[發明專利]應用于煤裂解制乙炔過程的熱等離子體與煤粉混合結構

有效

• 申請號: 200910083703.4
• 申請日: 2009-05-08
• 公開（公告）號: CN101550054A
• 公開（公告）日: 2009-10-07
• 發明（設計）人: 程易;顏彬航;吳昌寧;雙玥;章莉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C07C11/24
• 分類號: C07C11/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 朱 琨

技術領域

本發明涉及一種應用于煤裂解制乙炔過程的熱等離子體與煤粉混合結構， 屬于化工設備技術領域。

背景技術

乙炔是重要的基礎有機化工原料。生產乙炔的工業方法主要有電石法、甲 烷部分氧化法和甲烷電弧裂解法，其中電石法乙炔工藝成熟，工業生產中占絕 對比重，但是污染和能耗均相對較高。等離子體裂解煤制乙炔是一條新的、有 前景的煤直接化工轉化途徑。我國學者及工程技術人員從90年代開始，在這一 領域進行了大量的基礎研究和工程研究。由于我國油氣資源相對匱乏，而煤資 源豐富，因此等離子體裂解煤制乙炔過程作為一種清潔且流程短的煤轉化過程， 在煤的化工利用方面具有重要的潛在工業前景。

等離子體煤裂解制乙炔過程是一個高溫毫秒級超短接觸反應過程，反應條 件極端苛刻。等離子體發生器出口射流最高溫度可達10⁴K量級，平均溫度約 3000K，射流速度在10²米每秒量級。煤粉由流化氣攜帶，在到達煤粉噴嘴出口 之前由二次加速氣體加速，最后以數十米每秒的速度在接近等離子體射流出口 處射入等離子體射流。煤粉與熱流體接觸后，在數毫秒內被急劇加熱，同時釋 放揮發分并反應，生成產物乙炔和少量其他小分子烴類等。

自20世紀60年代起，許多國家的研究者一直在從事等離子體裂解煤的實 驗研究，包括10～100kW級別小功率裝置的實驗室研究，以及在300kW以上 功率裝置上的工業中試試驗。等離子體煤裂解制乙炔裝置主要包括三個部分： 等離子體發生裝置，反應器(包括混合器和反應段)，急冷和分離裝置。實驗裝 置多采用直流電弧熱等離子體，根據原料混合位置的不同可大致分為兩類：發 生裝置前混合和發生裝置后混合。20世紀80年代AVCO公司的旋轉電弧裝置 屬于前者，煤粉進入電弧區被直接加熱，具有良好的混合效率。對于氣態、液 態烴類做原料的裂解也多采用前者。雖然發生裝置前混合，確切地說是反應物 進入電弧區，有利于原料的加熱與混合，能得到高的乙炔收率，但易損傷電極， 且裝置結構較復雜。目前，大多數的裝置均采用后者，即原料通過射入等離子 體發生器出口下游的等離子體射流中實現混合，但這樣增大了優化煤粉與等離 子體射流混合效果的難度。

等離子體煤裂解制乙炔過程的混合器通道內的等離子體射流具有高溫、高 焓、高速的特點，且在混合器通道的橫截面上具有一定的溫度和速度分布，被 加速的煤粉很難射入等離子體射流中部的高溫區，大量煤粉在靠近壁面的區域 完成加熱和反應，并且由于壁面溫度相對較低，加熱不完全的煤粉會粘著在壁 面，造成反應器壁結焦、堵塞，最終導致操作中斷。另外，煤粉無法與高溫的 等離子體射流充分混合，也會導致煤粉轉化率較低、產品氣中乙炔的氣相體積 含率較低，影響過程的經濟性。此外，與實驗室小試研究不同的是，工業裝置 單位有效功率的煤處理量約是實驗室小試裝置的10倍，而由于等離子體射流能 量集中的特性，反應器的幾何尺寸變化并沒有如此顯著。另外，熱等離子體與 煤粉混合結構設計中還存在高濃煤粉的分散等問題。

如上所述，對于等離子體煤裂解制乙炔工業裝置，良好的熱等離子體與煤 粉混合結構設計是整個裝置設計過程中十分重要的一環，對等離子體煤裂解制 乙炔過程的可操作性和經濟性有著極其重要的影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種應用于煤裂解制乙炔過程的熱等離子體與煤粉混 合結構。

一種應用于煤裂解制乙炔過程的熱等離子體與煤粉混合結構，包括等離子 體炬1，熱等離子體射流混合區2，氣固下行床混合器通道3，以及位于等離子 體炬1下方、環繞在氣固下行床混合器通道3內熱等離子體射流四周的煤粉噴 嘴5，其特征在于，煤粉噴嘴5安裝在氣固下行床混合器通道3內壁的相同或不 同高度的1～6個橫截面上，分2～3層分布，每層距離為2～50mm，其安裝角度 可在整個空間范圍內進行調整；煤粉噴嘴5上方0～20mm處安裝有內通冷卻介 質的1～16個遮流構件10；煤粉噴嘴5出口橫截面的長軸與氣固下行床混合器 通道3的橫截面具有交角α，煤粉噴嘴5所在的氣固下行床混合器通道3橫截面 的圓周面與煤粉噴嘴5中心線交點處的切線與煤粉噴嘴5中心線成交角β，煤粉 噴嘴5中心線與氣固下行床混合器通道3的橫截面具有交角γ。

所述等離子體炬1的數目為1～6個。

所述煤粉噴嘴5數目為2～16個。