王海平

摘 要：介紹了烏克蘭天然氣制乙炔工藝、裂解爐構(gòu)造、裂解爐運(yùn)行過程中早期著火的預(yù)防措施、影響乙炔收益的主要因素。

關(guān)鍵詞：乙炔;裂解爐;氧碳比;溫度;早期著火;乙炔收益

0 引言

乙炔作為最基礎(chǔ)的化工原料之一，廣泛用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、涂料、香料、溶劑、粘合劑、表面活性劑的生產(chǎn)，被稱為“有機(jī)合成工業(yè)之母”，重要程度可見一斑。乙炔生產(chǎn)方法主要包括：電石法、電弧法、等離子法、蓄熱爐裂解法、天然氣部分氧化裂解法。目前我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)乙炔主要以電石法、天然氣部分氧化裂解法，這兩種工藝均比較成熟。雖然電石法投資小，但是環(huán)境污染嚴(yán)重，隨著環(huán)保政策的深入，更多的天然氣部分氧化法制乙炔項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)投產(chǎn)。裂解爐作為部分氧化法制乙炔的最核心設(shè)備，本文從烏克蘭化學(xué)工程研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的裂解爐運(yùn)行過程中早期著火、乙炔收益兩方面進(jìn)行探討。

1 天然氣部分氧化法制乙炔工藝原理

天然氣和氧氣分別被預(yù)熱到600-650℃，并按照最佳的氧氣/甲烷比值（0.58-0.6），進(jìn)入裂解爐混合器預(yù)混，再經(jīng)裂解爐燒嘴出口點(diǎn)燃后進(jìn)入反應(yīng)室反應(yīng)，為了防止乙炔進(jìn)一步裂解，所以乙炔在反應(yīng)區(qū)域中的停留時(shí)間不得超過0.01s，故反應(yīng)生成的含乙炔混合氣體必須快速進(jìn)入淬冷區(qū)域，快速冷卻終止反應(yīng)。得到含7.8-8%乙炔混合氣。

2 裂解爐

烏克蘭化學(xué)工程研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的裂解爐是帶有雙槽燒嘴的隧道式旋焰裂解爐，其中主要包括：混合器、雙槽燒嘴、反應(yīng)室、淬冷室、冷卻夾套、刮碳機(jī)構(gòu)。混合器是一個(gè)裝有浮筒的圓筒，天然氣流經(jīng)環(huán)狀段、氧氣經(jīng)由孔從氣流的兩側(cè)吹入天然氣中。燒嘴有兩個(gè)環(huán)形槽，在每個(gè)槽中有6個(gè)導(dǎo)向塊用于流體渦流，它們被稱做“葉片”。來自燒嘴槽的甲烷--氧氣混合物的出口速度大于300m/s。穩(wěn)定氧被送入燒嘴中，以保證燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。

甲烷氧化熱裂解在裂解爐的反應(yīng)通道內(nèi)進(jìn)行。反應(yīng)通道襯有特殊形狀的耐火磚。耐火材料襯里加熱到高溫有助于甲烷--氧氣混合物燃燒過程的穩(wěn)定。反應(yīng)通道底部是金屬并有冷卻夾套。反應(yīng)混合物在反應(yīng)通道內(nèi)的停留時(shí)間為0.004-0.007s。來自反應(yīng)通道的反應(yīng)產(chǎn)品的出口速度是大約200m/sec。

為了使反應(yīng)產(chǎn)品快速冷卻（淬冷），水在反應(yīng)通道出口處被注入氣流中。共有4層噴嘴，用于水噴射。熱水被送入中間的兩層中，冷水被送入頂、底兩層中。提供的熱水因其強(qiáng)烈蒸發(fā)，可確保氣體的快速冷卻。

在裂解爐運(yùn)行期間，類似焦炭的物質(zhì)（燒結(jié)的炭黑和樹脂）沉積在反應(yīng)通道底部。裂解爐裝配有炭黑脫除機(jī)構(gòu)，其液壓傳動(dòng)裝置用來定期排除反應(yīng)通道內(nèi)的沉積物。

3 早期著火的預(yù)防

早期著火，即天然氣和氧氣在混合區(qū)域內(nèi)提前發(fā)生燃燒反應(yīng)的現(xiàn)象，并會(huì)造成設(shè)備的損壞。實(shí)際運(yùn)行過程中，裂解爐的早期著火時(shí)有發(fā)生。為了避免早期著火的發(fā)生，主要采用以下方法：

3.1 降低預(yù)熱溫度

將天然氣和氧氣預(yù)熱溫度降低至580-600℃，從而延長(zhǎng)天然氣和氧氣反應(yīng)誘導(dǎo)期（即燃燒過程所需的時(shí)間），避免在混合區(qū)域提前燃燒。

3.2 除還原性雜質(zhì)

由于管道中存在鐵、氧化亞鐵以及高溫天然氣裂解產(chǎn)生的單質(zhì)碳等還原性物質(zhì)，當(dāng)高溫還原性物質(zhì)遇高溫氧氣時(shí)，立即發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致局部溫度升高，從而天然氣和氧氣的混合氣體被點(diǎn)燃，發(fā)生早期著火。

加入抑制氧氣，通過在天然氣管線加入抑制氧（比例為天然氣流量的0.5-1%），將具有還原性的雜質(zhì)提前氧除去，避免進(jìn)入混合器。

機(jī)械式過濾，增加天然氣、氧氣管道過濾器的過濾精度，將管道中的雜質(zhì)提前過濾，并在大修期間對(duì)過濾器進(jìn)行徹底清洗。

3.3 高溫氧化皮

天然氣經(jīng)預(yù)熱后的輸送管道，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行后，在其管壁、預(yù)熱爐盤管內(nèi)生成一層氧化皮，在系統(tǒng)開停車階段，受溫度驟冷驟熱的影響，氧化皮開始局部脫落。特別是開車初期階段，當(dāng)氧化皮高速進(jìn)入混合器后，經(jīng)撞擊使局部溫度上升，從而導(dǎo)致天然氣與氧氣混合物被點(diǎn)燃，從而發(fā)生早期著火。所以大修期間定期對(duì)天然氣管道進(jìn)行打磨，除去高溫氧化皮，開車初期預(yù)熱溫度靠低限控制等手段，從而避免早期著火的發(fā)生。

3.4 高氧碳比運(yùn)行

氧碳比越高，則燃燒更靠近燒嘴板，易造成回火，使混合器中天然氣與氧氣被點(diǎn)燃，從而導(dǎo)致早期著火的發(fā)生。所以正常運(yùn)行中，盡可能低氧碳比運(yùn)行。

3.5 流速

混合器內(nèi)的天然氣處于爆炸極限范圍內(nèi)，由于流速快，所以未發(fā)生早期著火或燃爆。若系統(tǒng)負(fù)荷越低，則會(huì)降低天然氣與氧氣混合氣體在混合器內(nèi)的流速，使其誘導(dǎo)期縮短，從而發(fā)生早期著火。所以實(shí)際運(yùn)行過程中，盡可能避免低負(fù)荷運(yùn)行。

4 影響乙炔收益的主要因素

理論上甲烷--乙炔轉(zhuǎn)換率大約為30%，而且裂解氣中的乙炔含量為7.8-8vol%。進(jìn)入熱裂解反應(yīng)的甲烷，大約有85%轉(zhuǎn)換成乙炔。如何使天然氣更多的轉(zhuǎn)化為乙炔，其主要影響因素如下：

4.1 氧碳比

氧碳比，即氧氣與天然氣的體積流量比值。是裂解爐控制的最核心參數(shù)，影響乙炔收益的根本原因。低氧碳比，乙炔收益高、殘氧高、高級(jí)炔組份多（易造成后系統(tǒng)設(shè)備、管道的堵塞）、碳黑生成量大;氧碳比高，則乙炔收益低、殘氧低、高級(jí)炔組份低、燃燒反應(yīng)不穩(wěn)定，并且燃燒反應(yīng)區(qū)域上移靠近燒嘴，易使裂解爐燒嘴板損壞、焦碳生成區(qū)域上移導(dǎo)致刮碳機(jī)構(gòu)卡等不利影響。

4.2 預(yù)熱溫度

天然氣和氧氣預(yù)熱溫度越高，越有利于能量的供給，乙炔收益也相應(yīng)增加。但是溫度越高也容易引發(fā)早期著火的發(fā)生。所以正常生產(chǎn)中，預(yù)熱溫度的控制主要以裂解爐不發(fā)生早期著火為原則，將溫度靠高限控制。

4.3 天然氣組份

當(dāng)天然氣組份中C2、C3等組份增加時(shí)，即天然氣中的總碳含量增加時(shí)，則乙炔收益相應(yīng)增加，反之天然氣總碳含量降低則乙炔收益也降低。其主要原因?yàn)?，C2、C3等組份比CH4更容易熱裂解生成乙炔，所需要裂解溫度更低所致。

5 小結(jié)

綜上所述，雖然天然氣部分氧化法制乙炔工藝已相當(dāng)成熟，但是乙炔轉(zhuǎn)化率低、早期著火頻繁、熱裂解過程熱能未利用、裂解爐運(yùn)行周期短、熱裂解過程生成的碳黑未加以綜合利用等問題仍將是未來研究和探索的方向。

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