具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，包括竖向设置的阴极棒、阳极以及设于所述阳极外侧的循环冷却水套，所述阳极自上而下包括用于与所述阴极棒配合产生电弧的电弧运行段阳极和位于电弧下方的反应段阳极，所述阳极接地，所述反应段阳极内径为电弧运行段阳极内径的1.2～10倍，所述反应段阳极和电弧运行段阳极的连接处周向设有可朝反应段阳极喷射清焦介质的清焦喷嘴。本发明专利技术采用反应器内径变化与设置喷嘴进行隔膜保护的方法，从根本上抑制乃至消除反应器运行过程中的结焦现象，无需再设置清焦周期，实现反应器的连续裂解运行。

Plasma reactor of coal to acetylene with the function of inhibiting coking and on-line coke cleaning

【技术实现步骤摘要】
具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器
本专利技术涉及煤化工
，具体涉及一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器。
技术介绍
等离子体裂解煤制乙炔技术自20世纪50年代以来，在世界范围内得到了广泛的关注，该技术主要利用了热等离子体高温、高焓、富含活性粒子的特点，将煤粉直接通入等离子体或其射流中，使其在毫秒级的时间尺度内快速升温热解、释放出挥发分，发生裂解反应产生气体，经淬冷后得到乙炔为主要成分的裂解气，整个过程不产生任何废水或固体污染物，是一种清洁、高效的煤转化工艺。国内外高校、企业甚至政府部门开展了对等离子体裂解煤制乙炔技术的尝试和研究，美国、德国和中国都分别建立了1～5MW规模的等离子体裂解煤制乙炔中试装置，进行了有益的尝试，证明了该技术的技术可行性。但是这些研究都在中试规模之后被迫停止，主要是难以解决结焦问题，不能实现反应器的长周期稳定运行。煤粉在进入等离子体反应器后，经等离子体或其射流加热发生裂解反应，通过催化结焦、气相结焦和自由基结焦等几种机理，在电弧以下的部位形成不同形态、结构和石墨化程度的结焦。结焦物使反应器内径缩小，增加了气体流动阻滞力，使反应器系统地运行稳定性遭到破坏，无法实现长期稳定运行，限制了该技术的工业化应用。因此国内外的研究者尝试了多种清焦的方法：杜志国等(CN101372630A)采用了周期性喷入水蒸气的方法以定时清除反应器壁上的结焦物。任其龙等(CN104056829B)提出了二氧化碳作为清焦气体的方法，二氧化碳与结焦物的主要元素碳反应生成一氧化碳，不会对裂解气的流量和组成造成较大影响，具有清焦时间段、清焦效率高的特点，且更加安全。郭文康等(CN201940403U)设计了一种碳转化反应器中的机械清焦装置，不引入额外气体，不会破坏反应生成气的成分，不会增加后续的气体分离工作，因此可使裂解装置持续运行，延长了反应器服务寿命，提高了工作可靠性，优化了反应器的设计、操作控制及温度测量。但是目前所用的清焦方法，多存在一些问题。例如水蒸气清焦法效果虽然比较好，但能耗较高，所喷入的水蒸气可能会引起反应器短路，影响生产安全；氧气作为清焦介质，在氢等离子体氛围下存在巨大的安全隐患；水蒸气、氧气、二氧化碳等介质由于与原料煤会发生反应，影响清焦过程，因此必须进行裂解--清焦--裂解的交替操作，会使裂解气流量和组成产生较大波动，对后续气固/气体分离系统造成很大压力。因此，一种高效、安全的清焦方法，对等离子体裂解煤制乙炔技术的生命力至关重要。
技术实现思路
针对本领域存在的不足之处，本专利技术提供了一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，采用反应器内径变化与设置喷嘴进行隔膜保护的方法，从根本上抑制乃至消除反应器运行过程中的结焦现象，无需再设置清焦周期，实现反应器的连续裂解运行。一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，包括竖向设置的阴极棒、阳极以及设于所述阳极外侧的循环冷却水套，所述阳极自上而下包括用于与所述阴极棒配合产生电弧的电弧运行段阳极和位于电弧下方的反应段阳极，所述阳极接地，所述反应段阳极内径为电弧运行段阳极内径的1.2～10倍，所述反应段阳极和电弧运行段阳极的连接处周向设有可朝反应段阳极喷射清焦介质的清焦喷嘴。所述的煤制乙炔等离子体反应器运行时，煤粉可从反应器顶部加入或将阴极设置为中空供煤粉加入。电弧在阴极与阳极之间产生并形成高温区域，煤粉在进入等离子体反应器后，经等离子体或其射流加热发生裂解反应。电弧运行段下方的反应段阳极内径扩大至电弧运行段的1.2～10倍，高温气体和固体颗粒由于惯性，大部分会继续直线向下，极少部分会向外扩散，而由于内径已扩大，这部分固体颗粒接触到壁面形成结焦的概率也已大大下降。清焦喷嘴喷射清焦介质期间煤粉仍可持续进入反应器裂解，不会打断也不影响反应器本身的连续运行。所述清焦介质可以是水(液态)、二氧化碳或水蒸气。作为优选，所述清焦介质为水。清焦喷嘴朝反应段阳极喷水，在反应段阳极表面形成水膜，将反应器运行过程中产生的结焦随时清除。作为优选，所述电弧运行段阳极外侧设有通电可产生磁场的线圈，电弧在所述磁场的作用下形成磁旋转弧，利用外加磁场的方法可将电弧稳定在运行段末尾，有利于等离子体裂解煤制乙炔。作为优选，所述清焦喷嘴为6～36个，沿阳极周向均匀分布。所述清焦喷嘴的运行方式有以下两种：A、连续不断地持续向反应段阳极喷射清焦介质，清焦介质在反应段阳极表面形成隔膜，抑制接触到反应段阳极表面的高温固体颗粒形成结焦；B、间歇式向反应段阳极喷射清焦介质，定期清除反应段阳极表面上形成的结焦。由于反应器阳极接地，电势为0，设置在阳极壁面上的喷嘴所喷出的清焦介质不会对反应器的绝缘性产生影响，从而保证了反应器的运行安全性。作为优选，所述清焦喷嘴的运行方式为间歇式喷射清焦介质。当所述清焦介质为水时，持续性喷水会导致部分乙炔与水反应生成一氧化碳，进而降低乙炔的收率，间歇式喷水既可以保证乙炔收率，又可以配合扩径设计抑制结焦并有效清焦，且更加节能、节水。进一步优选，所述间歇式喷射清焦介质的喷射间隔时间为25～35min，喷射清焦介质时的持续时间为2～3min。根据扩径前的气体流速，在扩径后的一定距离后可设置淬冷喷嘴，将高温气体与固体颗粒的温度降至700K以下，使乙炔成为优势气体产物。为方便起见，所述反应段阳极底部设有淬冷喷嘴，可喷射用于冷却反应产物的淬冷介质。所述淬冷介质可以采用水、烃类、氢气等多种介质。通过调节淬冷喷嘴的位置，即可控制原料停留时间，调节产物组成。作为优选，所述反应段阳极内径为电弧运行段阳极内径的1.5～3.0倍，这样既可以有效地控制结焦的形成，又可以减轻扩径太大引起的淬冷压力。作为优选，所述清焦喷嘴与所述循环冷却水套连通，所述清焦介质为循环冷却水，无需其它设备，尽可能地利用等离子体反应器已有构造。所述清焦喷嘴的喷水情况可受水压控制，具体可通过调节循环冷却水的压力控制喷水。作为优选，所述循环冷却水套包括相互独立的用于冷却电弧运行段阳极的电弧运行段循环冷却水套和用于冷却反应段阳极的反应段循环冷却水套。电弧运行段阳极和反应段阳极的温度差异较大，采用各自独立的循环冷却水套进行冷却水循环可获得较好的冷却效果。出于水温等多方面因素考虑，作为优选，所述清焦喷嘴与电弧运行段循环冷却水套连通，方便设计，通过控制水压调节清焦喷嘴喷水时可以利用电弧运行段循环冷却水套内水体自身的压力，减少外部水压的施加。本专利技术与现有技术相比，主要优点包括：(1)电弧运行段下方的反应段内径扩大，使绝大部分固体颗粒不能接触到内壁壁面形成结焦；(2)扩径后的反应器壁设有向下的喷嘴，贴壁面向下连续或间歇式喷射清焦介质，清焦介质在扩径后的壁面形成隔膜，对结焦具有抑制作用，并可以将反应器运行过程中产生的结焦随时清除。附图说明图1为实施例的具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，包括竖向设置的阴极棒、阳极以及设于所述阳极外侧的循环冷却水套，所述阳极自上而下包括用于与所述阴极棒配合产生电弧的电弧运行段阳极和位于电弧下方的反应段阳极，其特征在于，所述阳极接地，所述反应段阳极内径为电弧运行段阳极内径的1.2～10倍，所述反应段阳极和电弧运行段阳极的连接处周向设有可朝反应段阳极喷射清焦介质的清焦喷嘴。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，包括竖向设置的阴极棒、阳极以及设于所述阳极外侧的循环冷却水套，所述阳极自上而下包括用于与所述阴极棒配合产生电弧的电弧运行段阳极和位于电弧下方的反应段阳极，其特征在于，所述阳极接地，所述反应段阳极内径为电弧运行段阳极内径的1.2～10倍，所述反应段阳极和电弧运行段阳极的连接处周向设有可朝反应段阳极喷射清焦介质的清焦喷嘴。


2.根据权利要求1所述的具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，其特征在于，所述清焦介质为水、二氧化碳或水蒸气。


3.根据权利要求1所述的具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，其特征在于，所述电弧运行段阳极外侧设有通电可产生磁场的线圈，电弧在所述磁场的作用下形成磁旋转弧。


4.根据权利要求1所述的具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，其特征在于，所述清焦喷嘴为6～36个，沿阳极周向均匀分布。


5.根据权利要求1所述的具有抑制结焦和在线清焦功能的煤制乙炔等离子体反应器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨启炜，闻光东，任其龙，张铭，李如龙，吴剑骅，吴忠标，陈新志，陈丰秋，何潮洪，
申请(专利权)人：新疆粤和泰化工科技有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：新疆;65