含氮-氧物質(zhì)對熱等離子體裂解富烷烴氣制乙炔的影響.pdf

1、當今世界，化石能源消費仍占主導(dǎo)地位。由化石能源產(chǎn)生的富烷烴氣，如焦爐氣、煉廠干氣、天然氣、非常規(guī)天然氣（煤層氣、頁巖氣和致密砂巖氣）等，數(shù)量相當可觀。而這些富烷烴氣的利用方式簡單粗放，有的直接排放，有的直接燃燒，作為化工原料進行深加工的非常少，不僅造成了巨大的能源浪費，而且也對環(huán)境造成了破壞。乙炔作為有機化工之母，傳統(tǒng)的乙炔生產(chǎn)電石法由于其能耗高、污染重、對設(shè)備要求高等原因，正逐漸被淘汰。新型熱等離子體裂解烷烴制乙炔，充分利用等離子體的

2、高溫、高焓、富含高活性粒子的特點，通過毫秒級瞬間裂解反應(yīng)一步法生成富含乙炔的裂解氣。該技術(shù)具有原料利用率高、反應(yīng)速度快、工藝流程簡單、操作簡便、投資省、成本低、無污染等優(yōu)點，是一種高效生產(chǎn)乙炔的方法。由于富烷烴氣含有不同濃度的CO、CO2、N2等含氮含氧物質(zhì)，含量變化大，對等離子體裂解結(jié)果造成很多影響，影響能耗、收率、氣體分離等等。因此，非常有必要研究含氮含氧物質(zhì)對熱等離子體裂解富烷烴氣的影響，并作出規(guī)律化的分析和總結(jié)。
　　本文

3、依托50 kW旋轉(zhuǎn)電弧等離子體反應(yīng)裝置，對含氮含氧物質(zhì)對熱等離子體裂解富烷烴氣的影響作了詳細的研究。理論分析上，采用Gibbs最小自由能法分別對C-H體系、C-H-O體系、C-H-N體系和C-H-O-N體系作了熱力學平衡計算，在預(yù)測產(chǎn)物組成和變化趨勢等方面為實驗提供指導(dǎo)意義。實驗研究上，主要選取CO、CO2、N2等具有代表性且在富烷烴氣中廣泛存在的物質(zhì)作重點研究。首先對C-H體系作基礎(chǔ)工藝研究，選取合適的工藝條件。然后，分別對CH4/H

4、2/CO、CH4/H2/CO2、CH4/H2/N2體系單獨研究，考察不同功率和不同濃度的CO、CO2、N2對體系的影響。最后，選擇一種富烷烴氣（焦爐氣），并模擬其組成配比，對含氮含氧物質(zhì)同時存在的復(fù)雜體系作了研究。
　　理論分析上，分別對單相體系和多相體系作了熱力學平衡分析。結(jié)果表明，產(chǎn)物中氧元素主要以CO形式存在，氮元素以N2和HCN的形式存在，CO2和N2均會消耗烷烴中的碳，降低乙炔收率。多相體系的熱力學平衡分析結(jié)果與實驗結(jié)果

5、更吻合。
　　實驗研究上，主要有工藝條件和含氮含氧物質(zhì)的影響。工藝條件的影響:C-H體系中，相對較優(yōu)的工藝條件為，氫碳比6～8，功率13～18 kW，進料速率6～10 Nm3/h，磁感應(yīng)強度0.038～0.096 T。C-H-O-N復(fù)雜體系（以焦爐氣為例）中，功率和進料速率對富烷烴氣的裂解影響較大。功率越高，乙炔比能耗和烷烴轉(zhuǎn)化率越高，乙炔收率先升后降，高功率下容易生成乙烯。進料速率越大，乙炔比能耗、乙炔收率和烷烴轉(zhuǎn)化率均越小。其

6、中，最低乙炔比能耗為15.8 kWh/kg C2H2，最高乙炔收率為84.7％，最高烷烴轉(zhuǎn)化率為96.1％。
　　含氮含氧物質(zhì)的影響:CO2和N2的含量對裂解結(jié)果影響較大，CO基本不參與反應(yīng)，對裂解結(jié)果影響不大。其中CO2和N2含量的增加均使乙炔比能耗增加，乙炔收率下降。CO2在裂解過程中主要轉(zhuǎn)化為CO。N2在裂解過程中部分轉(zhuǎn)化為HCN，但仍有大部分以N2的形式存在。按模擬焦爐氣的裂解結(jié)果估算，1 mol CO2約消耗0.60～0