KTH工藝天然氣制乙炔裝置關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)集成創(chuàng)新

羅俊國 劉光明

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

1 集成創(chuàng)新的背景

四川天華富邦有限責(zé)任公司于2008年末引進(jìn)英威達(dá)公司4.6萬 t/年P(guān)TMEG及配套6萬 t/年1，4-丁二醇技術(shù)后，需要尋找相關(guān)天然氣制乙炔技術(shù)來提供3萬 t/年產(chǎn)量的原料乙炔。通過國內(nèi)外調(diào)研，符合要求的技術(shù)公司分別有德國BASF公司、中國川維公司、烏克蘭國家化學(xué)工程研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（以下簡稱“KHT”）可供選擇。BASF工藝技術(shù)先進(jìn)、建成裝置多，但因產(chǎn)品屬于競爭關(guān)系，不對外轉(zhuǎn)讓技術(shù)；川維公司技術(shù)是在BASF原有技術(shù)上進(jìn)行了拓展，也拒絕技術(shù)轉(zhuǎn)讓。

裝置建成后，關(guān)鍵設(shè)備裂解爐出現(xiàn)各種燒蝕、卡死的現(xiàn)象，造成裂解爐最長運(yùn)行周期僅3 d。同時(shí)裂解氣中高級(jí)炔含量過高，在后續(xù)工序中聚合，引起管道、閥門、壓縮機(jī)等嚴(yán)重堵塞的問題，很可能造成整個(gè)裝置無法運(yùn)行[1]。

2 技術(shù)開發(fā)的意義

天然氣制乙炔工藝與其他公司技術(shù)的主要區(qū)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(nèi)、外流道）和直通式刮碳的技術(shù)，操作彈性大、節(jié)約成本。該公司通過對其關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生的問題進(jìn)行分析、研究和創(chuàng)新，使裝備可以穩(wěn)定地運(yùn)行。經(jīng)過3年的不懈努力后，該裝置達(dá)到了優(yōu)良運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、部件全部國產(chǎn)化，形成了該公司獨(dú)有的裂解爐技術(shù)，打破了技術(shù)壟斷。以天然氣為原料，節(jié)能減排，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)做出了貢獻(xiàn)，促進(jìn)了精細(xì)化工產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]。

3 工藝技術(shù)創(chuàng)新及研究

由相關(guān)資料得知，當(dāng)氧碳比過低時(shí)，乙炔收率會(huì)隨氧碳比的降低先升高后降低；裂解氣中的高級(jí)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(huì)引起系統(tǒng)爆炸[2]，因此確定合適的氧碳比尤為重要。

3.1 工藝創(chuàng)新方法和過程

通過對旋焰爐的理論進(jìn)行研究、分析，在確保操作安全的情況下，擬定出調(diào)整的方向，小步慢走，不同的參數(shù)穩(wěn)定一段時(shí)間，詳細(xì)分析每組和所有設(shè)備的運(yùn)行情況，逐步調(diào)整到最適合該系統(tǒng)的操作參數(shù)[3]。天然氣從頂部進(jìn)入混合器環(huán)狀段，氧氣經(jīng)氣流側(cè)面孔道兩側(cè)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(jìn)入燃燒器，通過燃燒器內(nèi)外各6組旋流葉片對混合氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后，以大于300 m/s的流速高速進(jìn)入反應(yīng)室。穩(wěn)定氧被連續(xù)送入燃燒器的中心、內(nèi)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(yīng)就在反應(yīng)內(nèi)發(fā)生，反應(yīng)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(wěn)定，而后進(jìn)入水冷夾套區(qū)繼續(xù)反應(yīng)，在反應(yīng)通道內(nèi)的停留時(shí)間為0.004 s～0.007 s，之后以大于200 m/s的速度進(jìn)入淬冷區(qū)。

在淬冷區(qū)域的不同高度分別設(shè)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(huán)噴嘴，而經(jīng)冷水泵升壓后的冷水被送入1、4環(huán)等噴嘴，因水的大量蒸發(fā)，可確保裂解氣的快速冷卻，終止反應(yīng)；為了控制乙炔在水中的溶解量，需要調(diào)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(zhì)（燒結(jié)的炭黑和樹脂）會(huì)沉積在反應(yīng)通道下部，設(shè)置了直行式刮碳裝置定期清除。

3.2 工藝創(chuàng)新內(nèi)容

殘氧量控制在0.2%～0.25%，控制乙炔產(chǎn)量收率，可減少高級(jí)炔、炭黑的生成，同時(shí)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(nèi)進(jìn)行混合，混合的均勻程度影響了工藝的穩(wěn)定性，在不改變混合器的前提下，提高進(jìn)入混合器原料氣體的穩(wěn)定性可以保證混合器正常工作，低殘氧量可以減少高級(jí)炔在后處理工段聚合的情況。

4 設(shè)備技術(shù)開發(fā)內(nèi)容

設(shè)備的主要問題集中在燃燒器面板與流道燒蝕、反應(yīng)室爐磚脆裂、淬冷水分布嚴(yán)重不均、刮碳機(jī)構(gòu)的刮碳頭燒蝕以及運(yùn)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(fā)內(nèi)容[3]。

4.1 旋焰燃燒器創(chuàng)新

旋焰燃燒器面板各部位如圖1所示，內(nèi)冷卻水是從外圈均勻分布的36個(gè)小孔進(jìn)入向中心流動(dòng)，在中心處經(jīng)過φ85 mm×φ25 mm圓環(huán)流出，其面板、內(nèi)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(fā)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(nèi)、外流道與面板間的焊縫，特別是尖角處。因?yàn)橐坏┌l(fā)生面板燒蝕，旋焰燃燒器內(nèi)部的冷卻水就會(huì)泄露，從而失去冷卻作用，泄漏的水也會(huì)使反應(yīng)室耐火磚的損壞速度增加，所以只要出現(xiàn)燒蝕情況，一般必須停車進(jìn)行大修。

由于燒蝕部位的材料已經(jīng)是很好的耐高溫材料，其損壞的原因只能是內(nèi)冷卻水出現(xiàn)問題和焊縫余高過大，因此需要結(jié)合這2個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新。在對相關(guān)資料進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，氧碳比過高或過低都會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，所以確定合適的氧碳比參數(shù)是重點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)和分析，在確保乙炔收率、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、高級(jí)炔烴不超標(biāo)的情況下，最佳氧碳比為0.55～0.575。在旋焰燃燒器日常的運(yùn)行工作中，根據(jù)工作人員在線和手動(dòng)分析數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行微調(diào)的結(jié)果來看，將調(diào)整氧碳比參數(shù)作為重點(diǎn)是行之有效的。

4.1.2 旋焰燃燒器創(chuàng)新內(nèi)容

保證內(nèi)外流道與內(nèi)隔板的間隙不超過0.2 mm，減少內(nèi)冷卻水內(nèi)漏；面板與內(nèi)隔板之間的內(nèi)環(huán)輔氧處，在端面增加隔水板，保證該處冷卻水的流動(dòng)，不至于形成死區(qū)；內(nèi)隔板φ85 mm中心孔修改為φ65 mm，內(nèi)冷卻水能保證中心輔氧處水的流動(dòng)；面板各焊縫焊接時(shí)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(biāo)；采用3D打印制造流道，尖角處全部R5圓角過渡，減少應(yīng)力。

4.2 反應(yīng)室創(chuàng)新

反應(yīng)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(yīng)在該段完成。

4.2.1 反應(yīng)室出現(xiàn)的損壞情況及分析

高速高溫的旋轉(zhuǎn)氣流的沖刷、反應(yīng)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(shí)由水激導(dǎo)致的爐磚壽命都較短；同時(shí)，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(yùn)行穩(wěn)定性差，聲音也異常，參數(shù)調(diào)整范圍很小，一周后才會(huì)逐漸穩(wěn)定，每次檢修都發(fā)現(xiàn)爐磚上部均有損壞。

4.2.2 反應(yīng)室創(chuàng)新內(nèi)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(diào)整尺寸的爐磚現(xiàn)場砌筑，設(shè)計(jì)專用工具對砌筑以及爐磚的最上層調(diào)整平臺(tái)進(jìn)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(jìn)行異形處理，最終試驗(yàn)得到100 mm×10 mm的錐環(huán)時(shí)效果最好，檢修后不存在穩(wěn)定性差的現(xiàn)象。

4.3 刮碳系統(tǒng)創(chuàng)新

刮碳系統(tǒng)主要由刮碳頭、液壓缸、導(dǎo)向筒體、液壓缸體、滑閥和增穩(wěn)壓設(shè)備等組成，每2 h刮除一次反應(yīng)室耐火通道下部、下水冷夾套壁的積碳，刮碳時(shí)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(tǒng)存在問題及分析

刮碳系統(tǒng)的問題主要表現(xiàn)為刮碳頭卡死在通道內(nèi)以及正常運(yùn)行時(shí)燒蝕刮碳頭的現(xiàn)象，問題嚴(yán)重時(shí)2 d就燒掉。原因主要包括液壓力不足同時(shí)克服沖擊掉碳?jí)K，下行時(shí)因結(jié)構(gòu)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(tǒng)創(chuàng)新內(nèi)容

驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)上增加下行刮刀，減少了下行阻力；設(shè)計(jì)了內(nèi)冷卻水的刮碳頭，并且設(shè)計(jì)出水用于沖洗易積存碳的部位。

通過工藝和設(shè)備系列創(chuàng)新后，目前KTH旋焰裂解爐大修周期最長的達(dá)到300 d，一般都在250 d以上；乙炔收益率大于8.2%、負(fù)荷80%～120%可調(diào)，運(yùn)行平穩(wěn)；所有設(shè)備、部件全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。