專利名稱：煤與甲烷共熱解的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明的內容是煤與甲烷氣共熱解的方法和裝置，是一種等離子體熱解的方法，是等離子體技術在煤潔凈轉化的典型應用，屬于煤化工領域。
背景技術：
乙炔雖然是含有三價化合鍵的最簡單的烴基化合物，卻是一種非常重要的化工原料。乙炔化工作為煤化工的重要分支，有著廣泛的應用。從化學成分上看，煤中的C/H比接近于1，因此以煤為原料生產乙炔，從理論上來講是一個理想的方案。
已知的煤等離子體熱解制乙炔主要存在熱解過程中在反應器煤粉進口處器壁結焦嚴重，嚴重影響過程的進行，采用化學方法消除結焦，同樣帶來系統不能連續運行的困難。同時物料在反應器的停留時間和反應器的溫度控制更多地依賴于計算和反應器的結構，難以調節。
本發明所述煤與甲烷共熱解的方法，其特征在于是一種用等離子體射流將煤與甲烷共熱解的工藝方法，包括如下步驟將煤粉與甲烷氣體通入等離子體射流中，利用高溫等離子射流熱解煤與甲烷；熱解過程維持一定的溫度；熱解氣體和固體通過反應器端口被淬冷形成乙炔。
煤與甲烷共熱解的裝置，主要包括等離子體發生器1、煤粉供給裝置2、熱解反應器3、淬冷器4、氣固分離器5。
上述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于產生等離子體射流的氣體是氫氣，而氮氣是起弧氣和系統置換氣。
上述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于用甲烷氣作輸送煤粉的載氣。
上述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于熱解用煤粉從反應器徑向進入；熱解用甲烷氣以切向方式進入等離子體射流中。
上述的煤與甲烷共熱解方法中兩種進料方式相結合可以有效地控制煤與甲烷及熱解物在反應器的停留時間和調節反應器的出口溫度。
上述的煤與甲烷共熱解方法，甲烷氣體的切向進入，可以在反應器壁和等離子體射流間形成保護氣膜，作為煤熱解產生的高溫炭碎片與反應器阻隔層，防止或減少反應器壁的結焦。
上述煤與甲烷共熱解的方法，其特征在于熱解反應器3的出口溫度保持在1500℃以上。
上述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于物料在反應器出口的淬冷劑為甲烷氣體，物料淬冷后的溫度為150℃～200℃。
上述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于產生等離子體射流的直流電弧等離子體發生器由陰極和陽極組成。陰極和陽極設置有氣體旋流片。
上述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于在熱解反應器3中，有兩組在徑向對稱安裝的進料管，一組進料管7和7′是在反應器徑向對稱安裝的煤粉進料管，另一組進料管8和8′以切向方向與熱解反應器3相連。
上述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于在熱解反應器3兩組物料進口下部有一漸擴去頭錐形段9，用于物料與等離子體射流的充分接觸，漸擴角為10度～20度。
煤與甲烷熱解裝置(圖1)包括直流電弧等離子體發生器1，輸送煤粉設備2，熱解反應器3，淬冷器4，氣固分離器5，反應殘渣收集器6。在等離子體發生器中，等離子體射流在其陰極和陽極間產生，產生的等離子體射流按順時針或逆時針方向旋轉，直流可控電源為等離子體發生器提供動力，等離子體發生器垂直安裝在熱解反應器3上。在熱解反應器上，有兩組對稱安裝的進料管，一組7(7′)在反應器3徑向相對安裝，另一組8(8′)在徑向相對以切向方向與熱解反應器3相連，煤粉與甲烷氣體分別通過這兩組進料管進入熱解反應器中。在兩組進料管下部熱解反應器軸向上有一漸擴段，漸擴段夾角10度～20度。熱解反應器內襯耐高溫石墨材料。熱解氣體通過反應器出口進入淬冷器4，在此熱解氣體被冷卻。冷卻氣體經過氣固分離器5后進入后處理過程。經除塵、吸收和解吸得到最終的產品—乙炔。
本發明所述的方法按如下方法進行，煤粉與甲烷氣在熱解反應器中以兩種不同的進料方式進入等離子體射流中，調節兩股進料量大小維持反應器的出口溫度和停留時間。在反應器的出口熱解氣快速冷卻，冷卻后的產品氣經氣固分離，固相產物是殘渣和炭黑，氣相產物經除塵、吸收、解吸等工序得到產品氣乙炔。
參照裝置圖來闡述本發明的內容，其中圖1所示為煤與甲烷共熱解裝置及流程圖2所示反應器截面3所示反應器上部B-B截面4所示反應器上部A-A截面中標號為1.直流電弧等離子體發生器 2輸送煤粉設備 3.熱解反應器4.淬冷器 5.氣固分離器 6反應殘渣收集器7和7′進料管 8和8′進料管具體實施方式
實施方式1在等離子體發生器中，首先通入氮氣，在高頻脈沖作用下，擊穿氣體，施加能量，維持等離子體電弧產生。調節到要求的電壓和電流時，開通氫氣，同時減少氮氣流量，直到氮氣停止，等離子氣為氫氣時為止。測試等離子體熱解反應器溫度，當溫度在1700℃，并保持不變時，打開煤粉和甲烷的輸送管路，調節煤粉與甲烷氣體進料量，控制反應器出口溫度在1500℃，運行穩定時，檢測淬冷前后乙炔含量，根據含量調節兩股進氣量比例。同時調節淬冷劑甲烷氣體的流量，控制淬冷出口熱解氣溫度在150℃，煤與甲烷共熱解，產品氣體中乙炔的濃度10％，乙炔收率大于18％。
實施方式2在等離子體發生器中，首先通入氮氣，在高頻脈沖作用下，擊穿氣體，施加能量，維持等離子體電弧產生。調節到要求的電壓和電流時，開通氫氣，同時減少氮氣流量，直到氮氣停止，等離子氣為氫氣時為止。測試等離子體熱解反應器溫度，當溫度在1800℃并保持不變時，打開煤粉和甲烷的輸送管路，調節煤粉與甲烷氣體進料量，控制反應器出口溫度在1550℃運行穩定時，檢測淬冷前后乙炔含量，根據含量調節兩股進氣量比例，同時調節淬冷劑甲烷氣體的流量，控制淬冷出口熱解氣溫度在180℃，煤與甲烷共熱解，產品氣體中乙炔的濃度12％，乙炔收率大于18％。
實施方式3在等離子體發生器中，首先通入氮氣，在高頻脈沖作用下，擊穿氣體，施加能量，維持等離子體電弧產生。調節到要求的電壓和電流時，開通氫氣，同時減少氮氣流量，直到氮氣停止，等離子氣為氫氣時為止。測試等離子體熱解反應器溫度，當溫度在1750℃以上，并保持不變時，打開煤粉和甲烷的輸送管路，調節煤粉與甲烷氣體進料量，控制反應器出口溫度在1600℃以上，運行穩定時，檢測淬冷前后乙炔含量，根據含量調節兩股進氣量比例。同時調節淬冷劑甲烷氣體的流量，控制淬冷出口熱解氣溫度在200℃之間。采用本發明方法，煤與甲烷共熱解，產品氣體中乙炔的濃度13％，乙炔收率大于18％。
權利要求
1.一種煤與甲烷共熱解的方法，其特征在于是一種用等離子體射流將煤與甲烷共熱解的工藝方法，包括如下步驟將煤粉與甲烷氣體通入等離子體射流中，利用高溫等離子射流熱解煤與甲烷；熱解過程維持一定的溫度；熱解氣體和固體通過反應器端口被淬冷形成乙炔。
2.煤與甲烷共熱解的裝置，主要包括等離子體發生器(1)、煤粉供給裝置(2)、熱解反應器(3)、淬冷器(4)、氣固分離器(5)。
3.按照權利要求1所述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于產生等離子體射流的氣體是氫氣，而氮氣是起弧氣和系統置換氣。
4.按照權利要求1所述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于用甲烷氣作輸送煤粉的載氣。
5.按照權利要求1所述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于熱解用煤粉從反應器徑向進入；熱解用甲烷氣以切向方式進入等離子體射流中。
6.按照權利要求5所述的煤與甲烷共熱解方法中兩種進料方式相結合可以有效地控制煤與甲烷及熱解物在反應器的停留時間和調節反應器的出口溫度。
7.按照權利要求6所述的煤與甲烷共熱解方法，甲烷氣體的切向進入，可以在反應器壁和等離子體射流間形成保護氣膜，作為煤熱解產生的高溫炭碎片與反應器阻隔層，防止或減少反應器壁的結焦。
8.按照權利要求1所述煤與甲烷共熱解的方法，其特征在于熱解反應器(3)的出口溫度保持在1500℃以上。
9.按照權利要求1所述的煤與甲烷共熱解方法，其特征在于物料在反應器出口的淬冷劑為甲烷氣體，物料淬冷后的溫度為150℃～200℃。
10.按照權利要求2所述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于產生等離子體射流的直流電弧等離子體發生器由陰極和陽極組成。陰極和陽極設置有氣體旋流片。
11.如權利要求2所述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于在熱解反應器(3)中，有兩組在徑向對稱安裝的進料管，一組進料管7(7′)是在反應器徑向對稱安裝的煤粉進料管，另一組進料管8(8′)以切向方向與熱解反應器(3)相連。
12.如權利要求2所述的煤與甲烷共熱解裝置，其特征在于在熱解反應器(3)兩組物料進口下部有一漸擴去頭錐形段(9)，用于物料與等離子體射流的充分接觸，漸擴角為10度～20度。
全文摘要
本發明煤與甲烷共熱解的方法及裝置涉及煤化工領域，具體地說是煤的潔凈轉化。采用電弧等離子體熱解煤和甲烷，等離子氣為氫氣；煤粉從反應器上部徑向進料口進入，甲烷氣是輸送煤粉的載氣；煤粉和甲烷氣同時從各自的進料口進入等離子體射流中熱解，通過調節物料進入等離子體射流的方式和進料量的大小，控制物料和熱解氣在熱解反應器中的停留時間和反應器的出口溫度，切向進氣同時起到熱解過程產生的炭碎片和反應器壁間的隔離作用，消除和減弱結焦現象；在熱解反應器中有一漸擴段，由于射流卷吸作用，強化了物料與等離子體射流的混合作用，有利于消除邊界層現象。熱解氣體離開反應器后迅速淬冷，淬冷劑為甲烷氣。
文檔編號C10B53/04GK1478858SQ0313879
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月3日 優先權日2003年7月3日
發明者謝克昌, 鮑衛仁, 呂永康, 龐先勇, 常麗萍 申請人:太原理工大學