专利名称：一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于煤化工技术领域，特别涉及一种应用于等离子体煤裂解过程的产 物急冷方法及装置。
背景技术：
乙炔是重要的基础有机化工原料。生产乙炔的工业方法主要有电石法、甲垸 部分氧化法和甲烷电弧裂解法，其中电石法乙炔工艺成熟，工业生产中占绝对比 重，但是污染和能耗均相对较高。等离子体裂解煤制乙炔是一条新的、有前景的
煤直接化工转化途径。我国学者及工程技术人员从90年代开始，在这一领域进 行了大量的基础研究和工程研究。由于我国油气资源相对匮乏，而煤资源丰富， 因此等离子体裂解煤制乙炔过程作为一种清洁且流程短的煤转化过程，在煤的化 工利用方面具有重要的潜在工业前景。
等离子体裂解煤制乙炔过程必须以很快的时间向煤粉供热，使其在高温下迅 速并充分地释放挥发分并反应，同时使产物迅速离开高温反应体系，并通过合适 的方式进行急冷，以防止生成的乙炔分解。该过程等离子体发生器出口射流最高 温度可达104 K量级，平均温度约3500 K，可以实现在极短的时间内向煤粉供热。 而反应段出口的温度仍有2000K左右，需要将该温度下的流体迅速冷却。H前， 工业上一般采用喷射雾化水的方式进行冷却，虽然可以达到最大程度保留乙炔的 目的，消耗了大量的水的同时浪费了大量的高品位热源，从而导致该过程的经济 可行性较差。所以，能否有效利用这一热源，提高急冷效率，就关系到整个过程 是否具有较高的能量利用率和较优的经济效益。从这个意义上讲，急冷技术是该过程能量综合利用的关键技术。
自20世纪60年代起，许多国家的研究者一直在从事等离子体裂解煤的实验 研究，包括10 100 kW级别小功率装置的实验室研究，以及在300 kW以上功 率装置上的工业中试试验。等离子体煤裂解制乙炔装置主要包括三个部分等离 子体发生装置，反应器(包括混合和反应段)，急冷和分离装置。20世纪80年代 美国AVCO公司分别用水、丙烷和煤各自作为冷却剂，后两者均意在调节增加反 应体系的C/H质量比，改变高温流体的气相平衡组成，在中试装置上进行了急冷 效果实验，以水作为冷却剂的实验，虽然达到了冷却效果，却耗费了大量的纯水， 后续的水处理代价较高，对环境依赖度和破坏程度也大；以丙烷作为冷却剂的单
位产品能耗比用水做冷却剂的下降了 40%，且获得了部分乙烯，但是以使用大量 的价格较高的丙烷(0.4kg丙烷/kg煤)且乙炔含量降低了 20%为代价，经济性较 差。以煤作为冷却剂的单位产品能耗比用水做冷却剂的下降了 60%，且煤的价格 较为便宜，但是以牺牲了 57%的乙炔为代价，可行性较差。不难看出，使用单段 急冷，无论是有机物冷却还是水冷却，其产品和能耗的综合效益都不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置。
一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷装置，包含等离子体发生装置、 等离子体煤裂解反应腔和急冷腔，等离子体发生装置6下端设置等离子体煤裂解 反应腔7，其特征在于，该急冷装置有两个急冷腔，等离子体煤裂解反应腔7下 端依次设置第段急冷腔2和第二段急冷腔3，第一段急冷腔2和第二段急冷腔 3侧壁上端周边位置处分别设置第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5。
第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5数目均为4 12个。
5所述第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5均为直管插入、弯管伸入形 成逆流式喷口两种方式中的至少一种。
一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法，其特征在于，该方法包含 两段急冷工艺，具体步骤如下等离子体发生装置6产生的等离子体与煤粉在等 离子体煤裂解反应腔7内发生反应，形成的热流体1由等离子体煤裂解反应腔7
进入第一段急冷腔2，在该段入口处进行第一段急冷，第一段冷却剂经第一段冷 却剂喷嘴4喷入，与热流体l接触，自身发生吸热反应，或与热流体l中的组分 发生吸热反应，热流体1经过第一段急冷腔2后进入第二段急冷腔3，在该段入 口处进行第二段急冷，第二段冷却剂经第二段冷却剂喷嘴5喷入，将热流体l温 度降到600~800K。
所述热流体1为等离子体裂解煤的产物，包括高温气体和煤粉，其温度范围 为1500 2500K。
所述第一段冷却剂为高碳氢质量比的有机物，为碳原子数小于6的气态烷烃、 天然气、焦炉气、炼油厂气、乙炔尾气、乙烯废气中的至少一种，或者为苯、粗 苯或苯的同系物，或者为碳原子数大于5的脂肪烃中的至少一种液体，或者为液 化石油气、石油分馏物及残渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、沥青、粗柴油、渣 油、焦油砂油或页岩油、煤生油、煤焦油、循环汽油、焦化粗柴油的糠醛萃取物 中的至少一种，或者为煤粉。
所述第二段冷却剂为水蒸气、纯水、水煤浆上清液或气相冷凝水中的至少一种。
本发明的有益效果为本发明提供了一种应用于等离子体煤裂解制乙炔过 程的高效快速冷却，同时提高反应体系能量综合利用率的冷却工艺及装置。本发 明将有机物冷却和水冷却一起使用，先使用较少量的有机物利用高品位的热源发生快速吸热反应，再使用水迅速冷却以终止产物乙炔的热分解，得到目标产物或 与目标产物不同的气体产品副产品，提高整个过程的能量综合利用率，同时提高 经济效益，整个过程在毫秒级内完成。这样就弥补了单段冷却各自的不足，实现 了优势互补。
图1是应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷的装置示意图2是常见小分子烃类Gibbs生成自由能随温度的变化图3是不同C/H质量比下气相中C2H2摩尔分数与温度的关系图中标号l-热流体；2-第一段急冷腔；3-第二段急冷腔；4-第一段冷却剂
喷嘴；5-第二段冷却剂喷嘴；6-等离子体发生装置；7-等离子休煤裂解反应腔。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明 实施例1
一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷装置，包含等离子体发生装置、 等离子体煤裂解反应腔和急冷腔，等离子体炬输出功率0.8 MW，等离子体发生 装置6下端设置等离子体煤裂解反应腔7，该急冷装置有两个急冷腔，如图l所 示，等离子体煤裂解反应腔7下端依次设置第一段急冷腔2和第二段急冷腔3， 第一段急冷腔2和第二段急冷腔3侧壁上端周边位置处分别设置第一段冷却剂喷 嘴4和第二段冷却剂喷嘴5。
第一段冷却剂喷嘴4和第二段冷却剂喷嘴5数目均为8个。 所述第一段冷却剂喷嘴4为直管插入，第二段冷却剂喷嘴5为弯管伸入形成 逆流式喷口。
等离子体裂解煤制乙炔过程，就是利用等离子体(为直流电弧氢等离子体)的高温高焓条件，实现煤中挥发份(甚至固定碳)向乙炔的转化。
该过程的热力学基础在于高温下乙炔相对于其他小分子烃类的热力学稳定
性。图2是常见小分子烃类Gibbs生成自由能随温度的变化图，由图2可以看出， 乙炔的生成自由能随温度的升高而降低，当温度高于1500 K时，其生成自由能 开始低于其他小分子烃类。在高温条件下，乙炔是C-H体系的气相平衡组成中的 主要组分。影响该过程气相平衡组成的因素主要有温度和C/H质量比，图3是不 同C/H质量比下气相中C2H2摩尔分数与温度的关系图(C/H质量比在图中用R 表示)，由图3可以看出，随着C/H质量比越大，乙炔在气相平衡组成中的浓度 存在最大值。煤是富碳少氢的体系，但由于该过程主要利用煤脱出来的挥发分， 且过程中补入大量的氢气，使得体系气相组成的C/H质量比较低，加入高C/H 质量比的物质参与反应，则可提高目标产物乙炔的浓度。
一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法，该方法包含两段急冷工 艺，具体步骤如下等离子体发生装置6产生的等离子体与煤粉在等离子体煤裂 解反应腔7内发生反应，形成的热流体1为等离子体裂解煤的产物，包括剩余煤 粉(230kg/h)和气相产物(包含H2、 CH4、 CO、 C2H2和C2H4，总质量流量为 120kg/h， C/H质量比为0.2~0.5)，其温度范围为1800~2000K，单独使用化学冷 却，选用苯做冷却剂，将该热流体降温到400-600K，需使用100 200kg/h的苯 方可达到温度要求，乙炔含量变化不大，但苯的用量较大；单独使用纯水做冷却 剂，需使用1200 2000kg/h的纯水才可满足要求；使用两段急冷工艺时，热流体 1由等离子体煤裂解反应腔7进入第一段急冷腔2，在该段入口处进行第一段急 冷，第一段冷却剂经第一段冷却剂喷嘴4喷入，第一段冷却剂为苯，使用量为 15~30kg/h，将C/H质量比调为1.5 3.0，冷却剂苯与热流体l接触，自身发生吸 热反应，热流体1经过第一段急冷腔2后进入第二段急冷腔3，在该段入口处进行第二段急冷，第二段冷却剂经第二段冷却剂喷嘴5喷入，第二段冷却剂为纯水，
使用量为500 800kg/h，利用水自身的相变潜热及热容，将热流体1温度降到 600~800K。
急冷过程稳定运行，其间对产品气体取样，对采集的数据进行分析和计算后， 乙炔的含量有所下降，但单位产品能耗由只有水冷却的13kWh/kgC2H2，将降为 8kWh/kgC2H2，大大提高了该过程的综合效益。
权利要求
1、一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷装置，包含等离子体发生装置、等离子体煤裂解反应腔和急冷腔，等离子体发生装置(6)下端设置等离子体煤裂解反应腔(7)，其特征在于，该急冷装置有两个急冷腔，等离子体煤裂解反应腔(7)下端依次设置第一段急冷腔(2)和第二段急冷腔(3)，第一段急冷腔(2)和第二段急冷腔(3)侧壁上端周边位置处分别设置第一段冷却剂喷嘴(4)和第二段冷却剂喷嘴(5)。
2、 根据权利要求1所述的所述一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷 装置，其特征在于，第一段冷却剂喷嘴(4)和第二段冷却剂喷嘴(5)数目均为 4~12个。
3、 根据权利要求1或2所述的所述一种应用于等离子体煤裂解过程的产物 急冷装置，其特征在于，所述第一段冷却剂喷嘴(4)和第二段冷却剂喷嘴(5) 均为直管插入、弯管伸入形成逆流式喷口两种方式中的至少一种。
4、 一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法，其特征在于，该方法 包含两段急冷工艺，具体步骤如下等离子体发生装置(6)产生的等离子体与 煤粉在等离子体煤裂解反应腔(7)内发生反应，形成的热流体(1)由等离子体 煤裂解反应腔(7)进入第一段急冷腔(2)，在该段入口处进行第一段急冷，第 一段冷却剂经第一段冷却剂喷嘴(4)喷入，与热流体(1)接触，自身发生吸热 反应，或与热流体(1)中的组分发生吸热反应，热流体(1)经过第一段急冷腔(2)后进入第二段急冷腔(3)，在该段入口处进行第二段急冷，第二段冷却剂 经第二段冷却剂喷嘴(5)喷入，将热流体(1)温度降到600~800K。
5、 根据权利要求4所述的一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法， 其特征在于，所述热流体(1)为等离子体裂解煤的产物，包括高温气体和煤粉，其温度范围为1500~2500K。
6、 根据权利要求4所述的一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法， 其特征在于，所述第一段冷却剂为高碳氢质量比的有机物，为碳原子数小于6的 气态垸烃、天然气、焦炉气、炼油厂气、乙炔尾气、乙烯废气中的至少一种，或 者为苯、粗苯或苯的同系物，或者为碳原子数大于5的脂肪烃中的至少一种液体， 或者为液化石油气、石油分馏物及残渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、沥青、粗 柴油、渣油、焦油砂油或页岩油、煤生油、煤焦油、循环汽油、焦化粗柴油的糠 醛萃取物中的至少一种，或者为煤粉。
7、 根据权利要求4所述的一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法， 其特征在于，所述第二段冷却剂为水蒸气、纯水、水煤浆上清液或气相冷凝水中 的至少一种。
全文摘要
本发明属于煤化工技术领域的一种应用于等离子体煤裂解过程的产物急冷方法及装置。该急冷装置有两个急冷腔，该急冷方法包含两段急冷工艺，第一段冷却剂为有机物，经第一段冷却剂喷嘴喷入第一段急冷腔，热流体经过第一段急冷腔后进入第二段急冷腔，第二段冷却剂为水，经第二段冷却剂喷嘴喷入，完成急冷。本发明将有机物冷却和水冷却一起使用，先使用较少量的有机物利用高品位的热源发生快速吸热反应，再使用水迅速冷却以终止产物乙炔的热分解，得到目标产物或与目标产物不同的气体产品副产品，提高整个过程的能量综合利用率，同时提高经济效益，整个过程在毫秒级内完成。这样就弥补了单段冷却各自的不足，实现了优势互补。
文档编号C07C11/00GK101550057SQ20091008370
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者玥 双, 吴昌宁, 易 程, 莉 章, 颜彬航 申请人:清华大学