氢等离子体热解煤直接制乙炔：可行吗？

乙炔是我国需求极大的重要化工原料，是许多有机化工产品的原料，曾有有机化工之母之称。国内目前年乙炔消耗量已达七百多万吨，并且还在逐年快速增加。这样大量的乙炔主要是由电石法生产的。这是高资源消耗、高污染排放、高耗能的古老工艺。按国家电石法乙炔生产标准计算，生产一吨乙炔要消耗3.3吨煤、7吨石灰石、3吨水和一万二千度电，排放27吨二氧化碳、大量酸性气体和3.7吨电石渣。氢等离子体热解煤直接生产乙炔为我们提供了一个新煤化工途经，

什么是氢等离子体热解煤直接生产乙炔

该工艺是将颗粒直径在几十微米的煤粉直接喷入平均温度在4000K（约摄氏3700度）的高温氢等离子体射流中，煤粉剧烈气化，气化出的碳、氢、氧混合气体在摄氏1200度以上的反应区中，自动生成大量的乙炔和氢气、一氧化碳、甲烷。这是化学反应平衡过程自动决定的。由于反应处在高温下，反应速率极快。从煤粉气化到生成大量乙炔整个过程在1到2个毫秒中完成。生成气中各种气体的所占比例由氢氧碳元素的比例决定。要在常温下得到乙炔，就必需将处于摄氏1200度高温的生成气快速冷却到200度以下。

基本过程和原理

从煤粉到生成乙炔整个过程仅包含二个阶段，一是煤粉进入高温区的气化过程。二是气化出来的碳氢气体在1200度以上高温区快速趋于化学平衡状态，形成乙炔。前一过程由于过程时间极短，人们对它的了解很少，但大量的实验表明，煤粉一当进入几千度高温区域，在毫秒量级时间内相当部分煤粉就迅速被气化，其气化率和等离子体热功率和煤粉量之比密切相关。实验中在最佳乙炔产额条件下，煤粉的气化率在50%-60%左右。

第二个形成乙炔的过程，可认定为是含碳氢氧的气体处于1200度以上温度时化学平衡的直接结果。以据有二个。一、有人用一定的化学反应模型对这过程作化学反应动力学模拟，结论是在一千多度的高温下，这体系达到乙炔含量平衡的时间是微秒量级的。非常快。第二、大量实验数据表明生成气中氢气、乙炔、一氧化碳的含量和化学平衡计算结果符合得非常好。由此可见在乙炔生成过程中化学平衡起了主要作用。一般煤的碳氢氧成分组成，气化后在一千多度的高温下，化学平衡理论给出的乙炔体积（摩尔）含量在百分之十几。

几大优点

（a）节省资源，它是用煤直接生产乙炔。

进入等离子体炉内的煤，在乙炔产率最佳状况下，50%以上被气化，气化出来的碳原素，一般情况下，超过70%形成乙炔。这个数字极依赖于氧含量，氧含量低，碳生成乙炔的比例就高。还需指出的是，虽然等离子体热解煤制乙炔过程中没有实现煤的完全气化，但未气化的煤还是煤，它仍可以用作燃料。由于它颗粒很细可做成水煤浆。另外煤粉经过高温爆裂和气化后变成多孔状膨化颗粒，比面积很大，可以做价值更高的吸附剂。因此这部分未气化的煤粉并未损失，而是转化成价值更高的煤。

（b）生产流程短，煤粉一步制成乙炔。

设备小，生产效率高。一个年产3000吨乙炔的反应器，内腔体积在十升左右。除此之外，由于它不像煤部分燃烧气化那样会产生大量气体，等离子体热解煤制乙炔过程产生的气体少，因此后续的气体处理设备，规模也要小很多。

（c）节能。

这体现在三个方面。首先在不同规模的实验装置或工业中试装置上都发现用这种工艺生产乙炔的能耗要低于电石法乙炔的能耗。其次通过用某一实际的煤转化成乙炔、氢气、一氧化碳所需的能量理想值的计算，即只考虑化学能的变化，不计过程中其他能量损失，结果是生成一公斤乙炔的最低能耗是7度电左右，在工业规模装置上最低的乙炔能耗在10到11度电。这可以说明即使在工业规模的装置上，等离子体煤制乙炔过程中等离子体提供的能量大部分转化成乙炔的化学能，其他能量损失不大。这主要是因为反应速度快，毫秒的时间过程，反应器小，反应区域小，所以过程中其他能耗大大降低。节能还体现在以乙炔为原料的下游化工生产中。乙炔是高化学能物质，以它为原料的下游产品的化学能一般都比它低，因此那些过程就可节省很多能量。

（d）十分优良的环保特性。

整个生产过程几乎没有三废排放。所产生的气体极大部分（99%以上）是乙炔、氢气、一氧化碳和甲烷，还有少量（低于1%）的其它烃类有机物，当然煤中的部分硫和磷也会进入气体，这在后面气体分离中可进行脱除。过程中产生的固体物是升值的煤。过程中使用的冷却水是可循环使用的，淬冷水经固液分离后可循使用。因此该生产过程几乎没有污染产止，是环境十分友好的生产工艺。

（e）经济效益高。

除了生产乙炔，还生产氢气、一氧化碳合成气以及甲烷、乙烯。没有气化的剩余煤是多孔状活性碳，等多种产品。将所有产品利用后折算到乙炔生产的原料成本，它是目前电石乙炔成本的50%左右。

国内外发展历史和现状

等离子体热解煤制乙炔这方法最早在上世纪六十年代由英国人提出来，发表在世界最知名的科学杂志《自然》上。其后世界各国在实验室中对其进行了基础性实验研究。上世纪七十年代末、八十年代美国AVCO公司和苏联科学院西伯利亚分院都进行了等离子体功率达到MW级的工业中试。他们在二个形式不同的装置上得到基本相同的结果，乙炔能耗在10度-12度电/公斤。低于电石法乙炔能耗。AVCO公司在他们多年研究工作总结中甚至指出这种方法生产的乙炔可以和石油乙烯竞争。但由于这时西方国家因电石法乙炔生产中严重的污染问题，电石法乙炔生产已被淘汰，有机化工已走上石油乙烯技术路线，乙炔失取市场需求，因此当时对美，苏来讲，发展等离子体热解煤制乙炔工艺失去了动力。

我国因为缺石油，一部分有机化工走了电石乙炔路线，特别是乙炔生产聚氯乙烯工艺成熟并得到推广，全国乙炔市场迅速增长。但电石法乙炔污染问题成为继续发展的重大障碍，因此取代陈旧的电石乙炔工艺，寻找新的低污染，高经济效益乙炔生产新工艺是大家极为关注的问题。

工业化的技术条件

氢等离子体热解煤制乙炔是至今国内外尚未实现工业化的新技术，从技术上看，它是否已具备工业化必要条件？应该从三方面来考察。首先原理是否正确，有否先进性。第二实现该技术所依赖的专有技术是否达到工业化水平。第三该生产工艺中中所包含的各重要技术环节是否已掌握。

目前高效、大功率氢等离子体产生技术有二种方法，一种是等离子体炬形式，另一种是电弧。这二种形式都能实现MW级的氢等离子体发生器。但要实现更大功率的发生器，例如5MW以上，后者几乎不太可能。事实上，当发生器功率越大时，电弧发生器电流就会变得非常大，以至于电极损耗剧增，发生器工作寿命短到不能满足实际应用需要。我们在这些年己开发成功的2MW、5MW大功率氢等离子体炬具有寿命长、运行平稳、输出功率波动小、电热效率高等特点，更重要的它可以向更大功率的炬发展。目前，己解决了制造10MW炬的关键技术，只要需要，研制这样的炬不会有太大困难。因此可以说作为氢等离子体热解煤制乙炔所依赖的最关键技术，大功率氢等离子体炬已完全适应工业化要求。

第三方面该工艺过程中所有重要的技术是否都掌握了。这里涉及煤粉的超浓相输送技术，高气化率的煤粉注入技术，反应器清焦、控焦技术，反应器壁保护，生成气淬冷技术等。经过十多年的探索、改进基本上都得到解决。与该工艺配套的其他技术都是常规技术，如生成气除尘除湿、气体分离，循环水处理技术，煤粉准备技术等，它们都是没有问题的。

经济性分析

等离子体裂解煤制乙炔成本估算。根据新疆天业5MW等离子体煤制乙炔工业中试装置目前运行情况，用现场采集的数据分析。得到如下典型的数据：实际输入炬功率4.5 MW，进煤量2.0t/h，发气量3100Nm3/h，同时每小时产生约1.0t残煤，每小时产乙炔：0.31t。生产每吨乙炔的直接煤耗为：3.2t，在计算中我们只计已直接消耗的煤，排出的煤粉量不计入已消耗的煤。

5MW等离子体煤制乙炔工业中试装置上，乙炔原料成本为6953.8元/吨。同时，若能将一氧化碳、甲烷和乙烯等副产物分离利用，则乙炔原料成本可降至5926.5元左右。

5MW等离子体煤制乙炔中试乙炔成本估算

若能进一步将固体产物残煤部分转化为活性炭，残煤制活性炭收率按40%计，乙炔成本还可降低1000元左右，单位乙炔生产成本约为4926.3元/吨（未考虑气体副产物分离成本）。

以上计算只计生产乙炔的原料、动力成本。

电石法制乙炔成本估算

电石水解法制乙炔资源消耗数据来源于中华人民共和国环境保护标准《清洁生产标准电石行业 HJ/T430-2008》。主要消耗指标：发气量290L/kg电石；1吨电石消耗：焦炭0.583吨、石灰0.97吨、电极糊0.025、电炉电耗3250 kW·h，水（新鲜水）单耗（冷却用）1.0t。

综合得乙炔发生成本为9615.46元/吨，具体见下表。

电石法制乙炔发生成本

等离子体乙炔生产原料成本只有电石乙炔的1/2。等离子体乙炔的成本还有进一步下降空间。

等离子体煤制乙炔技术经济评价及环境分析

对比等离子体裂解煤及电石法两种制乙炔的工艺发现，新疆天业5MW等离子体煤制乙炔工业中试乙炔成本与电石法乙炔成本有较大优势。由于等离子体煤制乙炔工艺目前尚处于工业中试阶段，和理论值相比，以及和实验中出现的好的数据比，大部分情况裂解反应电耗还较高（14到18度电每公斤乙炔）。因此存在能更进一步完善的空间，提高发气量和乙炔浓度，将反应能耗降至12.13kWh/kg乙炔以下（发气量3500 Nm3/h，乙炔浓度9%时）是有可能的，如能实现这时其经济效益将更加可观。此外，等离子体煤制乙炔工艺气体产物中富含的一氧化碳、乙烯等产品可分离提纯使用，本项目研究证实固体产物残煤可以加工制成活性炭、电石型焦等，可获得更高的附加值。这些都可进一步提升等离子体煤制乙炔工艺的经济性。与电石法存在严重的“三废”排放相比，该工艺的各项用水基本上都能循环使用，可实现二氧化碳减排7t/t 乙炔。根据2010年我国电石的产能（1450万吨），等离子体煤制乙炔工艺若能推广并替代电石法工艺，每年可减排二氧化碳3383万吨。因此该工艺对环境友好，是一条实现煤的清洁、深层次利用的有效途径，具有良好的工业化应用前景和推广价值。

不论以后发展多大的生产规模，从本质上看该工艺一定能保持它的优良经济性和环境特性。除此之外，该工艺是否有更强大的生命力很关键的是看该工艺能否形成更大的产能规模。这涉及二个关键技术。一是、等离子体炬的功率能否进一步提高。目前我们已具有技术成熟的2MW、5MW氢等离子体炬技术。以5MW炬为例，装备该炬的单台反应器年乙炔产量在2500吨到3000吨范围。这对一个年需几十万吨乙炔的化工企业来讲，单产偏小了。解决这问题从发展炬技术方面讲，就是开发更大功率的氢等离子体炬。开发成功10MW的炬是没有太大问题。如果单台反应器在乙炔生产效率方面不存在功率放大后产生负效应的话，单台反应器年乙炔产量可增大一倍。为了增加单台反应器的产量，除了增大等离子体炬的功率外，还可以多等离子体炬反应器结构形式。从上述二方面着手，我们认为采用多炬式反应器，实现单台反应器年产乙炔2万吨应该是可以期望的。