等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)分析及展望

郭小虎，李凱華，茍遠波，杜文智，吳 迪，吳 樂

（1. 西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；2. 西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

乙炔是含有三價化合鍵的最簡單的烴基化合物，是一種重要的有機化工基礎(chǔ)原料。乙炔化工作為煤化工的分支，具有70多年的歷史，可生產(chǎn)醇類、酸類、酯類、酮類、芳烴等多種有機化合物和塑料、橡膠、纖維等上千種高分子有機產(chǎn)品。乙炔及乙炔產(chǎn)品在石油化工、煤化工、醫(yī)藥、生物、農(nóng)藥、染料、材料、金屬切割、照明領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

目前，乙炔的生產(chǎn)工藝主要有3種：電石制乙炔、天然氣制乙炔和等離子體裂解煤制乙炔（以下簡稱煤制乙炔）［1-2］。我國乙炔生產(chǎn)主要采用電石制乙炔工藝。但是傳統(tǒng)的電石制乙炔生產(chǎn)過程會帶來一系列資源、能源和環(huán)境問題。我國資源稟賦“富煤、貧油、少氣”，天然氣資源匱乏且價格波動較大，天然氣制乙炔工藝也不適合在國內(nèi)大量推廣應(yīng)用。相比之下，煤制乙炔是一項綠色的乙炔生產(chǎn)技術(shù)，也是一項現(xiàn)代煤化工技術(shù)，可實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，使我國逐步擺脫對石油化工（乙烯化工）的依賴，對行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、化工產(chǎn)業(yè)調(diào)整和國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義［3-6］。

本文介紹了國內(nèi)等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)發(fā)展歷程，從政策、資源、能源、環(huán)境、技術(shù)經(jīng)濟性等角度對比了3種乙炔生產(chǎn)工藝，分析了各工藝的優(yōu)勢、劣勢以及存在的問題，指出了等離子體裂解煤制乙炔在工業(yè)化試驗階段面臨的等離子體裂解發(fā)生器設(shè)計、反應(yīng)器設(shè)計和淬冷裝置設(shè)計3項技術(shù)難點和攻關(guān)方向，闡明了等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)在乙炔行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型升級和煤化工行業(yè)的顛覆性革命中的重要作用。

1 技術(shù)背景

1.1 技術(shù)起源

1961年，英國煤炭研究協(xié)會BOND等［7-8］首次在Nature雜志上發(fā)表用等離子體熱解煤生產(chǎn)乙炔的概念。1980年，美國AVCO公司、德國Huls公司與DMT公司相繼開發(fā)了1 MW級等離子體裂解煤制乙炔中試裝置。同時，德國、英國、俄羅斯、日本、印度等國的高校和研究機構(gòu)都進行了大量基礎(chǔ)研究。國外油氣資源豐富，目前主要采用價格低廉的天然氣生產(chǎn)乙炔，對煤制乙炔沒有需求。因此，國外的相關(guān)研究和工業(yè)試驗主要集中在上世紀末，目前并未開展工業(yè)試驗，等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)僅作為一項儲備技術(shù)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)是一項綠色、清潔、高效、持久的現(xiàn)代煤化工技術(shù)，能夠保障我國有機化工基礎(chǔ)原料的持續(xù)供應(yīng)，具有潛在的研究價值和戰(zhàn)略意義。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚。

1990年初，清華大學(xué)、太原理工大學(xué)、大連理工大學(xué)聯(lián)合建成國內(nèi)第一套百千瓦級氫等離子體裂解煤制乙炔裝置。2000年，山西三維集團引進俄羅斯0.75 MW熱等離子體煤制乙炔裝置，后因結(jié)焦問題停滯。2002年至2016年，新疆天業(yè)股份有限公司先后完成了2 MW、5 MW氫等離子體裂解煤制乙炔工業(yè)試驗裝置。該項目受“等離子體裂解煤制乙炔關(guān)鍵設(shè)備與工藝”國家863計劃資金支持，2 MW裝置取得階段性成果，乙炔含量達到8.5%（φ）。但是，在5 MW裝置試驗過程中放大效應(yīng)明顯，乙炔收率僅略高于10%，且由于存在長周期運行問題，該裝置目前已停止試驗［9］。2014年至今，浙江大學(xué)研發(fā)團隊聯(lián)合新疆粵和泰化工科技有限公司開展2 MW、10 MW氫等離子體裂解煤制乙炔工業(yè)試驗。該項目受“低階煤高值轉(zhuǎn)化制備基礎(chǔ)化工原料關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”國家重點研發(fā)計劃資金支持。根據(jù)該項目初步運行結(jié)果，噸乙炔電耗為12 kW·h，裂解氣乙炔含量為4%～5%（φ），乙炔收率達到20%，噸乙炔成本為7 000元，成本比現(xiàn)有電石制乙炔低20%以上，優(yōu)于國外先進技術(shù)［10］。

在開展工業(yè)試驗的同時，國內(nèi)高校與科研機構(gòu)對煤制乙炔技術(shù)的機理研究也在同步進行。清華大學(xué)、太原理工大學(xué)、浙江大學(xué)在等離子體煤制乙炔的熱力學(xué)和動力學(xué)分析、反應(yīng)機理研究、煤質(zhì)組成影響、反應(yīng)器設(shè)計、淬冷工段研究、過程系統(tǒng)工程等方面都有深入的研究。例如，趙小楠［11］建立了乙炔-電力多聯(lián)產(chǎn)ASPEN流程模擬模型，以乙炔產(chǎn)量為目標函數(shù)，對載氣、水分、壓力、溫度等工藝參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)能源資源利用率的最大化。胡建建［12］基于歐拉-拉格朗日方法，建立了能描述淬冷過程的氣液固三相的數(shù)學(xué)模型，模擬了圓柱形淬冷器、環(huán)隙式淬冷器和扁平式淬冷器三種淬冷結(jié)構(gòu)，通過對比分析和實驗驗證，優(yōu)化了淬冷設(shè)備的設(shè)計、配套設(shè)備的選型及安裝，將成果應(yīng)用于中試試驗裝置中。

目前，等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)處于工業(yè)試驗和研究驗證并行的階段，受限于長周期運行、乙炔收率等部分關(guān)鍵技術(shù)尚未完全解決，該技術(shù)還未正式投入工業(yè)化生產(chǎn)。

2 等離子體裂解煤制乙炔

2.1 技術(shù)介紹

等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)是利用等離子體裂解發(fā)生器產(chǎn)生平均溫度達4 000 K的氫等離子體，然后與由少量氫氣攜帶煤粉形成的煤粉射流在等離子體反應(yīng)器中進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含乙炔的混合氣體?；旌蠚怏w經(jīng)反應(yīng)器淬冷裝置淬冷后進入氣體分離裝置，經(jīng)分離后可得到產(chǎn)品乙炔，同時副產(chǎn)氫氣、一氧化碳及少量甲烷、烯烴氣體和煤焦。其中，副產(chǎn)氣體和含飛灰的煤焦進入下游裝置綜合利用，經(jīng)淬冷分離后產(chǎn)生的少量污水進入污水處理裝置進行凈化處理。

等離子體裂解煤制乙炔工藝系統(tǒng)由反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)組成，見圖1。反應(yīng)系統(tǒng)包括煤粉加料器、等離子體反應(yīng)器、淬冷器；分離系統(tǒng)包括氣/液/固分離器、氣/固分離器、液/固分離器、氣體分離提純裝置；此外還有固體廢物/危險廢物綜合處置利用系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、綜合利用裝置及乙炔化工裝置。等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)不需要石灰石，可徹底解決電石制乙炔路線不可避免的廢渣、廢液、廢氣排放，較好地解決了電石制乙炔工藝存在的資源、能源和環(huán)境問題。

圖 1 等離子體裂解煤制乙炔工藝流程

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

2.2.1 政策限制

2014年2月20日工業(yè)和信息化部發(fā)布了《電石行業(yè)準入條件（2014年修訂）》，要求對電石產(chǎn)能實行總量控制，原則上禁止新建電石項目，新增電石生產(chǎn)能力必須實行等量或減量置換，且被置換產(chǎn)能須在新產(chǎn)能建成前予以拆除，強化技術(shù)進步，加快落后產(chǎn)能淘汰。電石制乙炔是我國目前乙炔生產(chǎn)的主流工藝，在電石產(chǎn)能受限、工藝技術(shù)待淘汰、環(huán)境政策壓力增大的情況下，煤制乙炔是一項受國家政策支持的可替代電石制乙炔的現(xiàn)代煤化工技術(shù)。

2.2.2 資源限制

據(jù)統(tǒng)計，全球石油、天然氣儲量按照現(xiàn)在的使用情況僅能再維持42 a，天然氣則為63 a。我國資源稟賦“富煤、貧油、少氣”，在相當長的時間內(nèi)，中國能源結(jié)構(gòu)仍然要以煤炭為主。中國煤炭儲量的55%為低階煤，等離子煤制乙炔技術(shù)能實現(xiàn)低階煤炭的清潔、高效利用和高值轉(zhuǎn)化，為資源的高效利用提供了可能。

2.2.3 能源與環(huán)境

據(jù)測算，生產(chǎn)1 t乙炔約需消耗焦炭2.8 t、耗石灰石7 t、耗電14 MW·h、耗水6 t，綜合二氧化碳排放量高達20 t。按2008年全國每年6×106t左右的乙炔產(chǎn)量計算，二氧化碳排放總量高達1.2×108t。以國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)值增長率計算，目前二氧化碳排放可達（2.4～3.6）×108t。與電石制乙炔工藝路線相比，煤制乙炔工藝路線縮短了工藝流程，降低了能源和資源消耗，避免了大量的廢水、廢渣和廢氣的排放，是一項能源節(jié)約型、環(huán)境友好型的生產(chǎn)技術(shù)。

2.2.4 經(jīng)濟效益

美國AVCO公司和美國能源部曾對1 MW煤制乙炔裝置做過技術(shù)經(jīng)濟分析。結(jié)果表明，采用煤制乙炔工藝路線的乙炔生產(chǎn)成本為8 020元/t，天然氣裂解制乙炔工藝路線的乙炔生產(chǎn)成本為9 155元/t。因此，煤制乙炔相比天然氣制乙炔具有良好的經(jīng)濟效益。

2.2.5 技術(shù)先進性

相比于傳統(tǒng)電石制乙炔的煤-電石-乙炔的工藝路線，煤制乙炔采用煤直接生成乙炔，極大縮短了工藝流程，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，避免了傳統(tǒng)的電石生產(chǎn)工藝中的高能耗和高“三廢”排放。與此同時，該工藝副產(chǎn)氫氣、一氧化碳、少量甲烷、烯烴、高級炔氣體和煤焦，可實現(xiàn)副產(chǎn)品的綜合利用，具有較高的能源利用率和分級利用率，可實現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，為新一代現(xiàn)代煤化工技術(shù)。根據(jù)上述工藝優(yōu)勢，對乙炔生產(chǎn)工藝進行對比，見表 1。

由表 1可見，煤制乙炔生產(chǎn)技術(shù)相較電石制乙炔和天然氣制乙炔技術(shù)，具有無資源限制、資源消耗低、能源利用率高、環(huán)境污染少、經(jīng)濟性較優(yōu)、技術(shù)較先進等優(yōu)勢。以1 t乙炔的生產(chǎn)消耗為基準，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和有關(guān)文獻報道，進一步對電石制乙炔、煤制乙炔、天然氣制乙炔三種技術(shù)做技術(shù)經(jīng)濟性對比，見表2。

由表 2可知，煤制乙炔工藝相比傳統(tǒng)的電石制乙炔工藝大幅降低了原料煤消耗，降低了水耗，減少了電耗，同時避免了電石制乙炔工藝中石灰燒制、煤炭煉焦和電石爐等復(fù)雜工段，具有工藝流程短、設(shè)備少、建設(shè)周期短的優(yōu)勢。盡管煤制乙炔工藝的總投資比電石制乙炔工藝高，但其避免了廢水、廢氣、電石渣、煙塵、二氧化碳的排放和石灰石資源的過度開采，產(chǎn)生的環(huán)保效益明顯。與天然氣制乙炔工藝相比，煤制乙炔工藝的總投資略低，生產(chǎn)成本降低20%，同時避免了空分裝置的建設(shè)，且生產(chǎn)不受天然氣價格波動的限制，具有更好的經(jīng)濟效益。因此，煤制乙炔工藝比電石制乙炔工藝具有更好的環(huán)保效益，比天然氣制乙炔工藝具有更好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，煤制乙炔工藝目前處于工程化試驗階段，仍有若干技術(shù)難點需要解決。

表 1 乙炔生產(chǎn)工藝技術(shù)對比

表 2 乙炔生產(chǎn)工藝技術(shù)經(jīng)濟性對比

3 技術(shù)難點

3.1 等離子體發(fā)生器

等離子體發(fā)生器用于產(chǎn)生大面積濃度均勻的等離子體，為煤粉的氣化裂解提供熱量，保證反應(yīng)持續(xù)進行。等離子體發(fā)生器受材料和溫度的限制，單個發(fā)生器往往達不到所需功率，因此往往要若干等離子體發(fā)生器組合使用。等離子體發(fā)生器之間的角度和距離會影響最終形成等離子體的濃度和溫度分布的均勻性，進而影響煤粉的氣化裂解反應(yīng)從而影響乙炔的轉(zhuǎn)化率。工業(yè)化試驗裝置對等離子體發(fā)生器具有大功率、高效率、長壽命的要求。新疆天業(yè)工業(yè)試驗裝置采用V型等離子體發(fā)生器，可取得較高乙炔濃度的裂解氣，但存在放大效應(yīng)。新疆粵和泰化工科技有限公司的工業(yè)試驗裝置采用旋轉(zhuǎn)弧等離子體炬，提高了電弧穩(wěn)定性，促進了煤粉的混合和裂解，目前正在進行長周期工業(yè)試驗。

3.2 等離子體反應(yīng)器

等離子體裂解煤制乙炔工藝的核心是等離子體反應(yīng)器，煤粉在反應(yīng)器內(nèi)超高溫下進行煤的快速氣化裂解反應(yīng)。該反應(yīng)與常規(guī)的煤熱解過程類似，但反應(yīng)的升溫速率更快，終溫也更高，反應(yīng)時間尺度為毫秒級。因此，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸、煤粉射流速度、等離子體發(fā)生器功率、氫氣流量等工藝參數(shù)都會影響反應(yīng)過程和乙炔轉(zhuǎn)化效率。此外，通過一系列措施提高反應(yīng)器工作時間是反應(yīng)器設(shè)計的難點之一。劉軍等［13］將航空發(fā)動機燃燒室氣膜技術(shù)成功嫁接應(yīng)用于煤制乙炔反應(yīng)器，防止了高溫氣流的燒蝕，同時降低壁面結(jié)焦，為反應(yīng)器長周期運行奠定基礎(chǔ)。楊巨生等［14］通過等離子入口保護器、工作氣體再循環(huán)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等措施，降低壁面結(jié)焦，延長反應(yīng)器工作時間。許凱［9］基于結(jié)焦率、清焦率兩大參數(shù)的定量研究，采用二氧化碳等離子體進行清焦，定量評價清焦效果，優(yōu)化了清焦工藝參數(shù)。

3.3 淬冷裝置

根據(jù)熱力學(xué)分析可知，混合氣中的乙炔含量在反應(yīng)溫度下較高，當氣體溫度下降時會有一部分乙炔轉(zhuǎn)化為其他烷烴或烯烴氣體。因此，需要對等離子體反應(yīng)器出口處乙炔含量較高的混合氣體進行急速降溫處理，使混合氣中的乙炔保持較高的體積分數(shù)，從而提高最終的乙炔收率。淬冷劑的種類、淬冷方式、淬冷劑流量的選擇都會對乙炔含量產(chǎn)生影響［15］。胡建建［12］基于Kumar的分子反應(yīng)動力學(xué)模型，對石腦油作為淬冷劑進行了理論分析，結(jié)果表明石腦油是一種高效的淬冷劑。周高［10］以熱力學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了等離子體裂解煤制乙炔淬冷工段的數(shù)學(xué)模型，研究了淬冷過程主要參數(shù)如時間常數(shù)、淬冷前溫度對淬冷后裂解氣組分的影響，優(yōu)化了淬冷過程的工藝參數(shù)。

4 應(yīng)用前景

2008年我國的乙炔需求量為6×106t/a。以國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)值增長率計算，當前國內(nèi)乙炔需求量為（1.2～1.8）×109t/a，其中大于95%的乙炔均采用電石法制取，造成了一系列資源、能源和環(huán)境問題。根據(jù)工藝優(yōu)勢分析可知，電石制乙炔工藝屬于依賴石灰石資源、資源消耗量大、能耗高、排放高、污染重的工藝，等離子體裂解煤制乙炔工藝在經(jīng)濟性和環(huán)保性都優(yōu)于前者，因此等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)在乙炔生產(chǎn)行業(yè)具有明顯優(yōu)勢。

我國現(xiàn)代煤化工由于資源充足、成本低等因素具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，其中最具代表性的技術(shù)為煤制氣、煤制氫、煤制乙炔。其中，煤制乙炔既是一項綠色的乙炔生產(chǎn)技術(shù)，也是一項現(xiàn)代煤化工技術(shù)，在乙炔生產(chǎn)工藝和乙炔化工工業(yè)中占有重要地位，見圖 2。

圖 2 現(xiàn)代煤化工工藝路線圖

由圖2可知，煤制氣下游產(chǎn)業(yè)為合成氣化工，煤制氫下游為加氫精制及合成氨，煤制乙炔下游為乙炔化工。煤制氫的發(fā)展受限于氫能儲運成本、氫能源裝備、氫能改造成本的限制。相比煤制氣，煤制乙炔縮短了化學(xué)品精加工工藝流程，且乙炔化工可生產(chǎn)更多種類的下游產(chǎn)品，具有極大發(fā)展?jié)摿?。如果煤制乙炔技術(shù)成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將對煤-合成氣-烯烴市場產(chǎn)生巨大影響，改變我國煤化工產(chǎn)業(yè)格局，為我國煤炭清潔高效利用開辟出一條新途徑。

5 結(jié)論

等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)是一項綠色的乙炔生產(chǎn)技術(shù)。相比于電石或天然氣制乙炔，煤制乙炔縮短了工藝流程，具有無資源限制、資源消耗低、能源利用率高、環(huán)境污染少、經(jīng)濟性較優(yōu)、技術(shù)較先進等工藝優(yōu)勢。

國內(nèi)煤制乙炔技術(shù)起步較晚，經(jīng)過近二十年的基礎(chǔ)實驗和工程化試驗，已取得階段性成果，現(xiàn)處于2～10 MW級的工業(yè)試驗階段，正在攻克反應(yīng)器結(jié)焦問題，同時優(yōu)化工藝參數(shù)以提高裂解氣乙炔濃度。

煤制乙炔技術(shù)的技術(shù)難點包括氫離子體發(fā)生器、等離子體反應(yīng)器和淬冷裝置，問題主要集中在形成大面積均勻等離子體、等離子體發(fā)生器的布置、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、煤粉射流速度控制、氫氣流量控制、淬冷劑種類和淬冷方式的選擇和淬冷劑流量的控制等方面。

煤制乙炔技術(shù)可替代目前落后的電石制乙炔技術(shù)，解決目前存在的資源、能源和環(huán)境問題。同時，該技術(shù)為煤炭清潔高效利用開辟出了一條新途徑，通過縮短工藝流程的方式與煤-合成氣-烯烴工藝路線競爭，改變我國煤化工產(chǎn)業(yè)格局，使我國逐步擺脫對石油的依賴，對行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、化工產(chǎn)業(yè)調(diào)整和國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。