[發明專利]多段等離子體裂解碳質材料反應器及用其生產乙炔的方法

有效

• 申請號: 201110249329.8
• 申請日: 2011-08-26
• 公開（公告）號: CN102949972A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: 程易;郭屹;顏彬航;吳昌寧;李軒
• 申請（專利權）人: 北京低碳清潔能源研究所
• 主分類號: B01J19/08
• 分類號: B01J19/08;C07C11/24;C07C4/04;C07C1/00
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 張秋林;林柏楠

技術領域

本發明涉及一種用于裂解含揮發分的碳質材料以生產高產率裂解產物的高能效裝置和方法，特別是，涉及一種多段等離子體裂解碳質材料反應器以及利用該多段等離子體反應器裂解碳質材料的方法，更特別地，也涉及一種利用該多段等離子體反應器生產乙炔的方法。

背景技術

通常，碳質材料和其他成分、如氫氣一起被電弧裝置或本領域普通技術人員熟知的其它合適的熱源加熱，以便使碳質材料裂解或熱解。作為碳質材料分解的結果而產生的產物組成取決于分解區或反應區的反應條件。眾所周知，某些特定的反應條件有利于某些特定組分的形成，例如，反應區溫度高于1300K時有利于中間產物乙炔的形成，而在或接近1300K時與同時發生的乙炔的分解相比，也有利于乙炔的形成。

一般而言，當電弧被用作熱源時，電弧穿過氣體、如氫氣，導致氣體溫度在極短時間內增加到極高的溫度?；≈鶞囟韧ǔ＿_8000K～20000K。氣體離開電弧時的溫度通常在2000K～5000K左右。在此條件下，氣體分子、如氫氣分子可能部分離解成氫原子、甚至是H⁺或者H^-，由此產生高溫等離子體氣體。

一旦高溫等離子體氣體、如等離子體氫氣離開電弧，等離子體氣體原子或離子、例如氫原子就有重新結合成分子的極快的傾向，并且如果是這樣的話，它們將釋放出大量的熱。除了等離子體氣體的顯熱外，上述熱的一部分大多數通過導熱、對流和輻射被緊靠等離子體氣體的原子或離子、或與之接觸的碳質材料顆粒所吸收，從而導致碳質材料顆粒被熱解和/或裂解或分解，更具體地說，導致碳質材料顆粒放出其揮發性成分，即脫揮發。

已知和確定的是：隨碳質材料類型的不同，碳質材料的分解和脫揮發的步驟和條件會有很大變化。此前，因不知道如何以合理的成本由固態碳質材料獲得高產率的裂解產物如乙炔的方法，所以氣態和液態碳質材料是人們常用的入料。另外氣態和液態入料易于處理，并且對電弧設備的損耗較低。

另一方面，雖然基本工藝步驟是已知的，但教導人們如何以一種高能效的方式使來自于固態碳質材料的某些特定裂解產物、如乙炔的產率最大化的例如工藝過程和工藝動力學仍然可能不是非常清楚。

在現有技術中，為使來自于固態碳質材料的某些裂解產物的產率最大化而對設備和工藝進行的改進，人們已經做了很多嘗試和實驗。

例如，US4358629公開了一種分解固體碳質材料將其轉化為乙炔的方法。具體來說，該專利教導人們選擇低成本、高產率的操作條件。在該專利中，建議碳質材料和氣體的熱和焓的特定值與特定的粒徑和反應時間相結合。上述所有教導和建議有助于以商業上有競爭力的成本生產乙炔。

事實上，US4358629描述了一種電弧反應器，其沿著固體碳質材料移動的方向依次包括四個區域，即固體碳質材料粉末分散區，電弧區，反應區和激冷區。由于所述粉末在電弧區的停留時間極短和所述粉末此時暫時的熱惰性，所述粉末的溫度肯定保持接近于其在入口的溫度，而同時流經的氣體達到8000K的高溫。固體碳質材料粉末在反應區僅通過導熱和對流被加熱氣流加熱。這樣，所有電力由薄電弧區輸入，即足以將所述粉末溫度提高至1800K以上的大量能量導致能量不合理的過度聚集，并不可避免地將過于集中的熱暴露在反應器的壁上，從而導致反應器壁過熱。為保護反應器的壁而必須從反應器的壁附近移走的熱占整個電力輸入的一半左右，結果，大量有價值的能量不得不浪費。此外，特定區域出現極高的溫度對反應器壁結構的設計、壁材料的選擇構成極大挑戰，也使壁保護成為難題。