探寻煤基乙炔清洁生产之路

   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。
   目前，我国90%以上的乙炔通过电石法获得。传统电石法工艺依赖于煤炭和石灰石资源，是一个高耗能、高污染的过程。热等离子体煤裂解一步法制乙炔是一项清洁高效的煤基乙炔生产技术，同时区别于众多的煤转化利用途径，成为不耗水的独特煤转化技术。
   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，程易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。
   程易说，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。
   程易介绍，课题组自主研发了实验室热等离子体反应器系统，揭示了若干典型煤种以及煤焦油/沥青质/气、液态烃等毫秒级热化学转化规律，比较了超高温条件下煤的慢速、快速和极速升温过程不同的热解行为，建立了原料优选的实验科学基础和原则。
   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，该课题组的科研工作也获得了认可和丰收，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；在2013年国际流态化专业会议上，该课题组也受邀作了大会报告。