行業(yè)要聞
人物專訪
富煤貧油少氣的資源稟賦特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境約束力增大的矛盾，促使我國(guó)不斷探索煤炭高效清潔利用先進(jìn)技術(shù)，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(shù)路徑普遍存在水資源消耗大、對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響大等弊端，其發(fā)展近幾年始終遭到質(zhì)疑和非議。在這種情況下，業(yè)內(nèi)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(shù)。因?yàn)槔碚撋现v，該技術(shù)路徑不耗水，原料單一，生產(chǎn)過程不會(huì)產(chǎn)生難以處理的廢水、廢氣，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的煤炭綠色清潔轉(zhuǎn)化新路徑。
那么，等離子體煤制乙炔技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外處于什么狀態(tài)？該技術(shù)將會(huì)帶來哪些變化？帶著這個(gè)問題，記者專訪了新疆天業(yè)集團(tuán)研究院副總工程師、等離子體煤制乙炔技術(shù)帶頭人熊新陽先生。
記者：請(qǐng)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(shù)，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(xiàng)前沿技術(shù)。由于煤中的碳?xì)浔扰c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(chǎn)生和排放，工藝流程短，因此，20世紀(jì)以來，先后被多個(gè)國(guó)家確定為重點(diǎn)研發(fā)方向。
英國(guó)是最早開展等離子體煤制乙炔技術(shù)研究的國(guó)家。早在1963年，英國(guó)煤炭利用研究協(xié)會(huì)Bond等人和謝菲爾德大學(xué)Littlewood等研究人員就根據(jù)他們的研究成果，在國(guó)際著名學(xué)術(shù)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(xué)原理和反應(yīng)條件。
20世紀(jì)80年代末，德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、日本、印度、俄羅斯等國(guó)同樣對(duì)等離子體煤制乙炔進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)。1981年，美國(guó)能源部和美國(guó)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(dá)16％，乙炔收率大于35％，每千克乙炔耗電僅9.5千瓦時(shí)。這一成果進(jìn)一步驗(yàn)證了等離子體煤制乙炔技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。但受當(dāng)時(shí)油價(jià)較低、煤化工整體不景氣以及用戶市場(chǎng)不成熟等因素影響，上述技術(shù)路線均未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，最大試驗(yàn)裝置的等離子體僅1兆瓦左右。
中國(guó)等離子體煤制乙炔技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)90年代，先后有復(fù)旦大學(xué)、太原理工大學(xué)、山西煤化所、清華大學(xué)、華東理工大學(xué)、四川大學(xué)等做了不同程度的小試。1995年，山西三維集團(tuán)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(yàn)未能得到進(jìn)一步開展。
記者：新疆天業(yè)為何想到要搞此項(xiàng)研究？
熊新陽：乙炔是重要的有機(jī)化工原料，既可方便地生產(chǎn)乙烯及其衍生物，又可用于裝備制造等廣泛領(lǐng)域。前幾年，雖然曾受國(guó)際油價(jià)持續(xù)上漲推動(dòng)，國(guó)內(nèi)聚氯乙烯市場(chǎng)仍上演了一波持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的大牛市行情。但“十二五”以來，隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)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(guó)大型氯堿骨干企業(yè)，新疆天業(yè)領(lǐng)導(dǎo)清醒意識(shí)到，煤炭清潔高效利用和氯堿行業(yè)清潔生產(chǎn)是企業(yè)、行業(yè)乃至中國(guó)必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)。根據(jù)新疆地區(qū)煤炭、電力資源豐富，水資源短缺這一特點(diǎn)，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(shù)——等離子體制乙炔技術(shù)。
2001年2月至2006年4月，新疆天業(yè)聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、中科院等離子體研究所進(jìn)行等離子體煤制乙炔技術(shù)研發(fā)，并于2005年建成2兆瓦等離子體煤制乙炔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本解決了純氫等離子體炬長(zhǎng)周期運(yùn)行的問題。
2006年4月至2007年8月，新疆天業(yè)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)、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(yīng)器結(jié)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(jìn)煤800千克/小時(shí)、裂解氣流量1100 標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)、乙炔濃度8.5%、電耗13.6千瓦時(shí)/千克乙炔、2兆瓦試驗(yàn)裝置連續(xù)運(yùn)行2小時(shí)的成績(jī)，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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2007年8月至2008年12月，新疆天業(yè)、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)合作設(shè)計(jì)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(yīng)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(gòu)成的5兆瓦等離子體煤制乙炔中試裝置實(shí)現(xiàn)連續(xù)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行10小時(shí)以上，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
2008年12月至2012年12月，新疆天業(yè)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)共同承擔(dān)國(guó)家“863”項(xiàng)目，成功開發(fā)了裂解產(chǎn)物氣固液體高效分離以及系統(tǒng)先進(jìn)控制技術(shù)，并在多種混合段形式和反應(yīng)段類型下，獲得流量2500～3100標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)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(shí)現(xiàn)整套工藝連續(xù)運(yùn)行75小時(shí)。
2013年1月至2015 年12 月，新疆天業(yè)承擔(dān)國(guó)家科技支撐項(xiàng)目，研制2～5兆瓦等離子體裂解煤的等離子體炬核心設(shè)備，取得了大功率等離子體炬大于300小時(shí)，在2兆瓦裂解裝置長(zhǎng)周期運(yùn)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(yīng)器一體化工業(yè)化的兆瓦級(jí)等離子體裂解煤示范裝置。
記者：等離子體煤制乙炔的技術(shù)開發(fā)過程中，最大的難點(diǎn)是什么？是否已經(jīng)攻克？
熊新陽：固體的炭與氫氣在較寬溫度范圍內(nèi)均是穩(wěn)定組分，而乙炔的氣相分解反應(yīng)屬于表觀二級(jí)不可逆反應(yīng)，高溫下反應(yīng)速率極快。尤其當(dāng)體系中含有大量熾熱炭顆粒時(shí)，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(shù)成敗的關(guān)鍵，一是煤粉能否在最短時(shí)間內(nèi)獲得巨大能量并在毫秒范圍內(nèi)發(fā)生裂解；二是煤粉快速裂解所生產(chǎn)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(yīng)器中結(jié)焦；四是能否開發(fā)出長(zhǎng)壽命、耐3400甚至4000開爾文以上高溫和高強(qiáng)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(yīng)器。
經(jīng)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(shí)現(xiàn)了兆瓦級(jí)大功率等離子體炬壽命大于300小時(shí)，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(yīng)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(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，創(chuàng)造了累積運(yùn)行300多小時(shí)的世界記錄，使中國(guó)等離子體煤制乙炔技術(shù)與工業(yè)化水平世界領(lǐng)先。
記者：等離子體煤制乙炔對(duì)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(jù)中試情況，每生產(chǎn)1噸乙炔，原煤和電力消耗分別為3.69噸和12000千瓦時(shí)。
記者：與電石法相比，您認(rèn)為等離子體煤制乙炔優(yōu)、劣勢(shì)如何？若用其生產(chǎn)乙烯，與天然氣制乙烯及煤經(jīng)甲醇制乙烯相比有無優(yōu)勢(shì)？
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(jīng)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(shì)，具體可以通過一個(gè)表格（見下表）來表示。
記者：如此說來，您非常看好等離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(lǐng)域，國(guó)內(nèi)年需求量超過3000萬噸，市場(chǎng)前景廣闊；另一方面，我國(guó)是一個(gè)貧油少氣煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家，煤的高效清潔利用及其多聯(lián)產(chǎn)是各方關(guān)注并亟待解決的問題。等離子體煤制乙炔技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，就可實(shí)現(xiàn)煤一步法生產(chǎn)乙炔繼而生產(chǎn)乙烯等下游化工產(chǎn)品，在大幅降低乙炔及乙烯生產(chǎn)成本的同時(shí)，最大限度地減少污染物排放，同時(shí)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(shù)世界領(lǐng)先，與電石法乙炔和煤經(jīng)甲醇制乙烯相比，又具有諸多優(yōu)勢(shì)，為何沒有盡快工業(yè)化推廣應(yīng)用呢？
熊新陽:雖然我們已經(jīng)攻克了諸多技術(shù)難關(guān)，也通過大量試驗(yàn)證明等離子體煤制乙炔技術(shù)的環(huán)保性、可靠性、可行性，但還需要有一個(gè)準(zhǔn)備過程。目前5兆瓦的等離子體反應(yīng)器尚在試驗(yàn)和完善階段，并不具備工業(yè)化推廣應(yīng)用的條件。若此時(shí)貿(mào)然建設(shè)工業(yè)化裝置，不僅需要大量備用設(shè)備和頻繁檢修，增加項(xiàng)目投資和運(yùn)營(yíng)成本,還會(huì)因整套裝置在富氫環(huán)境下運(yùn)行并頻繁檢修帶來較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，作為負(fù)責(zé)任的科技工作者,我們并不主張企業(yè)現(xiàn)在就建設(shè)等離子體煤制乙炔工業(yè)化項(xiàng)目。
記者：你們下一步的目標(biāo)是什么？
熊新陽：我們近期目標(biāo)是在開發(fā)壽命大于2000小時(shí)的等離子體煤裂解制乙炔裝置的同時(shí)，與有意愿在等離子體裂解煤領(lǐng)域開拓進(jìn)取的單位合作，盡快開發(fā)出10兆瓦級(jí)別的等離子體炬和反應(yīng)器。中遠(yuǎn)期目標(biāo)是開展等離子體共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，充分挖掘等離子體的高效、清潔和綠色特點(diǎn)，進(jìn)行等離子體裂解煤、天然氣制乙炔技術(shù)和氣固相法合成高聚物技術(shù)研發(fā)，建設(shè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的等離子體應(yīng)用科技創(chuàng)新支撐平臺(tái)和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。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(shù)研究，在低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破；二是實(shí)現(xiàn)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(shù)和等離子體處理危險(xiǎn)廢物方面取得重大技術(shù)突破。
記者：一旦等離子體煤制乙炔技術(shù)得到工業(yè)化應(yīng)用，您對(duì)項(xiàng)目布局有何建議？
熊新陽：與電石法制乙炔、煤經(jīng)甲醇制烯烴不同，等離子體煤制乙炔的原料只有煤，對(duì)水資源沒有依賴，只要電力、煤炭供應(yīng)充足、價(jià)格相對(duì)低廉且擁有可靠的乙炔下游用戶，就可建設(shè)不同規(guī)模的工業(yè)化裝置。不過，根據(jù)我們的測(cè)算，等離子體煤制乙炔的生產(chǎn)成本隨電價(jià)增長(zhǎng)曲線的斜率遠(yuǎn)大于隨原煤價(jià)格增長(zhǎng)曲線的斜率，這表明電價(jià)對(duì)生產(chǎn)成本的影響比原煤價(jià)格更大。因此，建議工業(yè)化裝置優(yōu)先考慮建在電力供應(yīng)充足且電價(jià)比較低廉的地區(qū)。如果條件允許，最好同步建設(shè)自備電廠。
記者：等離子體煤制乙炔技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，將對(duì)哪些行業(yè)產(chǎn)生重大影響？
熊新陽：等離子體煤制乙炔技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，將以其顯著的節(jié)能減排、綠色環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益，替代3000萬噸/年電石法制乙炔產(chǎn)能，對(duì)電石行業(yè)產(chǎn)生巨大沖擊。同時(shí)，擴(kuò)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(chǎn)水平。隨著技術(shù)成熟和規(guī)模擴(kuò)大，等離子體煤制乙炔將與煤經(jīng)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(shù)支撐。
記者：謝謝您接受采訪！祝愿您和您的團(tuán)隊(duì)取得更多研究成果！
