CN102329189A

CN102329189A - 一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法及装置

Info

Publication number: CN102329189A
Application number: CN201110159488A
Authority: CN
Inventors: 王铁峰; 李庆勋; 王德峥
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: CN102329189B

Abstract

一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法及装置，属于化工技术及能量利用和余热回收技术领域。天然气和氧气分别被预热，进入到混合器快速混合，经由烧嘴点燃，进入燃烧室反应，得到1300℃以上的高温产物。在燃烧室出口环形急冷器高速喷出垂直于高温产物流动方向的常温合成气，急冷高温产物，得到500～900℃高温混合物，及时终止乙炔的进一步反应消耗。高温混合物通过换热器加热原料气或者软水产生高温蒸汽。常温合成气是天然气部分氧化制乙炔的主要产物，循环使用。间接换热提高了高品位热能利用率，与传统的水急冷过程相比，本发明采用的技术方案使天然气部分氧化制乙炔的热量利用率提高50％～80％。

Description

一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种天然气部分氧化制乙炔高温产物过程中的热量回收的方法及装置，属于化工技术及能量利用和余热回收技术领域。

背景技术

乙炔是一种重要的基础有机化工原料，其下游加工产品主要有聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚乙烯醇及乙醛、醋酸、氯丁橡胶、异戊橡胶等。乙炔最早是用电石法生产，该方法生产乙炔的优点是产品纯度高，精制容易，操作简便。缺点是耗电能高，环境污染厉害。

天然气非催化部分氧化技术由于不采用催化剂，具有技术路线简单、可长周期稳定运行等优点。巴斯夫公司的萨克斯技术比传统的电石法能耗低、费用省、大大促进了乙炔化工的发展。部分氧化法的优点是：原料易得，价格便宜，易于自动化生产，能综合利用天然气，副产尾气可用于生产合成氨或甲醇。该过程涉及高温、快速混合、强湍流、毫秒级反应和快速终止反应等，对优化操作和安全控制都提出了非常高的要求，其中，快速终止反应是采用水或者油在燃烧室出口喷雾形成密封面进行急冷。

采用水或者油急冷天然气部分氧化制乙炔的高温产物，虽然可以及时终止乙炔的高温裂解反应，但是高温产物体系由1300℃以上急冷至80～100℃过程中热量均被急冷剂吸收，高温能量没有能够有效利用，造成该过程能量利用率低，经济效益差。

但是，常温合成气急冷天然气部分氧化制乙炔的高温产物也存在一定问题，比如常温合成气的热容比水/油小很多，而且在高温产物流速接近100m/s条件下，常温合成气很难形成闭合的急冷密封面，这会造成高温混合物中间部分急冷效果差，乙炔高温裂解反应不能完全终止。

目前已有针对天然气部分氧化制乙炔过程中高温产物急冷方法的专利技术。最早公开的专利是US 2966533，该专利采用水作为急冷剂，水的最终冷却温度80℃，余热利用率极低，该专利技术通过在燃烧室出口增加一个垂直于气体流动方向的平板，有效提高了水急冷剂形成闭合密封面的能力；US 3242225和US 5824834使用芳香族油作为急冷剂，急冷剂的最终温度为200～300℃，将急冷剂的高温热量加热软水生产高温水蒸气，提高了天然气部分氧化制乙炔余热的利用，但是芳香族油在急冷过程会有一部分在高温条件下裂解消耗，需要定期补充芳香族油；CN 1271710采用间接换热方式将温度高于1300℃的高温产物在0.3s内急冷至300℃，虽然余热利用得到极大提升，但是温度高于1300℃时，乙炔的半衰期仅仅是几个毫秒，因此在0.3s停留时间内乙炔产率受到很大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够利用天然气部分氧化制乙炔余热的方法和装置，具有急冷速度快、热量回收综合利用率高的优点。

本发明提供了常温合成气急冷天然气部分氧化制乙炔高温产物的方法及装置，用于回收天然气部分氧化制乙炔高温产物的余热，是通过以下技术方案实现的：

一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)将天然气和氧气分别加热至500～650℃，进入混合器快速混合，经由烧嘴处的长明灯小火焰点燃进入到燃烧室进行反应，产生1300℃以上的高温产物；

2)利用常温合成气在燃烧室出口高速喷出，形成环形密封面，对高温产物进行急冷，常温合成气的气流喷出方向垂直于高温产物流动方向，得到500～900℃高温混合物，终止乙炔的进一步消耗反应；

3)利用间接换热方式将急冷得到的高温混合物进一步冷却至80～200℃，回收该过程高品位热量。

上述技术方案中，所述步骤3)中的间接换热方式是通过两级间接换热方式实现，第一级间接换热方式为高温混合物分别与天然气和氧气换热，第二级间接换热方式为高温混合物与软水换热产生高温蒸汽，最终冷却至80～200℃。间接换热方式优选采用管式换热器实现。

本发明的另一技术特征在于：用于急冷的常温合成气中氢气和一氧化碳的比例为1/3～3∶1，所述的常温合成气为天然气部分氧化制乙炔的生成物，循环使用。用于急冷的常温合成气的喷出气速为30～200m/s。

本发明提供的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的装置，其特征在于：所述装置包括原料进气系统、混合器、烧嘴、燃烧室、环形急冷器、管式换热器、乙炔分离装置和压缩泵，所述的环形急冷器在燃烧室下方，紧邻燃烧室出口；所述的管式换热器设置在环形急冷器的下游，通过管路与燃烧室出口连接。所述的管式换热器优选采用两级管式换热器。

本发明提供的急冷和热量回收的装置中，所述环形急冷器在内侧环形面中心处均匀开孔或者开槽，开孔率或者开槽率为0.5～10％。环形急冷器内径比燃烧室出口直径大10～100mm。

本发明与现有技术相比，具有以下突出的优点及效果。

为了解决水/油急冷剂急冷存在余热利用率低，经济效益差问题，本发明引入了常温合成气对天然气部分氧化制乙炔高温产物进行急冷和热量回收的方法，在燃烧室出口，环形急冷器在垂直于高温产物流动方向以高速喷出常温合成气，形成环形密封面，对高温产物进行急冷，其突出性效果主要表现在以下几方面：

①常温合成气急冷天然气部分氧化制乙炔高温产物至500～900℃，终止乙炔分解反应，经过一级和二级管式换热器换热，高温产物最终降温至80～200℃，高温余热得到最大限度利用，可以节省天然气总用量20％以上。

②燃烧室出口温度为500～900℃，炭黑形态主要是干粉状，不会强附着燃烧室出口以及换热器壳程，简化了刮除炭黑作业，炭黑过滤器过滤下来的炭黑可以定期移走。

③由于不用水作为急冷剂，减少了该过程的对水的强烈依赖，为天然气富饶的沙漠等干旱缺水地区建厂提供了重要保障。

④常温合成气本身是天然气部分氧化制乙炔的主要产物，不在急冷过程产生杂质气体，也不增加反应物总用量，可以作为储热介质循环使用。

附图说明

图1为本发明提供的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收装置的结构原理示意图。

图2(a)环形急冷器的主视图(采用开孔结构)。

图2(b)是图2(a)的剖面图。

图3(a)环形急冷器的主视图(采用开槽结构)。

图3(b)是图3(a)的剖面图。

图1中：1-高温氧气入口；2-高温天然气入口；3-混合器；4-烧嘴；5-长明灯小火焰；6-燃烧室；7-高温混合物导出装置；8-一级管式换热器；9-高温氧气/天然气出口；10-常温氧气/天然气入口；11-消炭器；12-二级管式换热器；13-高温水蒸气出口；14-常温软水入口；15-乙炔吸收/分离装置；16-乙炔出口；17-压缩泵；18-常温合成气入口；19-环形急冷器。

图2(a)中：19-环形急冷器；18-常温合成气入口；20-环形急冷器内侧面开孔。

图2(b)中：19-环形急冷器；20-环形急冷器内侧面开孔。

图3(a)中：19-环形急冷器；18-常温合成气入口；21-环形急冷器内侧面。

图3(b)中：19-环形急冷器；21-环形急冷器内侧面开槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明采用常温合成气急冷天然气部分氧化制乙炔高温产物的工作原理、反应器结构和工艺方法作详细的描述。

图1为本发明提供的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收装置的结构原理示意图。常温天然气和常温氧气分别与外接加热器换热至500～650℃，经由高温氧气入口1和高温天然气入口2进入到混合器3充分混合；混合之后的天然气和氧气在烧嘴4处的长明灯小火焰5点燃进入燃烧室6反应，生成温度高于1300℃的高温产物；在燃烧室出口环形急冷器18高速喷出常温合成气对高温产物进行急冷，常温合成气的喷出方向垂直于高温产物流动方向，得到500～900℃的高温混合物，由高温混合物导出装置7连接一级管式换热器8；高温混合物分别将常温天然气/氧气入口10进入的常温天然气和常温氧气预热至500～650℃，由高温天然气/氧气出口9导出，经由绝热管路连接高温氧气入口1和高温天然气入口2，停止外接加热器对常温天然气和氧气的加热，高温混合物降温至300～500℃；高温混合物经过消炭器11将炭黑过滤下来，炭黑定期移走；高温混合物继续通过二级管式换热器12，与常温软水入口13进来的软水换热，产生高温蒸汽，由高温蒸汽出口14导出，高温混合物最终降温至80～200℃，进入乙炔分离装置15，得到产品乙炔由乙炔出口16导出；常温合成气经由压缩泵17加压之后通过常温合成气入口18，进入环形急冷器19，急冷高温产物。

常温天然气和常温氧气外接换热器仅在反应开始时使用，当连续生产之后，天然气和氧气分别由一级管式换热器加热至500～650℃，此后外接换热器停止加热。

环形急冷器喷出的常温合成气开始时是由储气罐中备用的常温合成气提供，当连续生产之后，常温合成气由乙炔分离装置分离得到。

天然气和氧气进入和离开一级管式换热器的压力为1～5atm，进入一级管式换热器管程时的温度为常温，离开时一级管式换热器的温度为500～650℃。

环形急冷器在燃烧室出口高速喷出常温合成气，形成环形密封面，急冷高温产物，常温合成气的喷出方向垂直于高温产物流动方向，得到500～900℃的高温混合物，乙炔裂解反应终止。

根据本发明的另一优选实例，环形急冷器内径为比燃烧室出口直径大10～50mm，优选20～30mm；第一层合成气急冷器轴线处开口率0.5～10％，优选2～5％。

根据本发明的另一优选实例，环形急冷器喷出常温合成气的速度为30～200m/s，优选为120～150m/s。

根据本发明的另一优选实例，为增强急冷效果，在第一级环形急冷器下方设置第二级环形急冷器，第二级环形急冷器与第一级环形急冷器平行；第二级环形急冷器与第一级环形急冷器的内径之比为1/5～1/2∶1，优选1/4～1/3∶1；第二级环形急冷器内侧面中心开孔率或开槽率为1～8％，优选2～4％；第一级环形急冷器和第二级环形急冷器之间的垂直距离为50～300mm，优选80～200mm；第二级环形急冷器喷出常温合成气的喷出速度为30～200m/s，优选为120～150m/s。

根据本发明的另一优选实例，加热天然气的一级管式换热器列管数是加热氧气列管数的1～3倍，优选1.5～2.0倍；内径18～30mm，优选20～25mm，。

根据本发明的另一优选实例，二级管式换热器的列管总数为一级管式换热器列管总数的1～5倍，优选2～3倍；内径为18～30mm，优选20～25mm。

根据本发明的另一优选实例，常温合成气急冷高温产物得到500～900℃的高温混合物，优选得到600～850℃的高温混合物。

根据本发明的另一优选实例，一级管式换热器将天然气和氧气分别加热至500～650℃，优选加热至600～650℃。

根据本发明的另一优选实例，一级管式换热器将高温混合物冷却至300～500℃，优选冷却至350～400℃。

根据本发明的另一优选实例，二级管式换热器将高温产物冷却至80～200℃，优选冷却至100～120℃。

根据本发明的另一优选实例，炭黑过滤器开孔直径100～500um，优选200～300um。

常温合成气急冷天然气部分氧化制乙炔的环形急冷器和一级管式换热器的材料为耐高温材料，如石英、陶瓷、不锈钢等，二级管式换热器的材料为换热良好的易加工材料，如不锈钢、铝合金等。

下面结合优选的具体实例，详细说明天然气部分氧化制乙炔高温产物的方法。

实施例1：

反应体系压力为1atm，常温天然气和常温氧气的体积比为0.55∶1，环形急冷器内径比燃烧室出口直径大10mm、急冷器内侧面中心处开孔，开孔率5％，常温合成气的喷出气速是100～110m/s，常温合成气体积与高温产物体积之比为0.90∶1，急冷得到850℃的高温混合物，乙炔最大摩尔浓度4.9％，高温混合物最终冷却至200℃，热量综合回收率提高60％。

实施例2：

反应体系压力为1atm，常温天然气和常温氧气的体积比为0.55∶1，第一级环形急冷器内径比燃烧室出口直径大10mm、环形内侧面中心处开孔率为4％，常温合成气的喷出气速是100～110m/s，第二级环形急冷器内径是第一级环形急冷器内径的1/2、环形内侧面中心处开孔率为4％，第二级环形急冷器喷出常温合成气的速度为110～120m/s，常温合成气总体积与高温常温体积之比为0.90∶1，急冷得到850℃的高温混合物，乙炔最大摩尔浓度5.0％，热量综合回收率提高60％。

实施例3：

反应体系压力为1atm，常温天然气和常温氧气的体积比为0.55∶1，环形急冷器内径比燃烧室出口直径大10mm，环形内侧面中心处开孔率5％，常温合成气的喷出气速是100～110m/s，常温合成气体积与高温产物体积之比为0.90∶1，急冷得到850℃的高温混合物，使用一级管式换热器加热反应物常温天然气和常温氧气，使用二级管式换热器加热去离子水产生高温蒸汽，热量综合回收率提高75％。

Claims

1.一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于：步骤3)中所述的间接换热方式是通过两级间接换热方式实现，第一级间接换热方式为高温混合物分别与天然气和氧气换热，第二级间接换热方式为高温混合物与软水换热产生高温蒸汽，最终冷却至80～200℃。

3.根据权利要求1所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于：用于急冷的常温合成气中氢气和一氧化碳的比例为1/3～3∶1，所述的常温合成气为天然气部分氧化制乙炔的生成物，循环使用。

4.根据权利要求1所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于：用于急冷的常温合成气的喷出气速为30～200m/s。

5.根据权利要求1所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的方法，其特征在于：间接换热方式采用管式换热器实现。

6.实现如权利要求1所述方法的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的装置，其特征在于：所述装置包括原料进气系统、混合器、烧嘴、燃烧室、环形急冷器、管式换热器、乙炔分离装置和压缩泵，所述的环形急冷器在燃烧室下方，紧邻燃烧室出口；所述的管式换热器设置在环形急冷器的下游，通过管路与燃烧室出口连接。

7.根据权利要求6所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的装置，其特征在于：环形急冷器在内侧环形面中心处均匀开孔或者开槽，开孔率或者开槽率为0.5～10％。

8.根据权利要求6所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的装置，其特征在于：环形急冷器内径比燃烧室出口直径大10～100mm。

9.根据权利要求6所述的一种天然气部分氧化过程的急冷和热量回收的装置，其特征在于：所述的管式换热器采用两级管式换热器。