[发明专利]一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于煤化工技术领域，特别涉及一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置。

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重，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。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。

等离子体裂解煤制乙炔过程必须以很快的时间向煤粉供热，使其在高温下迅速并充分地释放挥发分并反应，同时使产物迅速离开高温反应体系，并通过合适的方式进行急冷，以防止生成的乙炔分解。该过程等离子体发生器出口射流最高温度可达104K量级，平均温度约3500K，可以实现在极短的时间内向煤粉供热。而反应段出口的温度仍有2000K左右，需要将该温度下的流体迅速冷却。目前，工业上一般采用喷射雾化水的方式进行冷却，虽然可以达到最大程度保留乙炔的目的，消耗了大量的水的同时浪费了大量的高品位热源，从而导致该过程的经济可行性较差。所以，能否有效利用这一热源，提高急冷效率，就关系到整个过程是否具有较高的能量利用率和较优的经济效益。从这个意义上讲，急冷技术是该过程能量综合利用的关键技术。

自20世纪60年代起，许多国家的研究者一直在从事等离子体裂解煤的实验研究，包括10～100kW级别小功率装置的实验室研究，以及在300kW以上功率装置上的工业中试试验。等离子体煤裂解制乙炔装置主要包括三个部分：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。20世纪80年代美国AVCO公司分别用水、丙烷和煤各自作为冷却剂，后两者均意在调节增加反应体系的C/H质量比，改变高温流体的气相平衡组成，在中试装置上进行了急冷效果实验，以水作为冷却剂的实验，虽然达到了冷却效果，却耗费了大量的纯水，后续的水处理代价较高，对环境依赖度和破坏程度也大；以丙烷作为冷却剂的单位产品能耗比用水做冷却剂的下降了40％，且获得了部分乙烯，但是以使用大量的价格较高的丙烷(0.4kg丙烷/kg煤)且乙炔含量降低了20％为代价，经济性较差。以煤作为冷却剂的单位产品能耗比用水做冷却剂的下降了60％，且煤的价格较为便宜，但是以牺牲了57％的乙炔为代价，可行性较差。不难看出，使用单段急冷，无论是有机物冷却还是水冷却，其产品和能耗的综合效益都不理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置。

一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷装置，包含等离子体发生装置、等离子体煤裂解反应腔和急冷腔，等离子体发生装置6下端设置等离子体煤裂解反应腔7，其特征在于，该急冷装置有两个急冷腔，等离子体煤裂解反应腔7下端依次设置第段急冷腔2和第二段急冷腔3，第一段急冷腔2和第二段急冷腔3侧壁上端周边位置处分别设置第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5。

第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5数目均为4～12个。

所述第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5均为直管插入、弯管伸入形成逆流式喷口两种方式中的至少一种。

一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法，其特征在于，该方法包含两段急冷工艺，具体步骤如下：等离子体发生装置6产生的等离子体与煤粉在等离子体煤裂解反应腔7内发生反应，形成的热流体1由等离子体煤裂解反应腔7进入第一段急冷腔2，在该段入口处进行第一段急冷，第一段冷却剂经第一段冷却剂喷嘴4喷入，与热流体1接触，自身发生吸热反应，或与热流体1中的组分发生吸热反应，热流体1经过第一段急冷腔2后进入第二段急冷腔3，在该段入口处进行第二段急冷，第二段冷却剂经第二段冷却剂喷嘴5喷入，将热流体1温度降到600～800K。

所述热流体1为等离子体裂解煤的产物，包括高温气体和煤粉，其温度范围为1500～2500K。

所述第一段冷却剂为高碳氢质量比的有机物，为碳原子数小于6的气态烷烃、天然气、焦炉气、炼油厂气、乙炔尾气、乙烯废气中的至少一种，或者为苯、粗苯或苯的同系物，或者为碳原子数大于5的脂肪烃中的至少一种液体，或者为液化石油气、石油分馏物及残渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣油、焦油砂油或页岩油、煤生油、煤焦油、循环汽油、焦化粗柴油的糠醛萃取物中的至少一种，或者为煤粉。