一種等離子體熱解煤制乙炔反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種等離子體熱解煤制乙炔反應器，在反應器上安裝多個等離子體發(fā)生器和多個煤粉輸入噴嘴，等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫電離氣體與煤粉輸入噴嘴噴出的煤粉在反應器內(nèi)部混合形成煤粉氣體混合反應物，在反應器壁上位于煤粉輸入噴嘴下方安裝多個固體粉末噴嘴，多個固體粉末噴嘴噴出的固體粉末在反應器內(nèi)壁形成流動的固體粉末隔離層，流動的固體粉末隔離層圍成熱解反應通道，并且，流動的固體粉末隔離層的軸向流動方向與煤粉氣體混合反應物的流動方向一致。本實用新型中，所述等離子體熱解煤制乙炔反應器，減少了熱能損耗，提高了反應效率并提高了乙炔收率，完全解決反應器壁結焦問題，并且可以保護反應器壁不被燒損。
【專利說明】一種等離子體熱解煤制乙炔反應器

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及反應器【技術領域】，尤其涉及一種等離子體熱解煤制乙炔反應器。

【背景技術】
[0002]利用熱等離子體或其它高溫高能介質(zhì)快速熱解煤制乙炔是一種短流程、高效、低排放的乙炔生產(chǎn)工藝。由于等離子體的高溫、高焓特點，等離子體熱解煤粉制乙炔反應器的體積小，容易導致反應器壁面被燒損；同時由于反應區(qū)溫度的不均勻性，導致反應效率低，且導致煤粉的升溫過程不均勻，部分沒有完全熱解的高溫煤粉顆粒不可避免在反應器壁面沉積和產(chǎn)生結焦，堵塞反應器，使反應難以持續(xù)進行。
[0003]為了保護反應器壁不被燒壞，反應器壁通常采用水冷進行保護，同時也可以防止反應器壁結焦。但是，由于反應器水冷器溫度低，使反應區(qū)溫度由內(nèi)向外產(chǎn)生很大的溫度梯度，溫度難以均勻，且熱損耗大，能量利用效率低，特別是只能減緩、而并不能完全阻止反應器壁結焦。
[0004]在防止反應器壁結焦方面，中國專利CN200610041033.6公開了一種采用將燃燒產(chǎn)生的高溫氣流從等離子體煤粉熱解反應器的反應段入口處引入反應器反應段壁面，以形成高速高溫氣膜，帶走飛向反應器的碳顆粒，降低煤粉顆粒在反應器壁面的沉積，從而降低反應器壁面結焦速度。但是對于較大或向壁面運動速度較高的顆粒，氣膜不能阻止其碰撞反應器壁，且這種方法需要耗能，和/或產(chǎn)生氧化氣氛，不利于乙炔生成。中國專利CN200820176634.2也采用了與上述類似的方法，所不同的是在等離子體煤粉熱解反應器整個壁面四周開有切向氣孔，通過氣孔導入流體，在反應器表面旋轉流動形成一層保護膜，防止高溫碳粉顆粒在反應器壁面的沉積，但是，氣膜的物理保護效果也難以滿足要求，若采用氧化劑或蒸汽，則又會影響已乙炔的生成。以上方法雖然能降低反應器壁結焦速度，但實驗結果表明一旦出現(xiàn)局部結焦，則結焦會迅速增加，很快會堵死反應器。
[0005]根據(jù)中國專利CN200610041033.6的記載，德國的AKAD WISS PHYS CHEM公司和德國HULS公司采用間斷氧化方法消除反應器結焦，但是這種方法影響了反應器的連續(xù)運行。
[0006]因此，現(xiàn)有技術中存在反應器熱損耗過大，反應區(qū)溫度難以均勻問題，從而降低了反應效率和乙炔收率等，現(xiàn)有技術雖然在一定程度上解決了等離子體熱解煤制乙炔反應器壁結焦問題，但是，在應用過程中產(chǎn)生了額外能耗，而且，現(xiàn)有技術中并不能完全解決反應器壁的結焦問題。
實用新型內(nèi)容
[0007]基本【背景技術】存在的技術問題，本實用新型提出了一種等離子體熱解煤制乙炔反應器，可以對反應區(qū)保溫從而減少熱能損耗，提高反應區(qū)溫度均勻性從而提高反應效率并提高了乙炔收率，并完全避免反應器壁結焦，保護反應器壁不被燒損。
[0008]本實用新型提出的一種等離子體熱解煤制乙炔反應器，在反應器上安裝多個等離子體發(fā)生器和多個煤粉輸入噴嘴，等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫電離氣體與煤粉輸入噴嘴噴出的煤粉在反應器內(nèi)部混合形成煤粉氣體混合反應物，煤粉氣體混合反應物流入反應器的熱解反應段升溫并產(chǎn)生熱解反應生成乙炔，在反應器上位于煤粉輸入噴嘴下方安裝多個固體粉末噴嘴，多個固體粉末噴嘴噴出的固體粉末在反應器內(nèi)壁形成流動的固體粉末隔離層，流動的固體粉末隔離層圍成熱解反應通道，并且，流動的固體粉末隔離層的軸向流動方向與煤粉氣體混合反應物的流動方向一致。
[0009]優(yōu)選地，流動的固體粉末隔離層的凈體積厚度為Imm彡d彡20mm，優(yōu)選地，2mm < d < 10mnin
[0010]優(yōu)選地，固體粉末為煤粉熱解反應后不含揮發(fā)份的含碳灰粉，或者，固體粉末為煤粉熱解反應后碳被燃盡的煤灰。
[0011]優(yōu)選地，固體粉末噴嘴與氣體輸送裝置連接，固體粉末通過氣體輸送裝置提供的氣體介質(zhì)輸送至固體粉末噴嘴，或者，固體粉末噴嘴與漿體輸送裝置連接，固體粉末可以加水攪拌成水粉漿并通過漿體輸送裝置輸送至固體粉末噴嘴。
[0012]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴傾斜插入反應器壁面，并且，多個固體粉末噴嘴的傾斜方向一致。
[0013]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴的軸線在反應器橫截面的投影線與反應器橫截面的徑線之間形成夾角α，0° <α〈90°，優(yōu)選地，10°彡α彡80°。
[0014]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴的軸線與反應器橫截面之間形成夾角β，0° <β〈90。，優(yōu)選地，10。彡 β 彡 80°。
[0015]優(yōu)選地，固體粉末噴嘴的橫截面形狀為扁形，所述扁形為橢圓形、腰形或矩形，并且，其長軸與反應器的橫截面基本平行。
[0016]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴的出口端面與反應器的內(nèi)壁面平齊。
[0017]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴沿反應器周向均勻布置。
[0018]優(yōu)選地，多個固體粉末噴嘴緊挨著煤粉輸入噴嘴的下方。
[0019]本實用新型中，在反應器上位于煤粉輸入噴嘴下方安裝多個固體粉末噴嘴，多個固體粉末噴嘴噴出的固體粉末在反應器的內(nèi)壁形成流動的固體粉末隔離層，流動的固體粉末隔離層圍成熱解反應通道，煤粉氣體混合反應物在熱解反應通道中進行反應。流動的固體粉末隔離層具有很好的絕熱作用，對反應區(qū)進行保溫，減少熱能損耗；流動的固體粉末隔離層可以耐受高溫，從而可以提高了反應區(qū)邊緣溫度而使反應區(qū)溫度均勻性得到提高，進而提高反應效率和提高乙炔收率；高溫氣體與高溫煤粉難以穿透流動的固體粉末隔離層到達反應器壁，保護反應器避免不被燒損，流動的固體粉末隔離層將撞向反應器壁的未完全熱解的碳顆粒帶走，從而完全保證反應器壁不產(chǎn)生結焦。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型提出的一種等離子體熱解煤制乙炔反應器的結構示意圖。
[0021]圖2為圖1中A-A剖視圖。

【具體實施方式】
[0022]如圖1-圖2所示，圖1為本實用新型提出的一種等離子體熱解煤制乙炔反應器的結構示意圖，圖2為圖1中A-A剖視圖。
[0023]參照圖1-2，本實用新型提出的一種等離子體熱解煤制乙炔反應器，在反應器上方安裝多個電弧等離子體發(fā)生器I和多個煤粉輸入噴嘴2，電弧等離子體發(fā)生器I產(chǎn)生的高溫電離氣體與煤粉輸入噴嘴2噴出的煤粉進行混合形成煤粉氣體混合反應物，然后下行流入反應器下方的煤粉升溫熱解反應段，在煤粉升溫熱解反應段煤粉快速加熱升溫氣化并生成乙炔；在反應器上安裝多個固體粉末噴嘴3，固體粉末噴嘴3位于多個煤粉輸入噴嘴2下方，固體粉末輸送至固體粉末噴嘴3，從固體粉末噴嘴4噴出的固體粉末在反應器的反應段內(nèi)壁流動并形成流動的固體粉末隔離層B，流動的固體粉末隔離層B圍成熱解反應通道，并且，流動的固體粉末隔離層B的軸向流動方向與煤粉氣體混合反應物的流動方向保持一致。
[0024]在熱解反應過程中，固體粉末噴嘴4噴出固體粉末，固體粉末在輸送介質(zhì)帶動作用、自身慣性作用、自動重力作用、煤粉氣體混合反應物帶動作用中一個或多個作用下，在反應器的熱解反應段內(nèi)壁流程形成流動的固體粉末隔離層，流動的固體粉末隔離層圍成成煤粉升溫熱解反應通道，煤粉氣體混合反應物在熱解反應通道中進行加熱氣化反應，流動的固體粉末隔離層隔絕高溫氣體和高溫煤粉混合反應物向反應器壁傳熱，減少了熱能損耗，并且隔離層與反應區(qū)界面溫度得到提高，從而提高反應區(qū)溫度均勻性，進而提高反應效率并提高了乙炔收率；同時，高溫氣體與高溫煤粉難以穿透固體粉末隔離層到達反應器壁，從而保護反應器壁不被燒損，飛向反應器壁的未完全熱解煤粉被固體粉末隔離層截獲并隨著固體粉末隔離層流動而帶出反應段，從而完全保證反應器壁不產(chǎn)生結焦。
[0025]在固體粉末噴嘴3的安裝過程中，為了保證固體粉末隔離層位于煤粉氣體混合反應物的外圍以隔絕高溫氣體和高溫煤粉接觸反應器壁，需要將固體粉末噴嘴3安裝在煤粉噴嘴2下方。為了更好地起到保護反應器的內(nèi)壁不被燒損及不產(chǎn)生結焦現(xiàn)象，可以將固體粉末噴嘴4設在煤粉輸入噴嘴2靠近反應器的煤粉升溫、反應段入口處，進一步地，可以將固體粉末噴嘴4設置在緊挨著煤粉輸入噴嘴2下方。
[0026]為了在反應器內(nèi)壁產(chǎn)生厚度均勻的固體粉末隔離層，將多個固體粉末噴嘴4均勻地布置在反應器上。
[0027]在實際應用中，選擇固體粉末性質(zhì)為化學惰性，這樣固體粉末形成隔離層對熱解煤制乙炔反應幾乎沒有化學影響，也不會產(chǎn)生熱量消耗。具體地，固體粉末可以由煤粉熱解后完全失去揮發(fā)份的剩余含碳的灰粉，灰粉經(jīng)篩選得到顆粒細小均勻的焦炭顆粒。選用等離子熱解煤粉之后的含碳灰粉是副產(chǎn)物的循環(huán)利用，節(jié)約了資源。當然，固體粉末也可以采用其他高熔點的無機粉塵，如碳被燃盡的煤灰等。
[0028]固體粉末的熔點要求在1000°C以上，在優(yōu)選技術方案中，固體粉末的熔點等于或高于煤粉熔點，可以控制反應區(qū)外圍溫度達到煤粉快速熱解和生成乙炔的所需溫度以上，降低了反應區(qū)溫度梯度變化，從而提高了反應區(qū)溫度的均勻性，提高了反應效率并提高了乙炔收率。由于固體粉末本身具有比熱低、導熱系數(shù)小的特點，并且具有一定的空隙，還具有很好的保溫性能，因而，可以提高熱能利用效率。
[0029]在實際應用過程中，固體粉末可以通過氣體介質(zhì)輸送至固體粉末噴嘴3并輸送至反應器內(nèi)部，具體地，固體粉末噴嘴3與氣體輸送裝置連接，氣體輸送裝置具體可以采用氣泵，氣體輸送裝置提供氣體介質(zhì)，該氣體介質(zhì)可為參與反應的氣體如氫氣，也可為不參與反應的惰性氣體如氮氣、氬氣、二氧化碳氣體等?；蛘?，固體粉末可以加水攪拌成水粉漿，具體地，固體粉末噴嘴3與漿體輸送裝置連接，漿體輸送裝置連接具體可以采用水泵或漿體泵等，水粉漿通過漿體輸送裝置輸送至固體粉末噴嘴3并輸送至反應器內(nèi)部，由固體粉末噴嘴噴出的水粉漿在反應器壁形成一層水粉漿隔離層，也可起到反應器壁的熱損保護和防結焦作用。
[0030]在具體實施例中，在反應器壁形成的固體粉末隔離層中，去除氣體所占體積后固體粉末凈體積厚度d大于1mm，具體地可以在l_20mm之間，優(yōu)選在2_10mm之間，如果過小則隔離效果不佳，如果過大則造成資源浪費。
[0031]例如，固體粉末的凈體積為V，含氣體的固體粉末隔離層實際占據(jù)體積為U，固體粉末體積占空比k= (V/U)1/3，凈體積厚度為d，則固體粉末隔離層實際占據(jù)的厚度為d/k。
[0032]為了使得流動的固體粉末隔離層沿反應器壁周圍的厚度和流動分布均勻，多個固體粉末噴嘴3均勻地布置在反應器壁周圍，并且設置噴嘴的數(shù)目不少于兩個。在圖2中，六個固體粉末噴嘴3均勻地布置在反應器上，并且，六個固體粉末噴嘴3的出口端處于反應器的同一橫截面上。
[0033]在圖2中，設置六個固體粉末噴嘴3傾斜插入反應器壁，并且，多個固體粉末噴嘴3的傾斜方向一致，從而使得噴嘴噴出的固體粉末在反應器壁產(chǎn)生旋轉流動，更好地在反應器壁形成均勻的固體粉末隔離層，同時又使得固體粉末隔離層貼近反應器壁。具體地，設置固體粉末噴嘴3的軸線在反應器橫截面的投影線與反應器橫截面的徑線之間形成夾角α，0° <α <90°，作為優(yōu)選技術方案可選擇10°彡α彡80°，例如，α =30°、45°、60°、70。等。
[0034]在圖1中，設置固體粉末噴嘴3朝向煤粉流動方向(向下)插入反應器壁，即設置固體粉末噴嘴3的進口端高于出口端，進一步使得固體粉末隔離層貼近反應器壁而不至于離反應器壁太遠。具體地，設置固體粉末噴嘴3的軸線與反應器橫截面之間形成夾角β，0° <β<90°，作為優(yōu)選技術方案可選擇10°彡β彡80°，例如，β =30°、45°、60°、70°等，固體粉末的噴出方向在反應器軸線方向分量與煤粉流動方向一致。
[0035]進一步地，為了使得固體粉末隔離層貼壁而不至于離壁太遠，多個固體粉末噴嘴3插入壁面的深度不易過大，可以設置多個固體粉末噴嘴的出口端面與反應器的內(nèi)壁面平齊。
[0036]在上述實施例中，為了使得固體粉末隔離層沿反應器壁周圍均勻分布，設置多個固體粉末噴嘴3的橫截面形狀為扁形，具體地可以為橢圓、腰形、矩形等扁形，并且，在實際安裝過程中，可以設置固體粉末噴嘴3的扁形長軸與反應器的橫截面基本平行，相應地固體粉末噴嘴3的扁形短軸與反應器的軸線基本平行。
[0037]固體粉末隔離層的隔離傳熱和傳質(zhì)效果與固體粉末的流量成正比，所以，固體粉末的軸向流動群速度V可選擇與固體粉末隔離層的凈厚度d呈反比。為了使得送粉裝置不過于復雜，可以設置固體粉末的軸向流動群速度V小于煤粉顆粒的軸向流動群速度，其中，軸向流動群速度V為固體粉末在流動過程中軸向統(tǒng)計平均速度，例如，固體粉末的軸向流動群速度V在0.l-100m/sec之間。
[0038]本實用新型除了應用于等離子體熱解煤制乙炔反應器，也可以用于其他高溫加熱方法熱解煤粉反應器的對反應區(qū)與器壁的隔離，以對反應區(qū)保溫和保護反應器避免不被燒損，并完全保證反應器壁不產(chǎn)生結焦。
[0039]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種等離子體熱解煤制乙炔反應器，在反應器上安裝多個等離子體發(fā)生器(I)和多個煤粉輸入噴嘴(2)，等離子體發(fā)生器(I)產(chǎn)生的高溫電離氣體與煤粉輸入噴嘴(2)噴出的煤粉在反應器內(nèi)部混合形成煤粉氣體混合反應物，煤粉氣體混合反應物流入反應器的熱解反應段升溫并產(chǎn)生熱解反應生成乙炔，其特征在于，在反應器上位于煤粉輸入噴嘴(2)下方安裝多個固體粉末噴嘴(3)，多個固體粉末噴嘴(3)噴出的固體粉末在反應器內(nèi)壁形成流動的固體粉末隔離層(B)，流動的固體粉末隔離層(B)圍成熱解反應通道，并且，流動的固體粉末隔離層(B)的軸向流動方向與煤粉氣體混合反應物的流動方向一致。
2.根據(jù)權利要求1所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，流動的固體粉末隔離層的凈體積厚度為Imm ^ d ^ 20mmo
3.根據(jù)權利要求2所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，流動的固體粉末隔離層的凈體積厚度為2mm彡d彡1mm0
4.根據(jù)權利要求1所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，固體粉末為煤粉熱解反應后不含揮發(fā)份的含碳灰粉，或者，固體粉末為煤粉熱解反應后碳被燃盡的煤灰。
5.根據(jù)權利要求4所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，固體粉末噴嘴(3)與氣體輸送裝置連接，固體粉末通過氣體輸送裝置提供的氣體介質(zhì)輸送至固體粉末噴嘴(3)，或者，固體粉末噴嘴(3)與漿體輸送裝置連接，固體粉末可以加水攪拌成水粉漿并通過漿體輸送裝置輸送至固體粉末噴嘴(3)。
6.根據(jù)權利要求1所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)傾斜插入反應器壁面，并且，多個固體粉末噴嘴(3)的傾斜方向一致。
7.根據(jù)權利要求6所述等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)的軸線在反應器橫截面的投影線與反應器橫截面的徑線之間形成夾角α，0° <α〈90。。
8.根據(jù)權利要求7所述等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)的軸線在反應器橫截面的投影線與反應器橫截面的徑線之間形成夾角α，10。彡 α 彡 80° 。
9.根據(jù)權利要求6所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)的軸線與反應器橫截面之間形成夾角β，0° <β〈90°。
10.根據(jù)權利要求9所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)的軸線與反應器橫截面之間形成夾角β，10° < β <80°。
11.根據(jù)權利要求ι-?ο中任一項所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，固體粉末噴嘴(3)的橫截面形狀為扁形，所述扁形為橢圓形、腰形或矩形，并且，其長軸與反應器的橫截面基本平行。
12.根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)的出口端面與反應器的內(nèi)壁面平齊。
13.根據(jù)權利要求1-10中任一項所述的等離子體熱解煤制乙炔反應器，其特征在于，多個固體粉末噴嘴(3)沿反應器周向均勻布置，并且，多個固體粉末噴嘴(3)緊挨著煤粉輸入噴嘴⑵下方。
【文檔編號】C07C11/24GK204185408SQ201420568033
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】夏維東, 王城, 張曉寧, 夏維珞, 陳瑭, 廖夢然 申請人:中國科學技術大學先進技術研究院