天然气制乙炔裂解炉运行探讨

王海平

摘 要：介绍了乌克兰天然气制乙炔工艺、裂解炉构造、裂解炉运行过程中早期着火的预防措施、影响乙炔收益的主要因素。

关键词：乙炔;裂解炉;氧碳比;温度;早期着火;乙炔收益

0 引言

乙炔作为最基础的化工原料之一，广泛用于医药、农药、染料、涂料、香料、溶剂、粘合剂、表面活性剂的生产，被称为“有机合成工业之母”，重要程度可见一斑。乙炔生产方法主要包括：电石法、电弧法、等离子法、蓄热炉裂解法、天然气部分氧化裂解法。目前我国工业生产乙炔主要以电石法、天然气部分氧化裂解法，这两种工艺均比较成熟。虽然电石法投资小，但是环境污染严重，随着环保政策的深入，更多的天然气部分氧化法制乙炔项目在国内投产。裂解炉作为部分氧化法制乙炔的最核心设备，本文从乌克兰化学工程研究设计院设计的裂解炉运行过程中早期着火、乙炔收益两方面进行探讨。

1 天然气部分氧化法制乙炔工艺原理

天然气和氧气分别被预热到600-650℃，并按照最佳的氧气/甲烷比值（0.58-0.6），进入裂解炉混合器预混，再经裂解炉烧嘴出口点燃后进入反应室反应，为了防止乙炔进一步裂解，所以乙炔在反应区域中的停留时间不得超过0.01s，故反应生成的含乙炔混合气体必须快速进入淬冷区域，快速冷却终止反应。得到含7.8-8%乙炔混合气。

2 裂解炉

乌克兰化学工程研究设计院设计的裂解炉是带有双槽烧嘴的隧道式旋焰裂解炉，其中主要包括：混合器、双槽烧嘴、反应室、淬冷室、冷却夹套、刮碳机构。混合器是一个装有浮筒的圆筒，天然气流经环状段、氧气经由孔从气流的两侧吹入天然气中。烧嘴有两个环形槽，在每个槽中有6个导向块用于流体涡流，它们被称做“叶片”。来自烧嘴槽的甲烷--氧气混合物的出口速度大于300m/s。稳定氧被送入烧嘴中，以保证燃烧的稳定进行。

甲烷氧化热裂解在裂解炉的反应通道内进行。反应通道衬有特殊形状的耐火砖。耐火材料衬里加热到高温有助于甲烷--氧气混合物燃烧过程的稳定。反应通道底部是金属并有冷却夹套。反应混合物在反应通道内的停留时间为0.004-0.007s。来自反应通道的反应产品的出口速度是大约200m/sec。

为了使反应产品快速冷却（淬冷），水在反应通道出口处被注入气流中。共有4层喷嘴，用于水喷射。热水被送入中间的两层中，冷水被送入顶、底两层中。提供的热水因其强烈蒸发，可确保气体的快速冷却。

在裂解炉运行期间，类似焦炭的物质（烧结的炭黑和树脂）沉积在反应通道底部。裂解炉装配有炭黑脱除机构，其液压传动装置用来定期排除反应通道内的沉积物。

3 早期着火的预防

早期着火，即天然气和氧气在混合区域内提前发生燃烧反应的现象，并会造成设备的损坏。实际运行过程中，裂解炉的早期着火时有发生。为了避免早期着火的发生，主要采用以下方法：

3.1 降低预热温度

将天然气和氧气预热温度降低至580-600℃，从而延长天然气和氧气反应诱导期（即燃烧过程所需的时间），避免在混合区域提前燃烧。

3.2 除还原性杂质

由于管道中存在铁、氧化亚铁以及高温天然气裂解产生的单质碳等还原性物质，当高温还原性物质遇高温氧气时，立即发生氧化反应，导致局部温度升高，从而天然气和氧气的混合气体被点燃，发生早期着火。

加入抑制氧气，通过在天然气管线加入抑制氧（比例为天然气流量的0.5-1%），将具有还原性的杂质提前氧除去，避免进入混合器。

机械式过滤，增加天然气、氧气管道过滤器的过滤精度，将管道中的杂质提前过滤，并在大修期间对过滤器进行彻底清洗。

3.3 高温氧化皮

天然气经预热后的输送管道，经过长期运行后，在其管壁、预热炉盘管内生成一层氧化皮，在系统开停车阶段，受温度骤冷骤热的影响，氧化皮开始局部脱落。特别是开车初期阶段，当氧化皮高速进入混合器后，经撞击使局部温度上升，从而导致天然气与氧气混合物被点燃，从而发生早期着火。所以大修期间定期对天然气管道进行打磨，除去高温氧化皮，开车初期预热温度靠低限控制等手段，从而避免早期着火的发生。

3.4 高氧碳比运行

氧碳比越高，则燃烧更靠近烧嘴板，易造成回火，使混合器中天然气与氧气被点燃，从而导致早期着火的发生。所以正常运行中，尽可能低氧碳比运行。

3.5 流速

混合器内的天然气处于爆炸极限范围内，由于流速快，所以未发生早期着火或燃爆。若系统负荷越低，则会降低天然气与氧气混合气体在混合器内的流速，使其诱导期缩短，从而发生早期着火。所以实际运行过程中，尽可能避免低负荷运行。

4 影响乙炔收益的主要因素

理论上甲烷--乙炔转换率大约为30%，而且裂解气中的乙炔含量为7.8-8vol%。进入热裂解反应的甲烷，大约有85%转换成乙炔。如何使天然氣更多的转化为乙炔，其主要影响因素如下：

4.1 氧碳比

氧碳比，即氧气与天然气的体积流量比值。是裂解炉控制的最核心参数，影响乙炔收益的根本原因。低氧碳比，乙炔收益高、残氧高、高级炔组份多（易造成后系统设备、管道的堵塞）、碳黑生成量大;氧碳比高，则乙炔收益低、残氧低、高级炔组份低、燃烧反应不稳定，并且燃烧反应区域上移靠近烧嘴，易使裂解炉烧嘴板损坏、焦碳生成区域上移导致刮碳机构卡等不利影响。

4.2 预热温度

天然气和氧气预热温度越高，越有利于能量的供给，乙炔收益也相应增加。但是温度越高也容易引发早期着火的发生。所以正常生产中，预热温度的控制主要以裂解炉不发生早期着火为原则，将温度靠高限控制。

4.3 天然气组份

当天然气组份中C2、C3等组份增加时，即天然气中的总碳含量增加时，则乙炔收益相应增加，反之天然气总碳含量降低则乙炔收益也降低。其主要原因为，C2、C3等组份比CH4更容易热裂解生成乙炔，所需要裂解温度更低所致。

5 小结

综上所述，虽然天然气部分氧化法制乙炔工艺已相当成熟，但是乙炔转化率低、早期着火频繁、热裂解过程热能未利用、裂解炉运行周期短、热裂解过程生成的碳黑未加以综合利用等问题仍将是未来研究和探索的方向。

参考文献：

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