等离子体裂解煤制乙炔工艺具有流程短、洁净高效等特点,是煤炭清洁利用的新途径。新疆天业2MW中试平台的成功运行,证明了该工艺技术上和经济上的可行性。在反应器从2MW向5MW放大的过程中,发现煤粉转化率和乙炔体积浓度均降低,同时混合段严重结焦,导致反应不能连续运行。根据热力学的分析,反应器内初始的气固混合效果直接影响着煤粉受热和脱挥发分过程,进而影响着煤粉转化率和乙炔浓度。针对这个问题,本文首先建立了等离子体裂解煤反应器内冷态气固混合过程的数学模型,然后通过数值模拟,对反应器内气固两相运动进行了定性的描述,结果发现:在反应器放大过程中,随着尺寸增大和气体流量增加,5MW反应器内气固混合效率低于2MW反应器。煤粉和等离子体射流不能快速高效的混合,是造成5MW反应效率低下以及混合段严重结焦的主要原因。为了探讨提高等离子体裂解煤反应器内气固混合效率的因素,本文首先确立了解决问题的方向:一、提高颗粒在纵向气流中的入射深度;二、提高气固两相的接触面积;三、增大煤粉颗粒在气流中心的停留时间。然后对不同的工艺条件进行了数值模拟与分析,结果发现:1.与圆形喷嘴相比,采用扁形喷嘴煤粉穿透力和在等离子体射流中的分散性增强,气固混合效率提高;2.在一定的范围内增大颗粒入射速度有利于增加煤粉颗粒在反应器内的入射深度,延长颗粒在气流中心的停留时间。当入射速度增至60m/s时,颗粒穿越了纵向气体中心,不利于气固接触;3.随着供粉速率的增大,气固两相混合效率降低。在2MW热态实验中,发现乙炔的浓度随供粉速率的增大呈先增大后减小的趋势。4.粒径的选择需要平衡气固两相间的混合与传热。在5MW反应中,可以通过增大煤粉粒径的方法增强气固混合效率;反应器结构同样是影响气固两相混合的重要因素。本文对喉管式反应器内的气固混合行为进行了初步的数值模拟,对颗粒在反应器内的加速历程进行了描述,并与传统的直管式反应器进行了比较。结果发现喉管式反应器可以分为混合段和反应段两部分,它特殊的结构设计能够增加煤粉颗粒的入射深度、延长颗粒与气流的作用时间、增大气固两相的接触面积。通过与小试结果的比较证明了模拟结果是可靠的。最后本文讨论了反应段尺寸对流场的影响,表明可以通过调节反应段尺寸确保煤粉与射流的最佳接触时间。