一種將含甲烷的氣態(tài)烴部分氧化生成乙炔和合成氣的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及乙炔和合成氣的生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其涉及一種含甲烷的氣態(tài)烴部分氧化生成乙炔和合成氣的系統(tǒng)以及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然氣、頁巖氣、煤層氣、油田氣、煉廠氣、焦爐氣、熱解氣等氣態(tài)烴以甲烷為主要成分，是重要的基礎能源和化工原料。通過烴的部分氧化生產(chǎn)乙炔和合成氣是眾所周知的，世界各地大量采用天然氣部分氧化生成乙炔和合成氣。
[0003]天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水汽，以及微量的惰性氣體，如氦和氬等。
[0004]乙炔是一種重要的基礎有機化工原料，生產(chǎn)方法較多，主要有電石乙炔法、烴類裂解法、煤制乙炔等方法。最早常用電石法生產(chǎn)，但此法電耗能耗高，污染環(huán)境。天然氣非催化部分氧化技術(shù)不采用催化劑，技術(shù)路線簡單，原料易得，易于自動化生產(chǎn)，副產(chǎn)尾氣可用于生產(chǎn)合成氨或甲醇，能綜合利用天然氣，可長期穩(wěn)定運行，副產(chǎn)炭黑用途廣泛，是現(xiàn)代國民經(jīng)濟中不可缺少的重要化工原料，可用于橡膠、塑料、涂料、油墨、軍工、通訊、電子、電信、家用電器、電纜、光纜、高能電池、靜電復印、感光材料、印染、造紙及冶金等多種領(lǐng)域。
[0005]甲烷和低級烷烴在常溫下是穩(wěn)定的，乙炔則是不穩(wěn)定的，但甲烷的生成自由能隨溫度的升高而逐漸增大，乙炔則逐漸下降，直至1500K以上，乙炔的生成自由能才小于甲烷的生成自由能，故甲烷裂解生成乙炔的首要條件是反應溫度應高于1500K。部分氧化法就是利用一部分原料烴與氧氣反應放出發(fā)熱量來滿足生成乙炔所需要的高溫和高熱能，使烴類分解生成乙炔，同時生成大量的合成氣。該法是利用燃燒和裂解在乙炔爐的同一空間和同一時間內(nèi)進行的，這主要是基于烴類氧化反應的速度遠比烴類裂解反應的速度快，因而可以使氧化燃燒與熱裂解的過程在同一空間內(nèi)完成。氧化裂解過程的主要反應是氧化反應、裂解反應和水煤氣反應，此外還有乙炔的分解反應和聚合反應等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種含甲烷的氣態(tài)烴部分氧化生成乙炔和合成氣的方法及系統(tǒng)，具有預防混合區(qū)內(nèi)早期著火、熱量回收綜合利用率高等特點。
[0007]具體而言，提供了一種含甲烷的氣態(tài)烴部分氧化生成乙炔和合成氣的系統(tǒng)。
[0008]所述系統(tǒng)具體包括順序相連的燃燒室、熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置、氣態(tài)產(chǎn)物收集裝置;氣態(tài)烴入口和氧氣入口分別與設置于所述燃燒室頂端的燃燒噴嘴相連。
[0009]所述燃燒噴嘴設置于燃燒室頂端，所述燃燒噴嘴中包含氣態(tài)烴流道和氧氣流道，氣態(tài)烴和氧氣分別經(jīng)過各自對應的流道進入燃燒室。所述氣態(tài)烴流道和氧氣流道均與垂直線呈銳角，優(yōu)選與向下的垂直線呈45?60度角，且所述氣態(tài)烴流道和氧氣流道內(nèi)部均設置旋流片，以確保氣態(tài)烴和氧氣以旋流的方式向下進入燃燒室的同時實現(xiàn)均勻混合。
[0010]本發(fā)明提供的系統(tǒng)中，所述加熱后的氣態(tài)烴與氧氣分別經(jīng)過燃燒噴嘴中的氣態(tài)烴流道和氧氣流道，以一定的角度進入燃燒室內(nèi)的瞬間實現(xiàn)混合，混合的同時進行部分氧化反應，無需考慮早期著火、燒毀設備的問題;所述氣態(tài)烴與氧氣通過燒嘴以一定角度(銳角)噴入燃燒室內(nèi)，氣態(tài)烴和氧氣混合氣的氣流以旋流的方式進入燃燒室的瞬間即可完成混合過程，無需單獨設置混合區(qū)與燃燒區(qū)。所述燒嘴置于燃燒室頂端，集點火燒嘴、工藝燒嘴于一體，通過點火燒嘴引燃工藝燒嘴，點火燒嘴通過電子打火點著。
[0011 ]所述燃燒室可為熱壁爐類型，其內(nèi)壁為高溫耐火材料，如耐火磚。
[0012]所述燃燒室也可以為冷壁爐類型，其內(nèi)壁由內(nèi)至外為隔熱材料與冷卻層。所述隔熱材料可選用碳化硅、硅酸鋁材料等;所述冷卻層優(yōu)選為夾套或盤管結(jié)構(gòu)。所述冷卻層中的冷卻換熱介質(zhì)下進上出，在夾套或盤管內(nèi)流動，被壁爐內(nèi)的熱源加熱。所述冷卻換熱介質(zhì)可以為軟化水，優(yōu)選為飽和軟化水，可與燃燒室內(nèi)換熱后得到飽和蒸汽;也可以為其他氣體物質(zhì)，如氣態(tài)烴，從而使氣態(tài)烴在進入燃燒噴嘴前與燃燒室內(nèi)換熱，實現(xiàn)氣態(tài)烴的預熱。
[0013]本發(fā)明所述系統(tǒng)中還可以包括急冷裝置。所述急冷裝置包括設置于燃燒室出口處的激冷環(huán)和急冷室;所述急冷室的入口端與燃燒室底部緊密相連;所述急冷室的出口端分別與熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置和提濃除灰裝置相連。所述急冷裝置中，在與燃燒室相連的燃燒室出口處設置激冷環(huán)，冷卻劑通過激冷環(huán)高速噴出，迅速急冷高溫產(chǎn)物，終止乙炔的進一步反應;被迅速急冷的高溫產(chǎn)物沿下降管進入急冷室進行進一步的冷卻、除灰，得到500?900°C的產(chǎn)物。所述急冷裝置中的冷卻劑與高溫產(chǎn)物進行作用后，進入提濃除灰裝置。所述冷卻劑可以是冷卻水或油，經(jīng)提濃除灰后，可循環(huán)使用;所述提濃除灰過程分離出來的煙灰，即炭黑。所述提濃除灰過程中，會損失部分冷卻劑，在循環(huán)使用過程中，需適當補充新鮮的冷卻劑。
[0014]本發(fā)明所述熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置包括蓄熱器以及換熱器。所述蓄熱器優(yōu)選采用蜂窩蓄熱體，高溫產(chǎn)物通過蓄熱體界面時同截面的氣體同時被降溫，迅速終止乙炔深度反應的發(fā)生。所述換熱器為間接換熱器，可以是管式換熱器、板式換熱器或套管式換熱器，產(chǎn)物通過與換熱器中通過的軟化水間接換熱降溫至80°C以下，進而回收該部分的熱量生產(chǎn)高溫熱水或蒸汽。所述產(chǎn)物經(jīng)蓄熱器及換熱器回收熱量后，均需進行除塵處理;除塵處理收集到的煙灰即為反應過程中副產(chǎn)的炭黑。
[0015]作為本發(fā)明的第一種優(yōu)選方案，所述系統(tǒng)中:所述燃燒室為冷壁爐型，其內(nèi)壁由內(nèi)至外為隔熱材料與冷卻層;所述燃燒室與熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置之間設置急冷裝置，所述急冷裝置中通入冷卻劑;所述急冷裝置包括設置于燃燒室出口處的激冷環(huán)和急冷室;所述急冷室的入口端與燃燒室底部緊密相連;所述急冷室的出口端分別與熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置和提濃除灰裝置相連;所述熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置包括順序相連的蓄熱器、蓄熱除塵裝置、換熱器以及換熱除塵裝置;所述提濃除灰裝置以及各除塵裝置均與炭黑活化裝置相連。
[0016]所述蓄熱器回收被急冷裝置中的冷卻劑初步冷卻后的高溫產(chǎn)物中的余熱。為了實現(xiàn)氣態(tài)烴和氧氣的預熱，氣態(tài)烴管道順序連所述燃燒室的冷卻層以及氣態(tài)烴入口，確保氣態(tài)烴經(jīng)過圍繞著所述冷壁爐型燃燒室內(nèi)壁的夾套或盤管結(jié)構(gòu)進行預熱后，經(jīng)氣態(tài)烴入口通入燃燒噴嘴;氧氣管道順序連接所述蓄熱器以及氧氣入口，確保氧氣經(jīng)過述蓄熱器進行預熱后，經(jīng)氧氣入口通入燃燒噴嘴。
[0017]所述急冷裝置中，在燃燒室出口處設置激冷環(huán)，冷卻劑通過激冷環(huán)高速噴出，迅速急冷高溫產(chǎn)物，終止乙炔的進一步反應;被迅速急冷的高溫產(chǎn)物沿下降管進入急冷室進行進一步的冷卻、除灰，得到500?900°C的產(chǎn)物。
[0018]作為本發(fā)明的第二種優(yōu)選方案，所述系統(tǒng)中:所述燃燒室為冷壁爐類型，其內(nèi)壁由內(nèi)至外為隔熱材料與冷卻層;所述燃燒室與熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置直接相連;所述熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置包括順序相連的一級蓄熱器、一級蓄熱除塵裝置、二級蓄熱器、二級蓄熱除塵裝置、換熱器以及換熱除塵裝置；其中，所述一級蓄熱器與燃燒室的出口端直接相連;所述各除塵裝置均與炭黑活化裝置相連。
[0019]所述一級蓄熱器和二級蓄熱器回收燃燒室反應產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物中的余熱。為了實現(xiàn)氣態(tài)烴和氧氣的預熱，氣態(tài)烴管道順序連所述燃燒室的冷卻層以及氣態(tài)烴入口，確保氣態(tài)烴經(jīng)過圍繞著所述冷壁爐型燃燒室內(nèi)壁的夾套或盤管結(jié)構(gòu)進行預熱后，經(jīng)氣態(tài)烴入口通入燃燒噴嘴;氧氣管道順序連接所述二級蓄熱器以及氧氣入口，確保氧氣經(jīng)過述二級蓄熱器進行預熱后，經(jīng)氧氣入口通入燃燒噴嘴。所述一級蓄熱器中所蓄積的主要熱量用于加熱各種介質(zhì)，所述介質(zhì)主要指各類氣體。
[0020]作為本發(fā)明的第三種優(yōu)選方案，所述體系中:所述燃燒室為冷壁爐類型，其內(nèi)壁由內(nèi)至外為隔熱材料與冷卻層，所述冷卻層中通入冷卻換熱介質(zhì);所述燃燒室與熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置直接相連;所述熱量及固態(tài)產(chǎn)物回收裝置包括順序相連的一級蓄熱器、一級蓄熱除塵裝置、二級蓄熱器、二級蓄熱除塵裝置、換熱器以及換熱除塵裝置;其中，所述一級蓄熱器與燃燒室的出口端直接相連;所述各除塵裝置均與炭黑活化裝置相連。
[0021]所述一級蓄熱器和二級蓄熱器回收燃燒室反應產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物中的余熱。為了實現(xiàn)氣態(tài)烴和氧氣的預熱，氣態(tài)烴管道順序連接所述一級蓄熱器以及氣態(tài)烴入口，確保氣態(tài)烴經(jīng)過所述一級蓄熱器進行預熱后，經(jīng)氣態(tài)烴入口通入燃燒噴嘴;氧氣管道順序連接所述二級蓄熱器以及氧氣入口，確保氧氣經(jīng)過述二級蓄熱器進行預熱后，經(jīng)氧氣入口通入燃燒噴嘴。
[0022]本發(fā)明同時提供了一種含甲烷的氣態(tài)烴部分氧化生成乙炔和合成氣的方法。
[0023]本發(fā)明采用的所述氣態(tài)烴含甲烷;優(yōu)選為富含甲烷的天然氣、頁巖氣或焦爐煤氣。
[0024]具體而言，所述方法包括以下步驟:將氧氣與氣態(tài)烴以