應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置的製作方法

2023-06-10 15:53:36

專利名稱：應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於煤化工領域，用於高溫氣體、氣液、氣固及氣液固多相混合物的毫秒級 快速冷卻，特別涉及一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置。
背景技術：
乙炔是重要的基礎有機化工原料。生產乙炔的工業方法主要有電石法、甲烷部分 氧化法和甲烷電弧裂解法，其中電石法乙炔工藝成熟，工業生產中佔絕對比例，但是汙染和 能耗均相對較高。等離子體裂解煤制乙炔是一條新的、有前景的煤直接化工轉化途徑，相關研究始 於20世紀60年代的英國Sieffield大學在高溫、高焓、高反應活性的電弧熱等離子體射 流中，煤的揮發分甚至固定碳可直接轉化為乙炔。此後，大量的研究集中在英國、美國、德 國、印度、前蘇聯等國家。我國學者及工程技術人員從90年代開始，在這一領域進行了大量 的基礎研究和工程研究。由於我國油氣資源相對匱乏，而煤資源豐富，因此等離子體裂解煤 制乙炔過程作為一種清潔且流程短的煤轉化過程，在煤的化工利用方面具有重要的潛在工 業前景。等離子體裂解煤制乙炔過程，就是利用等離子體(為直流電弧氫等離子體)的高 溫高焓條件，實現煤中揮發分(甚至固定碳)向乙炔的轉化。等離子體裂解煤制乙炔過程必須以很快的時間向煤粉供熱，使其在高溫下迅速並 充分地釋放揮發分並反應，同時使產物迅速離開高溫反應體系，並通過合適的方式進行急 冷，以防止生成的乙炔分解。該過程等離子體發生器出口射流最高溫度可達10 量級，平 均溫度約3500K，可以實現在極短的時間內向煤粉供熱。而反應段出口的溫度仍有2000K左 右，需要將該溫度下的流體迅速冷卻。許多研究表明，IO7 108K/s的降溫速率是保證該過 程乙炔產率的必要條件。20世紀80年代美國AVCO公司分別用水、煤和丙烷各自作為冷卻 劑，採用輕質烴類作冷卻劑，不僅可以利用熱解氣的餘熱，而且還可以生成更多的乙烯和乙 炔，降低工藝的能耗。目前，工業上一般採用噴射霧化水的方式進行冷卻，雖然可以達到最 大程度保留乙炔的目的，消耗了大量的水的同時浪費了大量的高品位熱源，從而導致該過 程的經濟可行性較差。所以，能否有效利用這一熱源，提高冷卻效率，就關係到整個過程是 否具有較高的能量利用率和較優的經濟效益。對於這個毫秒級、超高溫反應過程，為獲得目的產物氣體乙炔，必須將氣固高溫流 體( 1500K)快速冷卻至乙炔可以穩定存在的溫度，由於毫秒級快速冷卻的要求，冷卻裝 置的幾何設計至關重要。冷卻裝置中最常用的圓形通道截面對於高速氣固流的冷卻效果較 差，等離子體射流具有高溫、高焓、高速的特點，且在混合器通道的橫截面上具有一定的溫 度和速度分布，裂解產物在等離子體射流的作用下，冷卻介質很難射入中部的高溫區，僅對 高溫區的邊緣有冷卻效果。同時，圓形通道截面在過程放大中會遇到致命的障礙。因此，毫 秒級快速冷卻裝置設計對冷卻效果是極為重要的。

發明內容
本發明的目的是提供一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置。一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置由等離子體發生裝置、等 離子體反應器、等離子體快速冷卻裝置和冷卻介質噴嘴組成，其特徵在於，等離子體快速冷 卻裝置3的橫截面為包括但不限於橢圓的二維封閉圖形，橫截面周長P與橫截面面積A的 1/2次方的比值為3. 55 7，橫截面的長軸與短軸的比值為1 8，所述長軸定義為橫截 面內具有最大距離的兩點所在的直線，短軸為所述橫截面內具有最小距離的兩點所在的直 線；冷卻介質噴嘴4安裝在等離子體冷卻裝置3內壁的相同或不同高度的橫截面上，並根據 冷卻效果的不同在等離子體冷卻裝置3橫截面上進行均勻或非均勻分布。所述冷卻介質噴嘴4數目為6 48個。所述冷卻介質噴嘴4出口截面包括但不局限於圓形、橢圓或方形。所述冷卻介質噴嘴4橫截面的長軸(非圓形截面)與等離子體快速冷卻裝置3的 橫截面具有交角α，冷卻介質噴嘴4所在的等離子體快速冷卻裝置3橫截面的圓周面與冷 卻介質噴嘴4中心線交點處的切線與冷卻介質噴嘴4中心線成交角β，冷卻介質噴嘴4中 心線與等離子體快速冷卻裝置3的橫截面具有交角Y。其中α為0° 45°，β為45° 135°，γ 為-45° 45°。所述冷卻介質噴嘴4均勻或非均勻分布在等離子體冷卻裝置3的不同高度的橫截 面上，安裝冷卻介質噴嘴4的不同高度的橫截面數目為1 4。所述冷卻介質噴嘴4使用的冷卻介質包括循環水、純水、水煤漿上清液、氣相冷 凝水以及它們的混合物；高C/H質量比的物質為含戊烷在內的(5以下氣態烷烴、天然氣、焦 爐氣、煉油廠氣、乙炔尾氣、乙烯廢氣以及它們的混合氣；苯、粗苯及苯的同系物；C6及以上 的脂肪烴的單一或其混合液體；液化石油氣、石油分餾物及殘渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、 浙青、粗柴油、渣油、焦油砂油和頁巖油、煤生油、煤焦油、循環汽油、焦化粗柴油的糠醛萃取 物、煤粉以及它們的混合物。所述等離子體反應器2出口處的流體是高溫氣固混合物，包括含C2H2、CH4, CO、H2 和ω2等的裂解氣，以及氣態焦油、炭黑和反應後的煤粉。所述的毫秒級快速冷卻裝置，流體經過等離子體反應器2出口到等離子體冷卻裝 置3出口的時間為0. 1 10ms。本發明具有以下優點(1)本發明所述裝置中縮短了冷卻介質進入高溫區的距離，提高冷卻效率；(2)本發明所述裝置中在放大過程中，無放大效應；(3)本發明所述裝置中可以將化學冷卻和物理冷卻相結合，提高過程綜合價值。


圖1是本發明的裝置正視圖；圖2是本發明的裝置側視圖；圖3是冷卻介質噴嘴空間安裝角度α示意圖；圖4是快速冷卻裝置橢圓形截面示意圖；圖5是快速冷卻裝置長方形截面示意圖。
圖中標號1-等離子體發生裝置；2-等離子體反應器；3-等離子體快速冷卻裝 置；4-冷卻介質噴嘴；5-等離子體反應產物；6-冷卻介質。
具體實施例方式本發明提供一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置。在圖1-圖 2所示的快速冷卻裝置結構圖中，等離子體發生裝置1安裝在等離子體反應器2上端，等離 子體反應器2下端安裝等離子體快速冷卻裝置3 ；冷卻介質噴嘴4按照空間安裝角度α為 0° 45°，β為45° 135°，Y為-45° 45°安裝在等離子體快速冷卻裝置3的1 4個不同高度的橫截面上。等離子體反應產物5從等離子體發生裝置1進入等離子體反應 器2內，冷卻介質6從冷卻介質噴嘴4進入離子體快速冷卻裝置3。等離子體反應產物5 (等 離子體煤裂解產物)在等離子體發生裝置1作用下，進入等離子體反應器2反應，等離子體 反應產物5在快速冷卻裝置3中被冷卻介質6快速冷卻。以下結合實例和附圖對本發明進行進一步說明。實施例1圖4所示快速冷卻裝置3的橫截面為橢圓形，橢圓長軸長300mm，短軸長150mm ；冷 卻介質噴嘴4的數目為M個，12個噴嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處30mm高度上，另 外12個噴嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處60mm高度上，同一高度的12個噴嘴均勻分布 在橫截面上，如圖3所示；冷卻介質噴嘴4的出口截面為圓形，空間安裝角度β為90°，γ 為0°。等離子體炬採用氫氣作為工作氣體，輸入功率為3. 8 4. 2MW,氫氣流量為100 110kg/h,氫等離子體的平均溫度超過3000K，中心區域溫度為5000 6000K。裂解產物溫度 為1200 1500K，速度為150 200m/s。裂解產物在快速冷卻裝置中使用冷卻介質水進行 冷卻，使用冷卻水量為3t/h，較傳統的圓形截面快速冷卻裝置使用水量減少約20%。裂解 產物出口溫度為400 600K，對取得的產品氣體樣品分析，乙炔濃度(V/V) 7. 50 8. 60%， 較原來提高約1.5個百分點。實施例2如圖5所示的快速冷卻裝置3的橫截面為長方形，長300mm，寬150mm ；冷卻介質噴 嘴4的數目為M個，12個噴嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處30mm高度上，另外12個噴 嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處60mm高度上，同一高度的12個噴嘴均勻分布在橫截面 上；冷卻介質噴嘴4的出口截面為圓形，空間安裝角度β為90°，γ為0°。等離子體炬採用氫氣作為工作氣體，輸入功率為3. 8 4. 2MW,氫氣流量為100 110kg/h，氫等離子體的平均溫度超過3000K，中心區域溫度為5000 6000K。裂解產物溫 度為1200 1500K，速度為150 200m/s。裂解產物在快速冷卻裝置中使用冷卻介質水進 行冷卻，使用冷卻水量為3. 5t/h，較傳統的圓形截面快速冷卻裝置使用水量減少約15%。 裂解產物出口溫度為400 600K，對取得的產品氣體樣品分析，乙炔濃度(V/V)7. 50 8. 60%，較原來提高約1.5個百分點。實施例3圖4所示快速冷卻裝置3的橫截面為橢圓形，橢圓長軸長300mm，短軸長150mm ；冷 卻介質噴嘴4的數目為M個，12個噴嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處30mm高度上，另外
512個噴嘴安裝在距快速冷卻裝置3入口處60mm高度上，同一高度的12個噴嘴均勻分布在 橫截面上；冷卻介質噴嘴4的出口截面為方形，長20mm，寬5mm，空間安裝角度α為45°， β為90°，Y為0° (如圖3所示)。 等離子體炬採用氫氣作為工作氣體，輸入功率為3. 8 4. 2MW,氫氣流量為100 110kg/h，氫等離子體的平均溫度超過3000K，中心區域溫度為5000 6000K。裂解產物溫 度為1200 1500K，速度為150 200m/s。裂解產物在快速冷卻裝置中使用冷卻介質水進 行冷卻，使用冷卻水量為2. 5t/h，採用方形噴嘴較圓形噴嘴使用水量減少約15%。裂解產 物出口溫度為400 600K，對取得的產品氣體樣品分析，乙炔濃度(V/V) 7. 50 8. 60%，較 原來提高約1.5個百分點。
權利要求
1.一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，由等離子體發生裝置 (1)、等離子體反應器(2)、等離子體快速冷卻裝置(3)和冷卻介質噴嘴(4)組成，其特徵在 於，等離子體快速冷卻裝置C3)的橫截面為橢圓的二維封閉圖形，橫截面周長P與橫截面面 積A的1/2次方的比值為3. 55 7，橫截面的長軸與短軸的比值為1 8，所述長軸定義為 橫截面內具有最大距離的兩點所在的直線，短軸為所述橫截面內具有最小距離的兩點所在 的直線；冷卻介質噴嘴(4)安裝在等離子體冷卻裝置(3)內壁的相同或不同高度的橫截面 上，並在等離子體冷卻裝置C3)橫截面上進行均勻或非均勻分布。
2.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，其 特徵在於，冷卻介質噴嘴(4)數目為6 48個。
3.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，其 特徵在於，冷卻介質噴嘴出口截面為圓形、橢圓或方形。
4.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，其 特徵在於，冷卻介質噴嘴(4)為非圓形面的橫截面長軸與等離子體快速冷卻裝置(3)的橫 截面具有交角α，冷卻介質噴嘴(4)所在的等離子體快速冷卻裝置C3)橫截面的圓周面與 冷卻介質噴嘴⑷中心線交點處的切線與冷卻介質噴嘴(4)中心線成交角β，冷卻介質噴 嘴中心線與等離子體快速冷卻裝置(3)的橫截面具有交角Y ；其中α為0° 45°， β 為 45° 135°，γ 為-45° 45°。
5.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，其 特徵在於，冷卻介質噴嘴(4)均勻或非均勻分布在等離子體冷卻裝置(3)的不同高度的橫 截面上，安裝冷卻介質噴嘴的不同高度的橫截面數目為1 4。
6.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置，其 特徵在於，冷卻介質噴嘴(4)使用的冷卻介質包括循環水、純水、水煤漿上清液、氣相冷凝 水以及它們的混合物；高C/H質量比的物質為含戊烷在內的(5以下氣態烷烴、天然氣、焦 爐氣、煉油廠氣、乙炔尾氣、乙烯廢氣以及它們的混合氣；苯、粗苯及苯的同系物；C6及以上 的脂肪烴的單一或其混合液體；液化石油氣、石油分餾物及殘渣、汽油、粗汽油、煤油、原油、 浙青、粗柴油、渣油、焦油砂油和頁巖油、煤生油、煤焦油、循環汽油、焦化粗柴油的糠醛萃取 物、煤粉以及它們的混合物。
7.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解制乙炔過程的毫秒級快速冷卻 裝置，其特徵在於，等離子體反應器O)出口處的流體是高溫氣固混合物，包括含C2H2、CH4、 CO、H2和(X)2的裂解氣，以及氣態焦油、炭黑和反應後的煤粉。
8.根據權利要求1所述的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置， 其特徵在於，流體經過等離子體反應器O)出口到等離子體冷卻裝置(3)出口的時間為 0. 1 10ms。
全文摘要
本發明公開了屬於煤化工領域，用於高溫氣體、氣液、氣固及氣液固多相混合物的毫秒級快速冷卻的一種應用於等離子體煤裂解過程的毫秒級快速冷卻裝置。該裝置包括等離子體發生裝置、等離子體反應器、等離子體快速冷卻裝置和冷卻介質噴嘴。等離子體快速冷卻裝置的橫截面為包括但不限於橢圓的二維封閉圖形，冷卻介質噴嘴安裝在冷卻裝置內壁的相同或不同高度的橫截面上，並根據冷卻效果的不同在冷卻裝置橫截面上進行均勻或非均勻分布。本發明所述裝置縮短了冷卻介質進入高溫區的距離，提高冷卻效率；在放大過程中，無放大效應；可以將化學冷卻和物理冷卻相結合，提高過程綜合價值。
文檔編號C07C11/24GK102068953SQ201010551088
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者劉軍, 周軍, 熊新陽, 程易, 章莉, 顏彬航 申請人:新疆天業(集團)有限公司, 清華大學