一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置的制作方法

专利名称：一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于工业气固两相高效快速混合、反应技术领域，特别涉及一种应用
于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置。
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、甲烷部分 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。 2007年，我国新疆天业集团在2丽装置平台上进行的中试试验，在大功率等离子 体炬长寿命运行和反应器清焦两个关键技术上取得了关键性进展，气体分离前乙炔能耗的 最好指标达到10. 5kWh/kg乙炔，计及分离能耗4. OkWh/kg，低于污染治理费用外的电石法 生产乙炔的综合能耗15. OkWh/kg乙炔。2008年，新疆天业集团建成国际上最大的5丽工业 试验装置，在正常开停车情况下单次操作连续运行10小时以上，累积开车时间达到500小 时以上，裂解气流量和乙炔含量达到经济性要求，有望短期内实现万吨级乙炔工业化新技 术。 等离子体煤裂解制乙炔过程是一个高温毫秒级超短接触反应过程，反应条件极端 苛刻。等离子体发生器出口射流最高温度可达10l量级，平均温度约3000K，射流速度在102 米每秒量级。煤粉由流化气携带，在到达煤粉喷嘴出口之前由二次加速气体加速，最后以数 十米每秒的速度在接近等离子体射流出口处射入等离子体射流。煤粉与热流体接触后，在 数毫秒内被急剧加热，同时释放挥发分并反应，生成产物乙炔和其他少量小分子烃类等。 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 100kW级别小功率装置的实验室研究，以及在300kW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。实验装置多采用直流电弧热等离子体，根据原料混合位置 的不同可大致分为两类发生装置前混合和发生装置后混合。20世纪80年代AVC0公司的 旋转电弧装置属于前者，煤粉进入电弧区被直接加热，具有良好的混合效率。对于气态、液 态烃类做原料的裂解也多采用前者。虽然发生装置前混合，确切地说是反应物进入电弧区， 有利于原料的加热与混合，能得到高的乙炔收率，但易损伤电极，且装置结构较复杂。目前， 大多数的装置均采用后者，即原料通过射入等离子体发生器出口下游的等离子体射流中实 现混合，但这样提高了优化煤粉与等离子体射流混合效果的难度。 等离子体煤裂解制乙炔反应器通道内的等离子体射流具有高温、高焓、高速的特 点，被加速的煤粉很难射入等离子体射流中部的高温区，大量煤粉在靠近壁面的区域完成 加热和反应，并且由于壁面温度相对较低，加热不完全的煤粉会粘着在壁面，造成反应器壁结焦、堵塞，最终导致操作中断。另外，煤粉不能与高温的等离子体射流充分混合，也会导致 煤粉转化率较低、产品气中乙炔的气相体积含率较低，影响过程的经济性。此外，与实验室 小试研究不同的是，工业装置单位有效功率的煤处理量约是实验室小试装置的10倍，而由 于等离子体射流能量集中的特性，反应器的几何尺寸变化并没有如此显著，因此，反应器的 煤粉入口设计还要考虑高浓煤粉的分散问题，即，在最短的时间内使煤粉与射流实现最大 面积的接触。煤粉与等离子体射流的混合对等离子体煤裂解制乙炔过程的可操作性和经济 性有着极其重要的影响，应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉入口结构设计是整个 装置设计过程中十分重要的一环。 专利CN1562922A公布了一种等离子体煤裂解制乙炔的工艺和装置，其中等离子
体发生装置采用的是壁稳电弧，一股等离子体射流从环状阳极末端射入膨大的反应器腔
室，煤粉从与阳极末端齐平的反应器通道截面以一定角度顺着等离子体射流方向射入反应
器中并与等离子体射流相交。专利CN1613839A则在专利CN1562922A的基础上进行了改进，
采用两个或两个以上的等离子体发生器，煤粉则从等离子体发生器产生的等离子体射流之
间沿着等离子体射流的方向射入高温流体当中，即采用纵向多枪向反应器内喷入等离子体
射流和煤粉，实现煤粉与高温流体的直接混合。但是该专利所描述的实验装置属于功率低
于100kW的实验室小试装置，与工业中试以及工业应用的反应装置有较大不同，单位功率
的煤粉处理量小，煤粉进料速率低于100g/min。此外，小功率的等离子体发生器容易实现较
长时间的稳定操作以及多个等离子体发生器的组装，但这对于工业装置很难实现。 专利CN1907926A公布了一种利用快速燃烧产生的高温高压气体防止反应器通道
结焦的方法，其高温高压气体喷射位置位于煤粉入口的下方，煤粉从紧靠等离子体射流出
口 、环绕等离子体射流的反应器通道器壁上垂直射入高温流体，但没有关于煤粉入口结构
的描述。由于大功率等离子体煤裂解制乙炔的研究开展处于起步阶段，关于其煤粉入口结
构设计的报导少见诸于公开文献。 应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷嘴，出口截面通常为圆形。由于反 应器内通道直径的限制，其尺寸较小。另外，由于使用的煤粉粒径通常都在lOOym以下，为 保证煤粉在输煤管道中的流化性能，煤粉喷嘴的尺寸不能过小，以保证颗粒良好的输运、防 止喷嘴堵塞。 如上所述，对于等离子体煤裂解制乙炔工业装置，良好的煤粉入口结构设计能够 提高煤粉与高温等离子体的混合效率、提高乙炔收率和过程的经济性。应用于等离子体煤 裂解制乙炔反应器的煤粉入口结构，其设计思想在于在保证与工业装置功率相适应的煤粉 处理量的同时，提高煤粉喷嘴出口固体颗粒的速度，扩大煤粉射流与等离子体接触面积，并 能迅速分散高浓煤粉。

发明内容本实用新型针对现有技术的不足而提出了一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反
应器的煤粉喷射装置。 —种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置，该装置包括等离子体 发生器，气固下行床反应器通道，反应器通道内壁，外壁，石墨内壁以及位于等离子体发生 器下方、环绕在气固下行床反应器通道内热等离子体射流四周的煤粉喷嘴，其特征在于，煤
4粉喷嘴的出口横截面为宽扁形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为4. 59.5，煤粉喷嘴出口横截面的长轴与反应器通道的横截面具有交角a ，所述长轴定义为横截 面内具有最大距离的两点所在的直线；煤粉喷嘴在反应器通道内壁呈中心对称分布，安装 在反应器通道的同一横截面上，煤粉喷嘴所在的反应器通道内壁横截面的圆周面与煤粉喷 嘴中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴中心线成P角；煤粉喷嘴中心线与反应器通道的横截 面具有交角Y。 所述煤粉喷嘴数目为4 12个。 所述a为0° 45° 。 所述P为45° 135° 。 所述Y为0° 45° 本实用新型的有益效果为本实用新型提供了一种应用于等离子体煤裂解制乙炔 反应器的煤粉喷射装置，该结构能够使通过煤粉喷嘴射出的煤粉与高温等离子体射流良好 混合，能够有效地提高乙炔收率，并缓解反应器结焦现象。

图1是本实用新型的装置示意图； 图2是图1的A-A示意图； 图3是采用的几种典型的宽扁形煤粉喷嘴横截面； 图4是煤粉喷嘴出口横截面的长轴与反应器通道横截面之间成角示意图；(a)表 示横截面为矩形时a角情况，(b)表示横截面为不规则宽扁形时a角情况； 图5是煤粉喷嘴的空间分布示意图； 图6是两种典型的优选结构3D示意图；图6 (a)和(b)分别表示实施例1煤粉入 口结构立体图及平面图；图6(c)和(d)分别表示实施例2煤粉入口结构立体图及平面图； 图中标号l-等离子体发生器；2-热等离子体射流；3_煤粉喷嘴；4_反应器通道； 5-石墨内壁；6_外壁；7_反应器通道内壁；8_反应器通道的横截面；9_煤粉喷嘴出口横截 面的长轴。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 实施例1 图1是本实用新型的装置示意图，一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤 粉喷射装置，包括等离子体发生器1，气固下行床反应器通道4，反应器通道内壁7，外壁6， 石墨内壁5以及位于等离子体发生器1下方、环绕在气固下行床反应器通道4内热等离子 体射流2四周的煤粉喷嘴3，煤粉入口结构如图6(a)与(b)所示，煤粉喷嘴3的数目为6 个，煤粉喷嘴3的出口横截面呈宽扁形，为长15. 6mm、长宽比为6的矩形(图3给出了几种 典型的宽扁形煤粉喷嘴横截面)，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为5. 72， 煤粉喷嘴3出口横截面的长轴9(矩形的对角线)与反应器通道4的横截面8具有交角a， a为45° ，如图4(a)所示，所述长轴定义为横截面内具有最大距离的两点所在的直线，该 交角a使喷出的高浓煤粉在湍流的作用下被更好地分散，提高了混合效率；煤粉喷嘴3在反应器通道4内壁呈中心对称分布，安装在反应器通道4的同一横截面上，煤粉喷嘴3所在 的反应器通道4内壁横截面的圆周面与煤粉喷嘴3中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴3中 心线成P角，P角为90° (如图2所示)；煤粉喷嘴3中心线与反应器通道4的横截面8 具有交角Y ， Y角为0° 。 等离子体炬输出功率1.8丽，煤粉输送量800kg/h，反应器内壁直径100mm。开启 电源，产生等离子体射流，待反应器内压力和壁温等操作参数稳定后，开启煤粉输送管路， 同时开启喷嘴前的煤粉加速气体管路，开启位于进煤口下方的清焦装置，煤粉经煤粉喷嘴 射入等离子体射流，正常运行1小时后，反应器各操作参数正常，最大发气量较同等操作条 件下的6管圆形喷嘴提高15%，其间对产品气体取样。运行一段时间后，关闭煤粉管路，关 闭电源。待反应器冷却后，拆开反应器观察，进煤口没有结焦情况，反应器通道内轻微结焦。 对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7. 50 8. 60%，较原来提高约1. 5个百分点； 对体系进行衡算，煤粉转化率由原来采用6管圆形喷嘴时的22%提高到30%。 实施例2 —种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置，包括等离子体发生器 1，气固下行床反应器通道4反应器通道内壁7，外壁6，石墨内壁5以及位于等离子体发生 器1下方、环绕在气固下行床反应器通道4内热等离子体射流2四周的煤粉喷嘴3，煤粉入 口结构如图6(c)与(d)所示，煤粉喷嘴3的数目为6个，煤粉喷嘴3的出口横截面呈宽扁 形，为长轴16. 2mm、长短轴比为6的椭圆，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值 为5. 82，煤粉喷嘴3出口横截面的长轴9 (椭圆的长轴)与反应器通道4的横截面8具有交 角a，a为0° ，所述长轴定义为横截面内具有最大距离的两点所在的直线；煤粉喷嘴3在 反应器通道4内壁呈中心对称分布，安装在反应器通道4的同一横截面上(图5是煤粉喷 嘴的分布示意图)，煤粉喷嘴3所在的反应器通道4内壁横截面的圆周面与煤粉喷嘴3中心 线交点处的切线，与煤粉喷嘴3中心线成13角，13角为104.5° ， 13角的存在能够有效扩 大煤粉与热流体的接触面积；煤粉喷嘴3中心线与反应器通道4的横截面8具有交角Y ， Y角为0° 。 等离子体炬输出功率1.8丽，煤粉输送量800kg/h，反应器内壁直径100mm。开启 电源，产生等离子体射流，待反应器内压力和壁温等操作参数稳定后，开启煤粉输送管路， 同时开启喷嘴前的煤粉加速气体管路，开启位于进煤口下方的清焦装置，煤粉经煤粉喷嘴 射入等离子体射流，正常运行1小时后，反应器各操作参数正常，最大发气量较同等操作条 件下的6管圆形喷嘴提高17%，其间对产品气体取样。运行一段时间后，关闭煤粉管路，关 闭电源。待反应器冷却后，拆开反应器观察，进煤口附近轻微结焦，反应器通道内轻微结焦。 对取得的产品气体样品分析，乙炔浓度(V/V)7. 60 8. 90%，较原来提高约1. 8个百分点； 对体系进行衡算，煤粉转化率由原来采用6管圆形喷嘴时的22%提高到32%。
权利要求一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置，该装置包括等离子体发生器(1)，气固下行床反应器通道(4)，反应器通道内壁(7)，外壁(6)，石墨内壁(5)以及位于等离子体发生器(1)下方、环绕在气固下行床反应器通道(4)内热等离子体射流(2)四周的煤粉喷嘴(3)，其特征在于，煤粉喷嘴(3)的出口横截面为宽扁形，横截面周长P与横截面面积A的1/2次方的比值为4.5～9.5，煤粉喷嘴(3)出口横截面的长轴(9)与反应器通道(4)的横截面(8)具有交角α，所述长轴定义为横截面内具有最大距离的两点所在的直线；煤粉喷嘴(3)在反应器通道(4)内壁呈中心对称分布，安装在反应器通道(4)的同一横截面上，煤粉喷嘴(3)所在的反应器通道(4)内壁横截面的圆周面与煤粉喷嘴(3)中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴(3)中心线成β角；煤粉喷嘴(3)中心线与反应器通道(4)的横截面(8)具有交角γ。
2. 根据权利要求1所述的一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置， 其特征在于，所述煤粉喷嘴(3)数目为4 12个。
3. 根据权利要求1所述的一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置， 其特征在于，所述a为0° 45° 。
4. 根据权利要求1所述的一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置， 其特征在于，所述P为45° 135° 。
5. 根据权利要求1所述的一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置， 其特征在于，所述Y为0° 45° 。
专利摘要本实用新型公开了属于工业气固两相高效快速混合、反应技术领域的一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置。入口结构煤粉喷嘴的出口横截面为宽扁形，煤粉喷嘴出口横截面的长轴与反应器通道的横截面具有交角α，煤粉喷嘴在反应器通道内壁呈中心对称分布，煤粉喷嘴所在的反应器通道内壁横截面的圆周面与煤粉喷嘴中心线交点处的切线，与煤粉喷嘴中心线成β角；煤粉喷嘴中心线与反应器通道的横截面具有交角γ。本实用新型提供了一种应用于等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉喷射装置，该结构能够使通过煤粉喷嘴射出的煤粉与高温等离子体射流良好混合，能够有效地提高乙炔收率，并缓解反应器结焦现象。
文档编号B01J19/08GK201454523SQ200920106388
公开日2010年5月12日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者吴昌宁, 周军, 熊新阳, 程易, 郭文康, 陈家琦, 黄峥嵘 申请人:清华大学;新疆天业(集团)有限公司