一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统和方法与流程

本发明属于煤裂解技术领域，具体涉及一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统和方法。

背景技术：

乙炔是一种非常重要的有机化工原料，在石油乙烯工业普遍应用以前，通过乙炔的一系列化学反应可以衍生出乙烯、氯乙烯、三氯乙烯、醋酸乙烯、丙烯腈、聚丙烯腈、氯丁橡胶等化工产品。此外，乙炔在金属加工、焊接、切割等领域也起着非常重要的作用。

工业生产乙炔的传统方法有电石水解法和甲烷部分氧化法，这两种方法发展时间较长，工艺比较成熟，但是缺点明显。电石水解法耗能高、对设备要求高、污染严重，发达国家于十多年前陆续关闭了此法的生产装置。我国90％以上的乙炔通过电石水解法获得，但随着产业政策和能源政策的调整，电石水解法的发展空间日益压缩。甲烷部分氧化法虽然污染较小，但技术复杂、投资大。

煤炭是我国的主要化石能源，煤炭的高效清洁利用是缓解石油短缺、确保能源安全的关键。等离子体裂解烷烃制乙炔技术出现于20世纪初期，该技术利用氢等离子体高温、高焓、富含活性离子的特点。整个工艺过程中不额外产生co2，用水少且可循环利用。因此，该技术是一种典型的清洁、高效的烷烃转化过程，具有良好的发展前景。

等离子体裂解煤的工艺过程是将煤粉在氢等离子体裂解环境下产生乙炔、乙烯等工业原料气体，既能打破电石法制乙炔的传统，又是一种高效利用煤炭资源的有效途径。但等离子体裂解煤固体产物产出量极大，能否有效利用直接影响等离子体裂解煤制乙炔整套工艺的经济性。固体产物碳含量高、反应性强、初始孔隙率高，是一种宝贵的碳素资源。若直接将固体产物作燃料使用，其粒径小，操作困难，容易造成粉尘污染；若丢弃或置之不理，既是资源浪费，又容易造成环境污染。因此不管是从经济角度还是从资源利用、环境保护的角度考虑，等离子体裂解煤固体产物的利用研究都具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统和方法，将煤与气化气等离子体共裂解、裂解固体产物气化、高温气化气对煤粉预热等技术相耦合，提高了原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率；同时，降低了过程的能耗，为等离子体裂解固体产物的高效利用提供了一种有效途径，既减小资源浪费，又避免了环境污染。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统，包括：等离子体裂解单元、淬冷单元、多相分离单元、和气体分离单元，其中，

所述等离子体裂解单元具有煤粉与气化气混合入口、氢气入口、氢气混合气入口和裂解产物出口；

所述淬冷单元的入料口与所述裂解产物出口连接，所述淬冷单元的出料口与所述多相分离单元的入料口连接，将裂解产物淬冷后，送入所述多相分离单元进行多相分离后得到气体混合物；

所述气体分离单元的气体混合物入口与所述多相分离单元的气体混合物出口连接，所述气体混合物在所述气体分离单元进行气体分离处理，分别得到乙炔和氢气混合气；

所述气体分离单元的氢气混合气与所述氢气混合气入口连接，将所述氢气混合气经所述氢气混合气入口送至所述等离子体裂解单元。

进一步的，还包括：制浆单元，

所述制浆单元分别与所述淬冷单元、多相分离单元连接，分别将淬冷单元产生的淬冷污水和多相分离单元产生的未反应的含碳固体、污水送至所述制浆单元中；

所述制浆单元具有添加剂入口，添加剂与所述淬冷污水、污水、未反应的含碳固体制备水煤浆。

进一步的，还包括：水煤浆气化单元，

所述水煤浆气化单元与所述制浆单元连接，对所述水煤浆进行气化；

所述水煤浆气化单元具有氧气入口。

进一步的，还包括：煤粉预热混合单元，

所述煤粉预热混合单元与所述水煤浆气化单元连接，将所述水煤浆气化单元产生的高温气化气送至所述预热混合单元中与煤粉混合、预热；

所述煤粉预热混合单元的煤粉与气化气混合出口与所述煤粉与气化气混合入口连接。

进一步的，还包括：原煤破碎单元，

所述原煤破碎单元与所述煤粉预热混合单元连接，将破碎的原煤送至所述煤粉预热混合单元中；

所述原煤破碎单元与原煤仓连接。

一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的方法，包括以下步骤：

1）向等离子体裂解单元中通入氢气，将混合的煤粉和气化气送至所述等离子体裂解单元，煤粉和气化气遇到氢等离子体后瞬间发生裂解，生成裂解产物；

2）将裂解产物进行淬冷，得到淬冷污水和气固液混合物；

3）将气固液混合物送至所述多相分离单元，分离得到未反应的含碳固体、污水和气体混合物；

4）将气体混合物送至所述气体分离单元，分离得到乙炔和氢气混合气，同时，将氢气混合气送至所述等离子体裂解单元作为等离子介质。

进一步的，将步骤2）和步骤3）中得到的所述淬冷污水、污水和未反应的含碳固体送至制浆单元中制备水煤浆，制备水煤浆的原料中含碳固体与污水的质量比为65%：34%至72%：25%；制备的水煤浆的浓度为57%-70%。

进一步的，将所述水煤浆送至水煤浆气化单元气化，并将得到的气化气送至煤粉预热混合单元，所述气化气中二氧化碳体积组分为12-17%、一氧化碳体积组分45-50%、氢气体积组分为33-38%；

所述气化气与煤粉混合并利用气化气的热量对煤粉预热，水煤浆气化温度为1200-1400℃。

进一步的，将原煤仓内的原煤经所述原煤破碎单元破碎为煤粉，将煤粉送至煤粉预热混合单元中；所述煤粉的粒径小于100微米。

进一步的，所述气体混合物中乙炔的体积含量为65%-85%；所述等离子体裂解单元中气化气和氢气的体积比为2:1至1:1。

本发明的有益效果在于：将煤与气化气等离子体共裂解、裂解固体产物气化、高温气化气对煤粉预热等技术相耦合，提高了原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率；同时，降低了过程的能耗，为等离子体裂解固体产物的高效利用提供了一种有效途径，既减小资源浪费，又避免了环境污染。

附图说明

图1为本发明等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统示意图。

图2为本发明等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的方法示意图。

其中，1.原煤仓2.原煤破碎单元3.煤粉预热混合单元4.等离子体裂解单元5.淬冷单元6.多相分离单元7.制浆单元8.水煤浆气化单元9.气体分离单元a.原煤b.氢气c.氧气d.添加剂e.污水f.乙炔g.氢气混合气。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统，图1为本发明等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统示意图，如图1所示,主要包括等离子体裂解单元、淬冷单元、多相分离单元、和气体分离单元，其中，所述等离子体裂解单元具有煤粉与气化气混合入口、氢气入口、氢气混合气入口和裂解产物出口；所述淬冷单元的入料口与所述裂解产物出口连接，所述淬冷单元的出料口与所述多相分离单元的入料口连接，将裂解产物淬冷后，送入所述多相分离单元进行多相分离后得到气体混合物；所述气体分离单元的气体混合物入口与所述多相分离单元的气体混合物出口连接，所述气体混合物在所述气体分离单元进行气体分离处理，分别得到乙炔和氢气混合气；所述气体分离单元的氢气混合气与所述氢气混合气入口连接，将所述氢气混合气经所述氢气混合气入口送至所述等离子体裂解单元。

向等离子体裂解单元中通入氢气，产生氢等离子体，煤粉与气化气的气固混合物进入等离子体裂解单元，气固混合物遇到氢等离子体后瞬间发生裂解，生成裂解产物，将裂解产物在淬冷单元中进行淬冷，得到淬冷污水和气固液混合物，将气体混合物送至所述气体分离单元，分离得到乙炔和氢气混合气，同时，将氢气混合气送至所述等离子体裂解单元作为等离子介质。

由此，本发明的等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统，将煤与气化气等离子体共裂解、裂解固体产物气化、高温气化气对煤粉预热等技术相耦合，提高了原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率；同时，降低了过程的能耗，为等离子体裂解固体产物的高效利用提供了一种有效途径，既减小资源浪费，又避免了环境污染。

根据本发明的具体实施例，本发明还包括制浆单元、水煤浆气化单元和煤粉预热混合单元，所述制浆单元分别与所述淬冷单元、多相分离单元连接，分别将淬冷单元产生的淬冷污水和多相分离单元产生的未反应的含碳固体、污水送至所述制浆单元中；所述制浆单元具有添加剂入口，添加剂与所述淬冷污水、污水、未反应的含碳固体制备水煤浆。所述水煤浆气化单元与所述制浆单元连接，对所述水煤浆进行气化；所述水煤浆气化单元具有氧气入口。所述煤粉预热混合单元与所述水煤浆气化单元连接，将所述水煤浆气化单元产生的高温气化气送至所述预热混合单元中与煤粉混合、预热；所述煤粉预热混合单元的煤粉与气化气混合出口与所述煤粉与气化气混合入口连接。

本发明将淬冷过程产生的污水用于水煤浆的制浆水，减少了污水处理费用，利用水煤浆气化产生的气化气对煤粉预热，然后将煤粉和气化气一起裂解，极大地提高了原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率。

根据本发明的具体实施例，本发明还包括原煤破碎单元，所述原煤破碎单元与所述煤粉预热混合单元连接，将破碎的原煤送至所述煤粉预热混合单元中；所述原煤破碎单元与原煤仓连接。本发明的对于原煤破碎单元的具体结构不作特别的限制，允许采用多种结构形式，例如破碎机。

根据本发明的另一方面，图2为本发明等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的方法示意图，如图2所示，本发明提供了一种利用等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统制备乙炔的方法，具体包括以下步骤：

1）向等离子体裂解单元中通入氢气，将混合的煤粉和气化气送至所述等离子体裂解单元，煤粉和气化气遇到氢等离子体后瞬间发生裂解，生成裂解产物，其中，所述等离子体裂解单元中气化气和氢气的体积比为2:1至1:1；

2）将裂解产物进行淬冷，得到淬冷污水和气固液混合物；

3）将气固液混合物送至所述多相分离单元，分离得到未反应的含碳固体、污水和气体混合物，所述气体混合物中乙炔的体积含量为65%-85%；

4）将步骤2）和步骤3）中得到的所述淬冷污水、污水和未反应的含碳固体送至制浆单元中制备水煤浆，制备水煤浆的原料中含碳固体与污水的质量比为65%：34%至72%：25%；制备的水煤浆的浓度为57%-70%；

5）将所述水煤浆送至水煤浆气化单元气化，并将得到的气化气送至煤粉预热混合单元，所述气化气中二氧化碳体积组分为12-17%、一氧化碳体积组分45-50%、氢气体积组分为33-38%；所述气化气与煤粉混合并利用气化气的热量对煤粉预热，水煤浆气化温度为1200-1400℃；

6）将气体混合物送至所述气体分离单元，分离得到乙炔和氢气混合气，同时，将氢气混合气送至所述等离子体裂解单元作为等离子介质。

需要注意的是，步骤5）中，气化气的组分与原料煤性质和操作条件有关，某煤样在1350摄氏度下的气化气中二氧化碳体积组分为14.%、一氧化碳体积组分49%，氢气体积组分35%。气化气成分的好处：氢气组分含量高，有利于后面参与等离子体裂解产生乙炔。

由此，通过本发明的方法，可以提高原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率，同时，降低过程的能耗，为等离子体裂解固体产物的高效利用提供了一种有效途径，既是减小资源浪费，又避免了环境污染。

根据本发明的具体实施例，本发明的方法还包括将原煤仓内的原煤经所述原煤破碎单元破碎为煤粉，将煤粉送至煤粉预热混合单元中；所述煤粉的粒径小于100微米。将破碎后的煤粉和固体产物水煤浆气化产生的高温气化气分别给入煤粉混合预热单元，气化气对煤粉进行直接预热、并与煤粉混合，形成气固似流体。

实施例一

（1）将干燥原煤在原煤破碎单元内进行破碎处理，得到粒度小于100微米以下的煤粉；

（2）向等离子体裂解单元中通入氢气，将混合的煤粉和气化气送至所述等离子体裂解单元，煤粉和气化气遇到氢等离子体后瞬间发生裂解，生成裂解产物，其中，裂解温度为2000度；

（3）将裂解产物进行淬冷，得到淬冷污水和气固液混合物；

（4）将气固液混合物送至所述多相分离单元，分离得到未反应的含碳固体、污水和气体混合物，所述气体混合物中乙炔的体积含量为65%-85%；

（5）将所述淬冷污水、污水和未反应的含碳固体送至制浆单元中制备水煤浆，制备水煤浆的原料中含碳固体与污水的质量比为65%：34%至72%：25%；制备的水煤浆的浓度为57%-70%；

（6）将所述水煤浆送至水煤浆气化单元气化，并将得到的气化气送至煤粉预热混合单元，所述气化气与煤粉混合并利用气化气的热量对煤粉预热、并与煤粉混合，形成气固似流体；气化气和氢气的体积比例1.5:1；

（7）将混合的煤粉和气化气送至所述等离子体裂解单元，煤粉和气化气遇到氢等离子体后瞬间发生裂解，生成裂解产物，其中，裂解温度为2000度；重复步骤三至六；

（8）将气体混合物送至所述气体分离单元，分离得到乙炔和氢气混合气，同时，将氢气混合气送至所述等离子体裂解单元作为等离子介质。

综上所述，本发明的等离子体裂解煤与气化气联合制备乙炔的系统，将煤与气化气等离子体共裂解、裂解固体产物气化、高温气化气对煤粉预热等技术相耦合，将淬冷过程产生的污水用于水煤浆的制浆水，减少了污水处理费用，利用水煤浆气化产生的气化气对煤粉预热，然后将煤粉和气化气一起裂解，极大地提高了原料煤的有效利用率和煤制乙炔的转化率；同时，降低了过程的能耗，为等离子体裂解固体产物的高效利用提供了一种有效途径，既减小资源浪费，又避免了环境污染。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。