一種熱等離子體反應(yīng)器的連續(xù)清焦方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種熱等離子體反應(yīng)器的連續(xù)清焦方法，在裂解反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，連續(xù)通入清焦氣體，通過(guò)與結(jié)焦物發(fā)生反應(yīng)完成清焦；所述的清焦氣體為二氧化碳或二氧化碳與氫氣的混合氣。本清焦方法不會(huì)對(duì)裂解氣流量和組成造成較大影響，可以連續(xù)進(jìn)行，具有清焦時(shí)間短、清焦效率高的特點(diǎn)，而且更加安全、能耗更低，適合于不同類型的熱等離子體反應(yīng)器，且針對(duì)不同性質(zhì)及不同含量的結(jié)焦物均具有顯著的清除效果。
【專利說(shuō)明】一種熱等離子體反應(yīng)器的連續(xù)清焦方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文涉及熱等離子體高溫下的反應(yīng)工程領(lǐng)域，特別涉及一種熱等離子體反應(yīng)器的 連續(xù)清焦方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著石油資源的逐漸耗竭和油價(jià)的不斷上漲，人們紛紛將目光投向資源更加豐富 的煤。乙炔作為可從煤中大量獲取的基礎(chǔ)化工原料，對(duì)石油及乙烯下游產(chǎn)品有很好的替代 性。我國(guó)生產(chǎn)乙炔的方法有電石水解法和甲烷部分氧化法兩種，前者生產(chǎn)流程長(zhǎng)、C0 2排放 量大、污染嚴(yán)重，后者則受限于國(guó)內(nèi)有限的天然氣資源。
[0003] 熱等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)利用熱等離子體高溫（> 3000K)、高焓、富含活性 粒子的特點(diǎn)，首先將煤粉通入熱等離子體中，使其快速升溫?zé)峤?、釋放出揮發(fā)分，并發(fā)生毫 秒級(jí)裂解反應(yīng)，裂解氣淬冷后可得到乙炔為主要成分的裂解氣。該技術(shù)用水量少、不額外產(chǎn) 生C0 2、也無(wú)嚴(yán)峻的廢水處理問題，是一種典型的清潔、高效煤轉(zhuǎn)化過(guò)程，具有很好的發(fā)展前 旦 -5^ 〇
[0004] 目前對(duì)熱等離子體裂解煤、烴類等富含碳?xì)浠衔镌现埔胰驳臋C(jī)理及工藝研究 已基本成熟，美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)還分別建立了 1?5MW熱等離子體裂解煤制乙炔中試裝置， 開展了大量的工程研究工作，證明了該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。
[0005] 但是在煤粉進(jìn)入等離子體反應(yīng)器內(nèi)，在發(fā)生裂解反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)器內(nèi)壁不斷有 結(jié)焦物生成并逐漸變厚，造成反應(yīng)器內(nèi)壁的直徑縮小，增加氣體流動(dòng)的阻力，極大地破壞系 統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響著該技術(shù)的工業(yè)化。因此，如何徹底、高效的清焦成為產(chǎn)業(yè)化過(guò) 程中急需解決的關(guān)鍵問題。
[0006] 常用的清焦方法包括物理清焦和化學(xué)清焦。物理清焦法，如機(jī)械清焦或激波清焦， 機(jī)械清焦法是采用刮削器清除結(jié)焦物，優(yōu)點(diǎn)是不影響反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行，缺點(diǎn)是刮削器易 燒損,且對(duì)材料要求很高。
[0007] 化學(xué)清焦法是向反應(yīng)器中通入氧氣或水（水蒸氣），直接與壁面的結(jié)焦物反應(yīng)，達(dá) 到快速清焦的目的。其中，氧氣清焦法的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但若通入的氧氣與氫 氣混合時(shí)操作不當(dāng)，有爆炸的危險(xiǎn)；水（水蒸氣）清焦法效果雖好，但能耗較高，水蒸氣冷凝 還容易引起設(shè)備短路，存在安全隱患。
[0008] 另外，由于煤、烴類等含碳?xì)浠衔锏牧呀夥磻?yīng)原料會(huì)與氧氣或水（水蒸氣）發(fā)生 反應(yīng)，影響清焦過(guò)程，故清焦時(shí)必須停止裂解反應(yīng)，因此，現(xiàn)有的氧氣清焦法和水（水蒸氣） 清焦法均為間歇式操作，這種裂解反應(yīng)與清焦交替進(jìn)行的方式不可避免的導(dǎo)致裂解氣流量 和組成發(fā)生巨大波動(dòng)，影響后續(xù)的裂解氣除塵和分離過(guò)程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種新型的連續(xù)清焦方法，以二氧化碳或二氧化碳與氫氣的混合氣 作為清焦氣體，不會(huì)對(duì)裂解氣流量和組成造成較大影響，具有清焦時(shí)間短、清焦效率高的特 點(diǎn)，而且更加安全、能耗更低。
[0010] 本發(fā)明公開了一種熱等離子體反應(yīng)器的連續(xù)清焦方法，在裂解反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中， 連續(xù)通入清焦氣體，通過(guò)與結(jié)焦物發(fā)生反應(yīng)完成清焦；
[0011] 所述的清焦氣體為二氧化碳或二氧化碳與氫氣的混合氣。
[0012] 本發(fā)明中，在熱等離子體裂解反應(yīng)的同時(shí)，向反應(yīng)器中連續(xù)通入清焦氣體，清焦氣 體在反應(yīng)器的高溫、高焓、富含活性粒子的等離子體環(huán)境中，與反應(yīng)器內(nèi)壁的結(jié)焦物接觸并 發(fā)生反應(yīng)，從而將結(jié)焦物清除干凈。
[0013] 當(dāng)清焦氣體為二氧化碳時(shí)，C02可在高溫下與碳反應(yīng)生成C0,該反應(yīng)在碳表面分兩 步進(jìn)行，第一步：co2分子接近碳表面，其中一個(gè)氧在碳表面生成氧化復(fù)合物并解離出一分 子C0,第二步：氧化復(fù)合物分解并從碳表面脫附生成另一分子C0,結(jié)焦物的主要成分是碳， 因此在熱等離子體高溫狀態(tài)下，通過(guò)co 2與碳的兩步反應(yīng)可以達(dá)到清焦的目的；
[0014] 當(dāng)清焦氣體為二氧化碳與氫氣的混合氣時(shí)，部分C02按上述機(jī)理與結(jié)焦物發(fā)生反 應(yīng)從而清除結(jié)焦物，此外，C02還與H2在熱等離子體高溫下發(fā)生逆水汽變換反應(yīng)，反應(yīng)生成 的水蒸汽等離子體可以與結(jié)焦物發(fā)生快速反應(yīng)，起到清焦的作用。因此，以二氧化碳與氫氣 的混合氣作為清焦氣體時(shí)，兩種清焦作用同時(shí)發(fā)生，起到協(xié)同作用，提高了清焦速率及清焦 效果。因此，優(yōu)選清焦氣體為二氧化碳與氫氣的混合氣。
[0015] 作為優(yōu)選，混合氣中二氧化碳的含量為彡20vol%。
[0016] 所述的二氧化碳與氫氣在熱等離子體反應(yīng)器外預(yù)混合；
[0017] 或者是，將二氧化碳與氫氣分別通入熱等離子體反應(yīng)器后在反應(yīng)器中混合。
[0018] 所述熱等離子體裂解反應(yīng)采用的熱等離子體由工作氣體經(jīng)電弧放電產(chǎn)生的，其溫 度一般在2, 000K以上，最高可以高于10, 000K。作為優(yōu)選，所述工作氣體為氫氣、氦氣、氮?dú)?中的至少一種。
[0019] 當(dāng)選擇二氧化碳與氫氣的混合氣作為清焦氣體，同時(shí)選擇的工作氣體為氫氣或含 有氫氣的混合氣體時(shí)，該工作氣體中的氫氣可以直接代替清焦氣體中的氫氣，因此，只需向 反應(yīng)器中通入二氧化碳即可。
[0020] 為了不影響裂解反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行，作為優(yōu)選，所述二氧化碳的含量為通入反應(yīng)器 內(nèi)總氣體含量的〇. 1?30vol%;進(jìn)一步優(yōu)選為0. 5?lOvol%。所述的通入反應(yīng)器內(nèi)總氣 體含量包括通入的工作氣體和通入的清焦氣體的總含量。通過(guò)改變通入C02的量，可以調(diào) 節(jié)清焦反應(yīng)的速率，在上述優(yōu)選的含量時(shí)，既能夠滿足對(duì)清焦的要求，又不至于對(duì)裂解反應(yīng) 產(chǎn)生太大的影響。
[0021] 所述熱等離子體裂解反應(yīng)的原料包括煤、氣態(tài)或液態(tài)的烴類、生物質(zhì)，以及其它富 含碳?xì)浠衔锏奈镔|(zhì)。雖然不同原料的元素組成有較大差異，導(dǎo)致其產(chǎn)生的結(jié)焦物的含量 差異很大、性質(zhì)上也有所差別，但這些結(jié)焦物均可用本發(fā)明的清焦方法進(jìn)行清除。因此，本 發(fā)明的清焦方法具有廣泛的適用性。
[0022] 所述的裂解反應(yīng)器包括電弧法裂解反應(yīng)器和射流法裂解反應(yīng)器兩種類型。電弧法 裂解反應(yīng)器的原料一般從電弧上游通入反應(yīng)器中，射流法裂解反應(yīng)器的原料從等離子體射 流側(cè)面通入反應(yīng)器中。
[0023] 本發(fā)明中清焦氣體沿反應(yīng)器內(nèi)壁通入，一方面，C02或C02與H2生成的H 20等離子 體主要存在于反應(yīng)器壁的附近，對(duì)裂解反應(yīng)的影響較?。涣硪环矫?，更利于結(jié)焦物的清除。
[0024] 通入的方式有兩種，一種是沿反應(yīng)器內(nèi)壁以軸向通入反應(yīng)器中，另一種是沿反應(yīng) 器內(nèi)壁以切向通入反應(yīng)器中。優(yōu)選清焦氣體以切向通入反應(yīng)器，由于離心力的作用而使清 焦氣體緊貼反應(yīng)器的內(nèi)壁，可以進(jìn)一步減小清焦氣體對(duì)裂解反應(yīng)的影響。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0026] 1)連續(xù)操作：不必中斷裂解反應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器清焦，裂解氣組成和流量波動(dòng) 小，有利于后續(xù)的氣體分離；
[0027] 2)經(jīng)濟(jì)性好：C02來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，C02清焦過(guò)程能耗低，大大降低了清焦過(guò)程 的成本；
[0028] 3)安全性高：C02化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不燃燒也無(wú)爆炸性危險(xiǎn)，也不會(huì)引起設(shè)備短路；
[0029] 4)綠色環(huán)保：采用0)2清焦可以降低碳排放量，清焦的產(chǎn)物為0)和!1 2，不會(huì)產(chǎn)生二 次污染；
[0030] 5)適應(yīng)性廣：C02清焦適合于不同類型的熱等離子體反應(yīng)器，且針對(duì)不同性質(zhì)及不 同含量的結(jié)焦物均具有顯著的清除效果。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 實(shí)施例1
[0032] 采用電弧法裂解反應(yīng)器，以H2放電產(chǎn)生熱等離子體，以甲烷為裂解原料。在裂解反 應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，將C0 2貼著反應(yīng)器內(nèi)壁以切向連續(xù)通入反應(yīng)器中，進(jìn)行清焦反應(yīng)。C02的通 入量為總氣體量的〇. 5vol %，裂解反應(yīng)進(jìn)行2hr后打開反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)沒有結(jié)焦物殘留。
[0033] 實(shí)施例2
[0034] 采用射流法裂解反應(yīng)器，以H2放電產(chǎn)生熱等離子體，以甲烷為裂解原料。在裂解反 應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，將co 2貼著反應(yīng)器內(nèi)壁以軸向連續(xù)通入反應(yīng)器中，進(jìn)行清焦反應(yīng)。co2的通 入量為總氣體量的0. 5vol %，裂解反應(yīng)進(jìn)行2hr后打開反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)沒有結(jié)焦物殘留。
[0035] 實(shí)施例3
[0036] 采用電弧法裂解反應(yīng)器，以H2和Ar混合氣（H2含量為70vol % )放電產(chǎn)生熱等離 子體，以甲烷為裂解原料。在裂解反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，將C02貼著反應(yīng)器內(nèi)壁以切向連續(xù)通入 反應(yīng)器中，進(jìn)行清焦反應(yīng)。C0 2的通入量為總氣體量的1. Ovol%，裂解反應(yīng)進(jìn)行2hr后打開 反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)沒有結(jié)焦物殘留。
[0037] 實(shí)施例4
[0038] 采用電弧法裂解反應(yīng)器，以H2放電產(chǎn)生熱等離子體，以甲烷為裂解原料。在裂解反 應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，將〇) 2和氫氣的混合氣（C02含量為50vol%)貼著反應(yīng)器內(nèi)壁以切向連續(xù) 通入反應(yīng)器中，進(jìn)行清焦反應(yīng)。C0 2的通入量為總氣體量的0. 5vol %,裂解反應(yīng)進(jìn)行2hr后 打開反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)沒有結(jié)焦物殘留。
[0039] 實(shí)施例5
[0040] 采用電弧法裂解反應(yīng)器，以H2放電產(chǎn)生熱等離子體，以煤為裂解原料。在裂解反 應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，將co2貼著反應(yīng)器內(nèi)壁以軸向連續(xù)通入反應(yīng)器中，進(jìn)行清焦反應(yīng)。co2的通 入量為總氣體量的5. Ovol %，裂解反應(yīng)進(jìn)行2hr后打開反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)沒有結(jié)焦物殘留。
[0041] 實(shí)施例6
[0042] 采用電弧法裂解反應(yīng)器，以H2放電產(chǎn)生熱等離子體，以生物質(zhì)為裂解原料。在裂解
【權(quán)利要求】
1. 一種熱等離子體反應(yīng)器的連續(xù)清焦方法，其特征在于，在裂解反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，連續(xù) 通入清焦氣體，通過(guò)與結(jié)焦物發(fā)生反應(yīng)完成清焦； 所述的清焦氣體為二氧化碳或二氧化碳與氫氣的混合氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述的清焦氣體為二氧化碳與 氫氣的混合氣，混合氣中二氧化碳的含量> 20vol %。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述的二氧化碳與氫氣在熱等 離子體反應(yīng)器外預(yù)混合；或者是，將二氧化碳與氫氣分別通入熱等離子體反應(yīng)器后在反應(yīng) 器中混合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述裂解反應(yīng)的工作氣體為氫 氣、氦氣、氮?dú)庵械闹辽僖环N。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述二氧化碳的含量為通入反 應(yīng)器內(nèi)總氣體含量的〇. 1?30vol%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述二氧化碳的含量為通入反 應(yīng)器內(nèi)總氣體含量的〇. 5?lOvol%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述的清焦氣體沿反應(yīng)器內(nèi)壁 通入。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)清焦方法，其特征在于，所述的清焦氣體沿反應(yīng)器內(nèi)壁 以軸向或切向通入。
【文檔編號(hào)】B08B9/08GK104056829SQ201410241773
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】任其龍, 蘇寶根, 聞光東, 邢華斌, 鮑宗必, 張治國(guó), 楊啟煒, 陳豐秋, 何潮洪, 陳新志, 吳忠標(biāo), 榮岡, 陳隆道 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)