,H., Bittner, D., Beiers, H.G.,Klein, J.& Juntgen, H, Fuel, 1988, Vol.67, pp 1120-1123，August)和《一些氣態(tài)和液態(tài)烴在氫氣等離子體中的熱解》(Beiers, H.G.，Baumann, H.，Bittner, D.，Klein, J.andJuntgen, H，F(xiàn)uel，1988，Vol.67, pp 1012-1016，July)公開了一種被描述為進行煤或氣態(tài)和液態(tài)烴熱解的設(shè)備，其包括一個等離子體發(fā)生器和一個等離子體反應(yīng)器。在所述設(shè)備中，等離子體發(fā)生器產(chǎn)生在輸出端平均溫度為3300K的高溫氣流，該氣流隨后從頂部入口被引入到作為反應(yīng)器的反應(yīng)管中。干煤粉或氣態(tài)和液態(tài)烴從靠近頂部入口的其側(cè)部入口被噴入到反應(yīng)管中，其中冷煤粉預(yù)計與上述熱等離子體氣流進行充分混合。然而，由于等離子體氣流高速下行，并因此形成對流體-粉末混合的強烈障礙，以致于煤粉和等離子體氣流之間的接觸和傳熱效率被減弱，并對反應(yīng)器的性能產(chǎn)生不利影響，同時這種反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和入料安排導(dǎo)致幾乎無法避免結(jié)焦現(xiàn)象，因為煤粉或氣態(tài)和液態(tài)烴連續(xù)地沖刷和撞擊反應(yīng)器的壁表面。CN1562922公開了一種類似于上述文章所描述的反應(yīng)器，但是引入了被噴在反應(yīng)管內(nèi)壁上以防止反應(yīng)管內(nèi)壁結(jié)焦的氬氣，然而，該專利文獻中公開的反應(yīng)器仍沒有克服上述所有技術(shù)缺陷。US4536603公開了一種煤與熱氣流反應(yīng)生產(chǎn)乙炔的方法，此方法依次包括以下步驟:在溫度可控的條件下使燃料、氧和水蒸汽反應(yīng)，從而生成主要包括氫氣、一氧化碳和水蒸汽、并有少量二氧化碳、基本沒有0，OH和O2的熱氣流。所述熱氣流被提速并高速碰撞顆粒狀煙煤或次煙煤物流，而后熱氣體和煤的混合物的速度被減至約150-300英尺/秒?？刂祁w粒狀煤和熱氣體的物流數(shù)量，以便在反應(yīng)區(qū)形成約為IO-1OOpisa的壓力和約為1800-3000° F的溫度。煤和熱氣體的混合物被保持在上述壓力和溫度下約2-30毫秒，從而生成包括焦和乙炔的產(chǎn)物流。隨后產(chǎn)物流的溫度在少于2毫秒的時間內(nèi)被降至低于約900° F，以便基本終結(jié)進一步反應(yīng)，并從其中回收乙炔。回收焦并將其用作產(chǎn)生熱氣體的燃料的至少一部分。US 4588850公開了一種用電弧或等離子方法由煤生產(chǎn)乙炔和合成或還原氣體的方法，其中變成粉末的煤在一種能量密度為l_5kWh/Nm3、停留時間為0.5-10毫秒、溫度為至少1500°C的電弧反應(yīng)器中被熱解，，這樣由煤衍生的氣態(tài)化合物的數(shù)量不超過煤中所謂的揮發(fā)分的數(shù)量的1.8倍。在隨后激冷后剩余的焦被喂入第二電弧反應(yīng)器中，其中借助于氣化介質(zhì)并結(jié)合電弧或等離子方法加熱，焦在其中被轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣苫蜻€原氣體，焦在反應(yīng)器中停留時間為1-15毫秒，焦溫度至少為800°C。來自熱解區(qū)的氣流被凈化，并用選擇性溶液從其中回收乙炔。經(jīng)過凈化步驟后的氣體同樣被冷卻和凈化。CN101742808公開了一種能代替常規(guī)線形等離子體發(fā)生器的大功率V形等離子體發(fā)生器，其聲稱具有較低的能耗和便捷的操作條件。所述V形等離子體發(fā)生器可用于產(chǎn)生各種高溫等離子體氣體，例如等離子體氫氣和惰性氣體。US4367363公開了一種從煤轉(zhuǎn)化為乙炔的方法中產(chǎn)生的氣態(tài)輸出氣流中回收純凈乙炔的方法。所述氣態(tài)輸出氣流在酸氣去除階段通過將HCN和H2S吸附在有機溶劑、如N-甲基吡咯烷酮中，并用苛性試劑、如NaOH沖洗以除去CO2而被初步處理。在第二階段，用有機溶劑沖洗所述氣態(tài)輸出氣流，從而提供脫硫氣體的處理并分離純乙炔產(chǎn)物。在第三階段，經(jīng)過第二階段處理的氣體首先被加氫，隨后被脫硫和甲烷化處理。經(jīng)過第三階段處理的輸出氣流被循環(huán)回煤轉(zhuǎn)化為乙炔的過程中。在第四階段，來自第二階段的有機溶劑被提純并被循環(huán)回第一階段和/或第二階段中。所有上述參考文獻的公開內(nèi)容在此全文引入以作參考。在上述對現(xiàn)有技術(shù)的介紹和描述中，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很明顯用于裂解或分解碳質(zhì)材料的單段反應(yīng)器存在很多急需解決的缺陷。例如，當根據(jù)裂解產(chǎn)物、如乙炔的最大產(chǎn)率所要求的反應(yīng)溫度需要增加或優(yōu)化碳質(zhì)材料粉末的反應(yīng)時間時，單段反應(yīng)器的高度無法隨意加長。熱氣流溫度沿單段反應(yīng)器縱向方向迅速下降，導(dǎo)致為使裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率最大化反應(yīng)氣流必須在較短的移動距離內(nèi)被激冷，并因此使得碳質(zhì)材料變?yōu)榱呀猱a(chǎn)物的轉(zhuǎn)化非常有限。同時如前所述，嚴重的能源浪費以及在反應(yīng)器內(nèi)壁附近過高的溫度分布也是不允許被忽視的嚴重技術(shù)問題。下面描述代表了具體涉及熱分解含有揮發(fā)分的固體碳質(zhì)材料以使某些來自固體碳質(zhì)材料的特定裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率最大化的反應(yīng)器和方法的新理解。同時，進一步提供了盡可能快地加熱固體碳質(zhì)材料顆粒以盡可能快地分解釋放揮發(fā)分的所述顆粒，從而避免固體碳質(zhì)顆粒中的那些揮發(fā)分發(fā)生二次反應(yīng)而形成焦的必要工藝參數(shù)。在上述分析的基礎(chǔ)上，通過無數(shù)嘗試和實驗，本發(fā)明人終于發(fā)明了幾乎解決了上述所有缺陷、例如獲得碳質(zhì)材料細粉末和等離子體氣流之間的良好接觸效率的用于裂解或分解固體碳質(zhì)材料的新設(shè)備，即工作機理與現(xiàn)有單段等離子體反應(yīng)器中流體-粉末混合概念大為不同的多段等離子體反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明第一方面提供了一種多段等離子體裂解碳質(zhì)材料反應(yīng)器，包括:反應(yīng)管第一段,主要用于使碳質(zhì)材料、載氣和第一加熱氣體混合、以及熱解碳質(zhì)材料；反應(yīng)管第二段 第N段，主要用于使熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生氣相反應(yīng)，其中N為大于或等于2的整數(shù)；至少一個位于反應(yīng)管第一段側(cè)面的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口 ；至少一個位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口 ；至少一個分別位于反應(yīng)管第二段 第N段側(cè)面的第二 第N加熱氣體的入口，其中所述第二 第N加熱氣體為高溫等離子體氣體；至少一個用于激冷或凍結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物的激冷介質(zhì)的入口 ；至少一個位于反應(yīng)管最后一段底部或下部的激冷產(chǎn)物和氣體的出口 ；其中，碳質(zhì)材料從反應(yīng)管第一段的側(cè)面進入反應(yīng)管中，并向下流動，最后到達反應(yīng)管最后一段的底部或下部，同時完成熱解、氣相反應(yīng)和激冷過程。
在上述多段等離子體反應(yīng)器中，優(yōu)選地，所述反應(yīng)管第一段的操作溫度要確保使進入其中的碳質(zhì)材料的溫度達到650°C 1250°C，而所述反應(yīng)管第二段 第N段的操作溫度要確保在其中發(fā)生的氣相反應(yīng)溫度達到1500°C 2900°C。所述第一加熱氣體優(yōu)選為氫氣、氮氣、甲烷、惰性氣體和/或氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的等離子體氣體，而第二 第N加熱氣體優(yōu)選為氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的高溫等離子體氣體。另一方面，進入所述反應(yīng)器中的激冷介質(zhì)應(yīng)確保使其中的反應(yīng)產(chǎn)物在離開反應(yīng)器前優(yōu)選地被激冷至527°C以下。同樣優(yōu)選的是:由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在反應(yīng)管第二段 第N段各段中發(fā)生的氣相反應(yīng)時間為0.4 4.0毫秒，而在所述反應(yīng)器中發(fā)生的熱解、氣相反應(yīng)和激冷的時間總和少于50毫秒，例如30-40毫秒。一般而言，所述激冷介質(zhì)可包括水、水蒸汽、丙烷、芳香族化合物、惰性氣體、任何類型的碳質(zhì)材料和/或它們的混合物，同時所述載氣可選自于氫氣、甲烷、氮氣、氣態(tài)碳質(zhì)材料、惰性氣體和/或它們的混合物，特別是，所述惰性氣體可是氬氣。所述反應(yīng)管的橫截面可為圓形、方形、橢圓形、多邊形或任何其他規(guī)則形狀，更優(yōu)選地，所述反應(yīng)管第二段 第N段的橫截面面積為反應(yīng)管第一段的橫截面面積的I 3倍。此外，所述碳質(zhì)材料和載氣的入口數(shù)量優(yōu)選為2 100，所述第一加熱氣體的入口數(shù)量優(yōu)選為I 12，所述第二 第N加熱氣體的入口數(shù)量優(yōu)選為2 64，而所述激冷介質(zhì)的入口數(shù)量優(yōu)選為8 128。特別優(yōu)選地，上述入口在水平方向上被對稱和/或相對地布置。寬泛地說，所述碳質(zhì)材料可為固態(tài)、液態(tài)和/或氣態(tài)材料，特別是，所述碳質(zhì)材料可進一步選自于煤、煤焦油、煤直接液化殘渣、重質(zhì)渣油、焦、石油焦、油砂、頁巖油、碳質(zhì)工業(yè)廢料或尾料、生物質(zhì)、合成塑料、合成聚合物、廢輪胎、市政固體垃圾、浙青和/或它們的混合物。一般而言，所述氫氣、氮氣、甲烷和/或惰性氣體的等離子體氣體和高溫等離子體氣體可由輸入功率為IOkW 20MW的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生。為獲得更好的激冷效果，所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、第二 第N加熱氣體的入口、和激冷介質(zhì)的入口呈中心對稱分布，并在水平方向上優(yōu)選形成范圍為-60° -+60°的夾角。同樣，為獲得更好的混合效果和最佳停留時間，兩個在水平方向上相對或不直接相對的所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向優(yōu)選形成一個角度，更優(yōu)選地，兩個在水平方向上相對或不直接相對的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口沿垂直方向形成的角度大于兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度。對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，很清楚兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度可以相同或不同，而且所述第二 第N加熱氣體的入口的至少一個可被任選地用作碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口。本發(fā)明第二方面提供了一種使用前述多段等離子體反應(yīng)器裂解碳質(zhì)材料的方法，包括:a)借助于載氣經(jīng)碳質(zhì)材料和載氣入料的入口從反應(yīng)管第一段的側(cè)面將碳質(zhì)材料引入反應(yīng)管第一段中；b)經(jīng)位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口將第一加熱氣體氣流引入所述反應(yīng)管第一段中，其中迫使碳質(zhì)材料和載氣與第一加熱氣體混合，并且碳質(zhì)材料隨后在第一加熱氣體氣流的熱作用下被熱解；c)經(jīng)第二 第N加熱氣體的入口分別將第二 第N加熱氣體引入反應(yīng)管第二段 第N段中，其中由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在其中發(fā)生氣相反應(yīng)，任選地，碳質(zhì)材料在第二 第N加熱氣體氣流的熱作用下繼續(xù)被熱解，從而產(chǎn)生裂解和/或熱解產(chǎn)物；d)經(jīng)激冷介質(zhì)入口將所述激冷介質(zhì)引入所述反應(yīng)器中，以便激冷或凍結(jié)所述裂解和/或熱解產(chǎn)物；e)經(jīng)激冷產(chǎn)物和氣體出口將裂解和/或熱解產(chǎn)物、氣體、和/或熱解的碳質(zhì)材料的殘余物排出所述反應(yīng)器。本發(fā)明第三方面提供了一種使用前述多段等離子體反應(yīng)器生產(chǎn)乙炔的方法，包括:a)借助于載氣經(jīng)碳質(zhì)材料和載氣入料的入口從反應(yīng)管第一段的側(cè)面將碳質(zhì)材料引入反應(yīng)管第一段中；b)經(jīng)位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口將第一加熱氣體氣流引入所述反應(yīng)管第一段中，其中迫使碳質(zhì)材料和載氣與第一加熱氣體混合，并且碳質(zhì)材料隨后在第一加熱氣體氣流的熱作用下被熱解；c)經(jīng)第二 第N加熱氣體的入口分別將第二 第N加熱氣體引入反應(yīng)管第二段 第N段中，其中由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在其中發(fā)生氣相反應(yīng)，任選地，碳質(zhì)材料在第二 第N加熱氣體氣流的熱作用下繼續(xù)被熱解，從而產(chǎn)生裂解和/或熱解產(chǎn)物；d)經(jīng)所述激冷介質(zhì)的入口將激冷介質(zhì)引入所述反應(yīng)器中，從而激冷或凍結(jié)所述裂解和/或熱解產(chǎn)物；e)經(jīng)激冷產(chǎn)物和氣體的出口將裂解和/或熱解產(chǎn)物、氣體，和/或熱解的碳質(zhì)材料的殘余物排出所述反應(yīng)器；f)從裂解和/或熱解產(chǎn)物和氣體中分離出乙炔。在上述根據(jù)本發(fā)明第二或第三方面的方法中，裂解和/或熱解產(chǎn)物通常包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯和焦等。同時，為獲得碳質(zhì)材料最佳的分散效果和加熱速度，碳質(zhì)材料的平均粒徑優(yōu)選為10 300微米，碳質(zhì)材料在進入所述反應(yīng)器前溫度優(yōu)選為20 300°C，而碳質(zhì)材料和載氣的體積比優(yōu)選為10/90 90/10。所述反應(yīng)器的操作壓力一般可為負壓-正壓。碳質(zhì)材料在反應(yīng)管第一段中被加熱的速度優(yōu)選大于IO4K/秒。裂解產(chǎn)物在其生成后優(yōu)選在4毫秒內(nèi)被激冷或凍結(jié)。所述第二 第N加熱氣體的溫度、流量，和/或種類可相同或不相同，同時可任選地至少從第二 第N加熱氣體的入口之一補充或添加所述碳質(zhì)材料和載氣。


圖1為本發(fā)明兩段等離子體反應(yīng)器的代表性示意圖。圖2為本發(fā)明三段等離子體反應(yīng)器代表性技術(shù)方案的示意圖。圖3為本發(fā)明三段等離子體反應(yīng)器一個優(yōu)選技術(shù)方案的示意圖。圖4為本發(fā)明三段等離子體反應(yīng)器又一個優(yōu)選技術(shù)方案的示意圖。
具體實施方式
通過下面參考附圖的描述進一步詳細解釋本發(fā)明，其中附圖中所示的相對應(yīng)的或等同的部件或特征用相同的標記數(shù)表示。一般而言，由熱解碳質(zhì)材料、例如煙煤所釋放出的揮發(fā)分的反應(yīng)在裂解產(chǎn)物生產(chǎn)中起著必要和重要的作用。由于碳質(zhì)材料經(jīng)歷與高反應(yīng)活性的氣體、例如高溫等離子體氣體的極快的反應(yīng)，并且這樣的反應(yīng)要求瞬間被終止，以至于無法用常規(guī)工藝描述或計算上述熱解和反應(yīng)。廣泛地講，裂解產(chǎn)物分布取決于碳質(zhì)材料的類型和采用的操作條件，如果反應(yīng)和/或停留時間只有數(shù)毫秒，就不可能有充分的時間達到熱動力平衡，因此就不會生成可測數(shù)量的由碳質(zhì)材料產(chǎn)生的揮發(fā)分二次反應(yīng)所形成的煙灰。對于固體碳質(zhì)材料而言，碳質(zhì)材料的傳熱和熱解、均相固-氣反應(yīng)和均相氣相反應(yīng)都會影響裂解產(chǎn)物形成的速度、即產(chǎn)率。事實上，本發(fā)明的主要目的之一就是使一些特定裂解產(chǎn)物、如乙炔的產(chǎn)率最大化，因此了解和確定上述熱解和反應(yīng)的特性、機理和操作條件是完成本發(fā)明的關(guān)鍵。無數(shù)測試和觀察證實:碳質(zhì)材料、特別是固體碳質(zhì)材料的熱解溫度優(yōu)選為650°C 1250°C，例如680-1100°C,更優(yōu)選為700°C 930°C，特別優(yōu)選為750°C 900 V，例如850°C，而由碳質(zhì)材料獲得的揮發(fā)分的氣相反應(yīng)溫度優(yōu)選為1500°C 2900°C，更優(yōu)選為1500。。 2500°C，特別優(yōu)選為 1500。。 2000°C，例如為 1750。。或 1850。。。上述溫度決定了反應(yīng)管第一段中的優(yōu)選操作溫度和反應(yīng)管第二段 第N段中的優(yōu)選操作溫度，因為碳質(zhì)材料的熱解主要發(fā)生在反應(yīng)管第一段中，超過最大生成量60%的揮發(fā)分是在反應(yīng)管第一段中形成的，而上述揮發(fā)分的氣相反應(yīng)則主要是在反應(yīng)管第二段 第N段中發(fā)生的。為了獲得理想的盡可能快和盡可能完全的轉(zhuǎn)化，所述揮發(fā)分的上述氣相反應(yīng)時間優(yōu)選少于4毫秒，例如2毫秒，更優(yōu)選少于I毫秒，特別優(yōu)選少于0.4毫秒，例如少于0.3或
0.2毫秒。這樣的反應(yīng)時間可保證獲得裂解產(chǎn)物的高產(chǎn)率?？偟膩碚f，提高裂解產(chǎn)物、特別是乙炔的產(chǎn)率的可行方法有以下幾種:首先，初級揮發(fā)分和在高溫等離子體氣體，如等離子體氫氣和/或包括氦氣的惰性氣體中的反應(yīng)活性高、但存活時間短的等離子體成分之間的極快的反應(yīng)高度控制著某些特定裂解產(chǎn)物、如乙炔的產(chǎn)率。因此，如果極快速熱解碳質(zhì)材料而釋放出高濃度或大量的揮發(fā)分，裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率就會較高，這可通過合理選擇碳質(zhì)材料的超細粒徑分布，或考慮到揮發(fā)分中的氧可被轉(zhuǎn)化為一氧化碳而消耗乙炔，采用低品位、但氧含量低的碳質(zhì)材料來實現(xiàn)。其次，選擇熱解碳質(zhì)材料的最佳操作條件，以便獲得最大數(shù)量的揮發(fā)分。因此，合適的熱解時間、壓力和/或溫度是使所述揮發(fā)分生成量達到最大的關(guān)鍵。第三，使上述揮發(fā)分與盡量多的高反應(yīng)活性的等離子體成分接觸，這么做可增加反應(yīng)表面、并提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。第四，揮發(fā)分與高反應(yīng)活性等離子體成分的反應(yīng)溫度是影響裂解產(chǎn)物產(chǎn)率的另一個重要因素，一般而言，裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率隨上述氣相反應(yīng)的溫度提高而增加，但過高的反應(yīng)溫度會導(dǎo)致形成可測數(shù)量的煙灰和氫氣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從以上分析中可明顯看出:碳質(zhì)材料的熱解和初級揮發(fā)分與高反應(yīng)活性等離子體成分的氣相反應(yīng)都是形成裂解產(chǎn)物的最重要的過程。然而，熱解的最佳工藝參數(shù)或操作條件通常與上述氣相反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)或操作條件不同，如果像現(xiàn)有技術(shù)中存在的單段等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計那樣，即熱解和氣相反應(yīng)在同一空間或區(qū)域中發(fā)生，熱解和氣相反應(yīng)的工藝參數(shù)或操作條就無法達到很好的平衡和最佳化。針對上述致命的缺點，本發(fā)明人通過無數(shù)嘗試和實驗提出并發(fā)明了一種全新結(jié)構(gòu)的多段等離子體反應(yīng)器，所發(fā)明的多段等離子體反應(yīng)器巧妙地使上述熱解和氣相反應(yīng)發(fā)生在不同空間或區(qū)域中，從而使熱解和氣相反應(yīng)的工藝參數(shù)或操作條件同時達到最優(yōu)。詳細地，如圖1-2所示，所述多段等離子體反應(yīng)器包括:反應(yīng)管第一段，主要用于使碳質(zhì)材料、載氣與第一加熱氣體混合，以及熱解碳質(zhì)材料；反應(yīng)管第二段 第N段，主要用于使熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生氣相反應(yīng)，其中N為大于或等于2的整數(shù)；至少一個位于反應(yīng)管第一段側(cè)面的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口 ；至少一個位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口 ；至少一個分別位于反應(yīng)管第二段 第N段側(cè)面的第二 第N加熱氣體的入口，其中所述第二 第N加熱氣體為高溫等離子體氣體；至少一個用于激冷或凍結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物的激冷介質(zhì)的入口 ；至少一個位于反應(yīng)管最后一段底部或下部的激冷產(chǎn)物和氣體的出口 ；其中，碳質(zhì)材料從反應(yīng)管第一段的側(cè)面進入反應(yīng)管中，并向下流動，最后到達反應(yīng)管最后一段的底部或下部，同時完成熱解、氣相反應(yīng)和激冷過程。上述多段等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得熱解和氣相反應(yīng)的工藝參數(shù)和操作條件各自獨立地被控制或選擇、以及可被同時最優(yōu)化成為可能，而這又是現(xiàn)有單段等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計無論如何也無法達到的。在上述多段等離子體反應(yīng)器中，因為熱解溫度大大低于氣相反應(yīng)溫度，所以其中主要發(fā)生熱解的反應(yīng)管第一段的操作溫度可低于其中主要發(fā)生初級揮發(fā)分和高反應(yīng)活性的等離子體成分的氣相反應(yīng)的反應(yīng)管第二段 第N段的操作溫度，因此用于熱解的第一加熱氣體可為氫氣、氮氣、甲烷、惰性氣體和/或氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的等離子體氣體，而第二 第N加熱氣體可為氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的高溫等離子體氣體。為了防止由氣相反應(yīng)獲得的裂解產(chǎn)物、如乙炔分解或發(fā)生二次反應(yīng)最終形成低價值的煙灰和氫氣，所生成的裂解產(chǎn)物在離開所述反應(yīng)器前必須瞬間被激冷。一般而言，裂解產(chǎn)物在其形成后優(yōu)選在4毫秒、例如2毫秒之內(nèi)被激冷至650°C，優(yōu)選600°C，特別優(yōu)選527°C以下。所述激冷介質(zhì)可優(yōu)選包括水、水蒸汽、丙烷、芳香族化合物、惰性氣體、任何類型的碳質(zhì)材料和/或它們的混合物。所述反應(yīng)器系統(tǒng)的壓力可以為負壓-正壓，例如70 200KPa，優(yōu)選100 150KPa，更優(yōu)選110 140KPa。反應(yīng)器的長度和入料流量典型地取決于入料在反應(yīng)管各段中的停留時間和反應(yīng)時間。更典型地，在所述反應(yīng)器中發(fā)生的熱解、氣相反應(yīng)和激冷的時間總和優(yōu)選少于50毫秒。為了獲得超細顆粒的或分散良好的碳質(zhì)材料的優(yōu)異傳送效率和/或?qū)崿F(xiàn)碳質(zhì)材料與加熱氣體的充分混合或緊密接觸，通常需要用于傳送碳質(zhì)材料的載氣，并且載氣可選自于氫氣、甲烷、氮氣、氣態(tài)碳質(zhì)材料、惰性氣體和/或它們的混合物。惰性氣體的示范性實例例如是氬氣和/或氦氣。
所述反應(yīng)器的橫截面可是任何形狀，例如圓形、方形、橢圓形、多邊形或任何其他規(guī)則形狀。但為了防止反應(yīng)管內(nèi)壁表面發(fā)生明顯結(jié)焦，所述反應(yīng)管第二 第N段的橫截面面積優(yōu)選為反應(yīng)管第一段的橫截面面積的I 3倍，如圖4所示。這樣的喇叭口設(shè)計防止了入料或裂解產(chǎn)物直接沖刷上述反應(yīng)器內(nèi)表面、并在其上形成或聚積焦。同樣，為了在所述反應(yīng)器內(nèi)部空間中均勻地分布或分散入料、加熱氣體、裂解產(chǎn)物和/或激冷介質(zhì)，優(yōu)選的是:碳質(zhì)材料和載氣入料的入口數(shù)量為2 100，第一加熱氣體的入口數(shù)量為I 12，第二 第N加熱氣體的入口數(shù)量為2 64，而激冷介質(zhì)的入口數(shù)量為8 128，而且更優(yōu)選的是:上述入口在水平方向上被對稱和相對地布置。在本發(fā)明多段等離子體反應(yīng)器中使用的碳質(zhì)材料可為固態(tài)、液態(tài)和/或氣態(tài)材料，而優(yōu)選為固體碳質(zhì)材料，其例如選自于煤、煤焦油、煤直接液化殘渣、重質(zhì)渣油、焦、石油焦、油砂、頁巖油、碳質(zhì)工業(yè)廢料或尾料、生物質(zhì)、合成塑料、合成聚合物、廢輪胎、市政固體垃圾、浙青和/或它們的混合物。在本發(fā)明多段等離子體反應(yīng)器中，所用氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的高溫等離子體氣體和/或等離子體氣體可由一個輸入功率為IOkW 20MW的等離子體發(fā)生器產(chǎn)生。與上述等離子體發(fā)生器相關(guān)的細節(jié)可取自或參考前述參考文獻，例如US4358629、CN1562922A或CN101742808A，為了節(jié)省篇幅，關(guān)于等離子體發(fā)生器的詳細描述在此省去。由于主要在反應(yīng)管第一段中發(fā)生的碳質(zhì)材料熱解的時間一般比主要在反應(yīng)管第二段 第N段中發(fā)生的初級揮發(fā)分與高溫等離子體氣體中所含的反應(yīng)活性高、但存活時間短的等離子體成分的氣相反應(yīng)的時間長，所以入料在第一段中的停留時間遠大于其在第二段 第N段中的停留時間，為了實現(xiàn)這一安排，優(yōu)選的是:兩個在水平方向上相對或不直接相對的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成一個角度，并且更優(yōu)選地:兩個在水平方向上相對或不直接相對的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口沿垂直方向形成的角度大于兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度，當然，兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度可以相同或不同。為了獲得對裂解產(chǎn)物、特別是新鮮乙炔的最佳激冷效果，以便使它們的產(chǎn)率達到最大，同樣優(yōu)選的是:所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、第二 第N加熱氣體的入口、和激冷介質(zhì)的入口呈中心對稱分布，并在水平方向上更優(yōu)選地形成范圍為-60°至+60°的夾角。本發(fā)明多段等離子體反應(yīng)器的上述新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計具有以下優(yōu)點和特征:首先，當需要根據(jù)裂解產(chǎn)物、如乙炔的最大產(chǎn)率所要求的反應(yīng)溫度增加或優(yōu)化碳質(zhì)材料粉末的停留或反應(yīng)時間時，多段等離子體反應(yīng)器的高度可以隨意被加長或縮短。其次，熱氣流溫度沿多段等離子體反應(yīng)器縱向方向緩慢或松弛下降或甚至稍許提高將導(dǎo)致為使裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率最大化反應(yīng)氣流可在較長的移動距離內(nèi)被激冷，這將大大提高碳質(zhì)材料變?yōu)榱呀猱a(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率。第三，因為采用逐段或分步加熱，避免了嚴重的能源浪費和在反應(yīng)器內(nèi)壁附近過高的溫度分布，結(jié)果，熱釋放的過度集中不會出現(xiàn)。本發(fā)明多段等離子體反應(yīng)器可被用于生產(chǎn)來自各種碳質(zhì)材料的裂解產(chǎn)物，典型的方法如下所述:
a)借助于載氣經(jīng)所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口，從反應(yīng)管第一段的側(cè)面將碳質(zhì)材料引入到反應(yīng)管第一段中；b)經(jīng)位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口將第一加熱氣體氣流引入所述反應(yīng)管第一段中，其中迫使碳質(zhì)材料和載氣與第一加熱氣體混合，并且碳質(zhì)材料隨后在第一加熱氣體氣流的熱作用下被熱解；c)經(jīng)第二 第N加熱氣體的入口分別將第二 第N加熱氣體引入反應(yīng)管第二段 第N段中，其中熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在其中發(fā)生氣相反應(yīng)，任選地，碳質(zhì)材料在第二 第N加熱氣體氣流的熱作用下繼續(xù)被熱解，從而產(chǎn)生裂解和/或熱解產(chǎn)物；d)經(jīng)所述激冷介質(zhì)的入口將激冷介質(zhì)引入所述反應(yīng)器中，以便激冷或凍結(jié)所述裂解和/或熱解產(chǎn)物；e)經(jīng)激冷產(chǎn)物和氣體的出口將裂解和/或熱解產(chǎn)物、氣體、和/或熱解的碳質(zhì)材料殘余物排出所述反應(yīng)器。一般而言，碳質(zhì)材料的裂解產(chǎn)物是混合物，其包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯、氫氣和焦等，如果想獲得某些特定裂解產(chǎn)物、如乙炔，就需要分離所述裂解產(chǎn)物的混合物，以便得到基本純的裂解產(chǎn)物。例如，前述參考文獻US 4367363就公開了從上述裂解產(chǎn)物混合物中分離出純凈乙炔的分離方法。為了節(jié)省篇幅，關(guān)于分離的詳細描述在此省去。為了獲得碳質(zhì)材料熱解和裂解的最佳效果，除了多段等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計夕卜，還應(yīng)進一步考慮或選擇入料的物理和化學性質(zhì)，以便使裂解產(chǎn)物的產(chǎn)率達到最大。一般而言，碳質(zhì)材料的平均粒徑優(yōu)選為10 300微米，而碳質(zhì)材料在進入所述反應(yīng)器前溫度優(yōu)選為20 300°C。碳質(zhì)材料和載氣的體積比一般為10/90 90/10，優(yōu)選為20/80 80/20，更優(yōu)選為30/70 70/30，特別優(yōu)選為40/60 60/40，例如50/50。最后，還應(yīng)該清楚:碳質(zhì)材料在反應(yīng)管第一段中被加熱的速度優(yōu)選大于IO4K/秒，并且為了操作的靈活性和在不同環(huán)境下對操作的不同需求，第二 第N加熱氣體的溫度、流量，和/或種類可以相同或不同，而且所述第二 第N加熱氣體的入口的至少一個可被任選地用作碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口，以便可任選地至少從第二 第N加熱氣體的入口之一補充或添加所述碳質(zhì)材料和載氣。例如，如圖3和圖4所示，兩個相鄰的加熱氣體入口 5和12之一、以及7和13之一被用作碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口，此時，由于取消了兩個加熱氣體的入口，而且碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口可與加熱氣體的入口非常近，反應(yīng)器中各含有碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口、和加熱氣體入口的兩段可變?yōu)橐欢?，如圖3和圖4所示，五段等離子體反應(yīng)器最終變?yōu)槿蔚入x子體反應(yīng)器。實施例實施例1其示意圖被表示在圖1中的兩段等離子體裂解煤的反應(yīng)器被用于將煤轉(zhuǎn)化為乙炔和其他化學品。所述兩段等離子體反應(yīng)器借助于一個輸入功率為IOkW 20MW的等離子體發(fā)生器來工作。如圖1所示，所述反應(yīng)器由兩段平直的腔道(即反應(yīng)管)4和6、一個第一加熱氣體I的頂部入口、兩個煤粉和載氣入料2的入口、兩個第二加熱氣體5的入口，兩個激冷介質(zhì)9的入口和一個裂解產(chǎn)物11的出口 10組成，其中煤粉和載氣入料2與第一加熱氣體I的混合區(qū)3在煤粉和載氣入料2的入口下方，并緊靠反應(yīng)管第一段4的上部。所述反應(yīng)器的壁在三個加熱氣體入口附近由銅構(gòu)成，其他區(qū)域由鋼構(gòu)成，同時利用在所述壁和其保護外套之間的環(huán)面間隙中高速循環(huán)的水來冷卻所述反應(yīng)器的壁。將一種高揮發(fā)性煙煤磨成煤粉顆粒，粒徑分布(PSD)為-J2重量％ < 106微米，100重量％< 150微米。作為入料，300° K煤粉經(jīng)煤粉入口與氫載氣一起被引入到反應(yīng)管第一段中。經(jīng)工業(yè)分析，以干燥無灰基計算，煤粉含約40重量％的揮發(fā)分，同時以干燥基(在110°C下干燥2小時)計算，煤粉具有下面表I所示的元素組成:表I
權(quán)利要求
1.一種多段等離子體裂解碳質(zhì)材料反應(yīng)器，包括: 反應(yīng)管第一段，主要用于使碳質(zhì)材料、載氣和第一加熱氣體混合，以及熱解碳質(zhì)材料； 反應(yīng)管第二段 第N段，主要用于使熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生氣相反應(yīng)，其中N為大于或等于2的整數(shù)； 至少一個位于反應(yīng)管第一段側(cè)面的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口 ； 至少一個位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口； 至少一個分別位于反應(yīng)管第二段 第N段側(cè)面的第二 第N加熱氣體的入口，其中所述第二 第N加熱氣體為高溫等離子體氣體； 至少一個用于激冷或凍結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物的激冷介質(zhì)的入口 ； 至少一個位于反應(yīng)管最后一段底部或下部的激冷產(chǎn)物和氣體的出口 ； 其中，碳質(zhì)材料從反應(yīng)管第一段的側(cè)面進入反應(yīng)管中，并向下流動，最后到達反應(yīng)管最后一段的底部或下部，同時完成熱解、氣相反應(yīng)和激冷過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)管第一段的操作溫度確保進入其中的碳質(zhì)材料的溫度達到650°C 1250°C，同時所述反應(yīng)管第二段 第N段的操作溫度確保在其中發(fā)生的氣相反應(yīng)溫度達到1500°C 2900°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段 等離子體反應(yīng)器，其中所述第一加熱氣體為氫氣、氮氣、甲烷、惰性氣體和/或氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的等離子體氣體，同時第二 第N加熱氣體為氫氣、氮氣、甲烷和/或惰性氣體的高溫等離子體氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中進入所述反應(yīng)器中的激冷介質(zhì)確保其中的反應(yīng)產(chǎn)物在離開反應(yīng)器前被激冷至低于527°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中熱解形成的揮發(fā)分在反應(yīng)管第二段 第N段各段中發(fā)生的氣相反應(yīng)時間為0.4 4.0毫秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中在所述反應(yīng)器中發(fā)生的熱解、氣相反應(yīng)和激冷的時間總和少于50毫秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述激冷介質(zhì)包括水、蒸汽、丙烷、芳香族化合物、惰性氣體、任何類型的碳質(zhì)材料和/或它們的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述載氣選自于氫氣、甲烷、氮氣、氣態(tài)碳質(zhì)材料、惰性氣體和/或它們的混合物。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求3，7，8任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述惰性氣體是IS氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)管的橫截面為圓形、方形、橢圓形、多邊形或任何其他規(guī)則形狀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)管的第二段 第N段橫截面的面積為反應(yīng)管第一段橫截面的面積的I 3倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述碳質(zhì)材料和載氣的入口數(shù)量為2 100，所述第一加熱氣體的入口數(shù)量為I 12，所述第二 第N加熱氣體的入口數(shù)量為2 64,而所述激冷介質(zhì)的入口數(shù)量為8 128。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述各入口在水平方向上被對稱和/或相對地布置。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述碳質(zhì)材料為固態(tài)、液態(tài)和/或氣態(tài)材料。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述碳質(zhì)材料進一步選自于煤、煤焦油、煤直接液化殘渣、重質(zhì)渣油、焦、石油焦、油砂、頁巖油、碳質(zhì)工業(yè)廢料或尾料、生物質(zhì)、合成塑料、合成聚合物、廢輪胎、市政固體垃圾、浙青和/或它們的混合物。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述高溫等離子體氣體和氫氣、氮氣、甲烷、和/或惰性氣體的等離子體氣體由輸入功率為IOkW 20MW的等離子發(fā)生器產(chǎn)生。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、第二 第N加熱氣體的入口、和激冷介質(zhì)的入口呈中心對稱分布，在水平方向上形成范圍為-60°至+60°的夾角。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中兩個在水平方向上相對或不直接相對的所述碳質(zhì)材料和載氣入料的入口、和第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成一個角度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中兩個在水平方向上相對或不直接相對的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口沿垂直方向形成的角度大于兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-1 2任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中兩個在水平方向上相對或不直接相對的第二 第N加熱氣體的入口沿垂直方向形成的角度是相同或不同的。
21.根據(jù)前述權(quán)利要求1-8和10-12任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器，其中所述第二 第N加熱氣體的入口的至少一個被用作碳質(zhì)材料和載氣入料的補充或輔助入口。
22.一種使用根據(jù)前述權(quán)利要求1-21中任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器裂解碳質(zhì)材料的方法，包括: a)借助于載氣經(jīng)碳質(zhì)材料和載氣入料的入口從反應(yīng)管第一段的側(cè)面將碳質(zhì)材料引入到反應(yīng)管第一段中； b)經(jīng)位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口將第一加熱氣體氣流引入所述反應(yīng)管第一段中，其中迫使碳質(zhì)材料和載氣與第一加熱氣體混合，并且碳質(zhì)材料隨后在第一加熱氣體氣流的熱作用下被熱解； c)經(jīng)第二 第N加熱氣體的入口分別將第二 第N加熱氣體弓I入反應(yīng)管第二段 第N段中，其中由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在其中發(fā)生氣相反應(yīng)，任選地，碳質(zhì)材料在第二 第N加熱氣體氣流的熱作用下繼續(xù)被熱解，從而產(chǎn)生裂解和/或熱解產(chǎn)物； d)經(jīng)所述激冷介質(zhì)的入口將激冷介質(zhì)引入所述反應(yīng)器中，以便激冷或凍結(jié)所述裂解和/或熱解產(chǎn)物； e)經(jīng)所述激冷產(chǎn)物和氣體的出口將裂解和/或熱解產(chǎn)物、氣體，和/或熱解的碳質(zhì)材料殘余物排出所述反應(yīng)器。
23.一種使用根據(jù)前述權(quán)利要求1-21中任一項所述的多段等離子體反應(yīng)器生產(chǎn)乙炔的方法，包括:a)借助于載氣經(jīng)碳質(zhì)材料和載氣入料的入口從反應(yīng)管第一段的側(cè)面將碳質(zhì)材料引入到反應(yīng)管第一段中； b)經(jīng)位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口將第一加熱氣體氣流引入所述反應(yīng)管第一段中，其中迫使碳質(zhì)材料和載氣與第一加熱氣體混合，并且碳質(zhì)材料隨后在第一加熱氣體氣流的熱作用下被熱解； c)經(jīng)第二 第N加熱氣體的入口分別將第二 第N加熱氣體弓I入反應(yīng)管第二段 第N段中，其中由熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分在其中發(fā)生氣相反應(yīng)，任選地，碳質(zhì)材料在第二 第N加熱氣體氣流的熱作用下繼續(xù)被熱解，從而產(chǎn)生裂解和/或熱解產(chǎn)物； d)經(jīng)所述激冷介質(zhì)的入口將激冷介質(zhì)引入所述反應(yīng)器中，以便激冷或凍結(jié)所述裂解和/或熱解產(chǎn)物； e)經(jīng)激冷產(chǎn)物和氣 體的出口將裂解和/或熱解產(chǎn)物、氣體，和/或熱解的碳質(zhì)材料的殘余物排出所述反應(yīng)器； f)從裂解和/或熱解產(chǎn)物和氣體中分離出乙炔。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中裂解和/或熱解產(chǎn)物包括乙炔、一氧化碳、甲烷、乙烯和焦。
25.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中碳質(zhì)材料的平均粒徑為10 300微米。
26.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中碳質(zhì)材料在進入所述反應(yīng)器前溫度為20 300。。。
27.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中碳質(zhì)材料和載氣的體積比為10/90 90/10。
28.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述反應(yīng)器的操作壓力為負壓至正壓。
29.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中碳質(zhì)材料在反應(yīng)管第一段中被加熱的速率大于IO4K/秒。
30.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中裂解產(chǎn)物在其形成后4毫秒內(nèi)被激冷。
31.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中所述第二 第N加熱氣體的溫度、流量和/或種類是相同或不同的。
32.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的方法，其中至少從第二 第N加熱氣體的入口之一補充或添加所述碳質(zhì)材料和載氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多段等離子體裂解碳質(zhì)材料反應(yīng)器，其包括主要用于使碳質(zhì)材料、載氣和第一加熱氣體混合、以及熱解碳質(zhì)材料的反應(yīng)管第一段；主要用于使熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分發(fā)生氣相反應(yīng)的反應(yīng)管第二段～第N段，其中N為大于或等于2的整數(shù)；至少一個位于反應(yīng)管第一段側(cè)面的碳質(zhì)材料和載氣入料的入口；至少一個位于反應(yīng)管第一段頂部的第一加熱氣體的入口；至少一個分別位于反應(yīng)管第二段～第N段側(cè)面的第二～第N加熱氣體的入口，其中所述第二～第N加熱氣體為高溫等離子體氣體；至少一個用于激冷或凍結(jié)反應(yīng)產(chǎn)物的激冷介質(zhì)的入口；至少一個位于反應(yīng)管最后一段底部或下部的激冷產(chǎn)物和氣體的出口。
文檔編號C07C4/04GK103084129SQ20111034040
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者郭屹, 李軒, 程易, 顏彬航, 吳昌寧, 苗強 申請人:北京低碳清潔能源研究所