天然气非催化部分氧化过程高温余热回收技术的应用基础研究

Non-catalytic partial oxidation of natural gas to acetylene and syngas is an important technology for industrial utilization of natural gas. To get a high yield of acetylene, the existing industrial technology uses a water film to quench the product gas from high temperature to about 80 oC via direct contact and mixing. This results in a waste of much heat energy. To solve this problem, we propose a new technology of heat recovery by using low-temperature syngas as the quenching medium. The high-temperature product gas is quenched to about 600 oC by direct mixing; and the heat is then recovered by indirect heat transfer. This project will cover the following studies: (1) Experimental study on the effect of the injection nozzle structure, injection direction and velocity. (2) Numerical simulation of the crossing-flow mixing behavior under the industrial velocity and temperature, and determination of the optimum structural and operational parameters of the quenching apparatus. (3) Simulation of the effect of the gas-gas quenching process on the acetylene yield using computational fluid dynamics (CFD) coupled with detailed chemistry mechanics. (4) Process simulation of the non-catalytic partial oxidation of natural gas using AspenPlus, and determining the optimum parameters for the quenching process. The results will provide guidance for the development and optimum design of heat recovery in the partial oxidation process of natural gas.

天然气非催化部分氧化制乙炔和合成气是天然气利用的重要技术路线。为提高乙炔得率，现有技术采用水封面直接换热将高温反应气体急冷至80摄氏度左右以终止反应，造成能量大量浪费。本项目提出采用常温合成气作为急冷介质，先通过直接接触换热将反应气体急冷至600摄氏度左右以终止反应，再通过间接换热回收热量。主要研究内容包括：（一）实验研究错流混合过程中气体注入方式、喷射角度、喷射速度等参数的影响；（二）选择合适的CFD模型，对工业过程的温度和气速条件下的混合急冷过程进行模拟，确定急冷装置的最佳结构和操作参数；（三）基于CFD耦合基元反应动力学的方法，对包含反应的气-气混合急冷过程进行模拟，定量分析急冷过程对乙炔收率的影响；（四）利用AspenPlus进行流程模拟，确定高温热量回收利用的最佳工艺参数。该项目研究结果可用于指导天然气部分氧化过程高温热量回收利用的技术开发和优化设计，具有重要的学术和应用价值。

本研究提出了针对部分氧化过程的常温裂解气淬冷工艺，该工艺以常温裂解气为淬冷介质，通过错流射流混合方式将高温气体在毫秒级时间内淬冷至500-700 °C，混合气的热量可通过间接换热方式回收。按项目申请的研究内容开展研究工作，达到了预期结果。主要研究结果和结论如下：. (1) 对小型JICF（Jet-in-cross flow）装置内常温气体混合进行了实验测量和CFD模拟。实验结果表明使用甲烷作为示踪气体并使用FID定量分析的方法具有很好的可靠性。计算结果显示采用Realizable k-ε模型、10%入口湍动强度、非平衡壁面函数的计算结果与实验测量结果取得了良好的吻合效果。. (2) 基于CFD模拟研究了工业尺寸装置、工业操作气速下的冷、热气体混合过程，确定了关键操作和设备参数。结果显示气速比等于2时射流即发生穿透。截面平均混均度在射流恰好穿透的气速比下达到极大值；气速比1-2.4范围内最优射流入射角度随气速比增加而增大，气速比2.4条件下最优射流入射角度为130°。. (3) 建立了CFD耦合基元反应动力学模型，基于数值模拟详细考察了常温裂解气淬冷工艺的可行性。结果表明，使用RANS耦合PDF方法和Leeds 1.5机理可对淬冷过程进行可靠的模拟。淬冷和换热过程主要发生的乙炔损失反应是乙炔通过C2H3自由基加氢生成乙烯。气速比2.4时90°、110°、130°和150°入射角度下乙炔损失率分别为2.97%、2.73%、1.00%和1.37%，说明130°是气速比2.4条件下的最优射流入射角度。. 综上所述，实验研究、数值模拟和工程设计分析表明，在部分氧化过程中采用气-气淬冷技术具有很好的可行性，副产蒸汽可以产生显著的经济效益，并且解决现有水淬冷的环保问题。