一种电弧加热煤粉制乙炔反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及乙炔制备技术领域，尤其涉及一种电弧加热煤粉制乙炔反应器。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]用于工业生产的电弧加热煤粉制乙炔的反应器装置必须同时满足:(I)稳定、长时间、足够高的电弧功率；(2)足够高的电能利用效率；(3)避免反应器和电极结焦。这些要求涉及因素众多，相互关联，难以兼顾。例如:高温的电弧等离子体对煤粉的加热速度快，达到化学平衡时间短，反应速度快，煤热解气化后在1800?3500K温度区间迅速生成乙炔，但维持时间必须极短，小于几毫秒，因为C-H气体体系中的碳原子会不断地结合，沉积为碳黑，属不可逆反应，维持时间长会造成乙炔收率降低;又由于等离子体能量高度集中，体积小，仅依靠气体传热难以使煤粉区温度很快均匀上升，未进入高温区的煤粉不能气化或不能完全气化，煤粉在低温区释放的挥发份也容易转化成焦油和甲烷，不能得到乙炔，而高温区煤粉浓度低也造成乙炔生成能耗增加，因而造成煤粉耗量高、乙炔生成能耗高的问题。因此，煤粉与等离子体或高温气体必须在极短的时间内混合均匀。
[0004]已发展的多种电弧加热煤粉制乙炔的方法与装置，如专利文件UK2145591、US3989512A、US3931542A、US410588、US5406046A、US7030336B1、UA77739C2、JP225100-91、CN014202904646、CN201410787386.5等，部分较好解决工业化反应器的一些问题，但总是存在部分不足，不能满足工业化要求的全部条件。
[0005]例如，等离子体炬有利于提高加热功率、电弧稳定、由于小电流而延长电极寿命、可以避免电极结焦，但等离子炬本身就产生大于15%的能耗，而且，为了提高等离子体炬的热效率和电弧的稳定，需要大量使用工质气体，几乎占用了反应所需气氛的大部分气体，煤粉只能以少量气体输送，造成煤粉输送困难。然而，不采用等离子体炬，在反应器中直接采用电弧加热则存在煤粉在电极上结焦等问题，并且电弧电压难以提高从而电弧功率难以满足工业规模要求，而依靠提高电弧电流的方法来提高加热功率则带来电极损耗增加的问题，且由于电弧的自收缩特性，提高电流并不能使等离子体体积空间成正比增加，给煤粉与等离子体混合和均匀加热带来困难，使得反应器能效降低。
【发明内容】
[0006]基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种电弧加热煤粉制乙炔反应器。所述反应器能使电弧等离子体与煤粉快速混合均匀，并提高反应区温度的均匀性，从而提高产品均匀性和能效性，并且具有功率大、能效高、可避免反应器壁结焦等多个优点，从而兼顾工业应用多种需求。
[0007]本发明提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，包括反应器，反应器内部具有反应内腔，在反应器的一端设有第一煤粉喷嘴，另一端设有产物出口，在第一煤粉喷嘴的中心设有一个电弧电极;在靠近第一煤粉喷嘴一端的反应器上设有η支电弧等离子体炬，η支电弧等离子体炬与反应内腔联通，η 2 3;η支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中轴线与反应内腔的中轴线之间的夹角为α，η支电弧等离子体炬的中轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于第一煤粉喷嘴下方的反应内腔中。
[0008]优选地，α为45°?105°。
[0009]优选地，所述反应内腔的横截面为圆形或正多边形;优选地，所述公共切圆的直径为所述反应内腔最小横截面园直径或多边形对角线长度的O?1/3。
[0010]优选地，η支电弧等离子体炬为转移弧等离子炬，η支转移弧等离子体炬的极性都相同，且与第一煤粉喷嘴中心的电弧电极的极性相反，η支等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆内汇聚，并与电弧电极产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
[0011]优选地，η支电弧等离子体炬为转移弧等离子炬，η支转移弧等离子体炬中任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，η 2 4且为偶数，η支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通，并与第一煤粉喷嘴中心的电弧电极产生的电弧在所述公共切圆内下方联通。
[0012]优选地，将第一煤粉喷嘴中心的电弧电极悬空，η支转移弧等离子体炬中任意相邻两支等离子体炬的极性相反，η 2 4，且为偶数，η支等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围汇聚、联通。
[0013]优选地，以气体输送方式将煤粉注入η支电弧等离子体炬的电弧通道中，所述煤粉进入所述电弧等离子体炬的电弧通道时的密度分布和速度分布绕等离子体炬轴向旋转对称，并在所述电弧通道中与电弧等离子体轴向流动方向一致;优选地，在η支电弧等离子体炬的电弧通道外周面上旋转对称设有多个第二煤粉喷嘴，以气体输送方式将煤粉从多个第二煤粉喷嘴切向注入到η支电弧等离子体炬电弧通道内，各煤粉喷嘴的通过的气流量、煤粉量相同；更优选地，以气体输送方式将煤粉在所述电弧等离子体炬的电弧通道轴向上分多级注入，优选地，多个第二煤粉喷嘴在电弧等离子体炬的电弧通道外周面上轴向多层分布。
[0014]优选地，多个第二煤粉喷嘴的煤粉注入量为反应器煤粉注入总量的1/2?I。
[0015]优选地，转移弧等离子体炬的电弧电流为100?1000Α，转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的1/2;优选地，转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于所述等离子体炬总工作弧电压的2/3。
[0016]优选地，在η支电弧等离子体炬下方的反应器上设有多个粉体喷嘴，多个粉体喷嘴喷出的粉体注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层，且具有向产物出口方向流动的轴向分量;优选地，在η支电弧等离子体炬下方的反应器上倾斜旋转设有多个粉体喷嘴，多个粉体喷嘴喷出的粉体切向注入到反应内腔的壁面上形成粉体保护层;更优选地，粉体为煤粉热解反应后不含挥发份的含碳灰粉。
[0017]优选地，在η支电弧等离子炬上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆，同时每层电弧等离子体炬的旋转方向都与所述η支电弧等离子炬的旋转方向相同。
[0018]本发明提出的一种电弧加热煤粉制乙炔反应器，工作过程中，通过上述结构设定的η支电弧等离子体炬，其喷出的等离子体炬高温气体射流中心与所述公共切圆相切，由此汇聚于所述公共切圆的周围，并产生高速旋转流动的高温气体涡旋;与此同时，当电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，转移弧等离子体炬产生的电弧在切圆周围或且切圆内汇聚，并与第一煤粉喷嘴中心的电极电弧在所述公共切圆内上下附近联通。因此，本发明中，第一煤粉喷嘴中心的高温等离子体射流和第一煤粉喷管煤粉气体混合流、等离子体炬中心产生的高温高速等离子体射流和被加速的煤粉气体混合流在所述公共切圆附近汇聚，形成向产物出口流动高速涡旋区，高速涡旋区在向产物出口游流动过程中扩展至反应器整个截面;高温气体与温度相对较低煤粉气体混合流迅速混合均匀，在此过程煤粉被迅速加热气化，气态物质迅速达到化学热力学平衡状态，在反应器出口经高速淬冷，从而收获乙炔、氢气、一氧化碳和其他气体、以及残炭等产品。
[0019]其中，由于高速涡旋区的存在，使煤粉原料与高温气体迅速混合均匀，并在反应器截面内迅速扩散，从而分布均匀，形成均匀的高温气体-煤粉颗粒两相流，并向反应器下方快速流动，在此过程中煤粉被加热，产生物理或/和化学反应，从产物出口流出反应器。此外由于等离子体射流速度可达每秒数百米甚至千米以上，涡旋区旋转线速度极高，而反应器直径