[发明专利]一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置

说明书

技术领域

本发明属于化工设备领域一种涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置。

背景技术

乙炔是重要的基础有机化工原料。生产乙炔的工业方法主要有电石法、甲 烷部分氧化法和甲烷电弧裂解法，其中电石法乙炔工艺成熟，工业生产中占绝 对比例，但是污染和能耗均相对较高。

等离子体裂解煤制乙炔是一条新的、有前景的煤直接化工转化途径，相关 研究始于20世纪60年代的英国Sheffield大学：在高温、高焓、高反应活性的 电弧热等离子体射流中，煤的挥发分甚至固定碳可直接转化为乙炔。此后，大 量的研究集中在英国、美国、德国、印度、前苏联等国家。我国学者及工程技 术人员从90年代开始，在这一领域进行了大量的基础研究和工程研究。由于我 国油气资源相对匮乏，而煤资源丰富，因此等离子体裂解煤制乙炔过程作为一 种清洁且流程短的煤转化过程，在煤的化工利用方面具有重要的潜在工业前景。

美国AVCO公司在1980年完成了1MW级工业装置的试验，等离子体炬输 入功率为807kW，使用水做急冷介质，气体分离前单位生产能耗为10.5kWh/kg 乙炔。德国Huels公司与Bergbau Forschung GmbH公司(德国采矿研究公司， 现名DMT)在80年代合作，建成并试验了1.25MW的中试装置，所取得的单 位生产能耗为14～16kWh/kg乙炔。

2007年，我国新疆天业集团在2MW装置平台上进行的中试试验，在大功 率等离子体炬长寿命运行和反应器清焦两个关键技术上取得了关键性进展，气 体分离前乙炔能耗的最好指标达到10.5kWh/kg乙炔，计及分离能耗4.0kWh/kg， 低于污染治理费用外的电石法生产乙炔的综合能耗15.0kWh/kg乙炔。2008年， 新疆天业集团建成国际上最大的5MW工业试验装置，在正常开停车情况下单 次操作连续运行10小时以上，累积开车时间达到500小时以上，裂解气流量和 乙炔含量达到经济性要求，有望短期内实现万吨级乙炔工业化新技术。

国内外不同研究机构所采用的试验装置在系统构成方面存在共性，装置主 要包括3个共同的部分，即等离子体发生装置、反应器(包括混合和反应段)、 急冷和分离装置。试验装置多采用直流电弧热等离子体，根据煤与氢原料混合 位置的不同可大致分为两类：发生装置前混合和发生装置后混合。AVCO公司 的旋转电弧实验装置采用前者，对于气态、液态烃类做原料的裂解也多采用前 者。虽然发生装置前混合，确切地说是反应物进入电弧区，有利于原料的加热 与混合，能得到高乙炔产率，但易损伤电极，且装置结构较复杂。大多数的试 验装置均采用后者，但因此增大了煤粉与等离子体射流取得良好混合效果的难 度；这主要由于等离子体射流的速度很大，而煤粉的入射速度则要低得多，煤 粉在高速等离子体射流中的入射深度受到限制，对反应装置进行工程放大时这 一矛盾将更为凸显。

对上述采用等离子体发生装置后混合操作模式的煤裂解反应装置，由于煤 粉主要密集于热等离子体的周边，而热等离子体中心区域的高品位热能并没有 得到充分利用，由此导致能量利用效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有等离子体煤裂解反应装置存在的不足之处， 主要通过在反应装置内增设遮流构件，改变高温、高速等离子体的空间分布形 态，便于固体物料或者气体物料注入到等离子体中心区域即具有更高能量品质 的区域，增强反应物之间的接触和混合效率，进而达到提高煤裂解装置煤转化 和热转化能力的最终目的。

为实现上述目标，本发明所采用的技术方案具体包括：

所述涉及遮流构件的等离子体煤裂解反应装置包括：等离子体炬阳极工作 气体入口1，等离子体炬阴极工作气体入口2，等离子体炬阳极3，等离子体炬 阴极4和等离子炬阴阳极交汇区5；煤粉喷射管7和混合区9；反应区10，反应 区壁面11和反应区原料气喷射管12；急冷介质喷射管13，急冷区14和急冷区 出口15，其特征在于，在混合区9、反应区10或急冷区14内设置遮流构件。

所述混合区9内设置遮流构件为在混合区9内4～16根煤粉喷射管7正上 方1～20mm距离处安置4～16根中空管道，管道间采用中空直管或弯管部件成 对地连接，形成2～8组相互独立的混合区遮流构件16，在混合区遮流构件16 的一端为混合区遮流构件内冷却介质入口17另一端为混合区遮流构件内冷却介 质出口18。