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(yuǎn)波，杜文智，吳 迪，吳 樂

（1. 西安航天源動(dòng)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(jià)化合鍵的最簡(jiǎn)單的烴基化合物，是一種重要的有機(jī)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(jī)化合物和塑料、橡膠、纖維等上千種高分子有機(jī)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(jiǎn)稱煤制乙炔）［1-2］。我國(guó)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(huì)帶來一系列資源、能源和環(huán)境問題。我國(guó)資源稟賦“富煤、貧油、少氣”，天然氣資源匱乏且價(jià)格波動(dòng)較大，天然氣制乙炔工藝也不適合在國(guó)內(nèi)大量推廣應(yīng)用。相比之下，煤制乙炔是一項(xiàng)綠色的乙炔生產(chǎn)技術(shù)，也是一項(xiàng)現(xiàn)代煤化工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效利用，使我國(guó)逐步擺脫對(duì)石油化工（乙烯化工）的依賴，對(duì)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、化工產(chǎn)業(yè)調(diào)整和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義［3-6］。

本文介紹了國(guó)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(jì)性等角度對(duì)比了3種乙炔生產(chǎn)工藝，分析了各工藝的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)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(yàn)階段面臨的等離子體裂解發(fā)生器設(shè)計(jì)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和淬冷裝置設(shè)計(jì)3項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)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(jí)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(guó)煤炭研究協(xié)會(huì)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(guó)AVCO公司、德國(guó)Huls公司與DMT公司相繼開發(fā)了1 MW級(jí)等離子體裂解煤制乙炔中試裝置。同時(shí)，德國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、日本、印度等國(guó)的高校和研究機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究。國(guó)外油氣資源豐富，目前主要采用價(jià)格低廉的天然氣生產(chǎn)乙炔，對(duì)煤制乙炔沒有需求。因此，國(guó)外的相關(guān)研究和工業(yè)試驗(yàn)主要集中在上世紀(jì)末，目前并未開展工業(yè)試驗(yàn)，等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)僅作為一項(xiàng)儲(chǔ)備技術(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程

等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)是一項(xiàng)綠色、清潔、高效、持久的現(xiàn)代煤化工技術(shù)，能夠保障我國(guó)有機(jī)化工基礎(chǔ)原料的持續(xù)供應(yīng)，具有潛在的研究?jī)r(jià)值和戰(zhàn)略意義。國(guó)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(guó)內(nèi)第一套百千瓦級(jí)氫等離子體裂解煤制乙炔裝置。2000年，山西三維集團(tuán)引進(jìn)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(yàn)裝置。該項(xiàng)目受“等離子體裂解煤制乙炔關(guān)鍵設(shè)備與工藝”國(guó)家863計(jì)劃資金支持，2 MW裝置取得階段性成果，乙炔含量達(dá)到8.5%（φ）。但是，在5 MW裝置試驗(yàn)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(zhǎng)周期運(yùn)行問題，該裝置目前已停止試驗(yàn)［9］。2014年至今，浙江大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(yàn)。該項(xiàng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資金支持。根據(jù)該項(xiàng)目初步運(yùn)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(dá)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)［10］。

在開展工業(yè)試驗(yàn)的同時(shí)，國(guó)內(nèi)高校與科研機(jī)構(gòu)對(duì)煤制乙炔技術(shù)的機(jī)理研究也在同步進(jìn)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(dòng)力學(xué)分析、反應(yīng)機(jī)理研究、煤質(zhì)組成影響、反應(yīng)器設(shè)計(jì)、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(biāo)函數(shù)，對(duì)載氣、水分、壓力、溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)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(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化了淬冷設(shè)備的設(shè)計(jì)、配套設(shè)備的選型及安裝，將成果應(yīng)用于中試試驗(yàn)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(yàn)和研究驗(yàn)證并行的階段，受限于長(zhǎng)周期運(yùn)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(dá)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含乙炔的混合氣體。混合氣體經(jīng)反應(yīng)器淬冷裝置淬冷后進(jìn)入氣體分離裝置，經(jīng)分離后可得到產(chǎn)品乙炔，同時(shí)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(jìn)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(jìn)入污水處理裝置進(jìn)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(xiǎn)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(shì)

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(zhǔn)入條件（2014年修訂）》，要求對(duì)電石產(chǎn)能實(shí)行總量控制，原則上禁止新建電石項(xiàng)目，新增電石生產(chǎn)能力必須實(shí)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(qiáng)化技術(shù)進(jìn)步，加快落后產(chǎn)能淘汰。電石制乙炔是我國(guó)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(xiàng)受國(guó)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(jì)，全球石油、天然氣儲(chǔ)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(guó)資源稟賦“富煤、貧油、少氣”，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍然要以煤炭為主。中國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的55%為低階煤，等離子煤制乙炔技術(shù)能實(shí)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(cè)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(dá)20 t。按2008年全國(guó)每年6×106t左右的乙炔產(chǎn)量計(jì)算，二氧化碳排放總量高達(dá)1.2×108t。以國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率計(jì)算，目前二氧化碳排放可達(dá)（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(xiàng)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(jì)效益

美國(guó)AVCO公司和美國(guó)能源部曾對(duì)1 MW煤制乙炔裝置做過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)效益。

2.2.5 技術(shù)先進(jìn)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(jiǎn)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(shí)，該工藝副產(chǎn)氫氣、一氧化碳、少量甲烷、烯烴、高級(jí)炔氣體和煤焦，可實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)品的綜合利用，具有較高的能源利用率和分級(jí)利用率，可實(shí)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(shì)，對(duì)乙炔生產(chǎn)工藝進(jìn)行對(duì)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(jì)性較優(yōu)、技術(shù)較先進(jìn)等優(yōu)勢(shì)。以1 t乙炔的生產(chǎn)消耗為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，進(jìn)一步對(duì)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(jì)性對(duì)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(shí)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(shì)。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(shí)避免了空分裝置的建設(shè)，且生產(chǎn)不受天然氣價(jià)格波動(dòng)的限制，具有更好的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(yàn)階段，仍有若干技術(shù)難點(diǎn)需要解決。

表 1 乙炔生產(chǎn)工藝技術(shù)對(duì)比

表 2 乙炔生產(chǎn)工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3 技術(shù)難點(diǎn)

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(jìn)行。等離子體發(fā)生器受材料和溫度的限制，單個(gè)發(fā)生器往往達(dá)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(huì)影響最終形成等離子體的濃度和溫度分布的均勻性，進(jìn)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(yàn)裝置對(duì)等離子體發(fā)生器具有大功率、高效率、長(zhǎng)壽命的要求。新疆天業(yè)工業(yè)試驗(yàn)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(yàn)裝置采用旋轉(zhuǎn)弧等離子體炬，提高了電弧穩(wěn)定性，促進(jìn)了煤粉的混合和裂解，目前正在進(jìn)行長(zhǎng)周期工業(yè)試驗(yàn)。

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(jìn)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(shí)間尺度為毫秒級(jí)。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(huì)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(shí)間是反應(yīng)器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。劉軍等［13］將航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)降低壁面結(jié)焦，為反應(yīng)器長(zhǎng)周期運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。楊巨生等［14］通過等離子入口保護(hù)器、工作氣體再循環(huán)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施，降低壁面結(jié)焦，延長(zhǎng)反應(yīng)器工作時(shí)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(jìn)行清焦，定量評(píng)價(jià)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(dāng)氣體溫度下降時(shí)會(huì)有一部分乙炔轉(zhuǎn)化為其他烷烴或烯烴氣體。因此，需要對(duì)等離子體反應(yīng)器出口處乙炔含量較高的混合氣體進(jìn)行急速降溫處理，使混合氣中的乙炔保持較高的體積分?jǐn)?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(huì)對(duì)乙炔含量產(chǎn)生影響［15］。胡建建［12］基于Kumar的分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)石腦油作為淬冷劑進(jìn)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(dòng)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(shí)間常數(shù)、淬冷前溫度對(duì)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(guó)的乙炔需求量為6×106t/a。以國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)值增長(zhǎng)率計(jì)算，當(dāng)前國(guó)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(shì)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(jì)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(shì)。

我國(guó)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(xiàng)綠色的乙炔生產(chǎn)技術(shù)，也是一項(xiàng)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(chǔ)運(yùn)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將對(duì)煤-合成氣-烯烴市場(chǎng)產(chǎn)生巨大影響，改變我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)格局，為我國(guó)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(xiàng)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(jì)性較優(yōu)、技術(shù)較先進(jìn)等工藝優(yōu)勢(shì)。

國(guó)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(shí)驗(yàn)和工程化試驗(yàn)，已取得階段性成果，現(xiàn)處于2～10 MW級(jí)的工業(yè)試驗(yàn)階段，正在攻克反應(yīng)器結(jié)焦問題，同時(shí)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(diǎn)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(jì)、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(shí)，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(jìng)爭(zhēng)，改變我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)格局，使我國(guó)逐步擺脫對(duì)石油的依賴，對(duì)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、化工產(chǎn)業(yè)調(diào)整和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。