氢等离子体裂解煤制乙炔的研究进展

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1、万方数据60氢等离子体裂解煤制乙炔的研究进展方世东，孟月东，舒兴胜，丛杰，沈洁，陈龙威(中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031)摘要：论述了氢等离子体裂解煤制乙炔的原理，介绍了国内中试规模的实验装置及相关的工艺操作条件，提出了反应器结焦原因及清焦方法。关键词：氢等离子体；乙炔；煤；裂解中图分类号：TQ530．2文献标识码：A文章编号：1006-6772(2009)05-0060-02乙炔是重要的基础有机化工原料，可以用来生产氯乙烯、丙烯腈等大宗化学品，还可以用于金属加工、焊接和切割。其工业

2、生产方法有电石法、天然气部分氧化法、石油裂解法⋯。由于电石制乙炔要消耗大量电能，并且存在大量同体废弃物，严重污染环境，1994年发达国家基本已关闭电石法生产装置。中国天然气资源相对缺乏，天然气主要集中在中西部地区，限制了国内天然气部分氧化法的发展，仅中石化四川维尼龙厂天然气部分氧化法制乙炔的规模较大，为年产6万t乙炔的规模。中国已成为石油进口大国，2008年进门原油1．78亿t。而世界石油价格受国际政治、经济形势影响波动很大，严重威胁着国家的能源安全。目前原油价格在60美形桶，2008年最高已达140

3、美形桶，这对石油裂解法生产乙炔的产业发展极为不利。由于煤与乙炔的氢碳比值很接近，故寻求清洁、高效以煤为原料直接生产乙炔的新工艺成为新的研究热点。氢等离子体具有高温、高焓等优点，温度可高达20000K，且具有升温速率快、导热性高、温度梯度大的特性。在高温条件下，氢分子可电离成原子、离子或激发态，这些活性基团有利于化学反应。在氢等离子体边缘，其冷却速度可达106～107K／s，由于冷却速度高，有利于产物的保存，氢等离子体已在工业上得到广泛的应用。例如氢等离子体裂解煤制乙炔的研究已取得了一些进展，中国、美国

4、、德国都建有兆瓦级的反应器【2。4J。笔者将对在中国科学院等离子体物理研究所建成的兆瓦级等离子体裂解煤制乙炔的装置做介绍。1原理在通常的温度条件下，乙炔与其他碳氢化合物和固态碳相比，在热力学上是不稳定的，但乙炔的生成自由能随着温度E升而下降，这与大多数碳氢化合物牛成自由能随着温度上升而上升的趋势相反。在温度1800K以上，乙炔相对于其他碳氢化合物而言较容易形成。但与固态碳相比，在热力学还是不稳定的。为厂将生成的乙炔稳定收集，对乙炔采取快速淬冷的方式，减少其分解。煤粉在高温下被快速地加热气化，气化程度及

5、气化产物依赖于升温速率与给定条件下的最终反应温度。尤其是在温度超过1800K以上，升温速率达106～107K／s的条件下，快速加热煤粉，乙炔是主要产物。通过电弧放电或等离子体炬，上述高温条件很容易获得，如德国的hoel公司和美国的Du-Pont公司分别用气态碳氢化合物和液态碳氢化合物来生产乙炔"曲1。2项目进展及状况2002年以来，中国科学院等离子体物理研究所、浙江巨化集团、新疆天业集团、复旦大学联合开展了氢等离子体裂解煤制乙炔的中试实验研究，部分设备从俄罗斯科学院西伯利亚分院引进。设计收稿日期：20

6、09—06—16作者简介：方世东(1975一)，男，安徽怀宁人，助理研究员，研究方向为等离子体煤化工。<洁净煤技术)2009年第15卷第5期万方数据建造了年产乙炔1600t的中试实验装置，其装置的等离子体炬输出功率为2MW。2003～2004年在中国科学院等离子体物理研究所内完成了实验室建设，2005年开始开展中试实验研究。氢等离子体裂解煤制乙炔的装置可分成如下系统，氢气和氮气等气体的供气系统，等离子体炬的水冷及生成气的淬冷供水系统，煤粉输送系统，4MW瓦直流电源系统，实验控制运行系统，气一液一固分离

7、系统，2MWV型等离子体炬及反应器系统。其中最重要的是等离子体炬及反应器系统，将对其做简单的介绍。装置如图1所示。v一刑分离图1等离子体裂解煤制乙炔的装置示意V型等离子体炬的阴极和阳极是由发射电子能力强的钨一无氧铜制成，其电极包含有水冷冷却系统。实验时，在高频引弧发生器的作用下，工作气体氩气和氮气在阴阳两电极之间被击穿形成电弧，然后工作气体氮气逐渐减少直至停止，同时工作气体氢气逐渐增加直至装置稳定运行，氢气通过电弧柱后被加热形成高温的等离子体射流。实验中所使用的原煤被粉碎成粒径为0．15—0．074m

8、m的煤粉，用氮气将煤粉送人混合段，在混合段内煤粉与高温的等离子体射流进行有效混合。煤中的挥发份物质与氢等离子体发生复杂的化学反应，生成乙炔、一氧化碳等化合物。反应主要在石墨反应器中进行，石墨反应器内径均为100mm，长度为300mm。在反应段下游出口处用淬冷水对气体产物进行快速冷却，将有效的防止生成的乙炔分解。气体产物经气一液一固分离系统后，采样进行分析，检测其中的乙炔浓度，尾气经火炬系统燃烧后排空。V型等离子体炬典型操作条件为：炬输出功率为1．2—2．