——清華大學(xué)程易課題組攻堅煤化工新技術(shù)紀(jì)實
    素有“有機(jī)化工之母”美稱的乙炔，是目前世界上有機(jī)化工產(chǎn)品最基礎(chǔ)的原料之一。
    目前，我國90%以上的乙炔通過電石法獲得。傳統(tǒng)電石法工藝依賴于煤炭和石灰石資源，是一個高耗能、高污染的過程。熱等離子體煤裂解一步法制乙炔是一項清潔高效的煤基乙炔生產(chǎn)技術(shù)，同時區(qū)別于眾多的煤轉(zhuǎn)化利用途徑，成為不耗水的獨(dú)特煤轉(zhuǎn)化技術(shù)。
    等離子體煤制乙炔過程的研究開始于二十世紀(jì)六十年代，1980年前后美國AVCO公司完成了1MW中試規(guī)模試驗，初步證實了過程的工業(yè)可行性。
    從2001年開始，新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、中科院等離子體所研發(fā)2MW氫等離子體炬，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授程易課題組于2006年加入合作，與新疆天業(yè)共同研發(fā)大型兆瓦級熱等離子體反應(yīng)裝置。
    在他們的努力下，解決了煤粉與氫等離子體高效混合設(shè)計以及影響裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器結(jié)焦問題，在新疆石河子市建成了國際上最大規(guī)模的5MW熱等離子體煤制乙炔工業(yè)中試裝置。整套裝置在自主、正常開停車的情況下，單次操作實現(xiàn)連續(xù)聯(lián)動運(yùn)行75小時以上，裂解氣流量和乙炔收率達(dá)到經(jīng)濟(jì)性要求。
    在近10年的產(chǎn)學(xué)研合作過程中，程易課題組攻堅了數(shù)項關(guān)鍵工程技術(shù)：針對此類極端條件下的氣固混合問題，課題組提出了用扁平噴嘴替代常規(guī)圓噴嘴的新型設(shè)計，并通過多相計算流體力學(xué)數(shù)值模擬，結(jié)合中試現(xiàn)場的冷態(tài)實驗，不斷優(yōu)化噴嘴的設(shè)計方案，大幅提高了反應(yīng)器效率，使煤轉(zhuǎn)化率從最初的20%提高到40%以上，產(chǎn)品氣中乙炔的體積濃度由6.5%最高提高到12%，接近該操作條件下乙炔的熱力學(xué)平衡濃度。
    程易說，為準(zhǔn)確揭示毫秒級煤粉裂解特性，課題組建立了煤粉顆粒內(nèi)部傳熱模型，并耦合了包含煤質(zhì)分子結(jié)構(gòu)特征的脫揮發(fā)分動力學(xué)模型，揭示了不同煤種顆粒與超高溫?zé)崃黧w毫秒級、大溫差接觸過程中煤粉內(nèi)部的溫度梯度對脫揮發(fā)分的敏感影響。
    隨后，課題組將上述顆粒尺度模型全面集成高溫湍流氣固反應(yīng)流動，開創(chuàng)性地建立了描述煤粉熱解行為的跨尺度反應(yīng)流動通用模型，理論指導(dǎo)了國際最大規(guī)模5MW熱等離子體煤制乙炔裝置的噴嘴設(shè)計和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，促進(jìn)了工業(yè)中試取得突破性成果。
    程易介紹，課題組自主研發(fā)了實驗室熱等離子體反應(yīng)器系統(tǒng)，揭示了若干典型煤種以及煤焦油/瀝青質(zhì)/氣、液態(tài)烴等毫秒級熱化學(xué)轉(zhuǎn)化規(guī)律，比較了超高溫條件下煤的慢速、快速和極速升溫過程不同的熱解行為，建立了原料優(yōu)選的實驗科學(xué)基礎(chǔ)和原則。
    2009年，由新疆兵團(tuán)科技局組織專家組鑒定，鑒定意見為該裝置是“國際上最大規(guī)模的等離子體裂解煤制乙炔工業(yè)性試驗裝置，從原理、經(jīng)濟(jì)性和工程應(yīng)用上具有可行性，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，是先進(jìn)乙炔生產(chǎn)技術(shù)，處于國際領(lǐng)先水平”。目前，運(yùn)行的最好指標(biāo)與電石法乙炔相比，總能耗可節(jié)省30%，原煤消耗節(jié)省約50%，同時該過程還副產(chǎn)大量的氫氣。
    2014年，中國成達(dá)工程有限公司與清華大學(xué)和新疆天業(yè)合作，對此技術(shù)進(jìn)行了萬噸級工業(yè)裝置的經(jīng)濟(jì)評估。評估報告稱“按2014年的價格水平，建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)4萬噸乙炔的熱等離子體煤裂解項目的年均總投資收益率為17.48%，項目全投資所得稅前內(nèi)部收益率為21.65%，靜態(tài)投資回收期為5.94年，含建設(shè)期2年，噸乙炔實際生產(chǎn)成本為6960元”，該指標(biāo)低于電石法工藝噸乙炔成本近1000元、低于天然氣部分氧化法3000元。
    與此同時，該課題組的科研工作也獲得了認(rèn)可和豐收，2013年獲得教育部自然科學(xué)獎一等獎以及2014年石化聯(lián)合會科技進(jìn)步獎一等獎；在2013年國際流態(tài)化專業(yè)會議上，該課題組也受邀作了大會報告。