一种碳质材料裂解制乙炔的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳质材料裂解制乙炔的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 现有的利用碳质材料(例如煤）裂解制乙炔的方法包括两种：
[0003] 第一种，利用等离子体对碳质材料进行热解。在等离子体生产乙炔过程中，热解 碳质材料例如烟煤所释放出的挥发份的反应在裂解产物生产中起着必要和重要的作用。 由于煤及碳质材料经历与高温等离子体气体的极快的反应，碳质材料的传热和热解、均相 固-气反应和均相气相反应都需要一定的时间，因此造成了在热等离子热解煤及碳质材料 的过程中原料的脱挥发份反应并不完全。这就不可避免的使碳质材料变为裂解产物的转化 非常有限。并且热等离子能量过于集中造成了原料与热等离子混合效率不高、原料原理热 等离子体的最高温区域、反应器内部温度不均匀易结焦等问题。
[0004] 第二种，将煤快速热解与等离子体热解结合的方法。CN1116384C公开了一种煤快 速热解与等离子体热解制乙炔组合工艺，包括将煤进行热半焦循环快速热解，产生高温热 解气；将高温热解气作为原料，进行等离子体热解，制备乙炔。这种方法存在热半焦循环快 速热解过程中加热不均匀的问题，煤不能完全转化为热解气，反应器内部易结焦，从而使得 乙炔的产率较低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种可以提高乙炔产率的碳质材料裂解制乙炔的工艺。
[0006]为了实现本发明的目的，提供了一种碳质材料裂解制乙炔的方法，该方法包括：
[0007] ( 1)在微波吸收介质存在下，利用微波对所述碳质材料进行加热，得到热解固态产 物和热解气态产物；
[0008] (2)对热解气态产物进行热等离子体裂解，得到乙炔。
[0009]优选地，步骤（1)在流化床式微波反应器中进行，所述碳质材料处于流化状态。
[0010] 优选地，在步骤（1)中，微波加热的条件包括：微波吸收介质与碳质材料的重量比 为0. 1-5:5 ;温度为600-1000°C，时间为1-20分钟；微波吸收介质为半焦和/或焦炭。
[0011] 优选地，在步骤（2)中，将热解气态产物与新的碳质材料混合，然后对混合物进行 热等离子体裂解。
[0012] 优选地，在对混合物进行热等离子体裂解的过程中提供辅助加热，优选利用微波 进行加热。
[0013] 热解气态产物
[0014] 优选地，在步骤（2)中，热等离子体裂解的条件包括：温度为1200-5000°c，总体时 间为0.1-10分钟。
[0015] 优选地，所述碳质材料为煤、煤焦油、半焦、焦炭、浙青、石油焦、生物质中的一种或 多种。
[0016] 优选地，在步骤（2)中，将一部分热解气态产物用作热等离子体工作气体。所述热 解气态产物占所述热等离子体工作气体的体积比的10%-100%，优选为10%-60%。即，全部热 等离子体工作气体的10-100体积％ (优选10-60体积％)为热解气态产物。
[0017] 另一方面，本发明提供了一种碳质材料裂解制乙炔的设备，该设备包括微波反应 器和等离子体反应器，其中，
[0018] 微波反应器包括微波反应器主体、微波反应器进料口、微波入口、固体产物出料口 和气态产物出料口；
[0019] 等离子体反应器包括等离子体反应器主体、等离子体反应器进料口和出料口；
[0020] 所述气态产物出料口与等离子体反应器进料口连通。
[0021] 优选地，所述微波反应器进料口包括碳质材料进料口和微波吸收介质进料口，所 述微波吸收介质进料口与所述固体产物出料口连通，以将热解固态产物作为微波吸收介质 循环入微波反应器中。
[0022] 优选地，所述微波反应器为流化床式微波反应器，微波反应器进料口包括碳质材 料进料口和流化气体入口，流化气体入口位于微波反应器主体的底部，碳质材料进料口位 于微波反应器主体的中上部，所述碳质材料和微波吸收介质进料口与所述固体产物出料口 连通，以将热解固态产物作为微波吸收介质循环入微波反应器中。
[0023] 优选地，微波反应器包括多个微波入口，多个微波入口在微波反应器的反应区均 匀分布。
[0024] 优选地，等离子体反应器还包括微波入口，微波自所述微波入口进入并加热所述 等离子反应器的反应区。
[0025] 优选地，等离子体反应器进料口包括与所述气态产物出料口连通的等离子体裂解 原料入口和等离子体工作气体入口，以将微波反应器中的气态产物的一部分作为等离子体 裂解原料，另一部分作为等离子体工作气体引入等离子体反应器中。
[0026] 根据本发明提供的方法，先利用微波对碳质材料进行加热，可以均匀地加热，使碳 质材料充分热解，尽可能多地获得热解气态产物；然后利用等离子体的高温、高焓及高反应 活性条件，在极短的时间内高效率地实现热解气态产物向乙炔的转化，从而有效地提高乙 炔收率。
[0027] 本发明的其他特征和优点将在随后的【具体实施方式】部分予以详细说明。
【附图说明】
[0028] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具 体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0029] 图1是本发明一种实施方式的碳质材料裂解制乙炔的设备示意图。
[0030] 图2是本发明另一种实施方式的碳质材料裂解制乙炔的设备示意图。
[0031] 附图标记说明
[0032] 10微波反应器
[0033] 11微波吸收介质进料口 12碳质材料进料口 13混合器
[0034] 14碳质材料和微波吸收介质进料口 15微波入口
[0035] 16固体产物出料口 17气态产物出料口 18流化气体进料口
[0036] 20等离子体反应器
[0037] 21等离子体裂解原料入口 22等离子体工作气体入口
[0038] 23淬冷介质入口 24出料口
【具体实施方式】
[0039] 以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描 述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0040] 本发明提供的碳质材料裂解制乙炔的方法包括：
[0041] (1)在微波吸收介质存在下，利用微波对所述碳质材料进行加热，得到热解固态产 物和热解气态产物；
[0042] (2)对热解气态产物进行热等离子体裂解，得到乙炔。
[0043] 优选地，步骤（1)在流化床式微波反应器中进行。可以使用流化气体使碳质材料 处于流化状态。流化气体的例子包括但不限于惰性气体、氢气、烷烃气体，可以选择其中的 一种或多种使用。所述惰性气体的例子包括但不限于氩气、氮气、氦气，所述烷烃气体的例 子包括但不限于甲烷、乙烷。根据该优选实施方式，可以使碳质材料得到更均匀地加热，得 到更多的热解气态产物，从而进一步提高乙炔产率。
[0044] 在步骤（1)中，微波加热的条件使得碳质材料中的挥发份脱出，得到热解气态产 物。优选地微波加热的条件包括：微波吸收介质与碳质材料的重量比可以为〇. 1-5:5,优选 为0. 5-5:5 ;温度可以为600-1000°C，优选为650-900°C;时间可以为1-20分钟，优选为2-5 分钟。对微波的波长和功率没有特别的限定，可以根据待热解的碳质材料的量进行选择，只 要使加热温度达到上述温度范围即可。
[0045] 微波吸收介质的作用是吸收微波，使碳质材料快速升温并发生热解。微波吸收介 质可以为微波吸收能力优于所述碳质材料的物质，例如，可以为碱基介质、石墨介质、金属 氧化物、半焦和焦炭中的一种或多种。微波吸收介质优选为半焦和/或焦炭。按照本发明 的一个优选实施方式，将热解固态产物(主要是半焦和/或焦炭)作为微波吸收介质，从而利 用高温的热解固态产物对所述碳质材料进行预热，有利于原料的回收利用并节约能源。
[0046] 优选地，在步骤（2)中，将热解气态产物与新的碳质材料混合，然后对混合物进行 热等离子体裂解。按照该优选实施方式，一方面热解气态产物可以作为热等离子体反应的 反应原料和碳质材料的输送气体，另一方面，热解气态产物具有一定的温度，可在输送碳质 材料的过程中对碳质材料进行一定的预热，提高热等离子裂解过程的热效率。优选地，不对 热解气态产物进行任何降温、分离和/或净化处理即与碳质材料混合。进一步优选地，在对 混合物进行热等离子体裂解的过程中，利用微波进行加热。按照该优选实施方式，可以使热 等离子体反应器内部的温度更为均匀，防止结焦并提高乙炔产率。
[0047] 热解气态产物与新的碳质材料混合的比例可以为每升热解气态产物与0. 05-5千 克新的碳质材料混合，优选为每升热解气态产物与〇. 1-1千克新的碳质材料混合。
[0048] 在步骤（2)中，可以将一部分热解气态产物用作热等离子体工作气体。在此过程 中，先使用纯氩气、氦气、氮气等惰性气在等离子体发生器中产生电弧等离子体射流，待运 行稳定后在氩气、氦气、氮气等惰性气体中混入热解气态产物继续产生电弧等离子体，这时 即可使用热解气态产物代替氢气、甲烷、乙烷等可燃气体作为一部分等离子体工作气体；热 解气态产物在可燃气体与惰性气体中所占的比例为10?100%(体积)。也可将热解气态产 物与惰性气体混合后直接进入等离子体发生器中产生电弧等离子体，这时热解气态产物在 可燃气体与惰性气体中所占的比例为10?60% (体积)。
[0049] 热等离子体裂解的条件使得所述碳质材料的热解气态产物转化为乙炔，优选包 括：温度可以为1200-5000°C，优选为1600-2500°C;时间可以为0. 1-10分钟，优选为0. 1-2 分钟。
[0050] 本发明的方法还可以包括在步骤（2)之后，用淬冷介质对反应产物进行淬冷，以防 止乙炔分解