专利名称：煤与甲烷共热解的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明的内容是煤与甲烷气共热解的方法和装置，是一种等离子体热解的方法，是等离子体技术在煤洁净转化的典型应用，属于煤化工领域。
背景技术：
乙炔虽然是含有三价化合键的最简单的烃基化合物，却是一种非常重要的化工原料。乙炔化工作为煤化工的重要分支，有着广泛的应用。从化学成分上看，煤中的C/H比接近于1，因此以煤为原料生产乙炔，从理论上来讲是一个理想的方案。
已知的煤等离子体热解制乙炔主要存在热解过程中在反应器煤粉进口处器壁结焦严重，严重影响过程的进行，采用化学方法消除结焦，同样带来系统不能连续运行的困难。同时物料在反应器的停留时间和反应器的温度控制更多地依赖于计算和反应器的结构，难以调节。
本发明所述煤与甲烷共热解的方法，其特征在于是一种用等离子体射流将煤与甲烷共热解的工艺方法，包括如下步骤将煤粉与甲烷气体通入等离子体射流中，利用高温等离子射流热解煤与甲烷；热解过程维持一定的温度；热解气体和固体通过反应器端口被淬冷形成乙炔。
煤与甲烷共热解的装置，主要包括等离子体发生器1、煤粉供给装置2、热解反应器3、淬冷器4、气固分离器5。
上述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于产生等离子体射流的气体是氢气，而氮气是起弧气和系统置换气。
上述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于用甲烷气作输送煤粉的载气。
上述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于热解用煤粉从反应器径向进入；热解用甲烷气以切向方式进入等离子体射流中。
上述的煤与甲烷共热解方法中两种进料方式相结合可以有效地控制煤与甲烷及热解物在反应器的停留时间和调节反应器的出口温度。
上述的煤与甲烷共热解方法，甲烷气体的切向进入，可以在反应器壁和等离子体射流间形成保护气膜，作为煤热解产生的高温炭碎片与反应器阻隔层，防止或减少反应器壁的结焦。
上述煤与甲烷共热解的方法，其特征在于热解反应器3的出口温度保持在1500℃以上。
上述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于物料在反应器出口的淬冷剂为甲烷气体，物料淬冷后的温度为150℃～200℃。
上述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于产生等离子体射流的直流电弧等离子体发生器由阴极和阳极组成。阴极和阳极设置有气体旋流片。
上述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于在热解反应器3中，有两组在径向对称安装的进料管，一组进料管7和7′是在反应器径向对称安装的煤粉进料管，另一组进料管8和8′以切向方向与热解反应器3相连。
上述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于在热解反应器3两组物料进口下部有一渐扩去头锥形段9，用于物料与等离子体射流的充分接触，渐扩角为10度～20度。
煤与甲烷热解装置(图1)包括直流电弧等离子体发生器1，输送煤粉设备2，热解反应器3，淬冷器4，气固分离器5，反应残渣收集器6。在等离子体发生器中，等离子体射流在其阴极和阳极间产生，产生的等离子体射流按顺时针或逆时针方向旋转，直流可控电源为等离子体发生器提供动力，等离子体发生器垂直安装在热解反应器3上。在热解反应器上，有两组对称安装的进料管，一组7(7′)在反应器3径向相对安装，另一组8(8′)在径向相对以切向方向与热解反应器3相连，煤粉与甲烷气体分别通过这两组进料管进入热解反应器中。在两组进料管下部热解反应器轴向上有一渐扩段，渐扩段夹角10度～20度。热解反应器内衬耐高温石墨材料。热解气体通过反应器出口进入淬冷器4，在此热解气体被冷却。冷却气体经过气固分离器5后进入后处理过程。经除尘、吸收和解吸得到最终的产品—乙炔。
本发明所述的方法按如下方法进行，煤粉与甲烷气在热解反应器中以两种不同的进料方式进入等离子体射流中，调节两股进料量大小维持反应器的出口温度和停留时间。在反应器的出口热解气快速冷却，冷却后的产品气经气固分离，固相产物是残渣和炭黑，气相产物经除尘、吸收、解吸等工序得到产品气乙炔。
参照装置图来阐述本发明的内容，其中图1所示为煤与甲烷共热解装置及流程图2所示反应器截面3所示反应器上部B-B截面4所示反应器上部A-A截面中标号为1.直流电弧等离子体发生器 2输送煤粉设备 3.热解反应器4.淬冷器 5.气固分离器 6反应残渣收集器7和7′进料管 8和8′进料管具体实施方式
实施方式1在等离子体发生器中，首先通入氮气，在高频脉冲作用下，击穿气体，施加能量，维持等离子体电弧产生。调节到要求的电压和电流时，开通氢气，同时减少氮气流量，直到氮气停止，等离子气为氢气时为止。测试等离子体热解反应器温度，当温度在1700℃，并保持不变时，打开煤粉和甲烷的输送管路，调节煤粉与甲烷气体进料量，控制反应器出口温度在1500℃，运行稳定时，检测淬冷前后乙炔含量，根据含量调节两股进气量比例。同时调节淬冷剂甲烷气体的流量，控制淬冷出口热解气温度在150℃，煤与甲烷共热解，产品气体中乙炔的浓度10％，乙炔收率大于18％。
实施方式2在等离子体发生器中，首先通入氮气，在高频脉冲作用下，击穿气体，施加能量，维持等离子体电弧产生。调节到要求的电压和电流时，开通氢气，同时减少氮气流量，直到氮气停止，等离子气为氢气时为止。测试等离子体热解反应器温度，当温度在1800℃并保持不变时，打开煤粉和甲烷的输送管路，调节煤粉与甲烷气体进料量，控制反应器出口温度在1550℃运行稳定时，检测淬冷前后乙炔含量，根据含量调节两股进气量比例，同时调节淬冷剂甲烷气体的流量，控制淬冷出口热解气温度在180℃，煤与甲烷共热解，产品气体中乙炔的浓度12％，乙炔收率大于18％。
实施方式3在等离子体发生器中，首先通入氮气，在高频脉冲作用下，击穿气体，施加能量，维持等离子体电弧产生。调节到要求的电压和电流时，开通氢气，同时减少氮气流量，直到氮气停止，等离子气为氢气时为止。测试等离子体热解反应器温度，当温度在1750℃以上，并保持不变时，打开煤粉和甲烷的输送管路，调节煤粉与甲烷气体进料量，控制反应器出口温度在1600℃以上，运行稳定时，检测淬冷前后乙炔含量，根据含量调节两股进气量比例。同时调节淬冷剂甲烷气体的流量，控制淬冷出口热解气温度在200℃之间。采用本发明方法，煤与甲烷共热解，产品气体中乙炔的浓度13％，乙炔收率大于18％。
权利要求
1.一种煤与甲烷共热解的方法，其特征在于是一种用等离子体射流将煤与甲烷共热解的工艺方法，包括如下步骤将煤粉与甲烷气体通入等离子体射流中，利用高温等离子射流热解煤与甲烷；热解过程维持一定的温度；热解气体和固体通过反应器端口被淬冷形成乙炔。
2.煤与甲烷共热解的装置，主要包括等离子体发生器(1)、煤粉供给装置(2)、热解反应器(3)、淬冷器(4)、气固分离器(5)。
3.按照权利要求1所述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于产生等离子体射流的气体是氢气，而氮气是起弧气和系统置换气。
4.按照权利要求1所述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于用甲烷气作输送煤粉的载气。
5.按照权利要求1所述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于热解用煤粉从反应器径向进入；热解用甲烷气以切向方式进入等离子体射流中。
6.按照权利要求5所述的煤与甲烷共热解方法中两种进料方式相结合可以有效地控制煤与甲烷及热解物在反应器的停留时间和调节反应器的出口温度。
7.按照权利要求6所述的煤与甲烷共热解方法，甲烷气体的切向进入，可以在反应器壁和等离子体射流间形成保护气膜，作为煤热解产生的高温炭碎片与反应器阻隔层，防止或减少反应器壁的结焦。
8.按照权利要求1所述煤与甲烷共热解的方法，其特征在于热解反应器(3)的出口温度保持在1500℃以上。
9.按照权利要求1所述的煤与甲烷共热解方法，其特征在于物料在反应器出口的淬冷剂为甲烷气体，物料淬冷后的温度为150℃～200℃。
10.按照权利要求2所述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于产生等离子体射流的直流电弧等离子体发生器由阴极和阳极组成。阴极和阳极设置有气体旋流片。
11.如权利要求2所述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于在热解反应器(3)中，有两组在径向对称安装的进料管，一组进料管7(7′)是在反应器径向对称安装的煤粉进料管，另一组进料管8(8′)以切向方向与热解反应器(3)相连。
12.如权利要求2所述的煤与甲烷共热解装置，其特征在于在热解反应器(3)两组物料进口下部有一渐扩去头锥形段(9)，用于物料与等离子体射流的充分接触，渐扩角为10度～20度。
全文摘要
本发明煤与甲烷共热解的方法及装置涉及煤化工领域，具体地说是煤的洁净转化。采用电弧等离子体热解煤和甲烷，等离子气为氢气；煤粉从反应器上部径向进料口进入，甲烷气是输送煤粉的载气；煤粉和甲烷气同时从各自的进料口进入等离子体射流中热解，通过调节物料进入等离子体射流的方式和进料量的大小，控制物料和热解气在热解反应器中的停留时间和反应器的出口温度，切向进气同时起到热解过程产生的炭碎片和反应器壁间的隔离作用，消除和减弱结焦现象；在热解反应器中有一渐扩段，由于射流卷吸作用，强化了物料与等离子体射流的混合作用，有利于消除边界层现象。热解气体离开反应器后迅速淬冷，淬冷剂为甲烷气。
文档编号C10B53/04GK1478858SQ0313879
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月3日 优先权日2003年7月3日
发明者谢克昌, 鲍卫仁, 吕永康, 庞先勇, 常丽萍 申请人:太原理工大学