一种将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统的制作方法

本实用新型涉及乙炔和合成气的生产领域，尤其涉及一种含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统。

背景技术：

天然气、页岩气、煤层气、油田气、炼厂气、焦炉气、热解气等气态烃以甲烷为主要成分，是重要的基础能源和化工原料。通过烃的部分氧化生产乙炔和合成气是众所周知的，世界各地大量采用天然气部分氧化生成乙炔和合成气。

天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水汽，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。

乙炔是一种重要的基础有机化工原料，生产方法较多，主要有电石乙炔法、烃类裂解法、煤制乙炔等方法。最早常用电石法生产，但此法电耗能耗高，污染环境。天然气非催化部分氧化技术不采用催化剂，技术路线简单，原料易得，易于自动化生产，副产尾气可用于生产合成氨或甲醇，能综合利用天然气，可长期稳定运行，副产炭黑用途广泛，是现代国民经济中不可缺少的重要化工原料，可用于橡胶、塑料、涂料、油墨、军工、通讯、电子、电信、家用电器、电缆、光缆、高能电池、静电复印、感光材料、印染、造纸及冶金等多种领域。

甲烷和低级烷烃在常温下是稳定的，乙炔则是不稳定的，但甲烷的生成自由能随温度的升高而逐渐增大，乙炔则逐渐下降，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条件是反应温度应高于1500K。部分氧化法就是利用一部分原料烃与氧气反应放出发热量来满足生成乙炔所需要的高 温和高热能，使烃类分解生成乙炔，同时生成大量的合成气。该法是利用燃烧和裂解在乙炔炉的同一空间和同一时间内进行的，这主要是基于烃类氧化反应的速度远比烃类裂解反应的速度快，因而可以使氧化燃烧与热裂解的过程在同一空间内完成。氧化裂解过程的主要反应是氧化反应、裂解反应和水煤气反应，此外还有乙炔的分解反应和聚合反应等。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统，具有预防混合区内早期着火、热量回收综合利用率高等特点。

具体而言，提供了一种含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统。

所述系统具体包括顺序相连的燃烧室、热量及固态产物回收装置、气态产物收集装置；气态烃入口和氧气入口分别与设置于所述燃烧室顶端的燃烧喷嘴相连。

所述燃烧喷嘴设置于燃烧室顶端，所述燃烧喷嘴中包含气态烃流道和氧气流道，气态烃和氧气分别经过各自对应的流道进入燃烧室。所述气态烃流道和氧气流道均与垂直线呈锐角，优选与向下的垂直线呈45～60度角，且所述气态烃流道和氧气流道内部均设置旋流片，以确保气态烃和氧气以旋流的方式向下进入燃烧室的同时实现均匀混合。

本实用新型提供的系统中，所述加热后的气态烃与氧气分别经过燃烧喷嘴中的气态烃流道和氧气流道，以一定的角度进入燃烧室内的瞬间实现混合，混合的同时进行部分氧化反应，无需考虑早期着火、烧毁设备的问题；所述气态烃与氧气通过烧嘴以一定角度(锐角)喷入燃烧室内，气态烃和氧气混合气的气流以旋流的方式进入燃烧室的瞬间即可完成混合过程，无需单独设置混合区与燃烧区。所述烧嘴置 于燃烧室顶端，集点火烧嘴、工艺烧嘴于一体，通过点火烧嘴引燃工艺烧嘴，点火烧嘴通过电子打火点着。

所述燃烧室可为热壁炉类型，其内壁为高温耐火材料，如耐火砖。

所述燃烧室也可以为冷壁炉类型，其内壁由内至外为隔热材料与冷却层。所述隔热材料可选用碳化硅、硅酸铝材料等；所述冷却层优选为夹套或盘管结构。所述冷却层中的冷却换热介质下进上出，在夹套或盘管内流动，被壁炉内的热源加热。所述冷却换热介质可以为软化水，优选为饱和软化水，可与燃烧室内换热后得到饱和蒸汽；也可以为其他气体物质，如气态烃，从而使气态烃在进入燃烧喷嘴前与燃烧室内换热，实现气态烃的预热。

本实用新型所述系统中还可以包括急冷装置。所述急冷装置包括设置于燃烧室出口处的激冷环和急冷室；所述急冷室的入口端与燃烧室底部紧密相连；所述急冷室的出口端分别与热量及固态产物回收装置和提浓除灰装置相连。所述急冷装置中，在与燃烧室相连的燃烧室出口处设置激冷环，冷却剂通过激冷环高速喷出，迅速急冷高温产物，终止乙炔的进一步反应；被迅速急冷的高温产物沿下降管进入急冷室进行进一步的冷却、除灰，得到500～900℃的产物。所述急冷装置中的冷却剂与高温产物进行作用后，进入提浓除灰装置。所述冷却剂可以是冷却水或油，经提浓除灰后，可循环使用；所述提浓除灰过程分离出来的烟灰，即炭黑。所述提浓除灰过程中，会损失部分冷却剂，在循环使用过程中，需适当补充新鲜的冷却剂。

本实用新型所述热量及固态产物回收装置包括蓄热器以及换热器。所述蓄热器优选采用蜂窝蓄热体，高温产物通过蓄热体界面时同截面的气体同时被降温，迅速终止乙炔深度反应的发生。所述换热器为间接换热器，可以是管式换热器、板式换热器或套管式换热器，产物通过与换热器中通过的软化水间接换热降温至80℃以下，进而回收该部分的热量生产高温热水或蒸汽。所述产物经蓄热器及换热器回收 热量后，均需进行除尘处理；除尘处理收集到的烟灰即为反应过程中副产的炭黑。

作为本实用新型的第一种优选方案，所述系统中：所述燃烧室为冷壁炉型，其内壁由内至外为隔热材料与冷却层；所述燃烧室与热量及固态产物回收装置之间设置急冷装置，所述急冷装置中通入冷却剂；所述急冷装置包括设置于燃烧室出口处的激冷环和急冷室；所述急冷室的入口端与燃烧室底部紧密相连；所述急冷室的出口端分别与热量及固态产物回收装置和提浓除灰装置相连；所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的蓄热器、蓄热除尘装置、换热器以及换热除尘装置；所述提浓除灰装置以及各除尘装置均与炭黑活化装置相连。

所述蓄热器回收被急冷装置中的冷却剂初步冷却后的高温产物中的余热。为了实现气态烃和氧气的预热，气态烃管道顺序连所述燃烧室的冷却层以及气态烃入口，确保气态烃经过围绕着所述冷壁炉型燃烧室内壁的夹套或盘管结构进行预热后，经气态烃入口通入燃烧喷嘴；氧气管道顺序连接所述蓄热器以及氧气入口，确保氧气经过述蓄热器进行预热后，经氧气入口通入燃烧喷嘴。

所述急冷装置中，在燃烧室出口处设置激冷环，冷却剂通过激冷环高速喷出，迅速急冷高温产物，终止乙炔的进一步反应；被迅速急冷的高温产物沿下降管进入急冷室进行进一步的冷却、除灰，得到500～900℃的产物。

作为本实用新型的第二种优选方案，所述系统中：所述燃烧室为冷壁炉类型，其内壁由内至外为隔热材料与冷却层；所述燃烧室与热量及固态产物回收装置直接相连；所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的一级蓄热器、一级蓄热除尘装置、二级蓄热器、二级蓄热除尘装置、换热器以及换热除尘装置；其中，所述一级蓄热器与燃烧室的出口端直接相连；所述各除尘装置均与炭黑活化装置相连。

所述一级蓄热器和二级蓄热器回收燃烧室反应产生的高温产物 中的余热。为了实现气态烃和氧气的预热，气态烃管道顺序连所述燃烧室的冷却层以及气态烃入口，确保气态烃经过围绕着所述冷壁炉型燃烧室内壁的夹套或盘管结构进行预热后，经气态烃入口通入燃烧喷嘴；氧气管道顺序连接所述二级蓄热器以及氧气入口，确保氧气经过述二级蓄热器进行预热后，经氧气入口通入燃烧喷嘴。所述一级蓄热器中所蓄积的主要热量用于加热各种介质，所述介质主要指各类气体。

作为本实用新型的第三种优选方案，所述体系中：所述燃烧室为冷壁炉类型，其内壁由内至外为隔热材料与冷却层，所述冷却层中通入冷却换热介质；所述燃烧室与热量及固态产物回收装置直接相连；所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的一级蓄热器、一级蓄热除尘装置、二级蓄热器、二级蓄热除尘装置、换热器以及换热除尘装置；其中，所述一级蓄热器与燃烧室的出口端直接相连；所述各除尘装置均与炭黑活化装置相连。

所述一级蓄热器和二级蓄热器回收燃烧室反应产生的高温产物中的余热。为了实现气态烃和氧气的预热，气态烃管道顺序连接所述一级蓄热器以及气态烃入口，确保气态烃经过所述一级蓄热器进行预热后，经气态烃入口通入燃烧喷嘴；氧气管道顺序连接所述二级蓄热器以及氧气入口，确保氧气经过述二级蓄热器进行预热后，经氧气入口通入燃烧喷嘴。

本实用新型同时提供了一种含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的方法。

本实用新型采用的所述气态烃含甲烷；优选为富含甲烷的天然气、页岩气或焦炉煤气。

具体而言，所述方法包括以下步骤：将氧气与气态烃以摩尔比0.2～0.8：1在通过烧嘴送入燃烧室的瞬间混合反应，获得1300～1500℃的高温产物，迅速降温至500～900℃，再梯度降温至40℃，收集气态 产物，同时回收所述降温过程中产生的热量以及固态产物。

本实用新型通过调整氧气/气态烃比值，可控制产物中乙炔、合成气和炭黑的产量比。所述氧气与气态烃的比例为0.2～0.8:1，优选0.5～0.6：1。

为了提高反应效率，节省能耗，所述氧气与含甲烷的气态烃在混合反应前可进行预热。分别预热至550～650℃，优选为预热至580～620℃。所述预热优选利用反应过程中产生的热量，通过间接热交换实现。

为了实现能量的合理利用，并简化步骤，所述梯度降温优选为：经过一级或多级蓄热器降温至80～200℃，再与冷却水进行热交换降温至40℃。

所述收集的气态产物包括乙炔和合成气。所述降温过程中产生的热量可以通过热交换的方式进行利用。所述固态产物即灰尘，经处理后可获得炭黑，进一步活化可获得活性炭。

本实用新型可利用第一种优选方案提供的装置，按照如下步骤将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气：

(1)气态烃和氧气分别经过燃烧室冷却层和蓄热器预热至500～700℃，再分别通过反应器顶部的烧嘴喷射入燃烧室内，在喷嘴出口处混合，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1200～1500℃的高温产物；

(2)高温产物迅速通过燃烧室，在燃烧室出口冷却剂通过激冷环高速喷出，迅速急冷高温产物，终止乙炔的进一步反应；然后沿下降管进入激冷室进行进一步的冷却、除灰，得到500～900℃的混合物；

(3)产物通过蓄热体回收剩余余热，降温至80～200℃；接着产物通过与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水或蒸汽。

本实用新型可利用第二种优选方案提供的装置，按照如下步骤将 含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气：

(1)气态烃和氧气分别经过燃烧室冷却层和二级蓄热器预热至500～700℃，再分别通过反应器顶部的烧嘴喷射入燃烧室内，在喷嘴出口处混合，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1200～1500℃的高温产物；

(2)高温产物迅速通过燃烧室后，经一级蓄热器迅速回收热量，降低产物温度至500～900℃，并终止乙炔的进一步反应；

(3)产物通过二级蓄热器回收剩余余热，降温至80～200℃；接着产物通过与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水或蒸汽。

本实用新型可利用第三种优选方案提供的装置，按照如下步骤将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气：

(1)气态烃和氧气分别经过一级蓄热器和二级蓄热器预热至500～700℃，再分别通过反应器顶部的烧嘴喷射入燃烧室内，在喷嘴出口处混合，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1200～1500℃的高温产物；

(2)气态烃和氧气反应得到的高温产物迅速通过燃烧室后，经一级蓄热器迅速回收热量，降低产物温度至500～900℃，终止乙炔的进一步反应；

(3)产物通过二级蓄热器回收剩余余热，降温至80～200℃；接着产物通过与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水或蒸汽。

本实用新型提供的系统以及方法，使高温产物出燃烧室后经急冷至500～900℃终止反应，回收剩余热量加以利用，或者高温产物出燃烧室后直接通过2级蓄热体回收热量加以利用，能有效提高热量利用率；并且，本实用新型提供的系统以及方法，气态烃和氧气加热后通过烧嘴喷入燃烧室内，在混合的同时发生反应，无需考虑早期着火、 烧毁设备的问题，具有预防混合区内早期着火、热量回收综合利用率高等特点，适于规模化工业化生产。

附图说明

图1为实施例1所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统示意图；其中，1、燃烧室，10、燃烧喷嘴，2、急冷室，3、蓄热器，4、蓄热除尘装置，5、换热器，6、换热除尘装置，7、提浓除灰装置，8、炭黑活化装置；

图2为实施例2所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统示意图；其中，1、燃烧室，10、燃烧喷嘴，31、一级蓄热器，32、二级蓄热器，41、一级蓄热除尘装置，42、二级蓄热除尘装置，5、换热器，6、换热除尘装置，8、炭黑活化装置；

图3为实施例3所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统示意图；其中，1、燃烧室，10、燃烧喷嘴，31、一级蓄热器，32、二级蓄热器，41、一级蓄热除尘装置，42、二级蓄热除尘装置，5、换热器，6、换热除尘装置，8、炭黑活化装置；

图4为燃烧室结构外形示意图，其中，10为燃烧喷嘴，11为炉壁；

图5为燃烧室炉壁11的局部示意图；

图6为燃烧室炉壁11的局部示意图；

图7为实施例4所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的方法流程图；

图8为实施例5所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的方法流程图；

图9为实施例6所述气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的方法流程图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

本实施例提供了一种将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统(如图1所示)，包括顺序相连的燃烧室1、热量及固态产物回收装置、气态产物收集装置；

气态烃入口和氧气入口分别与位于燃烧室顶端的燃烧喷嘴10相连；所述燃烧喷嘴设置于燃烧室顶端，所述燃烧喷嘴中的气态烃流道和氧气流道分别与向下的垂直线呈60°角，所述气态烃流道和氧气流道内均设置旋流片，以确保气态烃和氧气以旋流的方式向下进入燃烧室的同时均匀混合；

所述燃烧室为冷壁炉型，其内壁由内至外为耐火层与盘管，所述燃烧室的结构外形示意图如图4所示，炉壁11的示意图如图5所示；

所述燃烧室与热量及固态产物回收装置之间设置急冷装置，所述急冷装置包括设置于燃烧室出口处的激冷环和急冷室2；所述急冷室的入口端与燃烧室底部紧密相连；所述急冷室的出口端分别与热量及固态产物回收装置和提浓除灰装置7相连；所述急冷装置中的冷却剂与高温产物进行作用后，进入提浓除灰装置，经提浓除灰后得到新鲜冷却剂循环使用；

所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的蓄热器3、蓄热除尘装置4、换热器5以及换热除尘装置6；系统生成气态产物在换热器中与软化水进行间接热交换(软化水转化为热水或蒸汽进行循环利用)后，再经过换热除尘装置处理后输出；

所述提浓除灰装置以及各除尘装置均与炭黑活化装置8相连，经炭黑活化装置处理后，系统产生的固态产物以活性炭为主要形式输出；

气态烃管道连接所述燃烧室的冷却层以及气态烃入口；氧气管道连接所述蓄热器以及氧气入口。

实施例2

本实施例提供了一种将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统(如图2所示)，包括顺序相连的燃烧室1、热量及固态产物回收装置、气态产物收集装置；

气态烃入口和氧气入口分别与位于燃烧室顶端的燃烧喷嘴10相连；所述燃烧喷嘴设置于燃烧室顶端，所述燃烧喷嘴中的气态烃流道和氧气流道分别与向下的垂直线呈45°角，所述气态烃流道和氧气流道内均设置旋流片，以确保气态烃和氧气以旋流的方式向下进入燃烧室的同时均匀混合；

所述燃烧室为冷壁炉类型，其内壁由内至外为耐火层与夹套，所述燃烧室的结构外形示意图如图4所示，炉壁11的示意图如图6所示；所述燃烧室与热量及固态产物回收装置直接相连；

所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的一级蓄热器31、一级蓄热除尘装置41、二级蓄热器32、二级蓄热除尘装置42、换热器5以及换热除尘装置6；其中，所述一级蓄热器与燃烧室的出口端直接相连，一级蓄热器中通入冷介质，与燃烧室所得的产物进行热交换(转化为热介质后循环使用)，使产物冷却；系统生成气态产物在换热器中与软化水进行间接热交换(软化水转化为热水或蒸汽进行循环利用)后，再经过换热除尘装置处理后输出；

所述各除尘装置均与炭黑活化装置8相连；经炭黑活化装置处理后，系统产生的固态产物以活性炭为主要形式输出；

气态烃管道连所述燃烧室的冷却层以及气态烃入口；氧气管道连接所述二级蓄热器以及氧气入口。

实施例3

本实施例提供了一种将含甲烷的气态烃部分氧化生成乙炔和合成气的系统(如图3所示)，包括顺序相连的燃烧室1、热量及固态产物回收装置、气态产物收集装置；

气态烃入口和氧气入口分别与位于燃烧室顶端的燃烧喷嘴10相 连；所述燃烧喷嘴设置于燃烧室顶端，所述燃烧喷嘴中的气态烃流道和氧气流道分别与向下的垂直线呈45°角，所述气态烃流道和氧气流道内均设置旋流片，以确保气态烃和氧气以旋流的方式向下进入燃烧室的同时均匀混合；

所述燃烧室为冷壁炉类型，其内壁由内至外为隔热材料与冷却层，所述冷却层中通入软水作为冷却换热介质；所述燃烧室与热量及固态产物回收装置直接相连；

所述热量及固态产物回收装置包括顺序相连的一级蓄热器31、一级蓄热除尘装置41、二级蓄热器32、二级蓄热除尘装置42、换热器5以及换热除尘装置6；其中，所述一级蓄热器与燃烧室的出口端直接相连；系统生成气态产物在换热器中与软化水进行间接热交换(软化水转化为热水或蒸汽进行循环利用)后可直接输出，也可经过换热除尘装置处理后输出；

所述各除尘装置均与炭黑活化装置8相连；经炭黑活化装置处理后，系统产生的固态产物以活性炭为主要形式输出；

气态烃管道连接所述一级蓄热器以及气态烃入口；氧气管道连接所述二级蓄热器以及氧气入口。

实施例4

采用实施例1提供的装置，按照以下步骤实施，流程图如图7所示：天然气和氧气分别经过燃烧室1的冷却层和蓄热器3加热至580～620℃，取氧气与天然气的摩尔比为0.52。通过燃烧室顶部的烧嘴以60°角度喷射入燃烧室内，气流(气态烃和氧气)以旋流的方式进入燃烧室的瞬间即可完成混合过程，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1380℃左右的高温产物；高温产物迅速通过燃烧室，在燃烧室出口冷却剂通过激冷环高速喷出，迅速急冷高温产物，终止乙炔的进一步反应；然后沿下降管进入急冷室2进行进一步的冷却，冷却液进入提提浓灰装置7进行除灰，得到730℃的混合物；产物通过蓄热器 3回收剩余余热，降温至180℃；接着产物通过管式换热器5与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水，上述过程中，在蓄热除灰装置4和换热除灰装置6中进行除尘，加工成炭黑。

实施例5

采用实施例2提供的装置，按照以下步骤实施，流程图如图8所示：将页岩气和氧气分别经过燃烧室1的冷却层和二级蓄热器32加热至580～620℃，取氧气与天然气的摩尔比为0.58。通过燃烧室顶部的烧嘴以45°角度喷射入燃烧室内，气流(气态烃和氧气)以旋流的方式进入燃烧室的瞬间即可完成混合过程，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1430℃的高温产物；高温产物迅速通过燃烧室后，经一级蓄热器31迅速回收热量，降低产物温度至800℃，终止乙炔的进一步反应。产物通过二级蓄热器32回收剩余余热，降温至135℃；接着产物通过管式换热器5与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水，上述过程中，分别在一级蓄热除灰装置41、二级蓄热除灰装置42和换热除灰装置6中进行除尘，加工成炭黑。

实施例6

采用实施例3提供的装置，按照以下步骤实施，流程图如图9所示：将页岩气和氧气分别经过一级蓄热器31和二级蓄热器32加热至580～620℃，取氧气与天然气的摩尔比为0.58。通过燃烧室1顶部的烧嘴以45°角度喷射入燃烧室内，气流(气态烃和氧气)以旋流的方式进入燃烧室的瞬间即可完成混合过程，在燃烧室中进行部分氧化反应，产生1430℃的高温产物；高温产物迅速通过燃烧室后，经一级蓄热器31迅速回收热量，降低产物温度至800℃，终止乙炔的进一步反应。产物通过二级蓄热器32回收剩余余热，降温至135℃；接着产物通过管式换热器5与软化水间接换热降温至40℃，回收该部分的热量生产高温热水；上述过程中，分别在一级蓄热除灰装置41、二级蓄热除灰装置42和换热除灰装置6中进行除尘，加工成炭黑。

本实用新型高温产物出燃烧室后经急冷至500～900℃终止反应后，由蓄热体回收剩余热量加以利用；或者高温产物出燃烧室后直接通过二级蓄热器回收热量加以利用，能有效提高热量利用率。本实用新型气态烃和氧气加热后通过烧嘴喷入燃烧室内，在混合的同时发生反应，无需考虑早期着火、烧毁设备的问题。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。