乙炔生產技術發展與現狀探討

王榮念

摘 要：本文分析了我國乙炔生產技術的研究現狀，介紹了國內外天然氣生產乙炔技術的研究進展。通過分析與比較，并結合我國天然氣生產乙炔企業的實際情況，提出一些合理的建議。

關鍵詞：乙炔；生產；裂解

乙炔在日常生產生活中，除了用于焊接切割以及生產炭黑外，還是一種非常重要的化工中間體，目前主要用于1-4丁二醇、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纖維等。乙炔的生產方法主要包括電石法、烴類裂解法、裂解煤制取乙炔法等。目前我國工業生產乙炔主要是電石法和部分氧化法，這兩種方法工藝比較成熟，但是目前仍存在較多問題。電石法工藝簡單，投資較小，但是電石法生產乙炔，不僅在電石生產過程中能耗大、環境污染嚴重，而且在電石法存在電石渣（含重金屬）難處理且污染大以及乙炔氣凈化過程中的廢硫酸處理成本較高，有廢硫酸處理資質的公司極少；在目前國家環保政策和形勢下，電石法的發展空間將會越來越小。烴類裂解法和裂解煤制取法污染小，發展空間大，所以本文主要介紹烴類裂解法和裂解煤制乙炔法。

1 烴類裂解法

乙炔在800℃以上會分解為炭黑和氫氣，在600～650℃容易聚合，所以裂解后的氣體都要快速冷卻，目前工業通常采用水淬冷法和油淬冷法。

1.1 電弧法

電弧法是利用高電壓電極產生電弧，利用電弧提供的能量，使烴類物料裂解來制取乙炔。電弧法制乙炔的設備主要為電弧加熱爐。

電弧法是德國Chemseh公司于1940年開發，并成功實現工業化生產。

氣體由切線方向進入電弧加熱爐，從中心管出來進行淬冷。該方法的原料可以使是大部分氣態烴和氣化的液態烴，并且未反應的原料和裂解過程中的副產物烴類也可以利用，開停車方便；但是該法基建投資大，電耗非常高，每生產1t乙炔需消耗電約14萬kWh，僅適用于電力充沛地區；并且電極壽命短、裂解氣中殘留甲烷高。經過多年的研究，目前該方法最大產能達到12×104t/a。電弧法在美國、德國、前蘇聯地區、羅馬尼亞均有裝置。

1.2 等離子法

在20世紀40年代，等離子體技術就已經被應用于天然氣直接轉化制乙炔（Huels工藝）過程。日本在1961年開始研究氫作為稀釋劑的甲烷熱等離子體裂解制乙炔技術，乙炔收率達到73%，美國INEL實驗室采用氣動驟冷技術使乙炔產率達到90%以上；德國ISP公司建成一套3×104t/a的等離子體制乙炔工業化裝置。中科院金屬研究所（沈陽）在2005年左右研究了一種新型微波復合直流等離子體技術，該技術利用微波將直流等離子體柱分化為多根絲狀等離子體，由于絲狀等離子體一方面降低電極單位面積內的能量密度，減少了電極的燒蝕速度。另一方而改善了等離子體與反應氣體的混合，從而可以提高反應的轉化效率，甲烷轉化率可達84.4%，乙炔選擇性為75.6%，乙炔收率為63.8%，乙炔能耗達10.8 kWh/kg ，電極壽命超過200 h。但是目前等離子體法生產能力小，最大的單套生產能力僅為600t/a，與目前工業化發展較好的部分氧化法有較大差距。

1.3 蓄熱爐裂解法（Wulff法）

該法以C2以上的輕質烴類為原料，通過燃料和空氣燃燒加熱高溫耐火材料，將燃燒后的熱量進行儲存，溫度達到后停止燃燒加熱；然后將原料和蒸汽混合通入蓄熱爐內，利用高溫材料儲存的進行裂解反應，生產乙炔和乙烯。待蓄熱爐溫度降到一定溫度后，停止進料，再進行蓄熱過程。該方法不需要純氧、熱利用率高，原料靈活；但是蓄熱爐內結焦嚴重，不易清除。美國Wulff公司利用該項專利與Lummus公司合作于20世紀40年代在美國洛杉磯附近建了一套120t/ a的試驗裝置，之后又擴大到500t/a。之后UCC公司等建立了一系列的該法裝置，聯產乙炔和乙烯。

1.4 氧化裂解法

1.4.1 部分氧化法

1.4.1.1 國外的部分氧化法發展與研究進展

部分氧化法是BASF公司于20世紀20年代在Berthelot實驗室的基礎上開發的，并在1945年實現工業化，為多管爐。為了減少燒嘴板下部表面結炭，美國Monsanto公司開發了旋焰燒嘴，在乙炔爐燒嘴的主流道中加入漩渦器，使氣體產生旋轉，燃燒時形成旋轉火焰，同時可以增大燃燒的強度；比利時SBA公司先后開發了SBA-I型、SBA-II型乙炔爐，和美國Kellogg公司合作開發了SBA-Kellogg乙炔爐；前蘇聯國家氮氣工業和有機合成產品科學研究設計院（國內稱烏克蘭法，目前被愛沙尼亞阿爾維果化學工程公司收購）開發了一種旋焰爐的部分氧化法，其單爐生產能力達到1×104t/ a。

四川天華股份有限公司經過摸索以及參數調整后，目前早起著火的現象偶爾發生。但是烏克蘭工藝為水淬冷；據了解，烏克蘭相關研究院也在針對炭黑水處理過程不足之處，也在進行環保方面的研究。

1.4.1.2 國內的部分氧化法發展與研究進展

重慶天然氣化工研究院研究開發了1×104t/ a的旋焰乙炔爐，采用輕油淬冷，可以聯產乙烯。1978年，四川維尼綸廠（簡稱川維）引進BASF的3×104t/ a傳統乙炔生產裝置；在不斷改進的基礎上，于1993年擴建一個列，于2003年擴建一套乙炔裝置，并在消耗吸收、持續改進的基礎上，川維已經掌握該法生產技術，并在2010年新建一套裝置，實現單列1.5×104t/a，總產能達到16×104t/a；并且與新疆美克合作，建成一套天然氣制乙炔裝置。1992年重慶長壽化工有限公司，單列1.5×104t/a的乙炔裝置試車成功，但是后來由于工藝設計不成熟和設備制造等種種原因被迫停產。近年來我國又相繼從國外引進多套天然氣部分氧化法乙炔爐。

1.4.1.3 部分氧化法存在的不足

部分氧化法，目前在世界范圍內工業化應用較為成功，并經過多年來的持續改進，已經比較成熟，但是仍有些技術難題需要改進，主要體現在以下幾個方面：

1.4.1.3.1 原料消耗大

天然氣部分氧化法用70%的天然氣進行不完全燃燒產生的能量來加熱剩余的30%天然氣至反應溫度并發生裂解反應，雖然該法產生的CO和H2可以用來生產甲醇來提高部分氧化法的經濟性，但是其中部分燃燒過程消耗了大量的天然氣，屬于浪費的大量寶貴的原料。

1.4.1.3.2 熱量損失大

目前多數裂解工藝采用水淬冷的方式將裂解氣從1400℃左右快速冷卻到100℃以下，這部分品質較低額熱源，難以利用，造成熱量的大量損失。雖然BASF目前建成一套油淬冷工藝，能夠利用淬火油熱量產生蒸汽；但是淬火油損失較大，每生產1t乙炔大約會損失0.15～0.30t淬火油，也有極高的毒性（苯、甲苯、二甲苯）。BASF油淬冷工藝未見大規模應用。

1.4.1.3.3 炭黑生產量大，不易處理

正常情況下，每生產1噸乙炔大約生成50kg炭黑，雖然提高氧碳比可以減少生成的炭黑量，但是乙炔收率也會降低，并且極易引起早起著火和減少燒嘴板的使用壽命。目前處理方式為焚燒或者真空過濾形成濾餅進行填埋；焚燒造成能源的浪費，填埋則易造成環境的二次污染。目前國內嘗試過與煤摻燒、送入磚廠處理，不理想。目前來看可以考慮從以下幾個方面進行改進：

一是將乙炔裂解爐冷卻水系統獨立運行和密閉運行，減少雜質的進入；二是乙炔裂解爐冷卻水系統的設備和管道考慮不銹鋼，減少金屬離子的雜質；三是炭黑干燥過程中，研究控制參數，即能將炭黑漿中的苯、奈等雜質去除的同時，能避免炭黑的燃燒。

1.4.1.3.4 系統聚合物多

由于部分氧化法在生成乙炔的同時，會生成C4以上的烯烴、炔烴以及芳香烴等副產物，這部分副產物雖然相對量較少，如丁二炔在裂解氣中摩爾百分含量僅有0.2～0.3%，但是這部分高級炔烴在裂解氣輸送和處理過程中極易聚合，堵塞管道和設備，造成操作能耗增加以及設備檢修的工作量增大；嚴重時損壞設備。

1.4.2 完全燃燒裂解法

完全燃燒法即先在一個空間進行完全燃燒，將燃燒熱送至另一空間作為裂解熱源。如德國赫斯特法，采用純氧與燃料按化學計算量進行燃燒，產生特別高的燃燒氣的溫度（一般達2200℃），用于裂解烴類生產乙炔。

2 裂解煤制取乙炔法

該法利用等離子體的高溫和活性，與煤粉充分接觸，使煤中有用組分裂解，產生乙炔。該方法具有流程短、潔凈、高效等優點。

英國煤炭利用研究協會曾在1961年在《Nature》發表相關文章闡述了該方法的原理和反應條件。到目前為止，國內外陸續有實驗室和公司進行研究。

1981年美國AVCO公司和美國能源部在馬薩諸塞州中試成功，等離子體炬功率在1MW左右，乙炔單耗10.5kWh/kg。德國Hucls公司與DMT公司在20世紀80年代合作試驗等離子體裂解煤反應器，功率在1.25MW，乙炔單耗14～16kWh/kg。20世紀90年代，山西三維集團股份有限公司曾建設0.75MW等離子體裂解煤制乙炔裝置，后因某種原因沒有后續研究。2001年起，新疆天業（集團）有限公司與清華大學、中科院等離子體物理研究所、復旦大學、俄羅斯科學院、浙江巨化集團等單位合作，在2006年建立2MW等離子體裂解煤制乙炔中試裝置，試驗中乙炔綜合單耗14.5kWh/kg；在2007年，又與清華大學、浙江大學聯合進行工業化規模的5MW氫等離子體裂解煤制乙炔研究，并在2009年建成，通過考核，試運行，年產4000t乙炔。

在工業化應用中，等離子體發生器由于陰陽極易燒蝕，所以等離子體發生器的運行周期決定了煤裂解裝置運行周期；等離子體射流與煤粉作用是否充分均勻快速又決定了原料利用率和乙炔收率；爐體結焦影響操作穩定性和運行周期。

3 小結

綜上所述，雖然我國目前電石法制乙炔仍有較大的產能，但是其能耗高、污染大，并且面對日益嚴峻的環境保護形勢，電石法屬于逐步淘汰的工藝。天然氣制乙炔工藝和等離子體裂解煤工藝能耗低、污染小等優點。

目前天然氣制乙炔技術相對成熟可靠，在天然氣資源豐富的地區應大力推廣，但是我國天然氣制乙炔技術相對于BASF等國外公司先進的技術還有差距，應從解決乙炔收率、降低乙炔單耗、裂解過程中的熱能利用、炭黑水處理、聚合物生成等存在的問題去研究，提升我國天然氣制乙炔技術。

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