一种天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统

摘要

一种天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统，包括：加压设备，用于对高级炔混合气体进行增压；安全设备，用于阻止高级炔混合气体爆燃及回火；燃烧供热设备，用于将高级炔混合气体燃烧供热；管路设备，依次连接加压设备、安全设备和燃烧供热设备；温度监控设备，用于监测高级炔混合气体的温度而进行温度联锁控制高级炔混合气体的供给；压力监控设备，用于监测高级炔混合气体的压力而进行压力联锁控制高级炔混合气体的流量。本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统减少了天然气的消耗，节能环保，高级炔回收利用率高，且系统运行稳定安全，易于操作。

说明书

技术领域

本发明涉及天然气裂解制乙炔领域，具体为天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统。

背景技术

天然气中的甲烷与氧气发生部分氧化反应，并发生甲烷的裂解反应生成乙炔，同时生成氢气、一氧化碳和水，以及少量的二氧化碳、丁二炔、乙烯基乙炔、其他烃类物质以及碳黑。

主要的反应方程式如下：

合成气反应

乙炔生成反应

乙炔分解反应

总反应式

5CH₄+3O₂→HC≡CH+6H₂+3CO+3H₂O

>1500℃～0.1MPa,1-3ms

丁二炔、乙烯基乙炔等高级炔组分会自聚形成高级炔聚合物易在管道内析出会堵塞管道及系统。如果高级炔排入火炬焚烧处理燃烧不充分将形成大量黑烟，对环境带来极大污染并造成能量浪费。一般情况下，高级炔会送到发电厂燃烧供电。在正常生产中从系统内排出～300Nm³/h高级炔,经高级炔压缩机入口加入稀释天然气,压缩后将压力增加从系统内抽出。高级炔气经高级炔阻解器后被送入高级炔增压机进一步增压。在入口设置有压力控制阀来控制高级炔压力。为了进一步对高级炔进行增压，在入口再次补充稀释天然气对高级炔进一步稀释后送入高级炔增压机，将压力增加至～80KpG送至电厂锅炉焚烧，后经系统改造后送入乙炔装置原料气预热炉内回收利用。但是在高级炔回收系统实际运行过程中由于高级炔输送至电厂管道长度过长，导致高级炔聚合物大量析出，在送往电厂的过程中频繁发生高级炔管道及系统堵塞和憋压，导致高级炔压缩机频繁联锁停车，严重影响了乙炔装置的稳定生产。因此高级炔始终无法送至电厂焚烧处理，故一直排放至高级炔火炬焚烧处理，由于高级炔气热值高，造成严重浪费，同时火炬长期燃烧高级炔会使火炬使用寿命缩短，如果乙炔火炬烧坏将导致乙炔装置停车，从而导致整个公司停产。

综上所述，现有技术中的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气利用系统存在环境污染大、热能利用率低、生产稳定性低以及系统操作复杂。

发明内容

通过对天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气利用系统进行系统改造、仪表设置、联锁设置、新增设备等工程将高级炔进行回收利用，解决了现有技术中环境污染大、热能利用率低、生产稳定性低以及系统操作复杂的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统，包括：加压设备，包括高级炔压缩机和高级炔增压机，用于对高级炔混合气体进行增压；安全设备，包括高级炔阻解器和高级炔阻火器，用于阻止高级炔混合气体爆燃及回火；燃烧供热设备，用于将高级炔混合气体燃烧供热；管路设备，按照高级炔压缩机、高级炔阻解器、高级炔增压机、高级炔阻火器、燃烧供热设备的顺序依次连接加压设备、安全设备和燃烧供热设备；温度监控设备，在管路设备上分别设置于加压设备、安全设备和燃烧供热设备的入口，用于监测高级炔混合气体的温度而进行温度联锁控制高级炔混合气体的供给；压力监控设备，在管路设备上分别设置于加压设备、安全设备和燃烧供热设备的入口，用于监测高级炔混合气体的压力而进行压力联锁控制高级炔混合气体的流量。

进一步地，管路设备包括多节管道、去火炬和气液分离罐，多节管道用于连接加压设备、安全设备和燃烧供热设备，去火炬燃烧过量的高级炔混合气体，气液分离罐设置管道设备的尾部用于收集高级炔混合气中附带的液体。

进一步地，燃烧供热设备为天然气裂解制乙炔反应系统的氧气加热炉和天然气加热炉。

进一步地，温度监控设备朝向入口依次设置开关阀、合成气调节阀、合成气流量计和温度监测装置。

进一步地，压力监控设备朝向入口依次设置开关阀、合成气调节阀、合成气流量计和压力监测装置。

进一步地，位于燃烧供热设备的入口的温度监控设备和压力监控设备还包括助燃风流量计和助燃风调节阀。

进一步地，去火炬通过多节管道分别连接于高级炔压缩机、高级炔阻解器、高级炔增压机的进出口且分别在连接于高级炔压缩机、高级炔阻解器、高级炔增压机、高级炔阻火器的各多节管道上具有调节阀。

进一步地，去火炬的各调节阀位于温度监控设备和压力监控设备的调节阀前侧。

进一步地，当温度监控设备监测到高级炔混合气体的温度高于100℃时温度联锁为关闭温度监控设备的调节阀和打开与温度监控设备相邻的去火炬的调节阀。

进一步地，当压力监控设备监测到高级炔混合气体的压力低于5KPaG时所启动的压力联锁为关闭压力监控设备的调节阀和打开与压力监控设备相邻的去火炬的调节阀。

发明的技术效果：

一、本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统通过设置温度和压力联锁，从而控制高级炔的温度和压力，提高了系统的可操作性；

二、本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统通过设置高级炔阻火器和阻解器，防止高级炔混合气体回火，提高了系统的安全等级，保证了系统运行的安全；

三、本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的高级炔回收利用率高，提高了天然气裂解制乙炔工艺的生产效率。

附图说明

图1是本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的整体结构示意图；

图2是本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的温度监控设备的结构示意图；

图3是本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的压力监控设备的结构示意图；

符号说明：I-Y-01:高级炔压缩机；I-Z-03:高级炔增压机；II-Z-02:高级炔阻解器；II-Z-4:高级炔阻火器；III-05:燃烧供热设备；IV:管路设备；V:温度监控设备；VI:压力监控设备；V-F-01:阀门；V-H-02:合成气调节阀；V-H-03:合成气流量计；V-W-04:温度监测装置；VI-F-01:阀门；VI-H-02:合成气调节阀；VI-H-03:合成气流量计；VI-Y-04:温度监测装置。

具体实施方式

需要说明的是，以往的天然气裂解制乙炔工艺中天然气乙炔装置预热炉分为氧气预热炉和天然气预热炉，各6台，共12台燃烧器，原燃烧器的燃料气设计为：开车时采用合成气，正常采用天然气。而本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统采用高级炔混合天然气的混合气进行燃烧，提高了热能供应效率。现经天然气和高级炔气的热值和燃烧后组分进行对比。

表1 高级炔气与天然气热值对比

天然气按最高热值计算，可见高级炔废气的热值最低是天然气热值的1.47倍，即每方高级炔废气相当于1.47方天然气。

表2 高级炔燃烧前后及天然气燃烧后组分分析

由各组分燃烧前后对比可以看出，天然气燃烧较充分但尾气中氧含量偏高，现场预热炉配风量偏大，需要调整减少热量损失。高级炔尾气中存在微量可燃气体组分，氧含量为零，说明在高级炔配烧过程中配风量不足，需要在下一步回收过程中注意加大配风量，提高燃烧效率，使高级炔充分回收。

改造后高级炔的投用，有效的减少了天然气的消耗，在高级炔回收过程中天然气燃料气量节约了近30％。改造后单套装置满负荷送往预热炉的高级炔气按最低量300Nm³/h计算。热值为天然气的1.47倍，因此按照天然气价格计算，每年可节约天然气300Nm³/h×8000h×1.47＝352.8万Nm³，则每年产生的经济效益3528000×1.2＝423万元。

下面对本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的各个设备进行详细说明。

参见图1，图解了本发明天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统的整体布局图。本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统包括：加压设备I包括高级炔压缩机I-Y-01和高级炔增压机I-Z-03，用于对高级炔混合气体进行增压；安全设备II，包括高级炔阻解器II-Z-02和高级炔阻火器II-Z-04，用于阻止高级炔混合气体爆燃及回火；燃烧供热设备III-05，用于将高级炔混合气体燃烧供热；管路设备IV，按照高级炔压缩机I-Y-01、高级炔阻解器II-Z-02、高级炔增压机I-Y-03、高级炔阻火器I-Y-04、燃烧供热设备III-05的顺序依次连接加压设备I、安全设备II和燃烧供热设备III；温度监控设备V，在管路设备上分别设置于加压设备I、安全设备II和燃烧供热设备III的入口，用于监测高级炔混合气体的温度而进行温度联锁控制高级炔混合气体的供给；压力监控设备VI，在管路设备上分别设置于加压设备I、安全设备I和燃烧供热设备III的入口，用于监测高级炔混合气体的压力而进行压力联锁控制高级炔混合气体的流量。

下面对高级炔气体进入本发明的天然气裂解制乙炔工艺中高级炔废气综合利用系统进行综合利用的过程进行说明。

(1)高级炔气体从管路设备进入高级炔压缩机I-Y-01被加压。在高级炔压缩机I-Y-01的入口处设置压力监控装置VI从而进行压力联锁，在高级炔压缩机I-Y-01的出口处设置温度监控装置V和压力监控装置VI从而进行温度联锁和压力联锁。如果检测到的温度超过100℃和/或压力低于5KPaG，则启动温度联锁和/或压力联锁，联锁停车，将高级炔气自动送入火炬。

(2)高级炔气体在进入高级炔阻解器II-Z-02前加入天然气将高级炔进行稀释形成高级炔混合气。。在高级炔阻解器II-Z-02的出口处设置压力监控装置VI从而进行压力联锁。如果检测到压力低于5KPaG，则启动压力联锁，将高级炔混合气送入火炬Q燃烧。

(3)在高级炔增压机I-Z-03的入口处设置压力监控装置VI从而进行压力连锁，在高级炔增压机I-Z-03的出口处设置温度监控装置V和压力监控装置VI从而进行温度联锁和压力联锁。如果检测到的温度超过100℃和/或压力低于5KPaG，则启动温度联锁和/或压力联锁，联锁停车，停止输入高级炔气体和天然气。已经进入系统的高级炔混合气可以进入去火炬Q燃烧。作为本发明的一个实施例，高级炔增压机I-Z-03使用液环压缩机，在压缩过程中高级炔容易夹杂水汽，所以在高级炔增压机I-Z-03出口的管路设备设置气液分离罐，收集高级炔夹杂的水汽，防止高级炔管线积液造成管道憋压。控制方案：在排液罐上设置有液位计及液位变送器一台，切断阀一台，当液位高高85％时自动打开阀门排液，当液位低于20％时自动关闭排液阀。同时更改排液罐顶部安全阀设定压力，防止高级炔超压。

(4)在高级炔阻火器II-Z-04的入口处设置压力监控装置VI从而进行压力联锁，在高级炔阻火器II-Z-04的出口处设置温度监控装置V和压力监控装置VI从而进行温度联锁和压力联锁。如果检测到的温度超过100℃和/或压力低于5KPaG，则启动温度联锁和/或压力联锁，联锁停车，停止输入高级炔气体和天然气。

(5)高级炔混合气体进入燃烧供热设备III进行燃烧供热。作为本发明的一个实施例，本发明的燃烧供热设备III包括氧气预热炉和天然气预热炉。修改预热炉顺序控制逻辑，由之前只允许投用一股燃料气，修改为可以同时投用天然气及高级炔燃料气。此时，需要对预热炉PIC顺控程序进行如下修改：⑴原程序顺控40步预热炉点小火之后，按钮只能选择一路燃料气。现修改为：启动预热炉之前选择按钮，只判断天然气停炉条件正常，天然气一路正常启动。60A步大火正常之后，判断高级炔联锁条件正常，DCS画面点击高级炔气按钮，打开高级炔气路阀门；⑵原联锁：天然气停炉条件触发后停炉BMS3；高级炔气联锁条件停炉BMS4。现改为两路燃料气正常投用后，点击画面按钮,可以停止高级炔燃料气，天然气路正常运行。天然气停炉条件BMS3触发后，两路燃料气同时切断停炉，高级炔气联锁条件触发后只切断高级炔燃料气；⑶高级炔联锁条件：①燃料天然气压力低；②燃料天然气压力高；③天然气燃料引起预热炉停车；④画面高级炔气停止按钮；⑷新增BMS3高温联锁条件。

接下来，对温度联锁和压力联锁进行说明。

(1)温度高高联锁，当温度探头测量到高级炔压缩机I-Y-01、高级炔增压机I-Z-03的出口温度升高至联锁温度，此时联锁切断高级炔气送入火炬。当高级炔阻火器II-Z-04温度高高达到200℃时联锁关闭切断阀。

(2)压力低低联锁，如果压力过低可能引起高级炔回火，故当高级炔压力低低时，联锁切断高级炔气。压力低低达到5KPaG时联锁关闭切断阀。

(3)压力高高联锁，如果系统发生回火则压力升高，故当高级炔压力高高至0.25MPaG时，联锁切断高级炔气。压力高高达到0.25MPaG时联锁关闭切断阀。

(4)高级炔阻解器II-Z-02、高级炔阻火器II-Z-04的入口使用压力联锁，为防止压力低导致回火，压力联锁，当压力低低5KPaG时联锁关闭入口阀将高级炔气切断。

(5)压力控制，在入口设置压力控制阀,两路火炬管线用来控制高级炔压力，可以保证压缩机出口压力稳定防止憋压。

下面对管路设备IV进行说明。

高级炔增压机出口管道上新增管道去预热炉合成气管线。将高级炔去电厂管道取消，重新安装6〞管道，经Y5管廊顶层与合成气总管相接。由于高级炔易于堵塞管道，故每隔6米设置一对拆卸法兰便于拆卸清理，同时现场增加电伴热及保温。将合成气去预热炉管道总管与装置外送合成气管网断开防止气体互串。为了便于管道堵塞后的清理合成气总管至部分氧化部分，对原设计合成气管线每隔30米设置一对拆卸法兰。将预热炉合成气管网改造为高级炔废气回收管网，将高级炔送入预热炉进行回收。

关于高级炔气回收计算说明如下：

(1)级炔气稀流量约为300Nm³/h，热值为13944Kcal(千卡)/Nm³,完全燃烧可以释放4.18MW的热量，而六台氧气预热炉正常总负荷为1.1×6＝6.6MW；6台天然气预热炉正常总负荷为2.8×6＝16.8MW，即高级炔气可以在预热炉燃烧。

(2)氧气气预热炉燃烧器计算说明：

说明：①压力由原来最大250KPaG变为60KPaG，压力低了燃烧刚性较差，火焰容易飘。②高级炔气稀释后的总流量为1755.6Nm³/h，而上述该型号燃烧器全部燃烧高级炔气的流量为240×6＝1440Nm³/h，可以满足6台氧气炉使用。③燃料气管径虽然可以缩小，但可以利用原DN65的管道，空气量由原来的1600Nm³/h增大到1900Nm³/h，增加近20％，经过检查目前鼓风机风量可以满足，操作时要提高鼓风机压头。

⑶天然气预热炉燃烧器计算说明：

说明：①压力由原来最大250KPaG变为60KPaG，压力低了燃烧刚性较差，火焰容易飘。②高级炔气稀释后的总流量为1755.6Nm³/h，而上述该型号燃烧器全部燃烧高级炔气的流量为592×6＝3552Nm³/h，已远大于高级炔气的总流量，即如果高级炔气用于天然气预热炉作为燃料气需要补充其它燃料气。③燃料气管径虽然可以缩小，但可以利用原DN100的管道，空气量由原来的3900Nm³/h增大到4700Nm³/h，增加近20％，经过检查目前鼓风机风量可以满足，操作时要提高鼓风机压力。

下面结合附图2-3对温度监控设备V和压力监控设备VI进行说明。

温度监控设备V朝向入口依次设置开关阀V-F-01、合成气调节阀V-H-02、合成气流量计V-H-03和温度监测装置V-2-04。监控的温度高于200℃时，启动温度联锁，利用合成气调节阀V-H-02调节高级炔混合气或者关闭开关阀V-F-01，停车，停止输入高级炔混合气。

压力监控设备VI朝向入口依次设置开关阀VI-F-01、合成气调节阀VI-H-02、合成气流量计VI-H-03和压力监测装置VI-Y-04。监控的压力低于5KPaG，启动压力联锁，利用合成气调节阀VI-H-02调节高级炔混合气或者关闭开关阀VI-F-01，停车，停止输入高级炔混合气。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。