本发明涉及热等离子体反应器的除焦领域，具体地，涉及一种热等离子体反应器及其除焦方法。
背景技术：
热等离子体反应器是化工领域常用反应器，例如使用热等离子体裂解煤粉、煤焦油等碳质材料是生产乙炔的重要工艺。其中，碳质材料和其他成分、如氢气一起被电弧装置或本领域普通技术人员熟知的其它合适的热源加热，以便使碳质材料裂解或热解。其中在合适反应温度下，则可以制得乙炔。一般而言，当电弧被用作热源时，电弧穿过气体、如氢气，导致气体温度在极短时间内增加到极高的温度。弧柱温度通常达8000K～20000K。气体离开电弧时的温度通常在2000K～5000K左右。在此条件下，气体分子、如氢气分子可能部分离解成氢原子、甚至是H+或者H-，由此产生高温、高焓等离子体气体，从而对碳质物料进行裂解。
然而，在该过程中，热等离子体反应器内部会产生大量的碳质结焦物，这些结焦物会附着到反应器内壁上，从而造成堵塞反应器、进样口以及反应器的下游管线等位置，从而影响裂解反应的正常进行。因此，如何解决反应器内的结焦，是保证反应器正常运行的重要问题。
例如，在中国专利申请CN1907926A公开了一种防止等离子体煤裂解制乙炔反应器通道结焦的方法和结构，是在等离子体煤裂解制乙炔反应器的煤粉与等离子体射流混合段的下部设置环形燃烧室，燃烧室的环形内壁和燃烧室下方的通道内壁之间有环形狭缝，能快速燃烧或反应的物质在燃烧室内快速反应产生高温高压气体从所述环形狭缝快速喷出，在通道内壁形成高温高速气膜，阻止气相碳和融化的煤粉颗粒与通道内壁接触，达到防止反应器通道结焦目的。
然而，到目前为止，在工业水平上，等离子体裂解碳质材料工艺中还没有成功的除焦案例。因此提供一种能够有效去除反应器内结焦的技术具有积极意义。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种热等离子体反应器的除焦方法，该除焦方法巧妙易行，能够有效分解反应器内附着的结焦物。
本发明的另一个目的是提供一种热等离子体反应器，该热等离子体反应器结构简单能够实现本发明提供的除焦方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种热等离子体反应器的除焦方法，该除焦方法包括在所述热等离子体反应器工作时执行通气步骤，在该通气步骤中，向该热等离子体反应器内通入能够与结焦物发生反应以分解该结焦物的反应气体。
优选地，在所述通气步骤中，沿所述反应器内壁横截面的切线方向通入所述反应气体，内使得该反应气体沿所述反应器的内壁运动。
优选地，在所述反应器工作时，间歇地执行所述通气步骤以间歇地除去附着在所述反应器内壁上的结焦物。
优选地，在间歇地执行的所述通气步骤中，控制所述反应气体以较高流量的方式通入所述反应器内，其中所述反应气体流量为热等离子体流量的10％-200％。
优选地，在所述反应器工作时，连续执行所述通气步骤以通过所述反应气体与所述结焦物的连续反应而阻止结焦物附着在所述反应器内壁上。
优选地，在连续地执行的所述通气步骤中，控制所述反应气体以较低流量的方式连续通入所述反应器内，其中反应气体流量为热等离子体流量的0.5％-5％。
优选地，所述结焦物为碳质结焦物，所述反应气体为二氧化碳或水蒸气。
优选地，朝向所述反应器接近产物出口的内壁喷入清洗液体。
根据本发明的另一方面，提供一种热等离子体反应器，包括反应器本体，该反应器本体设置有热等离子体入口、反应原料入口和产物出口，所述反应器本体还设置有反应气体入口，在所述热等离子体反应器工作时，通过该反应气体入口向所述反应器本体内通入能够与结焦物发生反应以分解该结焦物的反应气体。
优选地，所述反应气体入口的开口方向与所述反应器本体的内壁横截面相切。
优选地，所述反应气体入口为多个并沿所述反应器本体的周向间隔设置，并且各反应气体入口同向开口。
优选地，所述多个反应气体入口沿所述周向等间隔设置。
优选地，所述反应气体入口上连接有通气管，该通气管沿所述开口方向延伸。
优选地，所述反应气体入口为多个并沿周向间隔设置在所述反应器本体上，并且所述反应器本体外套设有覆盖该多个反应气体入口的套管，该套管上设置有用于通入所述反应气体的通气管，以通过所述多个反应气体入口向所述反应器本体内通入所述反应气体。
优选地，所述反应器本体内具有进料段，所述反应原料入口和所述反应气体入口沿轴向间隔布置在所述进料段内，并且所述反应气体入口位于所述反应原料入口的下游。
优选地，所述反应器本体内具有进料段和沿所述反应器本体的轴向相邻布置在该进料段下游的反应段，所述反应气体入口包括沿所述轴向间隔布置的第一反应气体入口和第二反应气体入口，所述反应原料入口和所述第一反应气体入口位于所述进料段中，所述第一反应气体入口位于所述反应原料入口的下游，并且所述第二反应气体入口位于所述反应段中。
优选地，所述结焦物为碳质结焦物，所述反应气体为二氧化碳或水蒸气。
优选地，所述反应器本体上还设置有接近所述产物出口设置的清洗液入口，以通过该清洗液入口朝向所述反应器本体的内壁喷入清洗液体。
优选地，所述清洗液入口与所述反应器本体的内壁横截面相切。
优选地，所述清洗液入口为多个并沿所述反应器本体的周向间隔设置。
优选地，所述清洗液体为水砂浆。
通过上述技术方案，进入反应器本体内反应气体能够通过与结焦物发生反应而分解该结焦物，从而有效去除附着在反应器内壁上的结焦，并且方法简单巧妙并且易于实现。
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
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：
图1是本发明第一实施方式提供的热等离子体反应器的纵截面结构示意图；
图2是本发明第一实施方式提供的热等离子体反应器的横截面结构示意图；
图3是本发明第二实施方式提供的热等离子体反应器的纵截面结构示意图；
图4是本发明第三实施方式提供的热等离子体反应器的纵截面结构示意图。
附图标记说明
1反应器本体2通气管
3进料管4清洗管
5套管
11热等离子体入口12反应原料入口
13产物出口14反应气体
15进料段16反应段
17清洗液入口
具体实施方式
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。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上游、下游、是以热等离子体的流动方向为基准定义的，另外，其中所述碳质材料可以为固态、液体和/或气态材料，可以选自于煤、煤焦油、煤直接液化残渣、重质渣泊、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或它们的混合物。所述热等离子体体可以为氢气、氮气、甲炕、和/或惰性气体等，并且由输入功率为10kW～20kW的等离子发生器产生。另外，本发明中反应器内的反应温度可以在1500K-4000K中间，以能够使得例如乙炔的制备工艺正常进行。
首先，作为本发明的构思，本发明提供一种热等离子体反应器的除焦方法，该除焦方法包括在反应器工作时执行通气步骤，在该通气步骤中，向该反应器内通入能够与结焦物发生反应以分解该结焦物的反应气体。因此，通过进入反应器本体内反应气体与结焦物的反应而分解该结焦物，从而有效去除附着在反应器内壁上的结焦，并且方法简单巧妙并且易于实现。其中在本发明的优选实施方式中，本发明提供的除焦方法应用于使用热等离子体制备乙炔的工艺中，待裂解物料为碳质物料，例如煤。因此，产生的结焦物为碳质结焦物(C)，针对此类结焦物，本发明中使用的反应气体优选是二氧化碳(CO2)或水蒸气(H2O)。
其中涉及的化学反应为：CO2+C＝CO；以及H2O+C＝CO+H2。
当采用二氧化碳作为反应气体时，可以产生高温二氧化碳电弧，并且二氧化碳在热等离子体气的作用下产生CO-和O-基团，该CO-和O-基团能够与反应器壁上的结焦物反应生成二氧化碳，从而除去反应器内的结焦物。这样，除能够分解结焦物外，还能够得到具有附加价值的一氧化碳，从而额外提升本发明的价值。以上除焦工艺中，可以用水蒸气替代二氧化碳气体。这样，在高焓的等离子体的作用下，水蒸气发生电离，能够与反应器中的碳质结焦物发生水煤气反应。这样同样可以除去反应器内部的结焦物，并且还能够得到有附加值的氢气和一氧化碳。
能够理解的是，在其他实施方式中，本领域技术人员还能够想到其他能够与碳质结焦物反应的气体作为本发明中的反应气体。另外除应用于碳质物料裂解产生的碳质结焦物分解中，本发明提供的除焦方法还可以应用于其他热等离子体反应器的除焦，并且根据该结焦物的种类配置不同的反应气体。对于上述不同的反应气体的应用，只要能够实现本发明的目的，即用于反应器内的除焦，均应落在本发明的保护范围中。
其中，由于焦体的结焦需要一个过程，因此为了更有效地使用反应气体，在本发明的一种优选方式中，在热等离子体反应器工作时，间歇地执行通气步骤。该间歇的时间可根据反应器出口的气体检测结果或其他经验值设计，本发明对此不做限制。例如当使用在线质谱仪分析产物成分时，当二氧化碳的浓度上升到90％时说明，结焦物已经基本清楚干净，此时可暂停通气步骤，然后间隔一定时间后再次执行通气步骤即可。
此外，不同于上述间歇执行通气步骤的方法，作为另一种除焦方式，在所述反应器工作时，连续执行通气步骤以通过所述反应气体与所述结焦物的连续反应而阻止结焦物附着在反应器内壁上。即上述间歇式的除焦方法着重在于去除已经附着在反应器内壁上的结焦物，而在本实施方式中，通过连续与结焦物反应，可以在结焦物附着在反应器内壁前将其去除，而阻止其附着在反应器内壁上。其中，无论哪种除焦方法均能够实现本发明的目的。
具体地，在间歇地执行的所述通气步骤中，为了有效去除已经附着在反应器内壁上的结焦物，可以控制反应气体以较高流量的方式通入反应器本体内，例如可以控制所述反应气体流量为热等离子体流量的10％-200％。这样通过大流量的反应气体能够快速分解已经附着的结焦物。
不同的是，在连续地执行的所述通气步骤中，由于是在结焦物在附着反应器内壁前与其连续反应，可以控制所述反应气体以较低流量的方式连续通入反应器本体内，例如控制反应气体流量为热等离子体流量的0.5％-5％。这样，不仅能够满足组织结焦物附着，而且还能够节省反应气体的用量。
为了实现本发明上述的除焦方法，如图1至图4所示，本发明还提供一种热等离子体反应器，包括反应器本体1，该反应器本体1设置有热等离子体入口11、反应原料入口12和产物出口13，其中典型地，如图1所述，热等离子体入口11和产物出口13分别位于反应器本体1的相反的上下游两端，二者之间形成轴向延伸的反应通道，其内壁通常具有圆形截面，即反应器本体1形成为筒状结构。另外，加入例如煤等反应原料的反应原料入口12可以形成在反应器本体1的侧壁上，并连接进料管3。其中该进料管3可以连接在反应器本体1的外壁上，也可以通过反应器本体1的侧壁上的通孔插入反应器本体1的内壁，并且反应原料入口12的个数可以为一个、两个或更多，本发明对此不做限制。为了实现本发明的目的，在本发明中，反应器本体1还设置有反应气体入口14，在热等离子体反应器工作时，通过该反应气体入口14向反应器本体1内通入能够与结焦物发生反应以分解该结焦物的反应气体。从而实现本发明上述的除焦方法。
需要说明的是，能够实现上述技术方案的实施方式有多种，例如反应气体入口14的结构、位置和数量等等，为了方便说明本发明，在此只重点介绍其中的三种优选实施方式，该三种优选实施方式只用于说明本发明，并不用于限制本发明。
首先，在本发明提供的除焦方法中，为了使得反应气体更好地去除附着在反应器本体1内壁上的结焦物，优选地，沿所述反应器内壁横截面的切线方向通入所述反应气体，以使得该反应气体沿所述反应器的内壁运动。这样，进入反应器本体1内的反应气体能够首先沿内壁的周向运动以覆盖内壁横截面，并且还能够在热等离子体流动作用下沿内壁的轴向运动，从而能够充分和附着在内壁上的结焦物发生反应，提升除焦效果。另外，这种沿反应器内壁运动的方式，还能够有效降低反应气体对碳质物料正常反应的干扰，实用性强。
如图2所示，在本发明提供的热等离子体反应器中，相应地，反应气体入口14的开口方向与反应器本体1的内壁横截面相切。并且为了覆盖整体内壁横截面区域，优选地，反应气体入口14为多个并沿反应器本体1的周向间隔设置，并且各反应气体入口14同向开口，例如在图2中四个反应气体入口14同为逆时针方向开口。进一步地，多个反应气体入口14沿周向等间隔设置，作为一种优选实施例，反应气体入口14可以为四个。这样，在四个同向开口的反应气体入口14同时通入反应气体时，能够在同一个横截面上实现对周向方向上连续覆盖，这样通过热等离子体的流动，能够与反应器本体1内壁的任意周向位置上的结焦物发生反应，从而除去该结焦物。在其他实施方式中，反应气体入口14的个数、布置方式和开口方向还具有其他变形方式，对此均应落在本发明的保护范围中。
为了进一步保证反应气体的喷入方向，优选地，反应气体入口14上连接有通气管2，该通气管2沿开口方向延伸，从而能够对反应气体进行导向，便于其沿切向方向喷入反应器本体1内。
另外，为了准确去除结焦物，优选地，反应器本体1内具有进料段15，反应原料入口12和反应气体入口14沿轴向间隔布置在进料段15内，并且反应气体入口14位于反应原料入口12的下游。即，将反应气体入口14接近于反应原料入口12地设置在该反应原料入口12的下方，以能够及时去除反应原料在进入反应器本体1后发生裂解反应时附着在反应器本体1内壁的结焦物。其中进料段15可以整体形成为反应器本体1的一段，也可以为了方便加工反应原料入口12和反应气体入口14而单独加工，然后再与反应器本体1的其他部分相连。
进一步地，在本发明的第二实施方式中，如图3所示，反应器本体1内还具有沿反应器本体1的轴向相邻布置在该进料段15下游的反应段16，反应气体入口14包括沿轴向间隔布置的第一反应气体入口141和第二反应气体入口142，反应原料入口12和第一反应气体入口141位于进料段15中，第一反应气体入口141位于反应原料入口12的下游，并且第二反应气体入口142位于反应段16中。其中，本领域技术人员能够理解的是，本发明中所涉及的“反应段”和“进料段”是以该两段的主要作用来区分的，即进料段15主要用于反应原料的通入并与热等离子体充分混合，反应段16则是混合后的反应原料主要发生裂解反应的区域，然而实际上两端并非完全相互独立，即在进料段中也会有少量反应原料裂解反应的发生。因此，在本实施方式中，除反应原料入口12所在的进料段15外，还能够在下游的反应段16上通入反应气体，以更好地去除距离反应原料入口12较远的位置的结焦物，从而使得除焦效果更好。在其他实施方式中，还可以在其他需要重点除焦的位置设置反应气体入口14，从而提升除焦效果，对于此类变形也应落在本发明的保护范围中。
上述介绍了第一实施方式和第二实施方式中的反应气体入口14的结构布置方式，如图4所示，在第三实施方式中，反应气体入口14为多个并沿周向间隔设置在反应器本体1上，其中不同于第一实施方式和第二实施方式中直接接通气管2的方式，在本实施方式中，反应器本体1外套设有覆盖该多个反应气体入口14的套管5，该套管5上设置有用于通入反应气体的通气管2，以通过多个反应气体入口14向反应器本体1内通入反应气体，即本实施方式只需要使用一根通气管2即可完成对多个反应气体入口14的反应气体供送，从该一根通气管2进入的反应气体在套管5内分别同多个反应气体入口14进入反应器本体1内。其中，反应气体入口14由形成在反应器本体1的侧壁上的通孔形成，该套管5形成为具有朝向反应器本体1外壁开口的环形槽结构，以密闭地覆盖各个反应气体入口14。
在这种方式下，反应气体入口14的数量和与反应器本体1的内壁夹角均可以根据实际应用情况变化，例如也形成为与反应器本体1的内壁相切的的开口方式。其中，这种方式尤其适用于本发明提供的除焦方法中的连续除焦方法，即适用于可以控制反应气体以较低流量的方式连续进入反应器本体1内。这样，例如二氧化碳的低流量反应气体在热等离子体射流作用下沿反应器本体1的内壁下行。在下行过程中，二氧化碳能够与反应器本体1内所产生的位于热等离子体射流边缘的炙热碳粉等结焦物发生反应，阻止炙热碳粉与反应器本体1的接触而附着在反应器内壁上，从而实现等离子体裂解反应的连续除焦。当然在其他实施方式中，这种套管式的结构也可以用于本发明间歇式的除焦工艺，对于此类变形也应落在本发明的保护范围中。
上述介绍了如何通过反应气体对附着在反应器本体1内壁上的结焦物进行除焦，下面介绍如何除去附着在下游内壁上结焦物。
其中在本发明提供的除焦方法中，还包括朝向反应器接近产物出口的内壁喷入清洗液体。这样，不仅可以通过喷入的清洗液体将附着在反应器接近产物出口的内壁上的结焦物去除，还能够对裂解产物进行淬冷。实用性更强。相应地，在本发明提供的热等离子体反应器中，反应器本体1上还设置有接近产物出口13设置的清洗液入口17，以通过该清洗液入口17朝向反应器本体1的内壁喷入清洗液体。
其中为了更好地实现清洗液的清洗效果，该清洗液入口17和反应气体入口14的结构和布置方式可以相同，即如图3所示，清洗液入口17与反应器本体1的内壁相切。具体地，清洗液入口17为多个并沿反应器本体1的周向间隔设置。更具体地，清洗液入口17可以为例如四个并沿周向等间隔设置。从而使得清洗效果更佳。另外该清洗液可以为不影响产物成分的水砂浆，清洗效果好。当然在其他实施方式中，清洗液还可以为其他类型，对于其变形方式均应落在本发明的保护范围中。
综上，本发明通过向反应器本体1内通入与结焦物反应的反应气体的构思，能够有效去除反应器本体1内的结焦物，并且还能够得到具有附加价值的产物。例如可以使用线质谱仪分析产物中的气体组成，通过实验数据显示，再向反应器本体1中通入CO2之后，产物中CO浓度迅速上升，达到80％左右。说明在高温下，CO2与反应器中的结焦发生反应。大约30秒钟之后，CO浓度下降到3％，CO2浓度上升至90％以上，说明此时，反应器中的结焦物已经基本清楚干净。因此，本发明提供的除焦方法巧妙易行，除焦效果好，具有较高的实用性和推广价值。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。