專利名稱：一種涉及遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于化工設備領域一種涉及遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置。
背景技術：
乙炔是重要的基礎有機化工原料。生產乙炔的工業方法主要有電石法、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，工業生產中占絕對比例，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化途徑，相關研究始 于20世紀60年代的英國Sheffield大學在高溫、高焓、高反應活性的電弧熱等離子體射 流中，煤的揮發分甚至固定碳可直接轉化為乙炔。此后，大量的研究集中在英國、美國、德 國、印度、前蘇聯等國家。我國學者及工程技術人員從90年代開始，在這一領域進行了大量 的基礎研究和工程研究。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化過程，在煤的化工利用方面具有重要的潛在工 業前景。 美國AVCO公司在1980年完成了 l麗級工業裝置的試驗，等離子體炬輸入功率為
807kW，使用水做急冷介質，氣體分離前單位生產能耗為10. 5kWh/kg乙炔。德國Huels公司
與Bergbau Forschung GmbH公司(德國采礦研究公司，現名DMT)在80年代合作，建成并
試驗了 1. 25麗的中試裝置，所取得的單位生產能耗為14 16kWh/kg乙炔。 2007年，我國新疆天業集團在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器清焦兩個關鍵技術上取得了關鍵性進展，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
生產乙炔的綜合能耗15. OkWh/kg乙炔。2008年，新疆天業集團建成國際上最大的5麗工業
試驗裝置，在正常開停車情況下單次操作連續運行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濟性要求，有望短期內實現萬噸級乙炔工業化新技術。 國內外不同研究機構所采用的試驗裝置在系統構成方面存在共性，裝置主要包括
3個共同的部分，即等離子體發生裝置、反應器(包括混合和反應段)、急冷和分離裝置。試
驗裝置多采用直流電弧熱等離子體，根據煤與氫原料混合位置的不同可大致分為兩類發
生裝置前混合和發生裝置后混合。AVCO公司的旋轉電弧實驗裝置采用前者，對于氣態、液態
烴類做原料的裂解也多采用前者。雖然發生裝置前混合，確切地說是反應物進入電弧區，有
利于原料的加熱與混合，能得到高乙炔產率，但易損傷電極，且裝置結構較復雜。大多數的
試驗裝置均采用后者，但因此增大了煤粉與等離子體射流取得良好混合效果的難度；這主
要由于等離子體射流的速度很大，而煤粉的入射速度則要低得多，煤粉在高速等離子體射
流中的入射深度受到限制，對反應裝置進行工程放大時這一矛盾將更為凸顯。 對上述采用等離子體發生裝置后混合操作模式的煤裂解反應裝置，由于煤粉主要
密集于熱等離子體的周邊，而熱等離子體中心區域的高品位熱能并沒有得到充分利用，由
3此導致能量利用效率較低。
實用新型內容本實用新型的目的是針對上述現有等離子體煤裂解反應裝置存在的不足之處，主 要通過在反應裝置內增設遮流構件，改變高溫、高速等離子體的空間分布形態，便于固體物 料或者氣體物料注入到等離子體中心區域即具有更高能量品質的區域，增強反應物之間的 接觸和混合效率，進而達到提高煤裂解裝置煤轉化和熱轉化能力的最終目的。 為實現上述目標，本實用新型所采用的技術方案具體包括 所述涉及遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置包括等離子體炬陽極工作氣體 入口 ，等離子體炬陰極工作氣體入口 ，等離子體炬陽極，等離子體炬陰極和等離子炬陰陽極 交匯區；煤粉噴射管和混合區；反應區，反應區壁面和反應區原料氣噴射管；急冷介質噴射 管，急冷區和急冷區出口，其特征在于，在混合區、反應區或急冷區內設置遮流構件。 所述混合區內設置遮流構件為在混合區內4 16根煤粉噴射管正上方1 20mm 距離處安置4 16根中空管道，管道間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成2 8 組相互獨立的混合區遮流構件，在混合區遮流構件的一端為混合區遮流構件內冷卻介質入 口另 一端為混合區遮流構件內冷卻介質出口 。 所述反應區內設置遮流構件為在反應區內4 16根原料氣噴射管正上方1 30mm距離處安置4 16根中空管道，管道間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成 2 8組相互獨立的反應區遮流構件，在反應區遮流構件的一端為反應區遮流構件內冷卻 介質入口 ，另一端為反應區遮流構件內冷卻介質出口 。 所述急冷區內設置遮流構件為在急冷區內6 32根急冷介質噴射管正上方1 30mm距離處安置6 32根中空管道，管道間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成 3 16組相互獨立的急冷區遮流構件，在急冷區遮流構件的一端為急冷區遮流構件內冷卻 介質入口 ，另一端為急冷區遮流構件內冷卻介質出口 。 所述等離子體為直流電弧等離子體、高頻等離子體或微波等離子體中的一種。 所述等離子體炬工作氣體為氫氣、氮氣、氧氣和水蒸氣中的一種或幾種。 所述煤粉為固體煤粉、煤與生物質的粉狀混合物或煤與石油焦的粉狀混合物中的一種。 所述中空管道由金、銀或銅材質中的一種制成。 所述冷卻介質為高壓水、鹽水、堿水或機油中的一種。 本實用新型具有以下優點 (1)遮流構件可顯著加大物料射流的入射深度，增強反應物之間的接觸和混合效 率，可有效強化混合區內煤與等離子體的混合和反應、反應區補充原料與反應物流的混合 和反應、以及急冷區內急冷介質與反應后物流的混合和反應； (2)對于安裝了該遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置，系統的煤轉化和熱轉化 能力都能顯著得到提升； (3)在該遮流構件的遮護作用下物料射流可至等離子體射流/反應物流的中心區 域，便于進行等離子體煤裂解反應裝置的工程放大設計。
圖la為無遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置示意圖； 圖lb為圖la中反應裝置混合區的A-A剖視圖； 圖lc為圖la中反應裝置反應區的B-B剖視圖； 圖Id為圖la中反應裝置急冷區的C-C剖視圖； 圖2a為混合區采用遮流構件的等離子體煤裂解反應改進裝置示意圖； 圖2b為圖2a中改進裝置混合區的D_D剖視圖； 圖3a為混合區和反應區采用遮流構件的等離子體煤裂解反應改進裝置示意圖； 圖3b為圖3a中改進裝置反應區的E_E剖視圖； 圖4a為混合區、反應區和急冷區采用遮流構件的等離子體煤裂解反應改進裝置 示意圖； 圖4b為圖4a中改進裝置急冷區的F_F剖視圖。 圖中1-等離子體炬陽極工作氣體入口 ， 2-等離子體炬陰極工作氣體入口 ， 3-等 離子體炬陽極，4-等離子體炬陰極，5-等離子體炬陰陽極交匯區，6-氣相流場流速大小示 意，7-煤粉噴射管，8-煤粉在混合區內運動軌跡示意，9_混合區，10-反應區，11-反應區壁 面，12-反應區原料氣噴射管，13-急冷介質噴射管，14-急冷區，15-急冷區出口 ， 16-混合 區遮流構件，17-混合區遮流構件內冷卻介質入口 ， 18-混合區遮流構件內冷卻介質出口 ， 19-反應區遮流構件，20-反應區遮流構件內冷卻介質入口 ， 21-反應區遮流構件內冷卻介 質出口 ， 22-急冷區遮流構件，23-急冷區遮流構件內冷卻介質入口 ， 24-急冷區遮流構件內 冷卻介質出口。
具體實施方式以下結合實施例和附圖對本實用新型作進一步的說明，并不對本實用新型進行任 何限制。 實施例1 圖la為無遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置示意圖，圖lb為圖la中反應裝置 混合區的A-A剖視圖，圖lc為圖la中反應裝置反應區的B-B剖視圖，圖ld為圖la中反應 裝置急冷區的C-C剖視圖。如圖la所示，無遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置包括等 離子體炬陽極工作氣體入口 l，等離子體炬陰極工作氣體入口 2，等離子體炬陽極3，等離子 體炬陰極4和等離子炬陰陽極交匯區5 ;混合區9和煤粉噴射管7 ;反應區10，反應區壁面 11和反應區原料氣噴射管12 ;急冷區14，急冷介質噴射管13和急冷區出口 15。 等離子體炬采用氫氣作為工作氣體，輸入功率為3. 8 4. 2麗，氫氣流量為100 110kg/h，等離子體炬陰陽極交匯區5內氫等離子體的平均溫度超過3000K，中心區域溫度 約5000K。反應區內徑150mm，長500mm。 未安置遮流構件時，混合區9內氫等離子體射流的速率為300 1200m/s，混合區 9出口處為縮徑結構，最大速度約1000m/s ;煤粉總通量為1300 2000kg/h，煤粉由外徑 10mm、內徑9mm的煤粉噴射管7噴射之后形成的射流速率為10 40m/s，煤粉的入射深度有 限，僅能與20 30%的等離子體接觸。 在上述裝置的混合區9內6根煤粉噴射管7的正上方2 3mm距離處安置6根外徑8mm、內徑6mm的中空銅管，銅管探入混合區部分的長度為50mm，相鄰銅管采用中空彎頭 部件連接，形成3組相互獨立的混合區遮流構件16。煤裂解過程等離子體發生后的溫度大 于銅材質的熔點，基于高溫等離子體的工作環境下長周期運行的要求，遮流構件需要有內 置冷卻介質導熱保護的配套設計。各組構件內通高壓水作為冷卻介質，高壓水由混合區遮 流構件內冷卻介質入口 17進入，攜帶由銅管外壁向銅管內壁傳導的熱量之后經混合區遮 流構件內冷卻介質出口 18導出(圖2)。圖2a為混合區采用遮流構件的等離子體煤裂解反 應改進裝置示意圖，圖2b為圖2a中改進裝置混合區的D-D剖視圖。 如圖2a所示，安置混合區遮流構件16之后，等離子體射流受構件的阻礙作用分為 四股分射流，分射流向下移動15 25mm之后合流；遮流構件正下方形成氣相速率低于煤粉 射流速率、寬約8mm、高約15mm的遮護區域，煤粉可順利地輸送到整個遮護區域，煤粉與等 離子體的接觸面積增大5 15倍，顯著增強了反應物之間的接觸和混合效率，有效提高了 煤裂解裝置的煤轉化和熱轉化能力。 為保護遮流構件的材質，經冷卻介質移熱將導致等離子體的熱量有所損耗。本設 計中混合區9內每組遮流構件的移熱速率不超過40kW，總損失不超過120kW(總輸入功率的 3% )。 實施例2 本例基于實施例1中改進后的等離子體煤裂解反應裝置增設反應區遮流構件。 在實施例1所述工藝條件下，反應區平均溫度為1800 2500K，該溫度較乙炔生 成和穩定存在的最低溫度1400K要高，通過4根外徑6mm、內徑5mm的反應區原料氣噴射管 12噴射煤焦油中輕芳烴餾分和丙烷的補充原料混合氣進入反應區參與裂解反應，充分利用 反應區的熱量，同時混合氣的碳氫質量比達5 : 1 10 : l，有利于提高產品氣中乙炔的體 積濃度。 未安置遮流構件時，反應區10內反應物流的速率為200 400m/s，補充原料混合 氣經反應區原料氣噴射管12噴射之后形成的射流速率為40 80m/s，其入射深度不夠理 想，與反應物流的接觸比例為20 40% 。 在本實施例中，在所述4根原料氣噴射管12的正上方2mm距離處安置4根外徑 8mm、內徑6mm的中空銅管，銅管探入混合區部分的長度為50mm，相鄰銅管采用中空彎頭部 件連接，形成2組相互獨立的反應區遮流構件19，各組構件內通高壓水作為冷卻介質，高壓 水由反應區遮流構件內冷卻介質入口 20進入，攜帶由銅管外壁向銅管內壁傳導的熱量之 后經反應區遮流構件內冷卻介質出口21導出(圖3)。圖3a為混合區和反應區采用遮流構 件的等離子體煤裂解反應改進裝置示意圖，圖3b為圖3a中改進裝置反應區的E-E剖視圖。 如圖3a所示，安置反應區遮流構件19之后，反應物流受構件的阻礙作用分為三股 分射流，分射流向下移動10 20mm之后合流；遮流構件正下方形成壓力較低的遮護區域， 混合氣的入射深度由30 40mm提高到60 70mm，混合氣與反應物流的接觸面積增大4 IO倍，顯著增強了反應物之間的接觸和混合效率，有效提高了煤裂解裝置的煤轉化和熱轉 化能力。 本設計中，反應區10內每組遮流構件的移熱速率不超過20kW，總損失不超過 40kW(總輸入功率的1% )。 實施例3[0050] 本例基于實施例2中改進后的等離子體煤裂解反應裝置增設急冷區遮流構件。在 實施例2所述工藝條件下，急冷區入口溫度為1400 1800K，以水為急冷介質，瞬間將反應 物流冷卻到600 800K。 107 108K/s的降溫速率是保證等離子體煤裂解制乙炔過程乙 炔產率的第一個必要條件；急冷介質與反應物流的充分接觸是保證乙炔產率的第二個必要 條件。 未安置遮流構件時，急冷區14內反應物流的速率為150 300m/s，水由8根外徑 5mm、內徑4mm的急冷介質噴射管13噴射之后形成的射流速率為60 100m/s，與反應物流 的接觸比例為60 70%。 在本實施例中，在所述8根急冷介質噴射管13正上方4mm距離處安置8根外徑 8mm、內徑6mm的中空銅管，銅管探入混合區部分的長度為70mm，相鄰銅管采用中空彎頭部 件連接，形成4組相互獨立的急冷區遮流構件22，各組構件內通高壓水作為冷卻介質，高壓 水由急冷區遮流構件內冷卻介質入口 23進入，攜帶由銅管外壁向銅管內壁傳導的熱量之 后經急冷區遮流構件內冷卻介質出口 24導出(圖4)。圖4a為混合區、反應區和急冷區采 用遮流構件的等離子體煤裂解反應改進裝置示意圖，圖4b為圖4a中改進裝置急冷區的F-F 剖視圖。 如圖4a所示，安置急冷區遮流構件22之后，反應物流受構件的阻礙作用分為五 股分射流。 一方面，構件的存在增大了反應物流的相界面面積，有利于提高其降溫速率；另 一方面，急冷介質由于構件的遮護作用能噴射到中心區域，與反應物流的接觸比例升高到 80 95%，保證了急冷介質與反應物流的充分接觸。急冷區遮流構件的引入使得產品氣中 乙炔的體積濃度從8. 0 8. 5%提高到8. 5 9. 0% 。 本設計中，急冷區中每組遮流構件的移熱速率不超過5kW，總損失不超過40kW(總 輸入功率的1% )。 本實施例中在混合區9、反應區10或急冷區14內均設置了遮流構件，與無遮流構 件的等離子體煤裂解反應裝置相比，在其他工藝條件相同的情況下，裂解產品氣從2300 2600NmVh提高到3200 3500NmVh，產品氣中乙炔的體積濃度從7. 0 7. 5%提高到8. 5 9. 0%，比能耗指標從18 20kWh/kg乙炔優化到11 13kWh/kg乙炔。
權利要求一種涉及遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置包括等離子體炬陽極工作氣體入口(1)，等離子體炬陰極工作氣體入口(2)，等離子體炬陽極(3)，等離子體炬陰極(4)和等離子體炬陰陽極交匯區(5)；煤粉噴射管(7)和混合區(9)；反應區(10)，反應區壁面(11)和反應區原料氣噴射管(12)；急冷介質噴射管(13)，急冷區(14)和急冷區出口(15)，其特征在于，在混合區(9)、反應區(10)或急冷區(14)內設置遮流構件。
2. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述混合區(9)內設置遮流構件為在混合 區(9)內4 16根煤粉噴射管(7)正上方l 20mm距離處安置4 16根中空管道，管道 間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成2 8組相互獨立的混合區遮流構件(16)，在 混合區遮流構件(16)的一端為混合區遮流構件內冷卻介質入口 (17)另一端為混合區遮流 構件內冷卻介質出口 (18)。
3. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述反應區(10)內設置遮流構件為在反 應區(10)內4 16根原料氣噴射管(12)正上方l 30mm距離處安置4 16根中空管 道，管道間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成2 8組相互獨立的反應區遮流構件 (19)，在反應區遮流構件(19)的一端為反應區遮流構件內冷卻介質入口 (20)，另一端為反 應區遮流構件內冷卻介質出口 (21)。
4. 根據權利要求l所述的裝置，其特征在于，所述急冷區(14)內設置遮流構件為在急 冷區(14)內6 32根急冷介質噴射管(13)正上方1 30mm距離處安置6 32根中空 管道，管道間采用中空直管或彎管部件成對地連接，形成3 16組相互獨立的急冷區遮流 構件(22)，在急冷區遮流構件(22)的一端為急冷區遮流構件內冷卻介質入口 (23)，另一端 為急冷區遮流構件內冷卻介質出口 (24)。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述等離子體為直流電弧等離子體、高頻 等離子體或微波等離子體中的一種。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述等離子體炬工作氣體為氫氣、氮氣、 氧氣和水蒸氣中的一種或幾種。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述煤粉為固體煤粉、煤與生物質的粉狀 混合物或煤與石油焦的粉狀混合物中的一種。
8. 根據權利要求2、3或4所述的裝置，其特征在于，所述中空管道由金、銀或銅材質中 的一種制成。
9. 根據權利要求2、3或4所述的裝置，其特征在于，所述冷卻介質為高壓水、鹽水、堿水 或機油中的一種。
專利摘要本實用新型屬于化工設備領域一種涉及遮流構件的等離子體煤裂解反應裝置包括等離子體炬陽極，等離子體炬陰極，等離子體炬陰陽極交匯區，等離子體炬陽極工作氣體入口和等離子體炬陰極工作氣體入口；混合區和煤粉噴射管；反應區，反應區壁面和反應區原料氣噴射管；急冷區，急冷介質噴射管和急冷區出口，并在混合區、反應區或急冷區內設置遮流構件。本實用新型在高溫、高流速的反應裝置內設置遮流構件，改變流體的空間分布，加大注入物料的入射深度，增強反應物之間的接觸和混合效率，進而達到提高煤裂解裝置煤轉化和熱轉化能力的目的。
文檔編號C07C11/24GK201454524SQ200920106389
公開日2010年5月12日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者劉軍, 吳昌寧, 周軍, 熊新陽, 程易, 郭文康, 金涌 申請人:清華大學;新疆天業(集團)有限公司