等離子體裂解煤制乙炔技術分析及展望

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 化工學院，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品。乙炔及乙炔產品在石油化工、煤化工、醫藥、生物、農藥、染料、材料、金屬切割、照明領域都有廣泛的應用。

目前，乙炔的生產工藝主要有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］。我國乙炔生產主要采用電石制乙炔工藝。但是傳統的電石制乙炔生產過程會帶來一系列資源、能源和環境問題。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大量推廣應用。相比之下，煤制乙炔是一項綠色的乙炔生產技術，也是一項現代煤化工技術，可實現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，對行業轉型升級、化工產業調整和國民經濟發展具有重要意義［3-6］。

本文介紹了國內等離子體裂解煤制乙炔技術發展歷程，從政策、資源、能源、環境、技術經濟性等角度對比了3種乙炔生產工藝，分析了各工藝的優勢、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化試驗階段面臨的等離子體裂解發生器設計、反應器設計和淬冷裝置設計3項技術難點和攻關方向，闡明了等離子體裂解煤制乙炔技術在乙炔行業的綠色轉型升級和煤化工行業的顛覆性革命中的重要作用。

1 技術背景

1.1 技術起源

1961年，英國煤炭研究協會BOND等［7-8］首次在Nature雜志上發表用等離子體熱解煤生產乙炔的概念。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都進行了大量基礎研究。國外油氣資源豐富，目前主要采用價格低廉的天然氣生產乙炔，對煤制乙炔沒有需求。因此，國外的相關研究和工業試驗主要集中在上世紀末，目前并未開展工業試驗，等離子體裂解煤制乙炔技術僅作為一項儲備技術。

1.2 國內發展歷程

等離子體裂解煤制乙炔技術是一項綠色、清潔、高效、持久的現代煤化工技術，能夠保障我國有機化工基礎原料的持續供應，具有潛在的研究價值和戰略意義。國內在該領域的研究起步較晚。

1990年初，清華大學、太原理工大學、大連理工大學聯合建成國內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，后因結焦問題停滯。2002年至2016年，新疆天業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試驗裝置。該項目受“等離子體裂解煤制乙炔關鍵設備與工藝”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，浙江大學研發團隊聯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試驗。該項目受“低階煤高值轉化制備基礎化工原料關鍵技術及應用”國家重點研發計劃資金支持。根據該項目初步運行結果，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，成本比現有電石制乙炔低20%以上，優于國外先進技術［10］。

在開展工業試驗的同時，國內高校與科研機構對煤制乙炔技術的機理研究也在同步進行。清華大學、太原理工大學、浙江大學在等離子體煤制乙炔的熱力學和動力學分析、反應機理研究、煤質組成影響、反應器設計、淬冷工段研究、過程系統工程等方面都有深入的研究。例如，趙小楠［11］建立了乙炔-電力多聯產ASPEN流程模擬模型，以乙炔產量為目標函數，對載氣、水分、壓力、溫度等工藝參數進行優化，實現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學模型，模擬了圓柱形淬冷器、環隙式淬冷器和扁平式淬冷器三種淬冷結構，通過對比分析和實驗驗證，優化了淬冷設備的設計、配套設備的選型及安裝，將成果應用于中試試驗裝置中。

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

2 等離子體裂解煤制乙炔

2.1 技術介紹

等離子體裂解煤制乙炔技術是利用等離子體裂解發生器產生平均溫度達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器中進行化學反應，產生含乙炔的混合氣體。混合氣體經反應器淬冷裝置淬冷后進入氣體分離裝置，經分離后可得到產品乙炔，同時副產氫氣、一氧化碳及少量甲烷、烯烴氣體和煤焦。其中，副產氣體和含飛灰的煤焦進入下游裝置綜合利用，經淬冷分離后產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由反應系統和分離系統組成，見圖1。反應系統包括煤粉加料器、等離子體反應器、淬冷器；分離系統包括氣/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、污水處理系統、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、能源和環境問題。

圖 1 等離子體裂解煤制乙炔工藝流程

2.2 技術優勢

2.2.1 政策限制

2014年2月20日工業和信息化部發布了《電石行業準入條件（2014年修訂）》，要求對電石產能實行總量控制，原則上禁止新建電石項目，新增電石生產能力必須實行等量或減量置換，且被置換產能須在新產能建成前予以拆除，強化技術進步，加快落后產能淘汰。電石制乙炔是我國目前乙炔生產的主流工藝，在電石產能受限、工藝技術待淘汰、環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代煤化工技術。

2.2.2 資源限制

據統計，全球石油、天然氣儲量按照現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，中國能源結構仍然要以煤炭為主。中國煤炭儲量的55%為低階煤，等離子煤制乙炔技術能實現低階煤炭的清潔、高效利用和高值轉化，為資源的高效利用提供了可能。

2.2.3 能源與環境

據測算，生產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左右的乙炔產量計算，二氧化碳排放總量高達1.2×108t。以國內工業產值增長率計算，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，是一項能源節約型、環境友好型的生產技術。

2.2.4 經濟效益

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經濟分析。結果表明，采用煤制乙炔工藝路線的乙炔生產成本為8 020元/t，天然氣裂解制乙炔工藝路線的乙炔生產成本為9 155元/t。因此，煤制乙炔相比天然氣制乙炔具有良好的經濟效益。

2.2.5 技術先進性

相比于傳統電石制乙炔的煤-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，簡化了系統復雜度，避免了傳統的電石生產工藝中的高能耗和高“三廢”排放。與此同時，該工藝副產氫氣、一氧化碳、少量甲烷、烯烴、高級炔氣體和煤焦，可實現副產品的綜合利用，具有較高的能源利用率和分級利用率，可實現煤炭的清潔高效利用，為新一代現代煤化工技術。根據上述工藝優勢，對乙炔生產工藝進行對比，見表 1。

由表 1可見，煤制乙炔生產技術相較電石制乙炔和天然氣制乙炔技術，具有無資源限制、資源消耗低、能源利用率高、環境污染少、經濟性較優、技術較先進等優勢。以1 t乙炔的生產消耗為基準，根據實驗數據和有關文獻報道，進一步對電石制乙炔、煤制乙炔、天然氣制乙炔三種技術做技術經濟性對比，見表2。

由表 2可知，煤制乙炔工藝相比傳統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雜工段，具有工藝流程短、設備少、建設周期短的優勢。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，產生的環保效益明顯。與天然氣制乙炔工藝相比，煤制乙炔工藝的總投資略低，生產成本降低20%，同時避免了空分裝置的建設，且生產不受天然氣價格波動的限制，具有更好的經濟效益。因此，煤制乙炔工藝比電石制乙炔工藝具有更好的環保效益，比天然氣制乙炔工藝具有更好的經濟效益，具有廣闊的發展前景。然而，煤制乙炔工藝目前處于工程化試驗階段，仍有若干技術難點需要解決。

表 1 乙炔生產工藝技術對比

表 2 乙炔生產工藝技術經濟性對比

3 技術難點

3.1 等離子體發生器

等離子體發生器用于產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，保證反應持續進行。等離子體發生器受材料和溫度的限制，單個發生器往往達不到所需功率，因此往往要若干等離子體發生器組合使用。等離子體發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從而影響乙炔的轉化率。工業化試驗裝置對等離子體發生器具有大功率、高效率、長壽命的要求。新疆天業工業試驗裝置采用V型等離子體發生器，可取得較高乙炔濃度的裂解氣，但存在放大效應。新疆粵和泰化工科技有限公司的工業試驗裝置采用旋轉弧等離子體炬，提高了電弧穩定性，促進了煤粉的混合和裂解，目前正在進行長周期工業試驗。

3.2 等離子體反應器

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

3.3 淬冷裝置

根據熱力學分析可知，混合氣中的乙炔含量在反應溫度下較高，當氣體溫度下降時會有一部分乙炔轉化為其他烷烴或烯烴氣體。因此，需要對等離子體反應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，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生影響［15］。胡建建［12］基于Kumar的分子反應動力學模型，對石腦油作為淬冷劑進行了理論分析，結果表明石腦油是一種高效的淬冷劑。周高［10］以熱力學平衡、化學反應動力學為基礎，建立了等離子體裂解煤制乙炔淬冷工段的數學模型，研究了淬冷過程主要參數如時間常數、淬冷前溫度對淬冷后裂解氣組分的影響，優化了淬冷過程的工藝參數。

4 應用前景

2008年我國的乙炔需求量為6×106t/a。以國內工業產值增長率計算，當前國內乙炔需求量為（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、能源和環境問題。根據工藝優勢分析可知，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濟性和環保性都優于前者，因此等離子體裂解煤制乙炔技術在乙炔生產行業具有明顯優勢。

我國現代煤化工由于資源充足、成本低等因素具有巨大的發展潛力，其中最具代表性的技術為煤制氣、煤制氫、煤制乙炔。其中，煤制乙炔既是一項綠色的乙炔生產技術，也是一項現代煤化工技術，在乙炔生產工藝和乙炔化工工業中占有重要地位，見圖 2。

圖 2 現代煤化工工藝路線圖

由圖2可知，煤制氣下游產業為合成氣化工，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品精加工工藝流程，且乙炔化工可生產更多種類的下游產品，具有極大發展潛力。如果煤制乙炔技術成功實現產業化，將對煤-合成氣-烯烴市場產生巨大影響，改變我國煤化工產業格局，為我國煤炭清潔高效利用開辟出一條新途徑。

5 結論

等離子體裂解煤制乙炔技術是一項綠色的乙炔生產技術。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、環境污染少、經濟性較優、技術較先進等工藝優勢。

國內煤制乙炔技術起步較晚，經過近二十年的基礎實驗和工程化試驗，已取得階段性成果，現處于2～10 MW級的工業試驗階段，正在攻克反應器結焦問題，同時優化工藝參數以提高裂解氣乙炔濃度。

煤制乙炔技術的技術難點包括氫離子體發生器、等離子體反應器和淬冷裝置，問題主要集中在形成大面積均勻等離子體、等離子體發生器的布置、反應器結構尺寸設計、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。

煤制乙炔技術可替代目前落后的電石制乙炔技術，解決目前存在的資源、能源和環境問題。同時，該技術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，改變我國煤化工產業格局，使我國逐步擺脫對石油的依賴，對行業轉型升級、化工產業調整和國民經濟發展具有重要意義。