專利名稱：一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于工業(yè)氣固兩相高效快速混合、反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用
于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置。
背景技術(shù)：
乙炔是重要的基礎(chǔ)有機化工原料。生產(chǎn)乙炔的工業(yè)方法主要有電石法、甲烷部分 氧化法和甲烷電弧裂解法，其中電石法乙炔工藝成熟，工業(yè)生產(chǎn)中占絕對比重，但是污染和 能耗均相對較高。等離子體裂解煤制乙炔是一條新的、有前景的煤直接化工轉(zhuǎn)化途徑。我 國學者及工程技術(shù)人員從90年代開始，在這一領(lǐng)域進行了大量的基礎(chǔ)研究和工程研究。由 于我國油氣資源相對匱乏，而煤資源豐富，因此等離子體裂解煤制乙炔過程作為一種清潔 且流程短的煤轉(zhuǎn)化過程，在煤的化工利用方面具有重要的潛在工業(yè)前景。 2007年，我國新疆天業(yè)集團在2麗裝置平臺上進行的中試試驗，在大功率等離子 體炬長壽命運行和反應(yīng)器清焦兩個關(guān)鍵技術(shù)上取得了關(guān)鍵性進展，氣體分離前乙炔能耗的 最好指標達到10. 5kWh/kg乙炔，計及分離能耗4. OkWh/kg，低于污染治理費用外的電石法 生產(chǎn)乙炔的綜合能耗15. OkWh/kg乙炔。2008年，新疆天業(yè)集團建成國際上最大的5麗工業(yè) 試驗裝置，在正常開停車情況下單次操作連續(xù)運行10小時以上，累積開車時間達到500小 時以上，裂解氣流量和乙炔含量達到經(jīng)濟性要求，有望短期內(nèi)實現(xiàn)萬噸級乙炔工業(yè)化新技 術(shù)。 等離子體煤裂解制乙炔過程是一個高溫毫秒級超短接觸反應(yīng)過程，反應(yīng)條件極端 苛刻。等離子體發(fā)生器出口射流最高溫度可達10l量級，平均溫度約3000K，射流速度在102 米每秒量級。煤粉由流化氣攜帶，在到達煤粉噴嘴出口之前由二次加速氣體加速，最后以數(shù) 十米每秒的速度在接近等離子體射流出口處射入等離子體射流。煤粉與熱流體接觸后，在 數(shù)毫秒內(nèi)被急劇加熱，同時釋放揮發(fā)分并反應(yīng)，生成產(chǎn)物乙炔和其他少量小分子烴類等。 自20世紀60年代起，許多國家的研究者一直在從事等離子體裂解煤的實驗研究， 包括10 100kW級別小功率裝置的實驗室研究，以及在300kW以上功率裝置上的工業(yè)中試 試驗。等離子體煤裂解制乙炔裝置主要包括三個部分等離子體發(fā)生裝置，反應(yīng)器(包括混 合和反應(yīng)段)，急冷和分離裝置。實驗裝置多采用直流電弧熱等離子體，根據(jù)原料混合位置 的不同可大致分為兩類發(fā)生裝置前混合和發(fā)生裝置后混合。20世紀80年代AVC0公司的 旋轉(zhuǎn)電弧裝置屬于前者，煤粉進入電弧區(qū)被直接加熱，具有良好的混合效率。對于氣態(tài)、液 態(tài)烴類做原料的裂解也多采用前者。雖然發(fā)生裝置前混合，確切地說是反應(yīng)物進入電弧區(qū)， 有利于原料的加熱與混合，能得到高的乙炔收率，但易損傷電極，且裝置結(jié)構(gòu)較復雜。目前， 大多數(shù)的裝置均采用后者，即原料通過射入等離子體發(fā)生器出口下游的等離子體射流中實 現(xiàn)混合，但這樣提高了優(yōu)化煤粉與等離子體射流混合效果的難度。 等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器通道內(nèi)的等離子體射流具有高溫、高焓、高速的特 點，被加速的煤粉很難射入等離子體射流中部的高溫區(qū)，大量煤粉在靠近壁面的區(qū)域完成 加熱和反應(yīng)，并且由于壁面溫度相對較低，加熱不完全的煤粉會粘著在壁面，造成反應(yīng)器壁結(jié)焦、堵塞，最終導致操作中斷。另外，煤粉不能與高溫的等離子體射流充分混合，也會導致 煤粉轉(zhuǎn)化率較低、產(chǎn)品氣中乙炔的氣相體積含率較低，影響過程的經(jīng)濟性。此外，與實驗室 小試研究不同的是，工業(yè)裝置單位有效功率的煤處理量約是實驗室小試裝置的10倍，而由 于等離子體射流能量集中的特性，反應(yīng)器的幾何尺寸變化并沒有如此顯著，因此，反應(yīng)器的 煤粉入口設(shè)計還要考慮高濃煤粉的分散問題，即，在最短的時間內(nèi)使煤粉與射流實現(xiàn)最大 面積的接觸。煤粉與等離子體射流的混合對等離子體煤裂解制乙炔過程的可操作性和經(jīng)濟 性有著極其重要的影響，應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉入口結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個 裝置設(shè)計過程中十分重要的一環(huán)。 專利CN1562922A公布了一種等離子體煤裂解制乙炔的工藝和裝置，其中等離子
體發(fā)生裝置采用的是壁穩(wěn)電弧，一股等離子體射流從環(huán)狀陽極末端射入膨大的反應(yīng)器腔
室，煤粉從與陽極末端齊平的反應(yīng)器通道截面以一定角度順著等離子體射流方向射入反應(yīng)
器中并與等離子體射流相交。專利CN1613839A則在專利CN1562922A的基礎(chǔ)上進行了改進，
采用兩個或兩個以上的等離子體發(fā)生器，煤粉則從等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的等離子體射流之
間沿著等離子體射流的方向射入高溫流體當中，即采用縱向多槍向反應(yīng)器內(nèi)噴入等離子體
射流和煤粉，實現(xiàn)煤粉與高溫流體的直接混合。但是該專利所描述的實驗裝置屬于功率低
于100kW的實驗室小試裝置，與工業(yè)中試以及工業(yè)應(yīng)用的反應(yīng)裝置有較大不同，單位功率
的煤粉處理量小，煤粉進料速率低于100g/min。此外，小功率的等離子體發(fā)生器容易實現(xiàn)較
長時間的穩(wěn)定操作以及多個等離子體發(fā)生器的組裝，但這對于工業(yè)裝置很難實現(xiàn)。 專利CN1907926A公布了一種利用快速燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體防止反應(yīng)器通道
結(jié)焦的方法，其高溫高壓氣體噴射位置位于煤粉入口的下方，煤粉從緊靠等離子體射流出
口 、環(huán)繞等離子體射流的反應(yīng)器通道器壁上垂直射入高溫流體，但沒有關(guān)于煤粉入口結(jié)構(gòu)
的描述。由于大功率等離子體煤裂解制乙炔的研究開展處于起步階段，關(guān)于其煤粉入口結(jié)
構(gòu)設(shè)計的報導少見諸于公開文獻。 應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴嘴，出口截面通常為圓形。由于反 應(yīng)器內(nèi)通道直徑的限制，其尺寸較小。另外，由于使用的煤粉粒徑通常都在lOOym以下，為 保證煤粉在輸煤管道中的流化性能，煤粉噴嘴的尺寸不能過小，以保證顆粒良好的輸運、防 止噴嘴堵塞。 如上所述，對于等離子體煤裂解制乙炔工業(yè)裝置，良好的煤粉入口結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠 提高煤粉與高溫等離子體的混合效率、提高乙炔收率和過程的經(jīng)濟性。應(yīng)用于等離子體煤 裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉入口結(jié)構(gòu)，其設(shè)計思想在于在保證與工業(yè)裝置功率相適應(yīng)的煤粉 處理量的同時，提高煤粉噴嘴出口固體顆粒的速度，擴大煤粉射流與等離子體接觸面積，并 能迅速分散高濃煤粉。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出了一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反
應(yīng)器的煤粉噴射裝置。 —種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置，該裝置包括等離子體 發(fā)生器，氣固下行床反應(yīng)器通道，反應(yīng)器通道內(nèi)壁，外壁，石墨內(nèi)壁以及位于等離子體發(fā)生 器下方、環(huán)繞在氣固下行床反應(yīng)器通道內(nèi)熱等離子體射流四周的煤粉噴嘴，其特征在于，煤
4粉噴嘴的出口橫截面為寬扁形，橫截面周長P與橫截面面積A的1/2次方的比值為4. 5 9.5，煤粉噴嘴出口橫截面的長軸與反應(yīng)器通道的橫截面具有交角a ，所述長軸定義為橫截 面內(nèi)具有最大距離的兩點所在的直線；煤粉噴嘴在反應(yīng)器通道內(nèi)壁呈中心對稱分布，安裝 在反應(yīng)器通道的同一橫截面上，煤粉噴嘴所在的反應(yīng)器通道內(nèi)壁橫截面的圓周面與煤粉噴 嘴中心線交點處的切線，與煤粉噴嘴中心線成P角；煤粉噴嘴中心線與反應(yīng)器通道的橫截 面具有交角Y。 所述煤粉噴嘴數(shù)目為4 12個。 所述a為0° 45° 。 所述P為45° 135° 。 所述Y為0° 45° 本實用新型的有益效果為本實用新型提供了一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔 反應(yīng)器的煤粉噴射裝置，該結(jié)構(gòu)能夠使通過煤粉噴嘴射出的煤粉與高溫等離子體射流良好 混合，能夠有效地提高乙炔收率，并緩解反應(yīng)器結(jié)焦現(xiàn)象。

圖1是本實用新型的裝置示意圖； 圖2是圖1的A-A示意圖； 圖3是采用的幾種典型的寬扁形煤粉噴嘴橫截面； 圖4是煤粉噴嘴出口橫截面的長軸與反應(yīng)器通道橫截面之間成角示意圖；(a)表 示橫截面為矩形時a角情況，(b)表示橫截面為不規(guī)則寬扁形時a角情況； 圖5是煤粉噴嘴的空間分布示意圖； 圖6是兩種典型的優(yōu)選結(jié)構(gòu)3D示意圖；圖6 (a)和(b)分別表示實施例1煤粉入 口結(jié)構(gòu)立體圖及平面圖；圖6(c)和(d)分別表示實施例2煤粉入口結(jié)構(gòu)立體圖及平面圖； 圖中標號l-等離子體發(fā)生器；2-熱等離子體射流；3_煤粉噴嘴；4_反應(yīng)器通道； 5-石墨內(nèi)壁；6_外壁；7_反應(yīng)器通道內(nèi)壁；8_反應(yīng)器通道的橫截面；9_煤粉噴嘴出口橫截 面的長軸。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明。 實施例1 圖1是本實用新型的裝置示意圖，一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤 粉噴射裝置，包括等離子體發(fā)生器1，氣固下行床反應(yīng)器通道4，反應(yīng)器通道內(nèi)壁7，外壁6， 石墨內(nèi)壁5以及位于等離子體發(fā)生器1下方、環(huán)繞在氣固下行床反應(yīng)器通道4內(nèi)熱等離子 體射流2四周的煤粉噴嘴3，煤粉入口結(jié)構(gòu)如圖6(a)與(b)所示，煤粉噴嘴3的數(shù)目為6 個，煤粉噴嘴3的出口橫截面呈寬扁形，為長15. 6mm、長寬比為6的矩形(圖3給出了幾種 典型的寬扁形煤粉噴嘴橫截面)，橫截面周長P與橫截面面積A的1/2次方的比值為5. 72， 煤粉噴嘴3出口橫截面的長軸9(矩形的對角線)與反應(yīng)器通道4的橫截面8具有交角a， a為45° ，如圖4(a)所示，所述長軸定義為橫截面內(nèi)具有最大距離的兩點所在的直線，該 交角a使噴出的高濃煤粉在湍流的作用下被更好地分散，提高了混合效率；煤粉噴嘴3在反應(yīng)器通道4內(nèi)壁呈中心對稱分布，安裝在反應(yīng)器通道4的同一橫截面上，煤粉噴嘴3所在 的反應(yīng)器通道4內(nèi)壁橫截面的圓周面與煤粉噴嘴3中心線交點處的切線，與煤粉噴嘴3中 心線成P角，P角為90° (如圖2所示)；煤粉噴嘴3中心線與反應(yīng)器通道4的橫截面8 具有交角Y ， Y角為0° 。 等離子體炬輸出功率1.8麗，煤粉輸送量800kg/h，反應(yīng)器內(nèi)壁直徑100mm。開啟 電源，產(chǎn)生等離子體射流，待反應(yīng)器內(nèi)壓力和壁溫等操作參數(shù)穩(wěn)定后，開啟煤粉輸送管路， 同時開啟噴嘴前的煤粉加速氣體管路，開啟位于進煤口下方的清焦裝置，煤粉經(jīng)煤粉噴嘴 射入等離子體射流，正常運行1小時后，反應(yīng)器各操作參數(shù)正常，最大發(fā)氣量較同等操作條 件下的6管圓形噴嘴提高15%，其間對產(chǎn)品氣體取樣。運行一段時間后，關(guān)閉煤粉管路，關(guān) 閉電源。待反應(yīng)器冷卻后，拆開反應(yīng)器觀察，進煤口沒有結(jié)焦情況，反應(yīng)器通道內(nèi)輕微結(jié)焦。 對取得的產(chǎn)品氣體樣品分析，乙炔濃度(V/V)7. 50 8. 60%，較原來提高約1. 5個百分點； 對體系進行衡算，煤粉轉(zhuǎn)化率由原來采用6管圓形噴嘴時的22%提高到30%。 實施例2 —種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置，包括等離子體發(fā)生器 1，氣固下行床反應(yīng)器通道4反應(yīng)器通道內(nèi)壁7，外壁6，石墨內(nèi)壁5以及位于等離子體發(fā)生 器1下方、環(huán)繞在氣固下行床反應(yīng)器通道4內(nèi)熱等離子體射流2四周的煤粉噴嘴3，煤粉入 口結(jié)構(gòu)如圖6(c)與(d)所示，煤粉噴嘴3的數(shù)目為6個，煤粉噴嘴3的出口橫截面呈寬扁 形，為長軸16. 2mm、長短軸比為6的橢圓，橫截面周長P與橫截面面積A的1/2次方的比值 為5. 82，煤粉噴嘴3出口橫截面的長軸9 (橢圓的長軸)與反應(yīng)器通道4的橫截面8具有交 角a，a為0° ，所述長軸定義為橫截面內(nèi)具有最大距離的兩點所在的直線；煤粉噴嘴3在 反應(yīng)器通道4內(nèi)壁呈中心對稱分布，安裝在反應(yīng)器通道4的同一橫截面上(圖5是煤粉噴 嘴的分布示意圖)，煤粉噴嘴3所在的反應(yīng)器通道4內(nèi)壁橫截面的圓周面與煤粉噴嘴3中心 線交點處的切線，與煤粉噴嘴3中心線成13角，13角為104.5° ， 13角的存在能夠有效擴 大煤粉與熱流體的接觸面積；煤粉噴嘴3中心線與反應(yīng)器通道4的橫截面8具有交角Y ， Y角為0° 。 等離子體炬輸出功率1.8麗，煤粉輸送量800kg/h，反應(yīng)器內(nèi)壁直徑100mm。開啟 電源，產(chǎn)生等離子體射流，待反應(yīng)器內(nèi)壓力和壁溫等操作參數(shù)穩(wěn)定后，開啟煤粉輸送管路， 同時開啟噴嘴前的煤粉加速氣體管路，開啟位于進煤口下方的清焦裝置，煤粉經(jīng)煤粉噴嘴 射入等離子體射流，正常運行1小時后，反應(yīng)器各操作參數(shù)正常，最大發(fā)氣量較同等操作條 件下的6管圓形噴嘴提高17%，其間對產(chǎn)品氣體取樣。運行一段時間后，關(guān)閉煤粉管路，關(guān) 閉電源。待反應(yīng)器冷卻后，拆開反應(yīng)器觀察，進煤口附近輕微結(jié)焦，反應(yīng)器通道內(nèi)輕微結(jié)焦。 對取得的產(chǎn)品氣體樣品分析，乙炔濃度(V/V)7. 60 8. 90%，較原來提高約1. 8個百分點； 對體系進行衡算，煤粉轉(zhuǎn)化率由原來采用6管圓形噴嘴時的22%提高到32%。
權(quán)利要求一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置，該裝置包括等離子體發(fā)生器(1)，氣固下行床反應(yīng)器通道(4)，反應(yīng)器通道內(nèi)壁(7)，外壁(6)，石墨內(nèi)壁(5)以及位于等離子體發(fā)生器(1)下方、環(huán)繞在氣固下行床反應(yīng)器通道(4)內(nèi)熱等離子體射流(2)四周的煤粉噴嘴(3)，其特征在于，煤粉噴嘴(3)的出口橫截面為寬扁形，橫截面周長P與橫截面面積A的1/2次方的比值為4.5～9.5，煤粉噴嘴(3)出口橫截面的長軸(9)與反應(yīng)器通道(4)的橫截面(8)具有交角α，所述長軸定義為橫截面內(nèi)具有最大距離的兩點所在的直線；煤粉噴嘴(3)在反應(yīng)器通道(4)內(nèi)壁呈中心對稱分布，安裝在反應(yīng)器通道(4)的同一橫截面上，煤粉噴嘴(3)所在的反應(yīng)器通道(4)內(nèi)壁橫截面的圓周面與煤粉噴嘴(3)中心線交點處的切線，與煤粉噴嘴(3)中心線成β角；煤粉噴嘴(3)中心線與反應(yīng)器通道(4)的橫截面(8)具有交角γ。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置， 其特征在于，所述煤粉噴嘴(3)數(shù)目為4 12個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置， 其特征在于，所述a為0° 45° 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置， 其特征在于，所述P為45° 135° 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置， 其特征在于，所述Y為0° 45° 。
專利摘要本實用新型公開了屬于工業(yè)氣固兩相高效快速混合、反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置。入口結(jié)構(gòu)煤粉噴嘴的出口橫截面為寬扁形，煤粉噴嘴出口橫截面的長軸與反應(yīng)器通道的橫截面具有交角α，煤粉噴嘴在反應(yīng)器通道內(nèi)壁呈中心對稱分布，煤粉噴嘴所在的反應(yīng)器通道內(nèi)壁橫截面的圓周面與煤粉噴嘴中心線交點處的切線，與煤粉噴嘴中心線成β角；煤粉噴嘴中心線與反應(yīng)器通道的橫截面具有交角γ。本實用新型提供了一種應(yīng)用于等離子體煤裂解制乙炔反應(yīng)器的煤粉噴射裝置，該結(jié)構(gòu)能夠使通過煤粉噴嘴射出的煤粉與高溫等離子體射流良好混合，能夠有效地提高乙炔收率，并緩解反應(yīng)器結(jié)焦現(xiàn)象。
文檔編號B01J19/08GK201454523SQ200920106388
公開日2010年5月12日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者吳昌寧, 周軍, 熊新陽, 程易, 郭文康, 陳家琦, 黃崢嶸 申請人:清華大學;新疆天業(yè)(集團)有限公司