一种多段等离子体裂解碳质材料反应器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于裂解含挥发分的碳质材料以生产高产率裂解产物的高能效 装置和方法，特别是，涉及一种多段等离子体裂解碳质材料反应器系统以及利用该多段等 离子体反应器系统裂解碳质材料的方法，更特别地，涉及一种利用该多段等离子体反应器 系统生产乙炔的方法。
【背景技术】
[0002] 碳质材料因裂解或热解而产生的产物组成取决于反应条件。众所周知，某些特定 的反应条件有利于某些特定组分的形成，例如，反应区温度高于1300K时有利于中间产物 乙炔的形成。
[0003] -般而言，当电弧被用作热源时，电弧穿过气体、如氢气，导致气体在极短时间内 温度增加到极高的程度，弧柱的温度通常可达到8000K~20000K。气体离开电弧时温度通 常在2000K~5000K左右。在此条件下，气体分子、例如氢气分子可能部分离解成氢原子、 甚至是H +或者!Γ，由此产生高温等离子体气体。
[0004] -旦高温等离子体气体离开电弧，等离子体气体的原子或离子就有重新结合成分 子的极快倾向，这样，它们将释放出大量的热。除了等离子体气体的显热外，上述热的一大 部分通过导热、对流和辐射被紧靠等离子体气体的原子或离子的碳质材料颗粒所吸收，从 而导致碳质材料颗粒被热解和/或裂解，更具体地说，导致碳质材料颗粒放出其挥发性成 分，即脱挥发。
[0005] 已知和确定的是：随碳质材料类型的不同，碳质材料的裂解和脱挥发的步骤和条 件会有很大变化。此前，因不知道如何以合理的成本由固态碳质材料获得高产率的裂解产 物如乙炔的方法，所以，气态和液态碳质材料是人们常用的裂解入料。另外气态和液态入料 易于处理，并且对电弧设备的损耗较低。
[0006] 在现有技术中，为使来自于固态碳质材料的某些裂解产物的产率最大化而对设备 和工艺进行的改进，人们已经做了很多尝试和实验。
[0007] US4358629公开了一种电弧反应器，其沿着固体碳质材料移动的方向依次包括四 个区域，即固体碳质材料粉末分散区，电弧区，反应区和激冷区。由于所述粉末在电弧区的 停留时间极短和所述粉末此时暂时的热惰性，所述粉末的温度保持接近于其在入口的温 度，而气体却达到8000K的高温，这样，粉末仅在反应区通过导热、辐射和对流被气体加热。 这样，所有电力由薄电弧区输入，即足以将所述粉末温度提高至1800K以上的大量能量导 致能量不合理的过度聚集，并不可避免地将过于集中的热暴露在反应器的壁上，从而导致 反应器壁过热。为保护反应器的壁而必须从反应器的壁附近移走的热占整个电力输入的一 半左右，结果，大量有价值的能量不得不浪费。此外，特定区域出现极高的温度对反应器壁 结构的设计、壁材料的选择构成极大挑战，也使壁保护成为难题。
[0008] CN103127895A公开了一种具有中空阴极的多段等离子体裂解碳质材料反应器系 统，反应器系统的每段包括被冷却介质循环冷却的中空阴极和中空阳极；工作气体入口； 碳质材料和载气入料入口；与上述阳极或阴极相连的反应管，此外系统还包括至少一个位 于最后一个反应管下部的激冷介质入口；和至少一个位于最后一个反应管底部的激冷产物 的出口，其中，第一段的中空阴极和被用作反应管的任何一段的中空阴极和阳极之间形成 一个产生等离子体和/或电弧的腔室，等离子体气流在上述腔室最高温度区域或其附近与 碳质材料和载气入料和/或热解挥发分进行充分地接触和混合，并发生热解和/或气相反 应。在上述多段等离子体裂解碳质材料反应器系统中，由于每段中空阴极和中空阳极之间 形成一个产生等离子体和/或电弧的腔室都位于各段的反应管中，碳质材料和/或热解挥 发分与等离子体气流在同样也位于各段反应管中的上述腔室最高温度区域或其附近进行 充分地接触和混合，这样虽然大大改善了反应器的热效率，但各段反应管中碳质材料或裂 解产物温度过高，而反应管壁又没有适当保护措施的情况下，这种反应器结构和入料安排 导致几乎无法避免的结焦现象，因为高温碳质材料粉末或气态裂解产物有可能连续地接触 或冲刷反应器的壁表面。
[0009] 在上述现有等离子体反应器中，不管反应器结构如何设计，提高热效率和裂解产 物产率与消除反应器壁表面结焦几乎成为一个不可调和的矛盾，如何同时做到提高热效率 和裂解产物产率并消除反应器壁表面结焦是一个困扰业界的难题。
[0010] 通过无数探索和实验，本发明人终于发现了解决上述难题的技术方案，从而开发 出可同时提高热效率和裂解产物产率并消除反应器壁表面结焦的多段等离子体裂解碳质 材料反应器系统以及利用该多段等离子体反应器系统裂解碳质材料的方法。
【发明内容】
[0011] 本发明提供一种多段等离子体裂解碳质材料反应器系统，系统包括：
[0012] 一个预热段，包括：被冷却介质循环冷却的中空阴极和阳极；位于所述中空阴极 或阳极表面之间的工作气体入口，用于使所述工作气体进入由上述中空阴极和阳极形成的 等离子体和/或电弧形成区，从而使所述工作气体变为等离子体，用于预热碳质材料和载 气入料；碳质材料和载气入料入口，位于所述中空阴极的一端，所述中空阴极的中空通道被 用作碳质材料和载气入料的输送通道，碳质材料和载气入料经上述输送通道通过所述碳质 材料和载气入料入口进入所述预热段的反应管中；
[0013] 至少一个混合反应段，位于所述预热段之下，包括多个被冷却介质循环冷却的阴 极棒和多个与所述阴极棒相对应形成腔室容纳所述一个阴极棒并被冷却介质循环冷却的 阳极，由所述阴极棒和阳极形成的等离子体和/或电弧形成区位于所述阳极形成的腔室 中；位于所述阴极棒或阳极表面之间的工作气体入口，用于使所述工作气体进入由上述阴 极棒和阳极形成的等离子体和/或电弧形成区，从而使所述工作气体变为等离子体，用于 进一步加热预热的碳质材料和载气入料，促使由所述预热段的反应管进入所述混合反应段 的反应管中的碳质材料发生热解、裂解和挥发分气相反应；
[0014] 至少一个激冷介质入口，用于激冷或冻结反应产物，位于最后一个所述混合反应 段下部；和至少一个激冷产物和气体的出口，位于所述激冷介质入口下部，
[0015] 其中，预热段的中空阴极和阳极之间形成的等离子体和/或电弧形成区位于所述 预热段的反应管中，从所述中空阴极中空通道进入上述预热段的反应管中的碳质材料和载 气入料在所述等离子体和/或电弧形成区或其附近与产生的等离子体气体进行充分地接 触和混合，并预热所述碳质材料和载气入料，引发碳质材料的热解反应；和
[0016] 混合反应段的阴极棒和阳极之间形成的等离子体和/或电弧形成区位于所述混 合反应段的反应管之外，多股工作气体经其入口进入所述等离子体和/或电弧形成区产生 的多股等离子体气体在上述混合反应段的反应管中心位置或其附近发生对撞，并与由上述 预热段的反应管进入上述混合反应段的反应管中的碳质材料和载气入料以及其产生的热 解挥发分进行对流接触和混合，进一步加热预热的碳质材料和载气入料，并促使所述碳质 材料发生热解、裂解和挥发分气相反应。
[0017] 优选地，在上述反应器系统中，所述多个阴极棒和多个与之相对应的阳极均匀对 称地分布在所述混合反应段的反应管的四周，更优选地，所述阴极棒和与之相对应的阳极 的数量是偶数，例如，所述阴极棒和与之相对应的阳极的数量是4。
[0018] 通常，在上述反应器系统中，所述预热段的中空阴极与阳极表面之间的最近距离 为1-400毫米。所述中空阴极外表面、阴极棒表面和阳极内部的至少部分区域被冷却介质 循环冷却，其附近有冷却介质入口和冷却介质出口。
[0019] 优选地，在上述反应器系统中，所述预热段中产生的等离子体气体的温度确保使 进入预热段的反应管中的碳质材料的温度达到650°c~1250°C ;所述混合反应段中产生的 多股等离子体气体的温度确保使进入混合反应段的反应管中的碳质材料或其热解挥发分 的温度达到1500°C~2900°C。
[0020] 通常，在上述反应器系统中，所述工作气体在经过所述等离子体和/或电弧形成 区后变为氢气、氮气、甲烷和/或惰性气体的高温等离子体气体；进入最后一个所述混合反 应段下部的反应管中的激冷介质确保反应产物在离开反应管前被激冷至低于527°C。
[0021] 优选地，在上述反应器系统中，碳质材料和/或热解挥发分在所述预热段和混合 反应段各段中的停留时间为0. 4~4. 0毫秒；在所述反应器系统中发生碳质材料热解、裂解 和挥发分气相反应和裂解产物激冷的时间总和少于50毫秒。
[0022] 通常，在上述反应器系统中，所述激冷介质包括：液态水、水蒸汽、丙烷、芳香族化 合物、惰性气体、任何类型的碳质材料和/或它们的混合物；所述载气包括：氢气、氮气、甲 烷、气态