KTH工藝天然氣制乙炔裝置關鍵設備技術集成創新

羅俊國 劉光明

（1.四川天華股份有限責任公司，四川 瀘州 646207；2.四川天華富邦有限責任公司乙炔車間，四川 瀘州 646207）

1 集成創新的背景

四川天華富邦有限責任公司于2008年末引進英威達公司4.6萬 t/年PTMEG及配套6萬 t/年1，4-丁二醇技術后，需要尋找相關天然氣制乙炔技術來提供3萬 t/年產量的原料乙炔。通過國內外調研，符合要求的技術公司分別有德國BASF公司、中國川維公司、烏克蘭國家化學工程研究設計院有限責任公司（以下簡稱“KHT”）可供選擇。BASF工藝技術先進、建成裝置多，但因產品屬于競爭關系，不對外轉讓技術；川維公司技術是在BASF原有技術上進行了拓展，也拒絕技術轉讓。

裝置建成后，關鍵設備裂解爐出現各種燒蝕、卡死的現象，造成裂解爐最長運行周期僅3 d。同時裂解氣中高級炔含量過高，在后續工序中聚合，引起管道、閥門、壓縮機等嚴重堵塞的問題，很可能造成整個裝置無法運行[1]。

2 技術開發的意義

天然氣制乙炔工藝與其他公司技術的主要區別是于裂解爐爐型不同。KTH工藝是唯一使用旋焰燃燒器（如圖1所示的內、外流道）和直通式刮碳的技術，操作彈性大、節約成本。該公司通過對其關鍵設備發生的問題進行分析、研究和創新，使裝備可以穩定地運行。經過3年的不懈努力后，該裝置達到了優良運行標準，同時實現了設備、部件全部國產化，形成了該公司獨有的裂解爐技術，打破了技術壟斷。以天然氣為原料，節能減排，為發展循環經濟和低碳經濟做出了貢獻，促進了精細化工產業與生態環境的協調發展[2]。

3 工藝技術創新及研究

由相關資料得知，當氧碳比過低時，乙炔收率會隨氧碳比的降低先升高后降低；裂解氣中的高級炔烴生成量與氧碳比成反比；炭黑生成量更多；裂解氣中剩余甲烷、殘氧升高，尤其是殘氧過高，會引起系統爆炸[2]，因此確定合適的氧碳比尤為重要。

3.1 工藝創新方法和過程

通過對旋焰爐的理論進行研究、分析，在確保操作安全的情況下，擬定出調整的方向，小步慢走，不同的參數穩定一段時間，詳細分析每組和所有設備的運行情況，逐步調整到最適合該系統的操作參數[3]。天然氣從頂部進入混合器環狀段，氧氣經氣流側面孔道兩側吹入天然氣中，均勻混合的甲烷-氧氣混合物以大于50 m/s的流速離開混合器并進入燃燒器，通過燃燒器內外各6組旋流葉片對混合氣體進行旋轉后，以大于300 m/s的流速高速進入反應室。穩定氧被連續送入燃燒器的中心、內外旋流葉片附近等處，防止火焰被吹滅。甲烷的氧化熱裂解反應就在反應內發生，反應室前半部襯有耐火磚，耐火材料加熱到高溫有助于甲烷-氧氣混合物燃燒過程的穩定，而后進入水冷夾套區繼續反應，在反應通道內的停留時間為0.004 s～0.007 s，之后以大于200 m/s的速度進入淬冷區。

在淬冷區域的不同高度分別設置了4層噴嘴，其中來自碳黑分離和焚化工段的熱水被送入2、3環噴嘴，而經冷水泵升壓后的冷水被送入1、4環等噴嘴，因水的大量蒸發，可確保裂解氣的快速冷卻，終止反應；為了控制乙炔在水中的溶解量，需要調整各噴嘴水量將出水溫度控制在80 ℃左右。在裂解爐操作期間，類似焦炭的物質（燒結的炭黑和樹脂）會沉積在反應通道下部，設置了直行式刮碳裝置定期清除。

3.2 工藝創新內容

殘氧量控制在0.2%～0.25%，控制乙炔產量收率，可減少高級炔、炭黑的生成，同時也減少碳聚集后的硬度；天然氣和氧氣各自加熱到大于600 ℃后在混合器內進行混合，混合的均勻程度影響了工藝的穩定性，在不改變混合器的前提下，提高進入混合器原料氣體的穩定性可以保證混合器正常工作，低殘氧量可以減少高級炔在后處理工段聚合的情況。

4 設備技術開發內容

設備的主要問題集中在燃燒器面板與流道燒蝕、反應室爐磚脆裂、淬冷水分布嚴重不均、刮碳機構的刮碳頭燒蝕以及運行4 h就損壞等方面，但是解決起來較容易，不屬于重要開發內容[3]。

4.1 旋焰燃燒器創新

旋焰燃燒器面板各部位如圖1所示，內冷卻水是從外圈均勻分布的36個小孔進入向中心流動，在中心處經過φ85 mm×φ25 mm圓環流出，其面板、內外流道、各輔氧管等均是采用Incoloy 800H制造。

圖1 旋焰燃燒器面板

4.1.1 旋焰燃燒器損壞情況及分析

旋焰燃燒器的損壞主要發生在各輔氧管與面板焊接處，尤其是中心輔氧管周圍以及內、外流道與面板間的焊縫，特別是尖角處。因為一旦發生面板燒蝕，旋焰燃燒器內部的冷卻水就會泄露，從而失去冷卻作用，泄漏的水也會使反應室耐火磚的損壞速度增加，所以只要出現燒蝕情況，一般必須停車進行大修。

由于燒蝕部位的材料已經是很好的耐高溫材料，其損壞的原因只能是內冷卻水出現問題和焊縫余高過大，因此需要結合這2個方面進行創新。在對相關資料進行研究后發現，氧碳比過高或過低都會對結果產生不同的影響，所以確定合適的氧碳比參數是重點。通過實驗和分析，在確保乙炔收率、設備運行穩定、高級炔烴不超標的情況下，最佳氧碳比為0.55～0.575。在旋焰燃燒器日常的運行工作中，根據工作人員在線和手動分析數據并對其進行微調的結果來看，將調整氧碳比參數作為重點是行之有效的。

4.1.2 旋焰燃燒器創新內容

保證內外流道與內隔板的間隙不超過0.2 mm，減少內冷卻水內漏；面板與內隔板之間的內環輔氧處，在端面增加隔水板，保證該處冷卻水的流動，不至于形成死區；內隔板φ85 mm中心孔修改為φ65 mm，內冷卻水能保證中心輔氧處水的流動；面板各焊縫焊接時做好坡口，控制余高不大于0.5 mm；減少溫度梯度后，控制迎火面最高溫度不超標；采用3D打印制造流道，尖角處全部R5圓角過渡，減少應力。

4.2 反應室創新

反應室由耐火磚蓄熱通道和下水冷夾套組成，直徑均為400 mm，天然氣在該處燃燒提供熱量，裂解反應在該段完成。

4.2.1 反應室出現的損壞情況及分析

高速高溫的旋轉氣流的沖刷、反應生成炭黑塊后刮碳均對耐火磚有很大的損害，特別是旋焰燃燒器泄漏時由水激導致的爐磚壽命都較短；同時，如何控制好爐磚表面與燃燒器面板間的密封，防止竄火燒壞燃燒器其他非高溫合金部位尤為重要。幾年間，每次檢修后，裂解爐運行穩定性差，聲音也異常，參數調整范圍很小，一周后才會逐漸穩定，每次檢修都發現爐磚上部均有損壞。

4.2.2 反應室創新內容

爐磚材料從高鋁磚改為鋯鉻剛玉磚，提高了耐溫和沖刷能力；采用調整尺寸的爐磚現場砌筑，設計專用工具對砌筑以及爐磚的最上層調整平臺進行磨削，控制其與旋焰燃燒器的平行度、同心度和距離，保證同心和各密封的有效性；對爐磚頂層逐步進行異形處理，最終試驗得到100 mm×10 mm的錐環時效果最好，檢修后不存在穩定性差的現象。

4.3 刮碳系統創新

刮碳系統主要由刮碳頭、液壓缸、導向筒體、液壓缸體、滑閥和增穩壓設備等組成，每2 h刮除一次反應室耐火通道下部、下水冷夾套壁的積碳，刮碳時需要具有較大的沖擊力、下行力，并且保證刮碳頭的耐高溫性能。

4.3.1 刮碳系統存在問題及分析

刮碳系統的問題主要表現為刮碳頭卡死在通道內以及正常運行時燒蝕刮碳頭的現象，問題嚴重時2 d就燒掉。原因主要包括液壓力不足同時克服沖擊掉碳塊，下行時因結構問題受阻卡死；刮碳頭使用310S制造，耐溫能力有限。

4.3.2 刮碳系統創新內容

驅動液壓水壓力從6 bar提高到9 bar，解決了沖擊力不足的問題；從結構上增加下行刮刀，減少了下行阻力；設計了內冷卻水的刮碳頭，并且設計出水用于沖洗易積存碳的部位。

通過工藝和設備系列創新后，目前KTH旋焰裂解爐大修周期最長的達到300 d，一般都在250 d以上；乙炔收益率大于8.2%、負荷80%～120%可調，運行平穩；所有設備、部件全部實現國產化。