行業(yè)要聞
人物專訪
富煤貧油少氣的資源稟賦特點以及經濟發(fā)展與環(huán)境約束力增大的矛盾，促使我國不斷探索煤炭高效清潔利用先進技術，并在包括煤制油、煤制烯烴、煤制芳烴、煤制乙二醇等方面取得巨大成就。但由于上述技術路徑普遍存在水資源消耗大、對當地生態(tài)環(huán)境影響大等弊端，其發(fā)展近幾年始終遭到質疑和非議。在這種情況下，業(yè)內再次把煤炭清潔高效利用的目光投向等離子體煤制乙炔技術。因為理論上講，該技術路徑不耗水，原料單一，生產過程不會產生難以處理的廢水、廢氣，是國內外公認的煤炭綠色清潔轉化新路徑。
那么，等離子體煤制乙炔技術目前在國內外處于什么狀態(tài)？該技術將會帶來哪些變化？帶著這個問題，記者專訪了新疆天業(yè)集團研究院副總工程師、等離子體煤制乙炔技術帶頭人熊新陽先生。
記者：請您介紹一下全球等離子體煤制乙炔的基本情況。
熊新陽：等離子體煤制乙炔全稱是等離子體煤裂解制乙炔技術，即利用等離子體的高溫（4000開爾文）、高焓條件，先將煤中揮發(fā)分（甚至固定碳）裂解為炭原子和氫原子，再很快合成乙炔的一項前沿技術。由于煤中的碳氫比與乙炔接近、易于生成乙炔，且等離子體煤制乙炔不消耗水，無廢水廢氣產生和排放，工藝流程短，因此，20世紀以來，先后被多個國家確定為重點研發(fā)方向。
英國是最早開展等離子體煤制乙炔技術研究的國家。早在1963年，英國煤炭利用研究協會Bond等人和謝菲爾德大學Littlewood等研究人員就根據他們的研究成果，在國際著名學術期刊《自然》雜志上發(fā)表文章，闡述煤等離子體制乙炔過程的科學原理和反應條件。
20世紀80年代末，德國、法國、美國、日本、印度、俄羅斯等國同樣對等離子體煤制乙炔進行了重點攻關。1981年，美國能源部和美國AVCO公司在馬薩諸塞州取得等離子體煤制乙炔中試成功，所得裂解氣中乙炔濃度達16％，乙炔收率大于35％，每千克乙炔耗電僅9.5千瓦時。這一成果進一步驗證了等離子體煤制乙炔技術的可行性和經濟性。但受當時油價較低、煤化工整體不景氣以及用戶市場不成熟等因素影響，上述技術路線均未實現工業(yè)化，最大試驗裝置的等離子體僅1兆瓦左右。
中國等離子體煤制乙炔技術的研發(fā)始于20世紀90年代，先后有復旦大學、太原理工大學、山西煤化所、清華大學、華東理工大學、四川大學等做了不同程度的小試。1995年，山西三維集團與俄羅斯專家合作開發(fā)了0.75兆瓦等離子體煤制乙炔中試裝置，得到乙炔含量7.24％的裂解氣，但試驗未能得到進一步開展。
記者：新疆天業(yè)為何想到要搞此項研究？
熊新陽：乙炔是重要的有機化工原料，既可方便地生產乙烯及其衍生物，又可用于裝備制造等廣泛領域。前幾年，雖然曾受國際油價持續(xù)上漲推動，國內聚氯乙烯市場仍上演了一波持續(xù)時間較長的大牛市行情。但“十二五”以來，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，電石法聚氯乙烯高能耗、高排放、高污染等弊端日益凸顯，行業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨重大挑戰(zhàn)。作為全國大型氯堿骨干企業(yè)，新疆天業(yè)領導清醒意識到，煤炭清潔高效利用和氯堿行業(yè)清潔生產是企業(yè)、行業(yè)乃至中國必須面對的現實。根據新疆地區(qū)煤炭、電力資源豐富，水資源短缺這一特點，企業(yè)決定開發(fā)不依賴水資源的煤炭清潔高效利用技術——等離子體制乙炔技術。
2001年2月至2006年4月，新疆天業(yè)聯合復旦大學、俄羅斯科學院、中科院等離子體研究所進行等離子體煤制乙炔技術研發(fā)，并于2005年建成2兆瓦等離子體煤制乙炔實驗平臺，基本解決了純氫等離子體炬長周期運行的問題。
2006年4月至2007年8月，新疆天業(yè)、復旦大學、清華大學、中科院等離子體研究所通過深入研究，解決了等離子體反應器結焦以及煤粉與氫等離子體高效混合等難題，確定了適宜乙炔生成的裂解溫度、不同炬功率下煤粉的加入量，以及煤粉穩(wěn)定輸送等配套工藝條件，取得了在等離子體炬輸送功率1.7兆瓦、進煤800千克/小時、裂解氣流量1100 標準立方米/小時、乙炔濃度8.5%、電耗13.6千瓦時/千克乙炔、2兆瓦試驗裝置連續(xù)運行2小時的成績，并研制成功2.5兆瓦直線炬，為5兆瓦大功率炬開發(fā)奠定了堅實基礎。
2007年8月至2008年12月，新疆天業(yè)、復旦大學、清華大學合作設計開發(fā)的由等離子體發(fā)生系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、煤裂解反應系統(tǒng)、裂解氣氫氣變壓吸附分離系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)等單元構成的5兆瓦等離子體煤制乙炔中試裝置實現連續(xù)聯動運行10小時以上，各項指標達到設計要求。
2008年12月至2012年12月，新疆天業(yè)、浙江大學、清華大學共同承擔國家“863”項目，成功開發(fā)了裂解產物氣固液體高效分離以及系統(tǒng)先進控制技術，并在多種混合段形式和反應段類型下，獲得流量2500～3100標準立方米/小時和乙炔濃度6%～8.5%的裂解氣。
2010年11月20日，5兆瓦等離子體煤制乙炔工業(yè)化中試裝置打通全流程，并在等離子體炬功率4.5兆瓦以上實現整套工藝連續(xù)運行75小時。
2013年1月至2015 年12 月，新疆天業(yè)承擔國家科技支撐項目，研制2～5兆瓦等離子體裂解煤的等離子體炬核心設備，取得了大功率等離子體炬大于300小時，在2兆瓦裂解裝置長周期運行上獲得乙炔濃度大于9.5%的重大突破，并建成一條滿足工業(yè)需求的等離子體炬和反應器一體化工業(yè)化的兆瓦級等離子體裂解煤示范裝置。
記者：等離子體煤制乙炔的技術開發(fā)過程中，最大的難點是什么？是否已經攻克？
熊新陽：固體的炭與氫氣在較寬溫度范圍內均是穩(wěn)定組分，而乙炔的氣相分解反應屬于表觀二級不可逆反應，高溫下反應速率極快。尤其當體系中含有大量熾熱炭顆粒時，乙炔在熾熱炭表面極易發(fā)生分解，生成炭黑和氫氣。因此，等離子體煤制乙炔技術成敗的關鍵，一是煤粉能否在最短時間內獲得巨大能量并在毫秒范圍內發(fā)生裂解；二是煤粉快速裂解所生產的含有乙炔的裂解氣能否通過合適的方式迅速降溫，以防止生成的乙炔分解為氫原子和碳原子；三是如何防止高溫煤粉在反應器中結焦；四是能否開發(fā)出長壽命、耐3400甚至4000開爾文以上高溫和高強度等離子體射流沖擊的等離子體炬（工作條件為1萬伏電壓、800安培電流、3400～4000開爾文高溫）和反應器。
經過幾十年的不懈努力，目前上述問題基本得到解決。我們不僅成功研制了2兆瓦、5兆瓦等離子體炬，實現了兆瓦級大功率等離子體炬壽命大于300小時，而且成功研制了裂解氣乙炔濃度大于9.5%的高效等離子體裂解煤反應器，建成了世界最大規(guī)模的等離子體裂解煤示范裝置，所用裝備與控制系統(tǒng)全部實現了國產化，創(chuàng)造了累積運行300多小時的世界記錄，使中國等離子體煤制乙炔技術與工業(yè)化水平世界領先。
記者：等離子體煤制乙炔對原料煤有何要求？需要催化劑嗎？物料消耗如何？
熊新陽：等離子體煤制乙炔不需要催化劑，但要求煤的揮發(fā)分大于30%、灰分及氧含量均低于15%、煤粉平均粒徑小于50微米。根據中試情況，每生產1噸乙炔，原煤和電力消耗分別為3.69噸和12000千瓦時。
記者：與電石法相比，您認為等離子體煤制乙炔優(yōu)、劣勢如何？若用其生產乙烯，與天然氣制乙烯及煤經甲醇制乙烯相比有無優(yōu)勢？
熊新陽：等離子體煤制乙炔工藝流程短，可一步生成乙炔。因此，其與電石法乙炔及煤經甲醇制乙烯相比，原材料消耗、能源利用效率、污染物排放等方面均具有明顯優(yōu)勢，具體可以通過一個表格（見下表）來表示。
記者：如此說來，您非�？春玫入x子體煤制乙炔的前景？
熊新陽：的確如此。一方面，乙炔可用于乙烯、聚氯乙烯、醋酸乙烯、聚乙烯醇 1-4丁二醇、裝備制造（乙炔切割焊）等眾多領域，國內年需求量超過3000萬噸，市場前景廣闊；另一方面，我國是一個貧油少氣煤炭資源相對豐富的國家，煤的高效清潔利用及其多聯產是各方關注并亟待解決的問題。等離子體煤制乙炔技術一旦實現工業(yè)化應用，就可實現煤一步法生產乙炔繼而生產乙烯等下游化工產品，在大幅降低乙炔及乙烯生產成本的同時，最大限度地減少污染物排放，同時開創(chuàng)了一條煤炭高效清潔利用新路徑。
記者：既然你們的等離子體煤制乙炔技術世界領先，與電石法乙炔和煤經甲醇制乙烯相比，又具有諸多優(yōu)勢，為何沒有盡快工業(yè)化推廣應用呢？
熊新陽:雖然我們已經攻克了諸多技術難關，也通過大量試驗證明等離子體煤制乙炔技術的環(huán)保性、可靠性、可行性，但還需要有一個準備過程。目前5兆瓦的等離子體反應器尚在試驗和完善階段，并不具備工業(yè)化推廣應用的條件。若此時貿然建設工業(yè)化裝置，不僅需要大量備用設備和頻繁檢修，增加項目投資和運營成本,還會因整套裝置在富氫環(huán)境下運行并頻繁檢修帶來較大的安全風險。因此，作為負責任的科技工作者,我們并不主張企業(yè)現在就建設等離子體煤制乙炔工業(yè)化項目。
記者：你們下一步的目標是什么？
熊新陽：我們近期目標是在開發(fā)壽命大于2000小時的等離子體煤裂解制乙炔裝置的同時，與有意愿在等離子體裂解煤領域開拓進取的單位合作，盡快開發(fā)出10兆瓦級別的等離子體炬和反應器。中遠期目標是開展等離子體共性關鍵技術研發(fā)創(chuàng)新，充分挖掘等離子體的高效、清潔和綠色特點，進行等離子體裂解煤、天然氣制乙炔技術和氣固相法合成高聚物技術研發(fā)，建設國內領先、國際一流的等離子體應用科技創(chuàng)新支撐平臺和創(chuàng)新團隊。具體而言要在以下3方面取得重大突破：一是加大低溫等離子體發(fā)生技術研究，在低溫等離子體技術應用研究領域實現重大突破；二是實現等離子體裂解天然氣方面取得重大突破；三是在等離子體焚燒技術和等離子體處理危險廢物方面取得重大技術突破。
記者：一旦等離子體煤制乙炔技術得到工業(yè)化應用，您對項目布局有何建議？
熊新陽：與電石法制乙炔、煤經甲醇制烯烴不同，等離子體煤制乙炔的原料只有煤，對水資源沒有依賴，只要電力、煤炭供應充足、價格相對低廉且擁有可靠的乙炔下游用戶，就可建設不同規(guī)模的工業(yè)化裝置。不過，根據我們的測算，等離子體煤制乙炔的生產成本隨電價增長曲線的斜率遠大于隨原煤價格增長曲線的斜率，這表明電價對生產成本的影響比原煤價格更大。因此，建議工業(yè)化裝置優(yōu)先考慮建在電力供應充足且電價比較低廉的地區(qū)。如果條件允許，最好同步建設自備電廠。
記者：等離子體煤制乙炔技術一旦實現工業(yè)化應用，將對哪些行業(yè)產生重大影響？
熊新陽：等離子體煤制乙炔技術一旦實現大規(guī)模工業(yè)化應用，將以其顯著的節(jié)能減排、綠色環(huán)保與經濟效益，替代3000萬噸/年電石法制乙炔產能，對電石行業(yè)產生巨大沖擊。同時，擴大了氯堿企業(yè)的原料選擇范圍，豐富其工藝路徑，并顯著提升其清潔生產水平。隨著技術成熟和規(guī)模擴大，等離子體煤制乙炔將與煤經甲醇制烯烴、天然氣制乙烯、石油制乙烯工藝一道，成為乙烯工業(yè)發(fā)展的重要技術支撐。
記者：謝謝您接受采訪！祝愿您和您的團隊取得更多研究成果！
