本发明涉及乙炔生产技术领域，具体而言，涉及一种热等离子体裂解煤制乙炔的反应器。
背景技术：
相关技术中，对热等离子体裂解煤制乙炔工艺的研究，主要从乙炔收率角度出发，乙炔收率及比能耗是衡量热等离子体裂解制乙炔可行性的重要指标，而反应器结构又对乙炔收率及比能耗有显著影响。纵观所有等离子体煤制乙炔反应器，热等离子体裂解煤制乙炔过程中，仅裂解煤中挥发分转化为乙炔气，乙炔收率仅有20％-40％，原煤转化率低，占有50％以上的固体半焦没有参与反应，通过急冷后排出反应器。此部分固体半焦在煤制乙炔过程中没有转化利用，直接急冷后排出反应器，不仅能源转化效率低，而且带出的高温显热通过急冷过程没有在工艺过程中利用，系统能量利用率大大降低。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种提高原煤转化率以及能量利用率的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器。
根据本发明实施例的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器包括：壳体，所述壳体内限定出自上向下依次连通的气固混合室、煤裂解反应室、碳化钙合成反应室、冷却水解反应室以及气-固液分离室，所述气固混合室具有煤进口、氢气进口以及等离子体喷枪插口，所述碳化钙合成反应室具有氧化钙进口，所述冷却水解反应室具有进水口，所述气-固液分离室具有气体出口以及固液混合物出口。
根据本发明实施例的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器，能够提高原煤转化率以及能量利用率。
根据本发明的一些实施例，所述气固混合室的等离子体喷枪插口上插设有多个等离子体喷枪，所述多个等离子体喷枪沿所述气固混合室的周向均布且相对于所述气固混合室的中心轴线成对设置。
优选地，所述等离子体喷枪插口位于所述气固混合室的顶部。
根据本发明的一些实施例，所述等离子体喷枪自外至内斜向下设置，每个所述等离子体喷枪的倾斜角度为15-30度。
根据本发明的一些实施例，所述气固混合室的煤进口上插设有多个煤粉喷嘴，所述煤粉喷嘴沿所述气固混合室的周向均匀分布且相对于所述气固混合室的中心轴线成对设置；所述气固混合室的氢气进口上插设有多个氢气喷嘴，所述氢气喷嘴沿所述气固混合室的周向均匀分布且相对于所述气固混合室的中心轴线成对设置。
根据本发明的一些实施例，所述壳体在所述煤裂解反应室、所述碳化钙合成反应室所在处具有耐火保温层。
根据本发明的一些实施例，所述氧化钙进口位于所述碳化钙合成反应室的上部，所述氧化钙进口的个数为多个且每个氧化钙进口上插设有氧化钙喷嘴，所述多个氧化钙喷嘴沿所述碳化钙合成反应室的周向均匀分布且相对于所述碳化钙合成反应室的中心轴线成对设置。
根据本发明的一些实施例，所述冷却水解反应室设有环形的水冷器，所述水冷器上形成有所述进水口，所述水冷器内设有多个沿其周向均布的水喷嘴。
根据本发明的一些实施例，所述气体出口位于所述气-固液分离室的上部，所述固液混合物出口位于所述气-固液分离室的底部。
根据本发明的一些实施例，所述气-固液分离室的下部的内壁自上至下向内倾斜。
根据本发明的一些实施例，所述冷却水解反应室的内壁直径大于所述碳化钙合成反应室的内壁直径。
附图说明
图1是根据本发明实施例的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器的示意图。
附图标记：
反应器100，壳体10，气固混合室20，煤进口21，氢气进口22，等离子体喷枪插口23，煤粉喷嘴24，氢气喷嘴25，煤裂解反应室30，碳化钙合成反应室40，氧化钙进口41，氧化钙喷嘴42，冷却水解反应室50，进水口51，水喷嘴52，水冷器53，气-固液分离室60，气体出口61，固液混合物出口62，等离子体喷枪70，耐火保温层80。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照图1详细描述根据本发明实施例的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器100。
根据本发明实施例的热等离子体裂解煤制乙炔的反应器100包括壳体10，壳体10内限定出自上向下依次连通的气固混合室20、煤裂解反应室30、碳化钙合成反应室40、冷却水解反应室50以及气-固液分离室60，气固混合室20具有煤进口21、氢气进口22以及等离子体喷枪插口23，碳化钙合成反应室40具有氧化钙进口41，冷却水解反应室50具有进水口51，气-固液分离室60具有气体出口61以及固液混合物出口62。
其中，煤与氢气在等离子体的作用下发生煤裂解反应并生成焦炭和乙炔，生成的焦炭、乙炔进入碳化钙合成反应室40内并与氧化钙发生反应，生成碳化钙、乙炔和一氧化碳，碳化钙合成反应室40内的碳化钙、乙炔、一氧化碳进入冷却水解反应室50内，碳化钙进一步发生水解反应，生成电石渣和乙炔，电石渣、乙炔、一氧化碳以及上述反应中残留的氢气一起进入到气-固液分离室60内进行气-固液分离，最终得到包括电石渣和水的固液混合物，以及包括乙炔、氢气、一氧化碳的气体。
由此，通过将煤裂解反应生成的焦炭通入碳化钙合成反应室40中，以使焦炭与氧化钙进一步发生反应生成乙炔，不仅提高了原煤的转化率，而且提高了乙炔的收率，同时，通过将反应后的碳化钙(电石)通入冷却水解反应室50中发生反应，以使电石进一步发生反应生成乙炔，进一步提高了乙炔的收率。此外，由于焦炭与氧化钙的反应为强吸热反应，在碳化钙合成反应室40内不仅能够实现裂解气的快速降温，而且能够回收高温焦炭的固体显热和裂解气的显热，无需再向碳化钙合成反应室40内额外补充热量，提高了反应的能量利用率。
根据本发明的一些实施例，气固混合室20的等离子体喷枪插口23上插设有多个等离子体喷枪70，多个等离子体喷枪70沿气固混合室20的周向均布且相对于气固混合室20的中心轴线成对设置。
也就是说，等离子体喷枪70的个数为偶数个，多个等离子体喷枪70不仅沿气固混合室20的周向均布且两两正对设置。由此，等离子体喷枪70向气固混合室20内喷射的等离子体分布更均匀，使进入到煤裂解反应室30的等离子体分布更均匀，进而使煤裂解反应更充分。
在一个具体实施例中，等离子体喷枪70一一对应地插设在气固混合室20的顶部的等离子喷枪插口上，等离子体喷枪70的个数为1-4对，每对等离子体喷枪70相对设置，等离子体喷枪70的电源电压为100V-400V。
优选地，等离子体喷枪插口23位于气固混合室20的顶部。由此，等离子体喷枪70喷射出的等离子体能够与氢气以及煤充分接触，提高了煤裂解反应对等离子体的利用率。
作为优选实施方式，等离子体喷枪70自外至内斜向下设置，每个等离子体喷枪70的倾斜角度为15-30度。由此，避免了等离子体喷枪70向气固混合室20的内壁喷射等离子体，不仅提高了对等离子体的利用率，而且避免了直接冲击对固液混合室的损坏。
根据本发明的一些实施例，如图1所示，气固混合室20的煤进口21上插设有多个煤粉喷嘴24，煤粉喷嘴24沿气固混合室20的周向均匀分布且相对于气固混合室20的中心轴线成对设置。气固混合室20的氢气进口22上插设有多个氢气喷嘴25，氢气喷嘴25沿气固混合室20的周向均匀分布且相对于气固混合室20的中心轴线成对设置。由此，氢气喷嘴25以及煤粉喷嘴24向气固混合室20内喷射的氢气与煤粉分布更均匀，使进入到煤裂解反应室30的氢气与煤粉分布更均匀，进而使煤裂解反应更充分。
可以理解，在一些实施例中，煤进口21与氢气进口22可以是同一个口，相应地，氢气喷嘴25与煤粉喷嘴24也可以共用一个喷嘴。
根据本发明的一些实施例，壳体10在煤裂解反应室30、所述碳化钙合成反应室40所在处具有耐火保温层80。由此，煤裂解反应室30以及碳化钙合成反应室40具有更好的保温效果，进一步提高了煤裂解反应生成的高温焦炭中的固体显热以及裂解气的固体显热在碳化钙合成反应中的有效利用。
根据本发明的一些实施例，氧化钙进口41位于碳化钙合成反应室40的上部，氧化钙进口41的个数为多个且每个氧化钙进口41上插设有氧化钙喷嘴42，多个氧化钙喷嘴42沿碳化钙合成反应室40的周向均布且相对于碳化钙合成反应室40的中心轴线成对设置。由此，氧化钙喷嘴42向碳化钙合成反应室40内喷射的氧化钙分布更均匀，进而使碳化钙合成反应更充分。
如图1所示，根据本发明的一些实施例，冷却水解反应室50设有环形的水冷器53，水冷器53上形成有进水口51，水冷器53内设有多个沿其周向均布的水喷嘴52。由此，冷水通过进水口51进入水冷器53内并经水喷嘴52均匀喷向水冷器53的反应腔室内，使碳化钙的水解反应更充分。
根据本发明的一些实施例，参照图1，气体出口61位于气-固液分离室60的上部，固液混合物出口62位于气-固液分离室60的底部。由此，乙炔、氢气、一氧化碳等气体在经气-固液分离室60内直接经气体出口61排出，包含有电石渣和水的固液混合物在重力作用下可直接经固液混合物出口62排出，使反应器100整体结构更简单、成本更低。
根据本发明的一些实施例，气-固液分离室60的下部的内壁自上至下向内倾斜。由此，更便于固液混合物的快速排出与收集。
根据本发明的一些实施例，冷却水解反应室50的内壁直径大于碳化钙合成反应室40的内壁直径。由此，便于电石渣在较大的空间内充分发生冷却水解反应，进一步提高了反应器100的能量利用率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间煤介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间煤介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。