[实用新型]一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置

说明书

技术领域

本实用新型属于工业气固两相高效快速混合、反应技术领域，特别涉及一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置。

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。

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。

等离子体煤裂解制乙炔过程是一个高温毫秒级超短接触反应过程，反应条件极端苛刻。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3000K，射流速度在10²米每秒量级。煤粉由流化气携带，在到达煤粉喷嘴出口之前由二次加速气体加速，最后以数十米每秒的速度在接近等离子体射流出口处射入等离子体射流。煤粉与热流体接触后，在数毫秒内被急剧加热，同时释放挥发分并反应，生成产物乙炔和其他少量小分子烃类等。

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。实验装置多采用直流电弧热等离子体，根据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。20世纪80年代AVCO公司的旋转电弧装置属于前者，煤粉进入电弧区被直接加热，具有良好的混合效率。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，能得到高的乙炔收率，但易损伤电极，且装置结构较复杂。目前，大多数的装置均采用后者，即原料通过射入等离子体发生器出口下游的等离子体射流中实现混合，但这样提高了优化煤粉与等离子体射流混合效果的难度。

等离子体煤裂解制乙炔反应器通道内的等离子体射流具有高温、高焓、高速的特点，被加速的煤粉很难射入等离子体射流中部的高温区，大量煤粉在靠近壁面的区域完成加热和反应，并且由于壁面温度相对较低，加热不完全的煤粉会粘着在壁面，造成反应器壁结焦、堵塞，最终导致操作中断.另外，煤粉不能与高温的等离子体射流充分混合，也会导致煤粉转化率较低、产品气中乙炔的气相体积含率较低，影响过程的经济性.此外，与实验室小试研究不同的是，工业装置单位有效功率的煤处理量约是实验室小试装置的10倍，而由于等离子体射流能量集中的特性，反应器的几何尺寸变化并没有如此显著，因此，反应器的煤粉入口设计还要考虑高浓煤粉的分散问题，即，在最短的时间内使煤粉与射流实现最大面积的接触.煤粉与等离子体射流的混合对等离子体煤裂解制乙炔过程的可操作性和经济性有着极其重要的影响，应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉入口结构设计是整个装置设计过程中十分重要的一环.