当今世界,化石能源消费仍占主导地位。由化石能源产生的富烷烃气,如焦炉气、炼厂干气、天然气、非常规天然气(煤层气、页岩气和致密砂岩气)等,数量相当可观。而这些富烷烃气的利用方式简单粗放,有的直接排放,有的直接燃烧,作为化工原料进行深加工的非常少,不仅造成了巨大的能源浪费,而且也对环境造成了破坏。乙炔作为有机化工之母,传统的乙炔生产电石法由于其能耗高、污染重、对设备要求高等原因,正逐渐被淘汰。新型热等离子体裂解烷烃制乙炔,充分利用等离子体的高温、高焓、富含高活性粒子的特点,通过毫秒级瞬间裂解反应一步法生成富含乙炔的裂解气。该技术具有原料利用率高、反应速度快、工艺流程简单、操作简便、投资省、成本低、无污染等优点,是一种高效生产乙炔的方法。由于富烷烃气含有不同浓度的CO、CO2、N2等含氮含氧物质,含量变化大,对等离子体裂解结果造成很多影响,影响能耗、收率、气体分离等等。因此,非常有必要研究含氮含氧物质对热等离子体裂解富烷烃气的影响,并作出规律化的分析和总结。本文依托50 kW旋转电弧等离子体反应装置,对含氮含氧物质对热等离子体裂解富烷烃气的影响作了详细的研究。理论分析上,采用Gibbs最小自由能法分别对C-H体系、C-H-O体系、C-H-N体系和C-H-O-N体系作了热力学平衡计算,在预测产物组成和变化趋势等方面为实验提供指导意义。实验研究上,主要选取CO. CO2、N2等具有代表性且在富烷烃气中广泛存在的物质作重点研究。首先对C-H体系作基础工艺研究,选取合适的工艺条件。然后,分别对CH4/H2/CO、CH4/H2/CO2、CH4/H2/N2体系单独研究,考察不同功率和不同浓度的CO、CO2、N2对体系的影响。最后,选择一种富烷烃气(焦炉气),并模拟其组成配比,对含氮含氧物质同时存在的复杂体系作了研究。理论分析上,分别对单相体系和多相体系作了热力学平衡分析。结果表明,产物中氧元素主要以CO形式存在,氮元素以N2和HCN的形式存在,CO2和N2均会消耗烷烃中的碳,降低乙炔收率。多相体系的热力学平衡分析结果与实验结果更吻合。实验研究上,主要有工艺条件和含氮含氧物质的影响。工艺条件的影响：C-H体系中,相对较优的工艺条件为,氢碳比6-8,功率13～18 kW,进料速率6-10 Nm3/h,磁感应强度0.038～0.096 T。 C-H-O-N复杂体系(以焦炉气为例)中,功率和进料速率对富烷烃气的裂解影响较大。功率越高,乙炔比能耗和烷烃转化率越高,乙炔收率先升后降,高功率下容易生成乙烯。进料速率越大,乙炔比能耗、乙炔收率和烷烃转化率均越小。其中,最低乙炔比能耗为15.8 kWh/kg C2H2,最高乙炔收率为84.7%,最高烷烃转化率为96.1%。含氮含氧物质的影响：CO2和N2的含量对裂解结果影响较大,CO基本不参与反应,对裂解结果影响不大。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在裂解过程中主要转化为CO。N2在裂解过程中部分转化为HCN,但仍有大部分以N2的形式存在。按模拟焦炉气的裂解结果估算,1 mol CO2约消耗0.60～0.64 mol烷烃中的碳,1 mol N2约消耗0.15～0.17 mol烷烃中的碳。复杂体系中,CO2裂解会与N2裂解争夺烷烃中的碳,两者为竞争关系,CO2争夺烷烃中的碳的能力比N2强。若富烷烃气中CO或C02的比例较高(>10%),可在制备乙炔的同时,副产合成气。因此,只考虑提高乙炔收率的情况时,应对富烷烃气中的CO2和N2进行预先分离,但是实际生产中,由于含氮含氧物质的影响程度并不相同,可根据其含量和分离的难易程度进行综合考虑。