一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置的制作方法

本实用新型涉及反应器技术领域，具体来说，涉及一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置。

背景技术：

相对于电石法制乙炔，电弧等离子体热解煤粉制乙炔，由于节约资源、减少污染排放、能耗低等优点，被认为是对电石法生产乙炔的革命。

等离子体裂解煤直接制乙炔技术被公认是极具发展前景的绿色化工技术，它不同于传统的煤转化过程，等离子体煤裂解通过一步反应获得高价值的乙炔、氢气等产品，具有流程短、无催化剂、对煤质适应性广、反应设备小、投资少等优点。

等离子体裂解煤制乙炔反应条件极端苛刻，是一个毫秒级的超短接触反应过程，高速等离子体射流与煤粉混合效率低，煤粉难以进入高温区，造成发气量和乙炔浓度低、反应器易结焦、单位乙炔能耗高，反应放大效应明显，大规模产业化困难，煤粉与等离子体混合、传热、反应问题已成为等离子体裂解煤制乙炔工艺关键性技术难点。

目前，市场上亟需一种能保护环境，降低消耗，提高发气量，粉煤容易进入高温区与等离子体混合，可量产的热等离子体裂解煤制乙炔反应装置。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置，解决现有等离子体裂解煤制乙炔装置混合效率低，热能利用率低，反应能耗高的问题。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样的：

设计一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置，包括反应器本体，所述反应器本体内设置有反应腔，所述反应器本体的顶端设置有等离子体炬阴极，所述等离子体炬阴极连接电源阴极，所述等离子体炬阴极通过固定件一固定在所述反应器本体的顶端外壁上；所述反应器本体的右侧壁上设置有等离子体炬阳极，所述等离子体炬阳极连接电源阳极，所述等离子体炬阳极通过固定件二固定在所述反应器本体的外侧壁上；所述反应器本体的左侧壁上端设置有煤粉喷嘴，所述煤粉喷嘴连接煤粉输送管，所述反应腔的左侧内壁中间位置固设有淬冷器，所述反应器本体的左侧壁下端连接有冷却水管，所述反应器本体的右侧壁下端连接有混合气出口，所述反应腔的底端设置有液封层，所述液封层的底端设置有固液混合物出口，所述混合气出口的高度大于所述液封层的最大高度，所述反应腔的内壁上涂覆有耐高温绝缘层，所述反应器本体的顶端还连接有氢气进气管。

进一步，所述等离子体炬阴极与所述反应腔的顶端内壁之间设置有耐高温绝缘密封圈一，所述等离子体炬阳极与所述反应腔的右侧内壁之间设置有耐高温绝缘密封圈二。

进一步，所述等离子体炬阴极、等离子体炬阳极上均设置有插接口，所述插接口上设置有若干个等离子体炬。

进一步，所述等离子体炬阴极与对应的所述等离子体炬的倾斜角度为30°-150°。

进一步，所述等离子体炬阳极与对应的所述等离子体炬的倾斜角度均为30°-150°。

进一步，所述煤粉喷嘴有若干个，若干个所述煤粉喷嘴均匀分布在所述反应器本体的侧壁上。

进一步，所述氢气进气管出口上设置有若干个均匀分布的氢气喷嘴。

进一步，所述淬冷器连接有淬冷喷头。

进一步，所述等离子体炬阴极、等离子体炬阳极的数量均为1-8中任一数值。

进一步，所述固定件一、固定件二均包含有可调节部件。

本实用新型的有益效果：这种等离子体裂解煤制乙炔反应装置提高了煤粉转化率，从而提高乙炔产率；通过在每段等离子体弧区配备粉煤输送管道，使煤粉与高温气体不仅混合均匀，而且能快速混合均匀，并且使反应区温度均匀；反应过程中，多方位的等离子体弧产生气流的高速流动与煤粉颗粒产生差速，迅速消除煤粉热解的焦油产生的热障，提高煤粉热解速度，从而提高反应效率；采用多支等离子体炬组合和多层等离子体炬，有利于提高单台反应器的功率，有益于增大反应器规模；在反应器底部设置液封，有利于提高固液分离的效率，有益于增大反应器规模。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例所述一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中等离子体炬剖视图；

图4是图1中多个等离子体炬布置的俯视图；

图5是图1中淬冷器的结构示意图；

图中：1、反应器本体；2、等离子体炬阴极；3、等离子体炬阳极；41、耐高温绝缘密封圈一；42、耐高温绝缘密封圈二；51、固定件一；52、固定件二；6、氢气进气管；7、煤粉喷嘴；8、冷却水管；9、淬冷器；10、液封层；11、混合气出口；12、固液混合物出口；13、耐高温绝缘层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，根据本实用新型实施例所述的一种等离子体裂解煤制乙炔反应装置，包括反应器本体1，所述反应器本体1内设置有反应腔，所述反应器本体1的顶端设置有等离子体炬阴极2，所述等离子体炬阴极2连接电源阴极，所述等离子体炬阴极2通过固定件一51固定在所述反应器本体1的顶端外壁上；所述反应器本体1的右侧壁上设置有等离子体炬阳极3，所述等离子体炬阳极3连接电源阳极，所述等离子体炬阳极3通过固定件二52固定在所述反应器本体1的外侧壁上；所述反应器本体1的左侧壁上端设置有煤粉喷嘴7，所述煤粉喷嘴7连接煤粉输送管，所述反应腔的左侧内壁中间位置固设有淬冷器9，所述反应器本体1的左侧壁下端连接有冷却水管8，所述反应器本体1的右侧壁下端连接有混合气出口11，所述反应腔的底端设置有液封层10，所述液封层10的底端设置有固液混合物出口12，所述混合气出口11的高度大于所述液封层10的最大高度，所述反应腔的内壁上涂覆有耐高温绝缘层13，所述反应器本体1的顶端还连接有氢气进气管6。

如图1-2所示，在本实施例中，所述等离子体炬阴极2与所述反应腔的顶端内壁之间设置有耐高温绝缘密封圈一41，所述等离子体炬阳极3与所述反应腔的右侧内壁之间设置有耐高温绝缘密封圈二42，可以增加装置的密封性，改善反应效果。

如图1-3所示，在本实施例中，所述等离子体炬阴极2、等离子体炬阳极3上均设置有插接口，所述插接口上设置有若干个等离子体炬，使得反腔内的受热更加均匀，提高反应速率。

如图1-3所示，在本实施例中，所述等离子体炬阴极2与对应的所述等离子体炬的倾斜角度为90°，可以增加等离子体炬阴极2处反应的接触面积。

如图1-3所示，在本实施例中，所述等离子体炬阳极3与对应的所述等离子体炬的倾斜角度均为90°，可以增加等离子体炬阳极3处反应的接触面积。

如图1-4所示，在本实施例中，所述煤粉喷嘴7有若干个，若干个所述煤粉喷嘴7均匀分布在所述反应器本体1的侧壁上，使得煤粉输出更加均匀。

如图1-4所示，在本实施例中，所述氢气进气管出口上设置有若干个均匀分布的氢气喷嘴，使得工质气体输入更加均匀，反应更加充分。

如图1-4所示，如图5所示，在本实施例中，所述淬冷器9连接有淬冷喷头，可以增强冷却效果。

如图1-4所示，在本实施例中，所述等离子体炬阴极2、等离子体炬阳极3的数量均为4个，可以使得反应受热更加均匀。

如图1所示，在本实施例中，所述固定件一51、固定件二52均包含有可调节部件，可以便于安装与拆卸。

为方便对上述技术方案的进一步理解，现对其工作原理进行说明：

如图1所示，工作时，工质气体从氢气进气管6进入反应器本体1的反应腔内，工质气体还可采用富含氢的碳氢化合物，如甲烷等，煤粉喷嘴7将反应所需的煤粉输送进容腔内。开启电源，在等离子体炬阴极2、等离子体炬阳极3之间产生若干条等电子电弧，从而在反应仓1的反应腔内形成多个垂直分布的高温区域，从煤粉喷嘴7进入反应腔中的煤粉颗粒可经过多个高温区域参与裂解反应，多个垂直排列的高温区使煤粉颗粒通过等离子射流的时间延长，混合均匀，反应充分，煤粉转化率高，更有利于乙炔的生成，同时避免反应腔的结焦，可以长期稳定运行；向冷却水管中通入冷却水，反应产物经淬冷器9冷却后进一步分离，未溶解的气体则从混合气出口11处排出，并进入后续分离和提纯工序。

如图1-3所示，在具体应用中，液封层10可以吸收反应产生的杂质，能够有效提高固液分离效率，从而提高乙炔生产的质量，反应结束后，杂质可从固液混合物出口12处排出。等离子体炬阳极3与等离子体炬阴极2产生的高温等离子体射流最高平均气温在3000k以上，从煤粉喷嘴7喷出的煤粉下落进入高温射流区域，与高温气体混合，煤粉随着气体流动至反应腔内，并与淬冷液体混合向混合物出口流动；煤粉从进入高温射流区到混合气出口11经历时间2～7毫秒，在这个过程中，煤粉迅速升温、热解、释放挥发份，在混合气出口11达到c-h体系化学热力学平衡(不考虑固态碳)，平均气体温度在1700k～2000k之间，经过淬冷器9急速降温，收获乙炔、乙烯、氢气、一氧化碳、以及其他c-h化合物等产品，并通过混合气出口11排出气体。

如图4所示，这种热等离子体裂解煤制乙炔反应装置，在反应器本体1侧壁添加的等离子体炬阳极3，在反应器本体1顶部添加等离子体炬阴极2，添加等离子体炬阳极3和等离子体炬阴极2可增加高温射流区面积，在这个过程中，与煤粉接触面积更大，可大大提高乙炔产量。

如图5所示，这种热等离子体裂解煤制乙炔反应装置，在淬冷器9处采用环隙式淬冷，可解决装置放大后，中心区域反应物无法迅速冷却问题。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在本文中，诸如“部件”一和“部件”二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。