天然氣制乙炔裂解爐運行探討

王海平

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

關鍵詞：乙炔;裂解爐;氧碳比;溫度;早期著火;乙炔收益

0 引言

乙炔作為最基礎的化工原料之一，廣泛用于醫藥、農藥、染料、涂料、香料、溶劑、粘合劑、表面活性劑的生產，被稱為“有機合成工業之母”，重要程度可見一斑。乙炔生產方法主要包括：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。目前我國工業生產乙炔主要以電石法、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，但是環境污染嚴重，隨著環保政策的深入，更多的天然氣部分氧化法制乙炔項目在國內投產。裂解爐作為部分氧化法制乙炔的最核心設備，本文從烏克蘭化學工程研究設計院設計的裂解爐運行過程中早期著火、乙炔收益兩方面進行探討。

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熱到600-650℃，并按照最佳的氧氣/甲烷比值（0.58-0.6），進入裂解爐混合器預混，再經裂解爐燒嘴出口點燃后進入反應室反應，為了防止乙炔進一步裂解，所以乙炔在反應區域中的停留時間不得超過0.01s，故反應生成的含乙炔混合氣體必須快速進入淬冷區域，快速冷卻終止反應。得到含7.8-8%乙炔混合氣。

2 裂解爐

烏克蘭化學工程研究設計院設計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、反應室、淬冷室、冷卻夾套、刮碳機構。混合器是一個裝有浮筒的圓筒，天然氣流經環狀段、氧氣經由孔從氣流的兩側吹入天然氣中。燒嘴有兩個環形槽，在每個槽中有6個導向塊用于流體渦流，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。穩定氧被送入燒嘴中，以保證燃燒的穩定進行。

甲烷氧化熱裂解在裂解爐的反應通道內進行。反應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定。反應通道底部是金屬并有冷卻夾套。反應混合物在反應通道內的停留時間為0.004-0.007s。來自反應通道的反應產品的出口速度是大約200m/sec。

為了使反應產品快速冷卻（淬冷），水在反應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。提供的熱水因其強烈蒸發，可確保氣體的快速冷卻。

在裂解爐運行期間，類似焦炭的物質（燒結的炭黑和樹脂）沉積在反應通道底部。裂解爐裝配有炭黑脫除機構，其液壓傳動裝置用來定期排除反應通道內的沉積物。

3 早期著火的預防

早期著火，即天然氣和氧氣在混合區域內提前發生燃燒反應的現象，并會造成設備的損壞。實際運行過程中，裂解爐的早期著火時有發生。為了避免早期著火的發生，主要采用以下方法：

3.1 降低預熱溫度

將天然氣和氧氣預熱溫度降低至580-600℃，從而延長天然氣和氧氣反應誘導期（即燃燒過程所需的時間），避免在混合區域提前燃燒。

3.2 除還原性雜質

由于管道中存在鐵、氧化亞鐵以及高溫天然氣裂解產生的單質碳等還原性物質，當高溫還原性物質遇高溫氧氣時，立即發生氧化反應，導致局部溫度升高，從而天然氣和氧氣的混合氣體被點燃，發生早期著火。

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提前氧除去，避免進入混合器。

機械式過濾，增加天然氣、氧氣管道過濾器的過濾精度，將管道中的雜質提前過濾，并在大修期間對過濾器進行徹底清洗。

3.3 高溫氧化皮

天然氣經預熱后的輸送管道，經過長期運行后，在其管壁、預熱爐盤管內生成一層氧化皮，在系統開停車階段，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，當氧化皮高速進入混合器后，經撞擊使局部溫度上升，從而導致天然氣與氧氣混合物被點燃，從而發生早期著火。所以大修期間定期對天然氣管道進行打磨，除去高溫氧化皮，開車初期預熱溫度靠低限控制等手段，從而避免早期著火的發生。

3.4 高氧碳比運行

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燃，從而導致早期著火的發生。所以正常運行中，盡可能低氧碳比運行。

3.5 流速

混合器內的天然氣處于爆炸極限范圍內，由于流速快，所以未發生早期著火或燃爆。若系統負荷越低，則會降低天然氣與氧氣混合氣體在混合器內的流速，使其誘導期縮短，從而發生早期著火。所以實際運行過程中，盡可能避免低負荷運行。

4 影響乙炔收益的主要因素

理論上甲烷--乙炔轉換率大約為30%，而且裂解氣中的乙炔含量為7.8-8vol%。進入熱裂解反應的甲烷，大約有85%轉換成乙炔。如何使天然氣更多的轉化為乙炔，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，影響乙炔收益的根本原因。低氧碳比，乙炔收益高、殘氧高、高級炔組份多（易造成后系統設備、管道的堵塞）、碳黑生成量大;氧碳比高，則乙炔收益低、殘氧低、高級炔組份低、燃燒反應不穩定，并且燃燒反應區域上移靠近燒嘴，易使裂解爐燒嘴板損壞、焦碳生成區域上移導致刮碳機構卡等不利影響。

4.2 預熱溫度

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

4.3 天然氣組份

當天然氣組份中C2、C3等組份增加時，即天然氣中的總碳含量增加時，則乙炔收益相應增加，反之天然氣總碳含量降低則乙炔收益也降低。其主要原因為，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

綜上所述，雖然天然氣部分氧化法制乙炔工藝已相當成熟，但是乙炔轉化率低、早期著火頻繁、熱裂解過程熱能未利用、裂解爐運行周期短、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。

參考文獻：

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