[发明专利]多段等离子体裂解碳质材料反应器及用其生产乙炔的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于裂解含挥发分的碳质材料以生产高产率裂解产物的高能效装置和方法，特别是，涉及一种多段等离子体裂解碳质材料反应器以及利用该多段等离子体反应器裂解碳质材料的方法，更特别地，也涉及一种利用该多段等离子体反应器生产乙炔的方法。

背景技术

通常，碳质材料和其他成分、如氢气一起被电弧装置或本领域普通技术人员熟知的其它合适的热源加热，以便使碳质材料裂解或热解。作为碳质材料分解的结果而产生的产物组成取决于分解区或反应区的反应条件。众所周知，某些特定的反应条件有利于某些特定组分的形成，例如，反应区温度高于1300K时有利于中间产物乙炔的形成，而在或接近1300K时与同时发生的乙炔的分解相比，也有利于乙炔的形成。

一般而言，当电弧被用作热源时，电弧穿过气体、如氢气，导致气体温度在极短时间内增加到极高的温度。弧柱温度通常达8000K～20000K。气体离开电弧时的温度通常在2000K～5000K左右。在此条件下，气体分子、如氢气分子可能部分离解成氢原子、甚至是H⁺或者H^-，由此产生高温等离子体气体。

一旦高温等离子体气体、如等离子体氢气离开电弧，等离子体气体原子或离子、例如氢原子就有重新结合成分子的极快的倾向，并且如果是这样的话，它们将释放出大量的热。除了等离子体气体的显热外，上述热的一部分大多数通过导热、对流和辐射被紧靠等离子体气体的原子或离子、或与之接触的碳质材料颗粒所吸收，从而导致碳质材料颗粒被热解和/或裂解或分解，更具体地说，导致碳质材料颗粒放出其挥发性成分，即脱挥发。

已知和确定的是：随碳质材料类型的不同，碳质材料的分解和脱挥发的步骤和条件会有很大变化。此前，因不知道如何以合理的成本由固态碳质材料获得高产率的裂解产物如乙炔的方法，所以气态和液态碳质材料是人们常用的入料。另外气态和液态入料易于处理，并且对电弧设备的损耗较低。

另一方面，虽然基本工艺步骤是已知的，但教导人们如何以一种高能效的方式使来自于固态碳质材料的某些特定裂解产物、如乙炔的产率最大化的例如工艺过程和工艺动力学仍然可能不是非常清楚。

在现有技术中，为使来自于固态碳质材料的某些裂解产物的产率最大化而对设备和工艺进行的改进，人们已经做了很多尝试和实验。

例如，US4358629公开了一种分解固体碳质材料将其转化为乙炔的方法。具体来说，该专利教导人们选择低成本、高产率的操作条件。在该专利中，建议碳质材料和气体的热和焓的特定值与特定的粒径和反应时间相结合。上述所有教导和建议有助于以商业上有竞争力的成本生产乙炔。

事实上，US4358629描述了一种电弧反应器，其沿着固体碳质材料移动的方向依次包括四个区域，即固体碳质材料粉末分散区，电弧区，反应区和激冷区。由于所述粉末在电弧区的停留时间极短和所述粉末此时暂时的热惰性，所述粉末的温度肯定保持接近于其在入口的温度，而同时流经的气体达到8000K的高温。固体碳质材料粉末在反应区仅通过导热和对流被加热气流加热。这样，所有电力由薄电弧区输入，即足以将所述粉末温度提高至1800K以上的大量能量导致能量不合理的过度聚集，并不可避免地将过于集中的热暴露在反应器的壁上，从而导致反应器壁过热。为保护反应器的壁而必须从反应器的壁附近移走的热占整个电力输入的一半左右，结果，大量有价值的能量不得不浪费。此外，特定区域出现极高的温度对反应器壁结构的设计、壁材料的选择构成极大挑战，也使壁保护成为难题。