一種電弧加熱煤粉制乙炔反應器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及乙炔制備技術領域，尤其涉及一種電弧加熱煤粉制乙炔反應器。
【背景技術】
[0002]相對于電石法制乙炔，電弧等離子體熱解煤粉制乙炔，由于節約資源、減少污染排放、能耗低等優點，被認為是對電石法生產乙炔的革命。
[0003]用于工業生產的電弧加熱煤粉制乙炔的反應器裝置必須同時滿足:(I)穩定、長時間、足夠高的電弧功率；(2)足夠高的電能利用效率；(3)避免反應器和電極結焦。這些要求涉及因素眾多，相互關聯，難以兼顧。例如:高溫的電弧等離子體對煤粉的加熱速度快，達到化學平衡時間短，反應速度快，煤熱解氣化后在1800?3500K溫度區間迅速生成乙炔，但維持時間必須極短，小于幾毫秒，因為C-H氣體體系中的碳原子會不斷地結合，沉積為碳黑，屬不可逆反應，維持時間長會造成乙炔收率降低;又由于等離子體能量高度集中，體積小，僅依靠氣體傳熱難以使煤粉區溫度很快均勻上升，未進入高溫區的煤粉不能氣化或不能完全氣化，煤粉在低溫區釋放的揮發份也容易轉化成焦油和甲烷，不能得到乙炔，而高溫區煤粉濃度低也造成乙炔生成能耗增加，因而造成煤粉耗量高、乙炔生成能耗高的問題。因此，煤粉與等離子體或高溫氣體必須在極短的時間內混合均勻。
[0004]已發展的多種電弧加熱煤粉制乙炔的方法與裝置，如專利文件UK2145591、US3989512A、US3931542A、US410588、US5406046A、US7030336B1、UA77739C2、JP225100-91、CN0、CN201410787386.5等，部分較好解決工業化反應器的一些問題，但總是存在部分不足，不能滿足工業化要求的全部條件。
[0005]例如，等離子體炬有利于提高加熱功率、電弧穩定、由于小電流而延長電極壽命、可以避免電極結焦，但等離子炬本身就產生大于15%的能耗，而且，為了提高等離子體炬的熱效率和電弧的穩定，需要大量使用工質氣體，幾乎占用了反應所需氣氛的大部分氣體，煤粉只能以少量氣體輸送，造成煤粉輸送困難。然而，不采用等離子體炬，在反應器中直接采用電弧加熱則存在煤粉在電極上結焦等問題，并且電弧電壓難以提高從而電弧功率難以滿足工業規模要求，而依靠提高電弧電流的方法來提高加熱功率則帶來電極損耗增加的問題，且由于電弧的自收縮特性，提高電流并不能使等離子體體積空間成正比增加，給煤粉與等離子體混合和均勻加熱帶來困難，使得反應器能效降低。

【發明內容】

[0006]基于【背景技術】存在的技術問題，本發明提出了一種電弧加熱煤粉制乙炔反應器。所述反應器能使電弧等離子體與煤粉快速混合均勻，并提高反應區溫度的均勻性，從而提高產品均勻性和能效性，并且具有功率大、能效高、可避免反應器壁結焦等多個優點，從而兼顧工業應用多種需求。
[0007]本發明提出的一種電弧加熱煤粉制乙炔反應器，包括反應器，反應器內部具有反應內腔，在反應器的一端設有第一煤粉噴嘴，另一端設有產物出口，在第一煤粉噴嘴的中心設有一個電弧電極;在靠近第一煤粉噴嘴一端的反應器上設有η支電弧等離子體炬，η支電弧等離子體炬與反應內腔聯通，η 2 3;η支電弧等離子體炬同向旋轉布置在反應內腔的同一橫截面上，且每支電弧等離子體炬的中軸線與反應內腔的中軸線之間的夾角為α，η支電弧等離子體炬的中軸線在反應內腔的橫截面上投影后在反應內腔的橫截面上存在一個公共切圓，所述公共切圓位于第一煤粉噴嘴下方的反應內腔中。
[0008]優選地，α為45°?105°。
[0009]優選地，所述反應內腔的橫截面為圓形或正多邊形;優選地，所述公共切圓的直徑為所述反應內腔最小橫截面園直徑或多邊形對角線長度的O?1/3。
[0010]優選地，η支電弧等離子體炬為轉移弧等離子炬，η支轉移弧等離子體炬的極性都相同，且與第一煤粉噴嘴中心的電弧電極的極性相反，η支等離子體炬產生的電弧在所述公共切圓內匯聚，并與電弧電極產生的電弧在所述公共切圓內下方聯通。
[0011]優選地，η支電弧等離子體炬為轉移弧等離子炬，η支轉移弧等離子體炬中任意相鄰兩支轉移弧等離子體炬的極性相反，η 2 4且為偶數，η支轉移弧等離子體炬產生的電弧在所述公共切圓周圍匯聚、聯通，并與第一煤粉噴嘴中心的電弧電極產生的電弧在所述公共切圓內下方聯通。
[0012]優選地，將第一煤粉噴嘴中心的電弧電極懸空，η支轉移弧等離子體炬中任意相鄰兩支等離子體炬的極性相反，η 2 4，且為偶數，η支等離子體炬產生的電弧在所述公共切圓周圍匯聚、聯通。
[0013]優選地，以氣體輸送方式將煤粉注入η支電弧等離子體炬的電弧通道中，所述煤粉進入所述電弧等離子體炬的電弧通道時的密度分布和速度分布繞等離子體炬軸向旋轉對稱，并在所述電弧通道中與電弧等離子體軸向流動方向一致;優選地，在η支電弧等離子體炬的電弧通道外周面上旋轉對稱設有多個第二煤粉噴嘴，以氣體輸送方式將煤粉從多個第二煤粉噴嘴切向注入到η支電弧等離子體炬電弧通道內，各煤粉噴嘴的通過的氣流量、煤粉量相同；更優選地，以氣體輸送方式將煤粉在所述電弧等離子體炬的電弧通道軸向上分多級注入，優選地，多個第二煤粉噴嘴在電弧等離子體炬的電弧通道外周面上軸向多層分布。
[0014]優選地，多個第二煤粉噴嘴的煤粉注入量為反應器煤粉注入總量的1/2?I。
[0015]優選地，轉移弧等離子體炬的電弧電流為100?1000Α，轉移弧等離子體炬噴管內的弧電壓大于所述等離子體炬總工作弧電壓的1/2;優選地，轉移弧等離子體炬噴管內的弧電壓大于所述等離子體炬總工作弧電壓的2/3。
[0016]優選地，在η支電弧等離子體炬下方的反應器上設有多個粉體噴嘴，多個粉體噴嘴噴出的粉體注入到反應內腔的壁面上形成粉體保護層，且具有向產物出口方向流動的軸向分量;優選地，在η支電弧等離子體炬下方的反應器上傾斜旋轉設有多個粉體噴嘴，多個粉體噴嘴噴出的粉體切向注入到反應內腔的壁面上形成粉體保護層;更優選地，粉體為煤粉熱解反應后不含揮發份的含碳灰粉。
[0017]優選地，在η支電弧等離子炬上方或者下方的反應器上還設有m支電弧等離子體炬，所述m支電弧等離子體炬在反應內腔軸向上設置至少一層，每層電弧等離子體炬都同向旋轉布置在反應內腔的同一橫截面上，且都存在一個公共切圓，同時每層電弧等離子體炬的旋轉方向都與所述η支電弧等離子炬的旋轉方向相同。
[0018]本發明提出的一種電弧加熱煤粉制乙炔反應器，工作過程中，通過上述結構設定的η支電弧等離子體炬，其噴出的等離子體炬高溫氣體射流中心與所述公共切圓相切，由此匯聚于所述公共切圓的周圍，并產生高速旋轉流動的高溫氣體渦旋;與此同時，當電弧等離子體炬為轉移弧等離子體炬時，轉移弧等離子體炬產生的電弧在切圓周圍或且切圓內匯聚，并與第一煤粉噴嘴中心的電極電弧在所述公共切圓內上下附近聯通。因此，本發明中，第一煤粉噴嘴中心的高溫等離子體射流和第一煤粉噴管煤粉氣體混合流、等離子體炬中心產生的高溫高速等離子體射流和被加速的煤粉氣體混合流在所述公共切圓附近匯聚，形成向產物出口流動高速渦旋區，高速渦旋區在向產物出口游流動過程中擴展至反應器整個截面;高溫氣體與溫度相對較低煤粉氣體混合流迅速混合均勻，在此過程煤粉被迅速加熱氣化，氣態物質迅速達到化學熱力學平衡狀態，在反應器出口經高速淬冷，從而收獲乙炔、氫氣、一氧化碳和其他氣體、以及殘炭等產品。
[0019]其中，由于高速渦旋區的存在，使煤粉原料與高溫氣體迅速混合均勻，并在反應器截面內迅速擴散，從而分布均勻，形成均勻的高溫氣體-煤粉顆粒兩相流，并向反應器下方快速流動，在此過程中煤粉被加熱，產生物理或/和化學反應，從產物出口流出反應器。此外由于等離子體射流速度可達每秒數百米甚至千米以上，渦旋區旋轉線速度極高，而反應器直徑