乙炔作為最簡單的烴類化合物之一，具有很不穩定的三鍵（H－C≡C－H），化學性質極為活潑，能與許多物質進行強烈的化學反應，衍生出上千種有機化學品。由乙炔出發生產的某些產品具有投資少、收率高、流程簡單等優點，所以乙炔曾被譽為“有機合成工業之母”，是現代合成塑料、橡膠、纖維、染料、樹脂和溶劑等許多有機產品的基礎原料。同時，在精細化工領域， 從乙炔出發也具有很大的優勢，如香料、維生素、醫藥、表面活性劑、緩蝕劑等。

目前，世界在運行的天然氣部分氧化制乙炔技術的典型代表為BASF公司技術、烏克蘭技術和中石化技術。1945年，德國BASF公司首先實現了天然氣部分氧化制乙炔的工業化生產，其單臺乙炔爐的生產能力為7.5kt/a，隨后又開發了10kt/a乙炔爐。烏克蘭國立化工研究院在引進BASF公司技術的基礎上，開發了單爐生產能力為10kt/a的乙炔爐和烏克蘭天然氣制乙炔技術。

中石化川維化工有限公司在引進BASF公司7.5kt/a乙炔爐技術和28kt/a乙炔提濃技術的基礎上，經過40多年的不斷改進和創新， 先后開發了10kt/a和15kt/a乙炔爐，40kt/a和50kt/a乙炔提濃技術工藝包，先后在重慶和新疆建設了天然氣制乙炔生產裝置， 并將10kt/a乙炔爐技術許可到烏茲別克斯坦國有氮肥公司。

以天然氣為原料，采用部分氧化法生產乙炔的工藝過程主要分為部分氧化（裂解）、裂解氣壓縮、裂解氣提濃、產品乙炔升壓等工序。該工藝過程具有反應溫度高，反應物易燃、易爆，某些生成物易聚合等特點， 所以在工藝設計和實際生產過程中，研究該工藝的本質安全性，并采取切實可行的措施保證裝置安全，就顯得格外重要。

1 天然氣部分氧化制乙炔生產原理及特點

1.1 生產原理

天然氣部分氧化制乙炔工藝過程的原理，是在裂解反應的同時伴隨有氧化反應，而且氧化反應速度比裂解反應速度快。在裂解反應器——乙炔爐內，經充分混合的氧氣和一部分天然氣首先進行燃燒，形成1500℃左右的高溫，過程產生的熱量使另一部分天然氣裂解為乙炔，然后用水、油等介質進行快速激冷，并進一步冷卻到80℃以下，阻止生成的乙炔深度裂解。甲烷部分氧化制乙炔過程主要有如下反應：

甲烷氧化反應（放熱）：CH4+O2→CO+H2O+H2

甲烷熱裂解反應（吸熱）：2CH4→C2H2+3H2

水煤氣變換反應：CO+H2O→CO2+H2

乙炔分解反應：C2H2→2C+H2

反應生成的乙炔體積分數8%左右的裂解氣經冷卻、除塵后，經螺桿壓縮機壓縮，在提濃工序采用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，經過多次吸收和解吸， 被分離成三種氣體混合物——產品乙炔、尾氣（合成氣）和高級炔烴氣。整個工藝過程具有高溫、快速，反應物和生成物易燃易爆等特點。

1.2 工藝特點

（1）高溫、快速

分別預熱到650℃左右的天然氣和氧氣進入乙炔爐中， 部分天然氣發生燃燒， 溫度達到1300～1500℃。在該溫度下，部分天然氣（主要是甲烷）發生裂解反應生成乙炔。為了避免乙炔在高溫下進一步分解，以獲得比較理想的乙炔收率，必須快速激冷終止反應，整個反應時間控制在3‰秒以內。

（2）易燃、易爆

該工藝采用的原料天然氣極易燃燒，與純氧在高溫下接觸具有很強的爆炸危險性；部分氧化工序生成的含乙炔的裂解氣、提濃工序生成的含大量丁二炔等的高級炔氣體、產品乙炔都極易發生爆炸。

（3）易分解、易聚合

乙炔及高級炔在加壓或高溫條件下，極易發生爆炸性分解；裂解氣中的乙炔及高級炔在高溫下，極易發生聚合，形成的聚合物在低溫下容易發生結晶，堵塞設備、管道和填料。

2 提高天然氣部分氧化制乙炔本質安全的措施

針對天然氣部分氧化制乙炔的技術特點，通過多年的研究和探索， 采取了一系列的安全措施，保證了生產裝置的安全、穩定和長周期運行。

2.1 增設聯鎖控制點

在裂解工序，根據乙炔爐的反應特點，設置了乙炔爐反應室溫度超低限或超高限、乙炔爐混合室溫度超高限、乙炔爐壓差超高限、裂解氣氧含量超高限等10個單列乙炔爐小聯鎖。設置了乙炔爐反應室溫度超高高限、 儀表空氣總管壓力超低限等5個乙炔裝置的大聯鎖。當裝置發生大、小聯鎖時，立即切斷送壓縮工序的總管裂解氣，打開去放空火炬的放空閥，將裂解氣放空。

2.2 乙炔爐的改進

模擬發現，原引進技術乙炔爐天然氣與氧氣的混合效果不是很理想，其混合均勻程度約為97%，基本能夠滿足7.5kt/a乙炔爐混合要求。長期的生產運行表明，如此低的混均度是造成乙炔爐早期著火頻繁發生的主要因素之一。

經過對混合器的結構形式進行改進，使乙炔爐的混均度提高到99.8%以上， 很好地解決了10kt/a和15kt/a乙炔爐的混合問題。進一步通過對乙炔爐相關部件：擴散道、燒嘴板、反應室、激冷裝置、刮碳機構等進行研究、優化設計和工業化試驗，先后開發了10kt/a和15kt/a乙炔爐，并成功應用于工業化裝置建設。實際運行表明，通過對乙炔爐控制參數和聯鎖參數的調整，以及對乙炔爐設備的改進，使早期著火大大減少，減輕了對乙炔爐的損壞。通過自主研發，開發了乙炔爐自動刮碳機械手，提高了天然氣制乙炔技術的自動化水平，減少了人工手動刮碳對乙炔爐運行穩定性的影響，提高了乙炔爐的本質安全。

2.3 原料天然氣補氧和蒸汽

研究和實際生產運行表明：在進入預熱爐的原料天然氣中加入少量的氧氣和蒸汽，可以使原料氣夾帶的鐵銹等顆粒，在預熱爐中即被氧化，防止還原為單質鐵，也可以減少乙炔爐的早期著火。

2.4 設置安全水封和防爆膜

為了防止各工序因為系統壓力的瞬間波動，損壞主體設備，造成事故的擴大，在系統比較薄弱的環節，都設置了安全水封。在關鍵設備和相關管道，如乙炔爐、電除塵器本體、產品乙炔輸送管道上都設置了防爆膜。防爆膜設計了聯鎖信號接入裝置緊急停車系統（ESD系統），一旦防爆膜破裂，即聯鎖本工序或全裝置停車，保證了裝置的安全。

2.5 采用螺桿壓縮機

如表1所示，乙炔及高級炔的分解壓力比較低。當分壓較高時， 乙炔及高級炔容易發生爆炸性分解，所以在裂解氣壓縮時，乙炔的分壓應嚴格控制在0.14MPa以下， 為此背壓管道和提濃工序的壓力應嚴格控制在1.08MPa以下。

表1 乙炔及高級炔的分解壓力

在高溫下，裂解氣中的乙炔及高級炔極易發生聚合，并且在反應生成的裂解氣中即含有聚合物和炭黑，所以乙炔裝置的裂解氣壓縮選用帶自清潔功能的螺桿式壓縮機。壓縮機采用低壓縮比、兩級壓縮，機內采用脫鹽水作為噴射水，控制每級出口溫度在80℃以下，盡量減少乙炔及高級炔的聚合；級間采用炭黑水噴淋冷卻，溫度控制在35℃左右。若溫度控制過低，聚合物會發生結晶，堵塞背壓管道，造成裂解氣的流速過高、管道壓力降增大。壓縮機背壓升高，乙炔和高級炔的分壓也會升高，危及裝置的安全。

2.6 優化壓縮機流程設計

因部分氧化工序來的裂解氣中含有少量的聚合物和炭黑，并且在壓縮過程中也會發生乙炔和高級炔的高溫聚合，生成聚合物。當壓縮機出口冷卻塔洗滌效果變差，以及在冬季環境溫度較低的情況下，裂解氣中的聚合物會發生結晶，附著在出口背壓管道的截止閥、止回閥、快速切斷閥和旁路閥上。在壓縮機正常和非正常停車時，較致密的聚合物結晶會造成上述閥門失效。止回閥和快速切斷閥不能切斷背壓管道和后續加壓系統中返回的高壓裂解氣，旁路閥不能及時打開平衡壓縮機進出口端的壓力，從而造成壓縮機反轉。實際生產過程中，經常發生盤車電機、同步齒輪，甚至壓縮機機殼被打壞的生產事故，嚴重威脅工藝的安全性。

通過工藝和運行研究， 因壓縮機出口溫度較高，約80℃，聚合物不會在其出口處形成結晶堵塞，所以優化流程設計：將快速切斷閥和旁路閥從壓縮機二級出口冷卻塔之后，前移至冷卻塔之前，保證了閥門動作的可靠性。自2011年運行至今，經過多次計劃和非計劃停車檢驗， 從未發生壓縮機的反轉。該設計徹底解決了壓縮機的反轉問題，提高了工藝的本質安全性。

2.7 控制提濃系統的pH值

研究表明：當提濃工序所采用的溶劑NMP含水質量分數低于50%， 且溫度高于50℃時， 會發生水解，生成具有腐蝕性的甲酸，從而造成設備、管道和填料的腐蝕。所以在提濃工序的常壓系統，溫度不能設置過高。同時，采用不定期加入弱堿性物對系統進行中和，嚴格控制溶劑pH值在7～9，可以減輕對設備等的腐蝕，保證了系統安全性。

2.8 高級炔作鍋爐燃料

從高級炔解吸塔抽出的氣體中，高級炔的含量比較高，其中C4H2體積分數在14%以上，C6H6體積分數在10%以上，C4H4體積分數在4%以上， 原設計將該高級炔直接排放到裝置內火炬燃燒。丁二炔等含炭量極高、極具爆炸性的氣體，長期放空燃燒，產生黑煙，造成環境污染，且容易形成結焦堵塞火炬頭，危及裝置安全。

通過向抽出的高級炔氣體中加入乙炔尾氣（主要成分為H2和CO）或者天然氣進行稀釋，經水環泵升壓至40kPa后，送鍋爐作為燃料，消除了高級炔在裝置內火炬燃燒的安全隱患，提高了工藝的安全性和經濟性。

2.9 乙炔的安全輸送

在溫度低于20℃、 分壓小于0.1MPa條件下，乙炔的分解是不能正常持續的；而當壓力超過某一個值時， 這種分解即能演變成爆燃， 或者轉變成爆轟。爆燃是指火焰在非燃燒氣體中以亞音速傳播的狀態。由于傳播速率不斷增大，有時會導致爆炸。爆轟（detonation）是指火焰在非燃燒氣體中以超過音速傳播的狀態，通常傳播速率達到幾倍，甚至幾十倍音速。盡管乙炔容易發生爆炸性分解或爆轟，但是當乙炔被惰性氣體或水蒸汽稀釋時，其分子被分離，爆炸能力降低，所以濕乙炔的爆炸能力遠低于干燥乙炔的爆炸能力。

在進行產品乙炔輸送時，采用水環泵，使乙炔被水蒸氣飽和，并控制出口壓力低于60kPa，流速不超過6m/s，出口設計阻火塔；若輸送距離較遠，在接收端也設計阻火塔。在高溫地區，乙炔輸送管道采用防輻射設計，也可以降低輸送的安全風險，從而有效降低乙炔的爆炸危險性。同時，在輸送管道上設置快速切斷閥和防爆膜，當防爆膜破裂時，聯鎖將乙炔氣放空，并使裝置停車；盡量減小輸送管徑（不能超過DN600）、縮短直管段長度，能夠有效防止乙炔爆炸波的傳播，提高乙炔輸送的安全性。

3 結語

經過對引進技術的消化、吸收，中石化川維化工在天然氣部分氧化制乙炔技術的本質安全性和長周期運行等方面，采取了一系列的措施，作了較大的改進和再創新，使技術的整體水平得到極大的提升，為天然氣部分氧化制乙炔技術的推廣應用奠定了堅實的基礎。

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