本发明专利技术公开了一种多段等离子体裂解碳质材料反应器，其包括：主要用于使碳质材料、载气和第一加热气体混合、以及热解碳质材料的反应管第一段；主要用于使热解产生的挥发分发生气相反应的反应管第二段～第N段，其中N为大于或等于2的整数；至少一个位于反应管第一段顶部的碳质材料和载气入料的入口；至少一个位于反应管第一段侧面的第一加热气体的入口；至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于裂解含挥发分的碳质材料以生产高产率裂解产物的高能效装置和方法，特别是，涉及一种多段等离子体裂解碳质材料反应器以及利用该多段等离子体反应器裂解碳质材料的方法，更特别地，也涉及一种利用该多段等离子体反应器生产乙炔的方法。
技术介绍
通常，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。作为碳质材料分解的结果而产生的产物组成取决于分解区或反应区的反应条件。众所周知，某些特定的反应条件有利于某些特定组分的形成，例如，反应区温度高于1300K时有利于中间产物乙炔的形成，而在或接近 1300K时与同时发生的乙炔的分解相比，也有利于乙炔的形成。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尚解成氢原子、甚至是H+或者H_，由此产生高温等离子体气体。一旦高温等离子体气体、如等离子体氢气离开电弧，等离子体气体原子或离子、例如氢原子就有重新结合成分子的极快的倾向，并且如果是这样的话，它们将释放出大量的热。除了等离子体气体的显热外，上述热的一部分大多数通过导热、对流和辐射被紧靠等离子体气体的原子或离子、或与之接触的碳质材料颗粒所吸收，从而导致碳质材料颗粒被热解和/或裂解或分解，更具体地说，导致碳质材料颗粒放出其挥发性成分，即脱挥发。已知和确定的是随碳质材料类型的不同，碳质材料的分解和脱挥发的步骤和条件会有很大变化。此前，因不知道如何以合理的成本由固态碳质材料获得高产率的裂解产物如乙炔的方法，所以气态和液态碳质材料是人们常用的入料。另外气态和液态入料易于处理，并且对电弧设备的损耗较低。另一方面，虽然基本工艺步骤是已知的，但教导人们如何以一种高能效的方式使来自于固态碳质材料的某些特定裂解产物、如乙炔的产率最大化的例如工艺过程和工艺动力学仍然可能不是非常清楚。在现有技术中，为使来自于固态碳质材料的某些裂解产物的产率最大化而对设备和工艺进行的改进，人们已经做了很多尝试和实验。例如，US4358629公开了一种分解固体碳质材料将其转化为乙炔的方法。具体来说，该专利教导人们选择低成本、高产率的操作条件。在该专利中，建议碳质材料和气体的热和焓的特定值与特定的粒径和反应时间相结合。上述所有教导和建议有助于以商业上有竞争力的成本生产乙炔。事实上,US4358629描述了一种电弧反应器,其沿着固体碳质材料移动的方向依次包括四个区域，即固体碳质材料粉末分散区，电弧区，反应区和激冷区。由于所述粉末在电弧区的停留时间极短和所述粉末此时暂时的热惰性，所述粉末的温度肯定保持接近于其在入口的温度，而同时流经的气体达到8000K的高温。固体碳质材料粉末在反应区仅通过导热和对流被加热气流加热。这样，所有电力由薄电弧区输入，即足以将所述粉末温度提高至1800K以上的大量能量导致能量不合理的过度聚集，并不可避免地将过于集中的热暴露在反应器的壁上，从而导致反应器壁过热。为保护反应器的壁而必须从反应器的壁附近移走的热占整个电力输入的一半左右，结果，大量有价值的能量不得不浪费。此外，特定区域出现极高的温度对反应器壁结构的设计、壁材料的选择构成极大挑战，也使壁保护成为难题。《煤在氢气和氦气等离子体中的热解》(Baumann,H. , Bittner, D. , Beiers, H. G.,Klein, J. &Juntgen，H，Fuel，1988，Vol. 67，pp 1120-1123，August)和《一些气态和液态烃在氢气等离子体中的热解》(Beiers, H. G. , Baumann, H. , Bittner, D. , Klein, J. and Juntgen,H，Fuel，1988，Vol. 67, pp 1012-1016，July)公开了一种被描述为进行煤或气态和液态烃热解的设备，其包括一个等离子体发生器和一个等离子体反应器。在所述设备中，等离子体发生器产生在输出端平均温度为3300K的高温气流，该气流随后从顶部入口被引入到作为反应器的反应管中。干煤粉或气态和液态烃从靠近顶部入口的其侧部入口被喷入到反应管 中，其中冷煤粉预计与上述热等离子体气流进行充分混合。然而，由于等离子体气流高速下行，并因此形成对流体-粉末混合的强烈障碍，以致于煤粉和等离子体气流之间的接触和传热效率被减弱，并对反应器的性能产生不利影响，同时这种反应器结构和入料安排导致几乎无法避免结焦现象，因为煤粉或气态和液态烃连续地冲刷和撞击反应器的壁表面。CN1562922公开了一种类似于上述文章所描述的反应器，但是引入了被喷在反应管内壁上以防止反应管内壁结焦的氩气，然而，该专利文献中公开的反应器仍没有克服上述所有技术缺陷。US4536603公开了一种煤与热气流反应生产乙炔的方法，此方法依次包括以下步骤在温度可控的条件下使燃料、氧和水蒸汽反应，从而生成主要包括氢气、一氧化碳和水蒸汽、并有少量二氧化碳、基本没有0，OH和O2的热气流。所述热气流被提速并高速碰撞颗粒状烟煤或次烟煤物流，而后热气体和煤的混合物的速度被减至约150-300英尺/秒。控制颗粒状煤和热气体的物流数量，以便在反应区形成约为IO-IOOpisa的压力和约为1800-3000° F的温度。煤和热气体的混合物被保持在上述压力和温度下约2-30毫秒，从而生成包括焦和乙炔的产物流。随后产物流的温度在少于2毫秒的时间内被降至低于约900° F，以便基本终结进一步反应，并从其中回收乙炔。回收焦并将其用作产生热气体的燃料的至少一部分。US 4588850公开了一种用电弧或等离子方法由煤生产乙炔和合成或还原气体的方法，其中变成粉末的煤在一种能量密度为l_5kWh/Nm3、停留时间为O. 5-10毫秒、温度为至少1500°C的电弧反应器中被热解，，这样由煤衍生的气态化合物的数量不超过煤中所谓的挥发分的数量的I. 8倍。在随后激冷后剩余的焦被喂入第二电弧反应器中，其中借助于气化介质并结合电弧或等离子方法加热，焦在其中被转变为合成或还原气体，焦在反应器中停留时间为1-15毫秒，焦温度至少为800°C。来自热解区的气流被净化，并用选择性溶液从其中回收乙炔。经过净化步骤后的气体同样被冷却和净化。CN101742808公开了一种能代替常规线形等离子体发生器的大功率V形等离子体发生器，其声称具有较低的能耗和便捷的操作条件。所述V形等离子体发生器可用于产生各种高温等离子体气体，例如等离子体氢气和惰性气体。US4367363公开了一种从煤转化为乙炔的方法中产生的气态输出气流中回收纯净乙炔的方法。所述气态输出气流在酸气去除阶段通过将HCN和H2S吸附在有机溶剂、如N-甲基吡咯烷酮中，并用苛性试剂、如NaOH冲洗以除去CO2而被初步处理。在第二阶段，用有机溶剂冲洗所述气态输出气流，从而提供脱硫气体的处理并分离纯乙炔产物。在第三阶段，经过第二阶段处理的气体首先被加氢，随后被脱硫和甲烷化处理。经过第三阶段处理的输出气流被循环回煤转化为乙炔的过程中。在第四阶段，来自第二阶段的有机本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多段等离子体裂解碳质材料反应器，包括：反应管第一段，主要用于使碳质材料、载气和第一加热气体混合，以及热解碳质材料；反应管第二段～第N段，主要用于使热解产生的挥发分发生气相反应，其中N为大于或等于2的整数；至少一个位于反应管第一段顶部的碳质材料和载气入料的入口；至少一个位于反应管第一段侧面的第一加热气体的入口；至少一个分别位于反应管第二段～第N段侧面的第二～第N加热气体的入口，其中所述第二～第N加热气体为高温等离子体气体；至少一个用于激冷或冻结反应产物的激冷介质的入口；至少一个位于反应管最后一段底部或下部的激冷产物和气体的出口；其中，碳质材料从反应管第一段的顶部向下流动，最后到达反应管最后一段的底部或下部，同时完成热解、气相反应和激冷过程。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：程易，郭屹，颜彬航，吴昌宁，李轩，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究所，
类型：发明
国别省市：
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