专利名称：氧热法生产电石和合成气的反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种制备电石和合成气的设备，具体的说是氧热法生产电石和合 成气的反应器。
背景技术：
电石是基本的有机化工原料，由它制得的乙炔气可代替石油制品生产醋酸、聚氯 乙烯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、乙炔基醚、乙炔炭黑等上千种有机产品。因此其有广阔的用途， 可以预见，市场对电石的需求量将不断上涨。电石的生产方法有氧热法和电热法两种，目前工业上一般采用电热法生产电石， 即焦炭(C)和氧化钙(CaO)在电石炉内，采用固定床依靠电弧高温(> 2000°C )熔化反应 而生成电石，电热法制备电石的特点是采用块状原料进料和利用电能生产电石，它存在反 应速率慢、反应时间长、反应温度高，耗电量大，电石产量低、粉尘和尾气治理困难的问题。 正是由于传统电石生产技术存在“高投入、高污染、高能耗”的缺点，不符合节能减排和可持 续发展的要求，因此国家发改委多次发文限制其发展。氧热法是在氧的存在下使部分碳发生燃烧，产生的高温热量使剩余碳和钙发生反 应生成电石，该法由于具有反应时间短、反应温度低、污染小的优点逐渐被重视，如专利申 请号200810117540. 2公开了一种电石生产方法，将粉状的含碳原料和含钙原料混合后部 分燃烧直接加热混合物生产电石，并利用电石产生的CO对原料进行预热。其主要特点是 1)利用氧和碳燃烧产生的高温热量代替传统电弧高温使C和CaO反应生成电石，其反应温 度要求较低(1700°C以上即可)，供热成本也较电力供热要低；2)采用粉状原料替代块状原 料，达到提高能源利用率、加快反应速率、降低反应温度，提高生产能力的目的，幻对原料进 行预热，预热采用电石副产的CO和辅助燃料燃烧供热，以减少后续反应中炭含量的消耗， 提高电石纯度。该发明方法是在热氧法理论基础上对该技术方案的进一步具体化。又如 200810239805. 6公开了一种电石生产系统，包括预热单元和反应单元，预热单元包括混合 进料装置、预热装置、气体压缩装置和换热器；反应单元包括进料装置、反应器和换热器。在 反应器内为达到要求的1700°C以上高温，消耗的氧气、碳量仍然较多；由该生产系统各装 置的设置看来，利用氧热法生产电石其涉及的设备多、投资大、工艺较为复杂、副产的CO量 较少。由于副产的CO量少，因此不适用于作为化工装置原料气使用；且CO回输和氧气燃烧 预热原料的工艺思路表面看来似乎达到了产物循环利用的目的，实际却存在增加了工艺步 骤、提高了运行成本的问题。
发明内容本实用新型目的是为了解决上述技术问题，提供一种氧热法生产电石和合成气的 反应器，该反应器可同时进行燃料预热、电石反应和气固分离，占地面积小，涉及设备少、投 资和运行成低，生产电石和合成气反应效率高、电石纯度高，生成的合成气的量是现有电极 制备电石法的七倍以上，同时原料和燃料(氧气)的消耗率低。[0006]本实用新型技术方案包括气固分离器，气固分离器下方设有封闭式反应炉，所述 封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应室构成，所述预热室顶部设有第 一进料口及对称均勻排列的经管道与气固分离器进气口连接的至少两个出气口 ；预热室侧 壁均勻设置多个第二进料口，及对称设置至少两个灰返回进口，所述灰返回进口经管道与 气固分离器的出灰口连接；所述气化室内还设有煤烧嘴、开工点火烧嘴；所述反应室设有 氧烧咀，底部还设有出料口。所述预热室由顶部球拱形段，中部直边段和下部变径段构成。所述下部变径段的变径角度为5-30°。所述预热室顶部的第一进料口向下的扩张角度为5-8°。所述预热室侧壁的第二进料口向下的倾角为10-30°，切向角度为3-10°。所述反应室的氧烧咀切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°。本实用新型氧热法气化制备电石和合成气的方法，将经磨煤和干燥的含碳原料和 含钙原料由进料口送入预热室预热，同时部分含碳原料中的碳与预热室内的(X)2发生吸热 反应生成CO，CO进入气固分离器分离出含碳和氧化钙的灰粉后排出，分离出的灰粉送回预 热室，和剩余的含碳原料、含钙原料一起下降经气化室进一步预热后进入反应室底部，在反 应室内碳和纯氧燃烧的高温热量使剩余含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙反应生成 电石和C0，电石经出料口出料，CO上升至预热室对原料接触换热，然后经气固分离器分离 出含碳和氧化钙的灰粉后排出。所沭含碳原料和含钙原料中的C Ca的重量比为2. 2 3 1,所沭含钙原料和含碳原料分两部分讲入预热室，总重量的1\2:1\4从顶部喷射进 入，余下部分从预热室侧壁呈切圆旋流向下进入。所述含钙原料为碳酸钙，碳酸钙在进入预热室后高温下分解为氧化钙和CO2，氧化 钙和含碳原料一起下降经气化室进入反应室底部。所述进料采用加压进料，压力控制在0. 5 4. OMPa0所述反应室的高温由位于反应室的氧烧咀喷入的纯氧与反应室内的部分含碳原 料燃烧维持，或由氧烧咀同时喷入的煤粉和纯氧混合物燃烧维持，燃烧生成CO2进入预热室。通过控制氧烧咀的切向角度3-8°和向下倾角10-30°，控制喷射速度200 300m/s，使喷出的气流形成向下倾斜角度以冲击搅拌反应室内的电石池，加速电石反应。所述气化室的高温由煤烧咀同时喷入的煤粉与含氧气体混合物燃烧维持，燃烧生 成(X)2进入预热室；所述预热室的高温由电石反应生成的CO所携带的热量及气化室和反应 室内的高温辐射维持。本实用新型反应器通过在封闭式反应炉内划分的预热区、气化区和反应区，以及 与封闭式反应炉连接的气固分离器将燃料预热、电石生产和气固分离步骤整合在一个设备 中进行，设计极为巧妙。实验中发现，单从预热室顶部进料，虽然能够生成CO降低预热室室温，但由于 煤粉颗粒较细(大部分煤粉颗粒小于20 μ m)，颗粒物在上升气流的作用下在顶部打旋， 可能存在原料难以进入反应室参与反应的问题；因此通过设计第二进料口向下的倾角为 10-30°和切向角度为3-10°使原料沿侧壁呈切圆旋流向下进入反应室，切圆旋流向下的 方式可增加原料在预热室内的停留时间，使其得到充分预热。另一方面，考虑到反应后上升的CO气体中含有熔渣，易在器壁结渣，由于温度低，渣的流动性不好，容易在气化室上方 器壁结块导致大块渣的脱落或阻塞气体通道，使气流速度增大，磨损器壁，因此控制预热室 侧壁的第二进料口进料的载气温度为200-220°C，使熔渣的温度在气化室上方迅速下降至 9000C以下，形成固体颗粒随CO继续上升至气固分离器。球形封头下部直边段和变径段的设置是为了保证(X)2与原料在收缩口充分接触， 使CO2与C充分反应生成C0，同时为了避免气流将原料大量带出反应室，变径段的角度最好 控制在5-30°。变径段形成渐缩的结构配合进料口向下的扩张角使物料在预热室内被充分预热 至500°C以上。特别设计增加气化室，利用气化室的煤烧咀喷入的含氧气体与煤的混合物燃 烧可使气化室产生1000°C以上的高温。反应室的氧烧咀可同向设置多个，通过对其切向角度和向下倾角的控制，可使由 烧咀高速喷出的气体对反应室内电石池产生搅拌作用，使电石反应更为充分，减少反应时 间、提高反应效率和电石纯度。所述气固反应器优选采用旋风分离器。电石反应器内可根据工况的要求进行合适 的耐高温、耐磨蚀处理。热氧反应在上述反应器内进行，原料采用含碳原料和含钙原料的混合物，所述含 碳原料可以为煤粉或兰碳，所述含钙原料可以为氧化钙或碳酸钙。当含钙原料采用碳酸钙 时，可在预热室内高温下分解成氧化钙和CO2，氧化钙可作为电石反应的原料，CO2则可与煤 粉发生吸热反应生成C0，提高合成气的产量。在本实用新型中，含碳原料在三处被消耗1) 在预热室内与CO2反应生成CO被部分消耗；幻在气化室内与含氧气体燃烧供给气化室热量 时被部分消耗；；3)在反应室内与氧化钙在高温下进行电石反应被部分消耗；4)在反应室内 与纯氧燃烧供给反应室热量被部分消耗。因此含碳原料和含钙原料的量应充分考虑上述原 因，将碳的含量大量过量，为C Ca的重量比为2.2 3 1。反应器内(X)2在三处被生成1)在预热室内碳酸钙(若含钙原料为碳酸钙时)在 高温下分解得到ω2 ；2)反应室内纯氧和碳燃烧生成(X)2 ；3)气化室内含氧气体与含碳原料 燃烧生成C02。发明人充分利用大量生成的CO2，使其在预热室内与煤粉接触生成⑶，加之 电石反应本身也可生成C0，两种反应生成的CO气体量可达现有工艺的7倍以上，能源利用 率高、特别适合作为化工产业的原料气使用。由于反应炉内生成的CO气体均含有灰粉(即 含尘CO气体)，因此必须经管道汇总后送入气固分离器中除尘后才可排出供后续使用，分 离后的灰粉可返回反应炉中被循环利用，整个工艺的所有反应产物均可合理利用或回收再 利用。在气化室内，通过煤烧咀喷出的含氧气体与含碳原料的混合物燃烧生成CO2,并使 气化室形成1000°c以上的高温，由于气化室位于预热室和反应室之间，该高温区域成为一 个保温带，具有四个作用1.和反应室一起产生炉热和高温气体为预热室提供热量；2.增 加物料进入反应室前的停留时间，使物料在气化室内被加热至1000°c以上；3.该保温带可 将预热室与反应室隔离开，减少反应室向预热室的热辐射量，避免为保持反应室高温而导 致的碳和氧气消耗过多的问题，有利于反应室高温区的形成和稳定。4.气化反应形成的部 分熔渣在此沿器壁向下流入反应室，在反应室内进一步升温生成电石。控制氧烧咀切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°，喷射速度在200m/s以上，保证反应时对电石池有一定的搅动，并与碳燃烧提供大量热量维持反应室温度在1700°C以 上，使含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙反应生成电石。所述含氧气体可以为纯氧、氧 含量大于体积百分比30%的富氧或普通空气。本实用新型反应器集多种功能于一体，原料利用反应室、气化室燃烧的高温辐射 及电石反应后上升的高温气体(包括电石反应生成的CO和燃烧产生CO2)的接触换热在预 热室内被充分预热，无需另外消耗燃料，无需单独的预热设备，同时预热室内煤粉与CO2的 吸热反应，及上升的高温气体与原料之间进行接触换热，使原料被预热，同时含尘CO气体 在进入气固分离器时被降温，这样也无需另外设置换热器等装置，所有的反应及热交换均 在反应器内进行，无需另外配置预热器或其它预处理装置，设备简单、结构紧凑、投资小、便 于安装和维护。电石反应生成电石出料，副产物为C0，该部分副产的CO与预热室内含碳原料与 CO2吸热反应产生的CO —起(炉内生成的(X)2可全部与碳反应生成CO)，经管道送入气固分 离器中除尘后(反应炉内所有生成的CO均含有灰粉，即含尘CO气体，因此必须除尘)排出 供后续使用，而分离出的灰粉又返回反应炉中被循环利用。整个工艺处于封闭的反应器中， 所有反应产物均被合理利用，基本没有外排，对环境任何没有污染，其反应速率高、时间短， 生成的电石各项指标满足要求，副产气体量极大且纯度高。
图1为本实用新型结构示意图。图2为图1的A-A示意图。图3为图1的B-B示意图。图4为第二进料口的局部结构示意图。其中，1-旋风分离器、2-封闭式反应炉、3-预热室、3. 1-球拱形段、3. 2_直边段、 3. 3-变径段、4-气化室、5-反应室、6-第一进料口、7-出气口、8-进气口、9_灰返回进口、 10-管道、11-出灰口、12-管道、13-开工点火烧咀、14-氧烧咀、15-出料口、16-煤烧咀、 17-排气口、18-第二进料口。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型反应器作进一步解释说明反应器包括位于旋风分离器1下方的封闭式反应炉2，所述封闭式反应炉2由上部 的预热室3、中部的气化室4和下部的反应室5构成，所述预热室3由顶部球拱形段3. 1，中 部直边段3. 2和下部变径段3. 3构成，变径段的变径角度为5-30°，预热室3顶部设有第一 进料口 6，所述进料口 6的向下的扩张角度为5-8°，预热室3侧壁均勻设有多个第二进料 口 18，其切向角度为3-10°，向下的倾角为10-30°。所述预热室3顶部还对称排列有分 别经管道12与旋风分离器1的两个进气口 8连接的两个出气口 7，所述进气口 8为切向进 气口，可使含尘CO气体沿切向进入旋风分离器1，提高分离效率。所述预热室3下部对称 均勻设有两个灰返回进口 9，所述灰返回进口 9经管道10与旋风分离器1的出灰口 11连 接，可使由CO中分离出来的含碳和氧化钙的灰粉由灰返回进口 9返回封闭式反应炉2中循 环利用，所述旋风分器1顶部设有用于排出CO的排气口 17 ；所述气化室4设开工点火烧咀13以及对称均勻排列的4个煤烧咀16，所述反应室5设有对称均勻排列的4个氧烧咀14， 其切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°，可使纯氧喷入时，由于其高喷速度和角度的控 制，可对反应室5内的电石反应池产生搅拌作用。反应室5底部还设有出料口 15。由于电 石反应器为高温反应器，因此其内部各部分应根据相应工况温度作好耐高温及磨蚀的各项 处理，如封闭式反应炉2顶部由碳钢板和耐火高铬浇注料组成，底部可由低温层炭捣料、自 焙烧炭砖，轻质炭砖、高铝耐火砖、轻质耐火浇注料组成，侧壁采用低温层炭捣料、自焙烧炭 砖，轻质炭砖和螺旋膜式水冷壁组成，旋风分离器1中心筒采用圆筒型耐热耐磨钢板制成， 内表面喷涂耐磨浇注料。本实用新型不限于上述耐高温及磨蚀的处理方法，其它满足本实 用新型高温工况的处理均可采用。工艺方法原料重量比煤粉碳酸钙为2. 2 1，粒径为0. 15mm。将上述原料重量的的三分之一通过螺旋加压给料机由第一进料口 6投入封闭式 反应炉2内，其余三分之二由加压给料机由第二进料口 18投入封闭式反应炉2内，控制进 料速度为7m/s、压力为1. OMPa，碳酸钙在预热室3内高温(600°C以上)下分解为氧化钙和 CO2,同时部分煤粉也与预热室3内的(X)2发生吸热反应生成C0，剩余部分煤粉和氧化钙在 预热室3中与来自气化室4和反应室5的高温CO和(X)2进行接触换热后一起下降进入气 化室4 (通过热交换原料被预热，CO被降温)；气化室4的煤烧咀16喷入的煤粉和富氧混 合物(喷入速度为85m/s，氧煤重量比为0.5 1)燃烧使气化室4温度达到1000°C以上继 续预热原料；经气化室4后的剩余部分煤粉和氧化钙继续下降至反应室5，在反应室5内剩 余部分煤粉的一部分与由氧烧咀14喷入的纯氧(喷入速度为60m/s)燃烧产生1700°C以 上的高温，切向倾斜喷入的纯氧还会对电石反应池产生搅拌效果，余下部分的剩余部分煤 粉则在高温下与氧化钙发生反应生成电石和C0，电石由出料口出料，电石反应生成的CO和 氧气与煤粉燃烧生成的(X)2 —起上升至预热室3，CO2与原料中的部分煤粉反应生成C0，所 有的CO均通过封闭式反应炉2的出气口 7经管道12进入旋风分离器1内，使CO气体中含 有灰粉分离，分离灰粉后的CO由排气口 17排出进入下游工序，分离出的灰粉由旋风分离器 1底部的出灰口 11经管道10、灰返回进口 9进入预热室3和预热后的剩余部分煤粉和氧化 钙混合下降。每1吨原料煤可生成的0. 2444吨电石，其纯度为60wt%，合成气量为950升 /kg。(煤的工业分析按 M 5wt%, V 25wt%, C 55wt%, A 15wt%计算)。
权利要求1.一种氧热法生产电石和合成气的反应器，包括气固分离器，其特征在于，气固分离器 的下方设有封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应 室构成，所述预热室顶部设有第一进料口及对称排列的经管道与气固分离器进气口连接的 至少两个出气口 ；预热室侧壁均勻设置多个第二进料口，及对称设置至少两个灰返回进口， 所述灰返回进口经管道与气固分离器的出灰口连接；所述气化室内还设有煤烧嘴、开工点 火烧嘴；所述反应室设有氧烧咀，底部还设有出料口。
2.如权利要求1或2所述的的反应器，其特征在于，所述预热室由顶部球拱形段，中部 直边段和下部变径段构成。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述下部变径段的变径角度为5-30°。
4.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述预热室顶部的第一进料口向下的 扩张角度为5-8°。
5.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述预热室侧壁的第二进料口向下的 倾角为10-30°，切向角度为3-10°。
6.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述反应室的氧烧咀切向角度为 3—8°，向下倾角为10-30°。
专利摘要本实用新型公开了一种氧热法生产电石和合成气的反应器，解决了现有反应器制备电石原料及燃料消耗大、设备多、投资大、工艺较为复杂、副产的CO量较少难以工业化使用的问题。包括气固分离器，气固分离器的下方设有封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应室构成。本实用新型反应器能够合成电石的同时产生大量的CO气体，可作为工业原料气应用，所有的反应及热交换均在反应器内完成，无需另外配置预热器或其它预处理装置，设备简单、结构紧凑、投资小、便于安装和维护。
文档编号C01B31/32GK201907973SQ201020651568
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者刘宏建, 姜逢章, 张秀全, 徐才福, 李伍成, 杨威威, 杨晓新, 殷为玉, 陈凤敬, 陈雪枫 申请人:中国五环工程有限公司, 河南煤业化工集团研究院有限责任公司