本發(fā)明屬于煤化工和乙炔制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

乙炔是重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料。生產(chǎn)乙炔的工業(yè)方法主要有電石法、甲烷部分氧化法和等離子體裂解法，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技術(shù)，工藝流程短，不需要石灰石制取電石的高耗能過程，也進(jìn)而避免了電石爐渣的產(chǎn)生，是高效、清潔、節(jié)水的全新乙炔工業(yè)制造技術(shù)，也是一條新的、有前景的煤直接化工轉(zhuǎn)化途徑。

通過電弧、微波和射頻等方法可以方便地產(chǎn)生熱等離子體，并且實(shí)際操作功率可從實(shí)驗(yàn)室的千瓦級變化到工業(yè)規(guī)模的幾十兆瓦級。熱等離子體具有獨(dú)特的熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)，例如，電-熱轉(zhuǎn)化效率高，可方便地實(shí)現(xiàn)平均溫度達(dá)1.5×104k的氣體環(huán)境。煤在氫等離子體裂解反應(yīng)器中經(jīng)歷脫揮發(fā)分、揮發(fā)分氣相反應(yīng)及裂解產(chǎn)物淬冷等三個(gè)主要過程，全過程一般在平均溫度為1800～3500k的高溫環(huán)境中10ms內(nèi)完成，形成富含乙炔的裂解氣。高溫裂解氣經(jīng)毫秒級淬冷、分離和提純后，獲得乙炔、氫氣、一氧化碳、乙烯和甲烷等氣相產(chǎn)品。產(chǎn)物氫氣一部分循環(huán)使用，另一部分作為過程重要的副產(chǎn)品。反應(yīng)過程排出的固相產(chǎn)物可直接燃燒供電或與其他煤種混配作為煤氣化原料。

1963年gb1089092公開了煙煤顆粒通過高溫加熱2000～3000℃制取氣態(tài)和固態(tài)產(chǎn)品的方法，主要產(chǎn)品包括乙炔和活性炭，加熱方法主要將煤粉穿過電弧或等離子體射流尾焰獲得。20世紀(jì)80年代avco公司的旋轉(zhuǎn)電弧裝置屬于前者，煤粉進(jìn)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(jìn)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(fù)雜。

cn201510777922.8公開了一種等離子體裂解煤制乙炔反應(yīng)裝置，煤粉從側(cè)面噴入豎直方向的等離子射流區(qū)，但是由于等離子射流速度極快，即使煤粉高速噴入也難以將煤粉和等離子射流充分混合。另外，煤粉高速噴入限定了噴嘴尺寸，煤粉在粉碎過程中形成的較大的煤粉顆粒在輸送過程中容易造成噴嘴的堵塞，需要采用稀相輸送，過多的氣體引入將導(dǎo)致裝置能耗過大。

cn201610082986.0公開了一種電弧加熱煤粉制乙炔反應(yīng)器，電弧采用中心等離子炬和四周多個(gè)等離子炬放電的形式形成等離子射流區(qū)，煤粉分為第一煤粉噴嘴和第二煤粉噴嘴，分別從中心等離子炬和四周多個(gè)等離子炬的電弧通道中噴入。由于等離子高速射流，煤粉在電弧通道內(nèi)難以與等離子射流充分混合，從電弧通道進(jìn)入反應(yīng)器腔體后，煤粉流動(dòng)空間變大，速度降低，煤粉更難與等離子射流充分混合，從而導(dǎo)致煤粉裂解的溫度較低，乙炔產(chǎn)率低。

cn201410787386.5公開了一種電弧熱解煤粉制乙炔裝置，在同一平面布置了多組電極，每組電極由正對的兩根電極組成，第一煤粉噴嘴從每組電極的上方中部豎直向下噴入，第二煤粉噴嘴從每組電極的下方的壁面噴入。由于等離子高速射流，第一煤粉噴嘴進(jìn)入的煤粉難以有效進(jìn)入每組電極形成的等離子射流，大部分從等離子射流邊緣滑落，第二煤粉噴嘴進(jìn)入的煤粉更是難以噴入等離子射流，大部分沿壁面滑落，等離子體產(chǎn)生的高溫難以有效利用，乙炔產(chǎn)率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔的反應(yīng)器，能夠使煤粉有效的和等離子體射流混合，使煤粉快速升溫，并在高溫環(huán)境中瞬間達(dá)到熱力學(xué)平衡，形成富含乙炔的裂解氣，具有煤粉裂解效率高、能量利用效率高、平衡氣中乙炔含量高、長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔的反應(yīng)器，包括煤粉預(yù)分散段、等離子體陣列反應(yīng)段、淬冷段；等離子體陣列反應(yīng)段一側(cè)壁面布置n行等離子體電極，每行包括m或m+1根等離子體電極，相鄰兩行中的等離子體電極位置對應(yīng)或交錯(cuò)排列，形成等離子體電極陣列；對側(cè)壁面上的等離子體電極與上述等離子體電極陣列中的等離子體電極位置一一對應(yīng)，極性相反，兩側(cè)壁面上對應(yīng)的等離子體電極構(gòu)成電極對，電極對之間產(chǎn)生電弧放電，形成陣列狀電弧等離子體場；氣體攜帶煤粉經(jīng)煤粉預(yù)分散段，均布后通過等離子體陣列反應(yīng)段進(jìn)行裂解反應(yīng)，反應(yīng)后的裂解產(chǎn)物進(jìn)入淬冷段進(jìn)行冷卻；其中，n、m為正整數(shù)。

所述煤粉預(yù)分散段通過壁面或者其他內(nèi)部給熱方式對進(jìn)入的煤粉和氣體混合物進(jìn)行預(yù)加熱；通過安裝在煤粉預(yù)分散段內(nèi)的內(nèi)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)流經(jīng)煤粉預(yù)分散段的煤粉在空間的均勻分布。

所述等離子體電極陣列中的等離子體電極全部為陽極或陽極、陰極交錯(cuò)排列，兩側(cè)壁面上的位置相互對應(yīng)的兩個(gè)等離子體電極的電極相反。

所述等離子體電極陣列中每行等離子體電極之間的行間距為5～30cm，每行中等離子體電極之間的間距為5～30cm。

所述等離子體陣列反應(yīng)段兩側(cè)壁面上電極對中陰極與陽極的距離為5～30cm，電極對之間的電流為100～700a，優(yōu)選為500～600a，每對電極的輸入功率100kw～2mw。

所述等離子體電極采用石墨電極或者金屬電極，等離子體電極能夠移動(dòng)。

所述棒狀的等離子體電極周圍有氣體給入，給入的氣體為氫氣或碳?xì)浣M成的氣體。

所述等離子體陣列反應(yīng)段壁面上等離子體電極陣列中等離子體電極之間設(shè)有壁面氣體噴嘴或壁面狹縫，通過噴氣或其他任何方式給入保護(hù)氣體或裂解原料，保護(hù)氣體為水蒸氣、co2保護(hù)氣、氫氣或碳?xì)浣M成的氣體。

所述淬冷段上開有噴嘴或狹縫，通過噴嘴或狹縫噴入淬冷介質(zhì)，淬冷介質(zhì)采用水、碳?xì)浠衔锘蛘呙悍邸?/p>

所述n為2～10，m為2～20。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明中的等離子體射流陣列能夠在較大空間內(nèi)形成均勻的高溫場，煤粉至上而下通過等離子體射流陣列時(shí)能夠的等離子體射流充分混合，確保煤粉能夠在盡可能高的溫度下達(dá)到熱力學(xué)平衡，平衡裂解氣中的乙炔濃度高；

(2)本發(fā)明中無需氣體攜帶煤粉高速進(jìn)入等離子體射流來確保煤粉和等離子體射流的充分混合，降低了攜帶煤粉進(jìn)入反應(yīng)器的氣體量，減少了等離子體射流高品位的能量損失，能量利用率高，經(jīng)濟(jì)效益好；

(3)本發(fā)明中的等離子體電極采用推進(jìn)式電極，電極隨著放電時(shí)間不斷損耗后可以通過水平推進(jìn)來補(bǔ)償，確保了等離子體反應(yīng)器長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)；

(4)本發(fā)明中的等離子體電極下部的反應(yīng)器壁面上設(shè)有氣體噴嘴，噴入的冷卻氣體能夠保護(hù)反應(yīng)器壁，避免了反應(yīng)器壁面的損壞，反應(yīng)器能夠長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1為一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器示意圖。

圖2為一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器等離子陣列反應(yīng)段一側(cè)半剖示意圖。

圖3為一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器等離子陣列反應(yīng)段另一側(cè)半剖示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖對本發(fā)明提供的方法予以進(jìn)一步說明，但并不因此而限制本發(fā)明，圖中省略了許多設(shè)備，如壓縮機(jī)、閥門、壓控、溫控等。

圖1為本發(fā)明提供的一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器示意圖。圖2和圖3為本發(fā)明提供的一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔反應(yīng)器等離子陣列反應(yīng)段半剖示意。

一種熱等離子體陣列裂解煤制乙炔的反應(yīng)器，包括煤粉預(yù)分散段1、等離子體陣列反應(yīng)段2、淬冷段3；如圖2、圖3所示，等離子體陣列反應(yīng)段2一側(cè)壁面布置n行等離子體電極4、4'，每行包括m或m+1根等離子體電極4、4'，相鄰兩行中的等離子體電極4、4'位置對應(yīng)或交錯(cuò)排列，形成等離子體電極陣列；對側(cè)壁面上的等離子體電極4、4'與上述等離子體電極陣列中的等離子體電極4、4'位置一一對應(yīng)，極性相反，兩側(cè)壁面上對應(yīng)的等離子體電極4、4'構(gòu)成電極對，電極對之間產(chǎn)生電弧放電，形成陣列狀電弧等離子體場9；氣體攜帶煤粉5經(jīng)煤粉預(yù)分散段1，均布后通過等離子體陣列反應(yīng)段2進(jìn)行裂解反應(yīng)，反應(yīng)后的裂解產(chǎn)物進(jìn)入淬冷段3進(jìn)行冷卻；其中，n、m為正整數(shù)；

氫氣或者碳?xì)浣M成氣體攜帶煤粉從反應(yīng)器入口進(jìn)入煤粉預(yù)分散段1，在預(yù)分散段內(nèi)可通過內(nèi)構(gòu)件6實(shí)現(xiàn)煤粉在空間的均勻分布，并預(yù)熱到一定溫度。優(yōu)選的，煤粉預(yù)分散段1的內(nèi)構(gòu)件6可以采用一層或多層導(dǎo)流板式分布器。

均布并預(yù)熱后的煤粉和氣體5至上而下通過多組電極對形成的陣列狀電弧等離子射流場9，煤粉顆粒與等離子射流接觸后，在數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒內(nèi)急劇加熱，并釋放出揮發(fā)分，產(chǎn)生乙炔、乙烯等小分子碳?xì)浠衔?。每一對等離子電極4、4'產(chǎn)生的等離子射流速度很快，煤粉很難直接進(jìn)入等離子射流的中心區(qū)域，因此采用單個(gè)或幾個(gè)單一的等離子電極產(chǎn)生的等離子射流場難以實(shí)現(xiàn)煤粉和等離子射流的充分混合，煤粉顆粒加熱溫度較低，揮發(fā)分中的烴類物質(zhì)平衡溫度較低，平衡氣中乙炔濃度低。通過將多組電極排列成陣列狀，形成的陣列狀電弧等離子射流場9能夠通過多個(gè)交錯(cuò)排布的等離子射流，實(shí)現(xiàn)煤粉顆粒與等離子射流的充分混合，煤粉顆粒最終被加熱到2000～3500k，平衡氣中的乙炔氣體達(dá)到較高的濃度。

等離子體陣列反應(yīng)段2內(nèi)部空間的每排等離子體電極上部或下部空間的壁面上設(shè)有壁面氣體噴嘴或狹縫7，可入噴入水蒸氣或co2保護(hù)氣8或裂解原料，裂解原料可以為煤粉，避免反應(yīng)器壁面被等離子射流形成的高溫場損壞。石墨電極或者金屬電極組成的等離子體電極4、4'對可以移動(dòng)或更換，當(dāng)?shù)入x子電極4、4'對在高溫狀態(tài)下不斷消耗，電極對可以逐漸向反應(yīng)器內(nèi)移動(dòng)，保證反應(yīng)器能夠長時(shí)間穩(wěn)定操作。等離子體電極4、4'周圍有氣體給入，給入的氣體為氫氣或碳?xì)浣M成的氣體，給入的氣體用于將電弧產(chǎn)生的熱量分布在等離子體陣列反應(yīng)段2中。通過等離子體陣列反應(yīng)段2的物質(zhì)在淬冷段3與壁面的噴嘴或狹縫10噴入反應(yīng)器空間的淬冷介質(zhì)11充分混合，將高溫的裂解產(chǎn)物迅速降溫至后續(xù)工段所需的溫度。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。