磁旋轉(zhuǎn)弧等離子體裂解煤制乙炔研究.pdf

1、乙炔生產(chǎn)目前以電石法和部分氧化法為主，我國因煤炭資源比較豐富，乙炔生產(chǎn)目前仍以電石法為主。電弧等離子體裂解煤制乙炔提供了一條新式的煤轉(zhuǎn)化工藝，常規(guī)直流電弧等離子炬內(nèi)溫度、速度等梯度大，不利于物料與等離子體的混合，而外加磁場作用下的電弧則可高速旋轉(zhuǎn)將等離子體分散，形成空間相對(duì)均勻等離子體，有利于改善物料的混合和反應(yīng)的進(jìn)行。本文基于此開展磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體裂解煤的研究，主要涉及磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體特性和等離子體裂解煤反應(yīng)兩方面。
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2、先采用流體力學(xué)(CFD)方法研究磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體的特性，考察不同操作因素條件下的等離子體特性，如溫度場、速度場和電流密度分布等。研究了“徑向型”電弧向“軸向型”電弧過渡的變化規(guī)律。結(jié)果表明氣流增大有利于等離子體向軸向延伸，增大外加磁場有利于提高電弧的旋轉(zhuǎn)速度及徑向擴(kuò)散，同時(shí)外加磁場對(duì)等離子體有磁壓縮效應(yīng)，即會(huì)把等離子體沿氣體進(jìn)口方向推移。
　　然后采用實(shí)驗(yàn)方法，考察小試(50 kW)和中試(1 MW)兩套等離子炬對(duì)電弧特性的影響

3、，主要是伏安特性和熱效率。電弧電壓均隨氣體流量增大而增大，而當(dāng)氣流增大到一定程度，電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定值;外磁場強(qiáng)度對(duì)電弧電壓的影響趨勢與氣流的類似;兩套等離子炬的伏安特性均呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性。小試裝置電壓范圍為120～203 V，中試裝置電壓范圍為150～750 V。電弧操作參數(shù)對(duì)熱效率的影響相對(duì)電弧電壓更復(fù)雜，與伏安曲線負(fù)阻抗特性不同，熱效率隨電流增大變化不大。小試裝置的熱效率為25％～55％，中試裝置的熱效率為75％～90％。
　

4、　等離子裂解反應(yīng)方面，首先研究了丙烷的裂解動(dòng)力學(xué)，證實(shí)乙炔在1700 K以上為裂解優(yōu)勢產(chǎn)物，而溫度偏低則CH4和C2H4收率提高。等離子裂解氣態(tài)烴類是一個(gè)極快速反應(yīng)(＜1 ms)，而乙炔達(dá)到動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)濃度的時(shí)間也在0.5 ms左右，且隨輸入比焓的增大，裂解反應(yīng)完成的時(shí)間尺度相應(yīng)減小。丙烷裂解動(dòng)力學(xué)研究表明，氣態(tài)烴的等離子裂解反應(yīng)為毫秒級(jí)，因而煤中揮發(fā)分的析出和擴(kuò)散是等離子體裂解煤的控制步。
　　其次，研究顆粒傳熱和揮發(fā)分析出的影響

5、因素，發(fā)現(xiàn)煤粉的升溫速率是裂解的關(guān)鍵，特別是粒徑的影響比較關(guān)鍵。采用自主設(shè)計(jì)的MW級(jí)等離子炬進(jìn)行煤的裂解研究，考察了勵(lì)磁電流、氫氣流量、煤粉進(jìn)量和輸入氫氣比焓的影響。結(jié)果表明，等離子裂解煤制乙炔的關(guān)鍵是根據(jù)氫氣輸入比焓設(shè)計(jì)匹配的進(jìn)煤量，使煤中揮發(fā)分快速析出的同時(shí)保證氣相反應(yīng)溫度處于乙炔的優(yōu)勢生成區(qū)間。綜合考慮乙炔濃度、收率、比能耗和煤轉(zhuǎn)化率等因素，優(yōu)選氫氣比焓SE(1.40～1.90kWh/Nm3-H2)*Coal/H2(0.40～0.