超级石化推荐：提高天然气制乙炔技术本质安全的措施！

超级石化推荐：提高天然气制乙炔技术本质安全的措施！

主要内容：简述了天然气部分氧化制乙炔技术发展。根据该工艺过程反应温度高，反应物易燃、易爆，某些生成物易聚合的特点，结合生产实际，研究了其本质安全性，详细介绍了在工程设计和生产过程中所采取的具体措施。

关键词：天然气；部分氧化法；乙炔；本质安全

乙炔作为最简单的烃类化合物之一，具有很不稳定的三键（H－C≡C－H），化学性质极为活泼，能与许多物质进行强烈的化学反应，衍生出上千种有机化学品。由乙炔出发生产的某些产品具有投资少、收率高、流程简单等优点，所以乙炔曾被誉为“有机合成工业之母”，是现代合成塑料、橡胶、纤维、染料、树脂和溶剂等许多有机产品的基础原料。同时，在精细化工领域，从乙炔出发也具有很大的优势，如香料、维生素、医药、表面活性剂、缓蚀剂等[1]。

目前，世界在运行的天然气部分氧化制乙炔技术的典型代表为BASF公司技术、乌克兰技术和中石化技术。1945年，德国BASF公司首先实现了天然气部分氧化制乙炔的工业化生产，其单台乙炔炉的生产能力为7.5kt/a，随后又开发了10kt/a乙炔炉。乌克兰国立化工研究院在引进BASF公司技术的基础上，开发了单炉生产能力为10kt/a的乙炔炉和乌克兰天然气制乙炔技术。

中石化川维化工有限公司在引进BASF公司7.5kt/a乙炔炉技术和28kt/a乙炔提浓技术的基础上，经过40多年的不断改进和创新，先后开发了10kt/a和15kt/a乙炔炉，40kt/a和50kt/a乙炔提浓技术工艺包，先后在重庆和新疆建设了天然气制乙炔生产装置，并将10kt/a 乙炔炉技术许可到乌兹别克斯坦国有氮肥公司。

以天然气为原料，采用部分氧化法生产乙炔的工艺过程主要分为部分氧化（裂解）、裂解气压缩、裂解气提浓、产品乙炔升压等工序。该工艺过程具有反应温度高，反应物易燃、易爆，某些生成物易聚合等特点，所以在工艺设计和实际生产过程中，研究该工艺的本质安全性，并采取切实可行的措施保证装置安全，就显得格外重要。

1 天然气部分氧化制乙炔生产原理及特点

1.1 生产原理

天然气部分氧化制乙炔工艺过程的原理，是在裂解反应的同时伴随有氧化反应，而且氧化反应速度比裂解反应速度快。在裂解反应器——乙炔炉内，经充分混合的氧气和一部分天然气首先进行燃烧，形成1500℃左右的高温，过程产生的热量使另一部分天然气裂解为乙炔，然后用水、油等介质进行快速激冷，并进一步冷却到80℃以下，阻止生成的乙炔深度裂解。甲烷部分氧化制乙炔过程主要有如下反应[2]：甲烷氧化反应（放热）：CH4+O2→CO+H2O+H2

甲烷热裂解反应（吸热）：2CH4→C2H2+3H2

水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2

乙炔分解反应：C2H2→2C+H2

反应生成的乙炔体积分数8%左右的裂解气经冷却、除尘后，经螺杆压缩机压缩，在提浓工序采用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂，经过多次吸收和解吸，被分离成三种气体混合物——产品乙炔、尾气（合成气）和高级炔烃气。整个工艺过程具有高温、快速，反应物和生成物易燃易爆等特点[3]。

1.2 工艺特点

（1）高温、快速

分别预热到650℃左右的天然气和氧气进入乙炔炉中，部分天然气发生燃烧，温度达到1300～1500℃。在该温度下，部分天然气（主要是甲烷）发生裂解反应生成乙炔。为了避免乙炔在高温下进一步分解，以获得比较理想的乙炔收率，必须快速激冷终止反应，整个反应时间控制在3‰秒以内。

（2）易燃、易爆

该工艺采用的原料天然气极易燃烧，与纯氧在高温下接触具有很强的爆炸危险性；部分氧化工序生成的含乙炔的裂解气、提浓工序生成的含大量丁二炔等的高级炔气体、产品乙炔都极易发生爆炸。

（3）易分解、易聚合

乙炔及高级炔在加压或高温条件下，极易发生爆炸性分解；裂解

气中的乙炔及高级炔在高温下，极易发生聚合，形成的聚合物在低温下容易发生结晶，堵塞设备、管道和填料。

2 提高天然气部分氧化制乙炔本质安全的措施

针对天然气部分氧化制乙炔的技术特点，通过多年的研究和探索，采取了一系列的安全措施，保证了生产装置的安全、稳定和长周期运行。

2.1 增设联锁控制点

在裂解工序，根据乙炔炉的反应特点，设置了乙炔炉反应室温度超低限或超高限、乙炔炉混合室温度超高限、乙炔炉压差超高限、裂解气氧含量超高限等10个单列乙炔炉小联锁。设置了乙炔炉反应室温度超高高限、仪表空气总管压力超低限等5个乙炔装置的大联锁。当装置发生大、小联锁时，立即切断送压缩工序的总管裂解气，打开去放空火炬的放空阀，将裂解气放空。

2.2 乙炔炉的改进

模拟发现，原引进技术乙炔炉天然气与氧气的混合效果不是很理想，其混合均匀程度约为97%，基本能够满足7.5kt/a乙炔炉混合要求。长期的生产运行表明，如此低的混均度是造成乙炔炉早期着火频繁发生的主要因素之一。

经过对混合器的结构形式进行改进，使乙炔炉的混均度提高到99.8%以上，很好地解决了10kt/a[4]和15kt/a[5]乙炔炉的混合问题。进一步通过对乙炔炉相关部件：扩散道、烧嘴板、反应室、激冷装置、刮碳机构等进行研究、优化设计和工业化试验，先后开发了10kt/a和15kt/a乙炔炉，并成功应用于工业化装置建设。实际运行表明，通过对乙炔炉控制参数和联锁参数的调整，以及对乙炔炉设备的改进，使早期着火大大减少，减轻了对乙炔炉的损坏。通过自主研发，开发了乙炔炉自动刮碳机械手[6]，提高了天然气制乙炔技术的自动化水平，减少了人工手动刮碳对乙炔炉运行稳定性的影响，提高了乙炔炉的本质安全。

2.3 原料天然气补氧和蒸汽

研究和实际生产运行表明：在进入预热炉的原料天然气中加入少

量的氧气[7]和蒸汽，可以使原料气夹带的铁锈等颗粒，在预热炉中即被氧化，防止还原为单质铁，也可以减少乙炔炉的早期着火。

2.4 设置安全水封和防爆膜

为了防止各工序因为系统压力的瞬间波动，损坏主体设备，造成事故的扩大，在系统比较薄弱的环节，都设置了安全水封。在关键设备和相关管道，如乙炔炉、电除尘器本体、产品乙炔输送管道上都设置了防爆膜。防爆膜设计了联锁信号接入装置紧急停车系统（ESD系统），一旦防爆膜破裂，即联锁本工序或全装置停车，保证了装置的安全。

2.5 采用螺杆压缩机

如表1所示，乙炔及高级炔的分解压力比较低[8]。当分压较高时，乙炔及高级炔容易发生爆炸性分解，所以在裂解气压缩时，乙炔的分压应严格控制在0.14MPa以下，为此背压管道和提浓工序的压力应严格控制在1.08MPa以下。

表1 乙炔及高级炔的分解压力

在高温下，裂解气中的乙炔及高级炔极易发生聚合，并且在反应生成的裂解气中即含有聚合物和炭黑，所以乙炔装置的裂解气压缩选用带自清洁功能的螺杆式压缩机。压缩机采用低压缩比、两级压缩，机内采用脱盐水作为喷射水，控制每级出口温度在80℃以下，尽量减少乙炔及高级炔的聚合；级间采用炭黑水喷淋冷却，温度控制在35℃左右。若温度控制过低，聚合物会发生结晶，堵塞背压管道，造成裂解气的流速过高、管道压力降增大。压缩机背压升高，乙炔和高级炔的分压也会升高，危及装置的安全。

2.6 优化压缩机流程设计

因部分氧化工序来的裂解气中含有少量的聚合物和炭黑，并且在压缩过程中也会发生乙炔和高级炔的高温聚合，生成聚合物。当压缩机出口冷却塔洗涤效果变差，以及在冬季环境温度较低的情况下，裂解气中的聚合物会发生结晶，附着在出口背压管道的截止阀、止回阀、快速切断阀和旁路阀上。在压缩机正常和非正常停车时，较致密的聚合物结晶会造成上述阀门失效。止回阀和快速切断阀不能切断背压管