煤制乙炔煤化工路径探寻之路

    素有“有机化工之母”美称的乙炔，是目前世界上有机化工产品最基础的原料之一。中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌认为，煤制乙炔一步反应就可以实现，是 煤化工 的捷径之一，应该受到关注。

    金涌院士称，目前乙炔主要用石灰石和 焦炭 以电石法生产，但该方法存在很多问题：一是电能耗比较大。因为要把石灰石和焦炭在电炉里熔化成熔融态，形成碳化钙，然后再跟水反应生成乙炔。石灰石中的钙元素并不进入产品，但在生产乙炔的过程中需要把它熔融，电能耗大；二是产生电石渣这样的废渣，同时还有废水、废气。如果要解决以上问题，就应该考虑不需要石灰石介入，不经过电石，用煤直接生产乙炔。

    等离子体煤制乙炔过程的研究开始于二十世纪六十年代，1980年前后 美国 AVCO公司完成了1MW中试规模试验，初步证实了过程的工业可行性。

    从2001年开始，新疆天业集团有限公司联合复旦大学、中科院等离子体所研发2MW氢等离子体炬，清华大学化学工程系教授程易课题组于2006年加入合作，与新疆天业共同研发大型兆瓦级热等离子体反应装置。

    在他们的努力下，解决了煤粉与氢等离子体高效混合设计以及影响装置长周期稳定运行的反应器结焦问题，在新疆石河子市建成了国际上最大规模的5MW热等离子体煤制乙炔工业中试装置。整套装置在自主、正常开停车的情况下，单次操作实现连续联动运行75小时以上，裂解气流量和乙炔收率达到经济性要求。

    在近10年的产学研合作过程中，课题组攻坚了数项关键工程技术：针对此类极端条件下的气固混合问题，课题组提出了用扁平喷嘴替代常规圆喷嘴的新型设计，并通过多相计算流体力学数值模拟，结合中试现场的冷态实验，不断优化喷嘴的设计方案，大幅提高了反应器效率，使煤转化率从最初的20%提高到40%以上，产品气中乙炔的体积浓度由6.5%最高提高到12%，接近该操作条件下乙炔的热力学平衡浓度。

    据介绍，为准确揭示毫秒级煤粉裂解特性，课题组建立了煤粉颗粒内部传热模型，并耦合了包含煤质分子结构特征的脱挥发分动力学模型，揭示了不同煤种颗粒与超高温热流体毫秒级、大温差接触过程中煤粉内部的温度梯度对脱挥发分的敏感影响。

    随后，课题组将上述颗粒尺度模型全面集成高温湍流气固反应流动，开创性地建立了描述煤粉热解行为的跨尺度反应流动通用模型，理论指导了国际最大规模5MW热等离子体煤制乙炔装置的喷嘴设计和反应器结构优化，促进了工业中试取得突破性成果。

    2009年，由新疆兵团科技局组织专家组鉴定，鉴定意见为该装置是“国际上最大规模的等离子体裂解煤制乙炔工业性试验装置，从原理、经济性和工程应用上具有可行性，拥有自主知识产权，是先进乙炔生产技术，处于国际领先水平”。目前，运行的最好指标与电石法乙炔相比，总能耗可节省30%，原煤消耗节省约50%，同时该过程还副产大量的氢气。

    2014年，中国成达工程有限公司与清华大学和新疆天业合作，对此技术进行了万吨级工业装置的经济评估。评估报告称“按2014年的价格水平，建设规模为年产4万吨乙炔的热等离子体煤裂解项目的年均总投资收益率为17.48%，项目全投资所得税前内部收益率为21.65%，静态投资回收期为5.94年，含建设期2年，吨乙炔实际生产成本为6960元”，该指标低于电石法工艺吨乙炔成本近1000元、低于天然气部分氧化法3000元。与此同时，该课题组2013年获得教育部自然科学奖一等奖以及2014年石化联合会科技进步奖一等奖。