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人物专访
富煤贫油少气的资源禀赋特点以及经济发展与环境约束力增大的矛盾，促使我国不断探索煤炭高效清洁利用先进技术，并在包括煤制油、煤制烯烃、煤制芳烃、煤制乙二醇等方面取得巨大成就。但由于上述技术路径普遍存在水资源消耗大、对当地生态环境影响大等弊端，其发展近几年始终遭到质疑和非议。在这种情况下，业内再次把煤炭清洁高效利用的目光投向等离子体煤制乙炔技术。因为理论上讲，该技术路径不耗水，原料单一，生产过程不会产生难以处理的废水、废气，是国内外公认的煤炭绿色清洁转化新路径。
那么，等离子体煤制乙炔技术目前在国内外处于什么状态？该技术将会带来哪些变化？带着这个问题，记者专访了新疆天业集团研究院副总工程师、等离子体煤制乙炔技术带头人熊新阳先生。
记者：请您介绍一下全球等离子体煤制乙炔的基本情况。
熊新阳：等离子体煤制乙炔全称是等离子体煤裂解制乙炔技术，即利用等离子体的高温（4000开尔文）、高焓条件，先将煤中挥发分（甚至固定碳）裂解为炭原子和氢原子，再很快合成乙炔的一项前沿技术。由于煤中的碳氢比与乙炔接近、易于生成乙炔，且等离子体煤制乙炔不消耗水，无废水废气产生和排放，工艺流程短，因此，20世纪以来，先后被多个国家确定为重点研发方向。
英国是最早开展等离子体煤制乙炔技术研究的国家。早在1963年，英国煤炭利用研究协会Bond等人和谢菲尔德大学Littlewood等研究人员就根据他们的研究成果，在国际著名学术期刊《自然》杂志上发表文章，阐述煤等离子体制乙炔过程的科学原理和反应条件。
20世纪80年代末，德国、法国、美国、日本、印度、俄罗斯等国同样对等离子体煤制乙炔进行了重点攻关。1981年，美国能源部和美国AVCO公司在马萨诸塞州取得等离子体煤制乙炔中试成功，所得裂解气中乙炔浓度达16％，乙炔收率大于35％，每千克乙炔耗电仅9.5千瓦时。这一成果进一步验证了等离子体煤制乙炔技术的可行性和经济性。但受当时油价较低、煤化工整体不景气以及用户市场不成熟等因素影响，上述技术路线均未实现工业化，最大试验装置的等离子体仅1兆瓦左右。
中国等离子体煤制乙炔技术的研发始于20世纪90年代，先后有复旦大学、太原理工大学、山西煤化所、清华大学、华东理工大学、四川大学等做了不同程度的小试。1995年，山西三维集团与俄罗斯专家合作开发了0.75兆瓦等离子体煤制乙炔中试装置，得到乙炔含量7.24％的裂解气，但试验未能得到进一步开展。
记者：新疆天业为何想到要搞此项研究？
熊新阳：乙炔是重要的有机化工原料，既可方便地生产乙烯及其衍生物，又可用于装备制造等广泛领域。前几年，虽然曾受国际油价持续上涨推动，国内聚氯乙烯市场仍上演了一波持续时间较长的大牛市行情。但“十二五”以来，随着环保法规的日益严格，电石法聚氯乙烯高能耗、高排放、高污染等弊端日益凸显，行业可持续发展面临重大挑战。作为全国大型氯碱骨干企业，新疆天业领导清醒意识到，煤炭清洁高效利用和氯碱行业清洁生产是企业、行业乃至中国必须面对的现实。根据新疆地区煤炭、电力资源丰富，水资源短缺这一特点，企业决定开发不依赖水资源的煤炭清洁高效利用技术——等离子体制乙炔技术。
2001年2月至2006年4月，新疆天业联合复旦大学、俄罗斯科学院、中科院等离子体研究所进行等离子体煤制乙炔技术研发，并于2005年建成2兆瓦等离子体煤制乙炔实验平台，基本解决了纯氢等离子体炬长周期运行的问题。
2006年4月至2007年8月，新疆天业、复旦大学、清华大学、中科院等离子体研究所通过深入研究，解决了等离子体反应器结焦以及煤粉与氢等离子体高效混合等难题，确定了适宜乙炔生成的裂解温度、不同炬功率下煤粉的加入量，以及煤粉稳定输送等配套工艺条件，取得了在等离子体炬输送功率1.7兆瓦、进煤800千克/小时、裂解气流量1100 标准立方米/小时、乙炔浓度8.5%、电耗13.6千瓦时/千克乙炔、2兆瓦试验装置连续运行2小时的成绩，并研制成功2.5兆瓦直线炬，为5兆瓦大功率炬开发奠定了坚实基础。
2007年8月至2008年12月，新疆天业、复旦大学、清华大学合作设计开发的由等离子体发生系统、煤粉输送系统、煤裂解反应系统、裂解气氢气变压吸附分离系统、DCS控制系统等单元构成的5兆瓦等离子体煤制乙炔中试装置实现连续联动运行10小时以上，各项指标达到设计要求。
2008年12月至2012年12月，新疆天业、浙江大学、清华大学共同承担国家“863”项目，成功开发了裂解产物气固液体高效分离以及系统先进控制技术，并在多种混合段形式和反应段类型下，获得流量2500～3100标准立方米/小时和乙炔浓度6%～8.5%的裂解气。
2010年11月20日，5兆瓦等离子体煤制乙炔工业化中试装置打通全流程，并在等离子体炬功率4.5兆瓦以上实现整套工艺连续运行75小时。
2013年1月至2015 年12 月，新疆天业承担国家科技支撑项目，研制2～5兆瓦等离子体裂解煤的等离子体炬核心设备，取得了大功率等离子体炬大于300小时，在2兆瓦裂解装置长周期运行上获得乙炔浓度大于9.5%的重大突破，并建成一条满足工业需求的等离子体炬和反应器一体化工业化的兆瓦级等离子体裂解煤示范装置。
记者：等离子体煤制乙炔的技术开发过程中，最大的难点是什么？是否已经攻克？
熊新阳：固体的炭与氢气在较宽温度范围内均是稳定组分，而乙炔的气相分解反应属于表观二级不可逆反应，高温下反应速率极快。尤其当体系中含有大量炽热炭颗粒时，乙炔在炽热炭表面极易发生分解，生成炭黑和氢气。因此，等离子体煤制乙炔技术成败的关键，一是煤粉能否在最短时间内获得巨大能量并在毫秒范围内发生裂解；二是煤粉快速裂解所生产的含有乙炔的裂解气能否通过合适的方式迅速降温，以防止生成的乙炔分解为氢原子和碳原子；三是如何防止高温煤粉在反应器中结焦；四是能否开发出长寿命、耐3400甚至4000开尔文以上高温和高强度等离子体射流冲击的等离子体炬（工作条件为1万伏电压、800安培电流、3400～4000开尔文高温）和反应器。
经过几十年的不懈努力，目前上述问题基本得到解决。我们不仅成功研制了2兆瓦、5兆瓦等离子体炬，实现了兆瓦级大功率等离子体炬寿命大于300小时，而且成功研制了裂解气乙炔浓度大于9.5%的高效等离子体裂解煤反应器，建成了世界最大规模的等离子体裂解煤示范装置，所用装备与控制系统全部实现了国产化，创造了累积运行300多小时的世界记录，使中国等离子体煤制乙炔技术与工业化水平世界领先。
记者：等离子体煤制乙炔对原料煤有何要求？需要催化剂吗？物料消耗如何？
熊新阳：等离子体煤制乙炔不需要催化剂，但要求煤的挥发分大于30%、灰分及氧含量均低于15%、煤粉平均粒径小于50微米。根据中试情况，每生产1吨乙炔，原煤和电力消耗分别为3.69吨和12000千瓦时。
记者：与电石法相比，您认为等离子体煤制乙炔优、劣势如何？若用其生产乙烯，与天然气制乙烯及煤经甲醇制乙烯相比有无优势？
熊新阳：等离子体煤制乙炔工艺流程短，可一步生成乙炔。因此，其与电石法乙炔及煤经甲醇制乙烯相比，原材料消耗、能源利用效率、污染物排放等方面均具有明显优势，具体可以通过一个表格（见下表）来表示。
记者：如此说来，您非常看好等离子体煤制乙炔的前景？
熊新阳：的确如此。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、装备制造（乙炔切割焊）等众多领域，国内年需求量超过3000万吨，市场前景广阔；另一方面，我国是一个贫油少气煤炭资源相对丰富的国家，煤的高效清洁利用及其多联产是各方关注并亟待解决的问题。等离子体煤制乙炔技术一旦实现工业化应用，就可实现煤一步法生产乙炔继而生产乙烯等下游化工产品，在大幅降低乙炔及乙烯生产成本的同时，最大限度地减少污染物排放，同时开创了一条煤炭高效清洁利用新路径。
记者：既然你们的等离子体煤制乙炔技术世界领先，与电石法乙炔和煤经甲醇制乙烯相比，又具有诸多优势，为何没有尽快工业化推广应用呢？
熊新阳:虽然我们已经攻克了诸多技术难关，也通过大量试验证明等离子体煤制乙炔技术的环保性、可靠性、可行性，但还需要有一个准备过程。目前5兆瓦的等离子体反应器尚在试验和完善阶段，并不具备工业化推广应用的条件。若此时贸然建设工业化装置，不仅需要大量备用设备和频繁检修，增加项目投资和运营成本,还会因整套装置在富氢环境下运行并频繁检修带来较大的安全风险。因此，作为负责任的科技工作者,我们并不主张企业现在就建设等离子体煤制乙炔工业化项目。
记者：你们下一步的目标是什么？
熊新阳：我们近期目标是在开发寿命大于2000小时的等离子体煤裂解制乙炔装置的同时，与有意愿在等离子体裂解煤领域开拓进取的单位合作，尽快开发出10兆瓦级别的等离子体炬和反应器。中远期目标是开展等离子体共性关键技术研发创新，充分挖掘等离子体的高效、清洁和绿色特点，进行等离子体裂解煤、天然气制乙炔技术和气固相法合成高聚物技术研发，建设国内领先、国际一流的等离子体应用科技创新支撑平台和创新团队。具体而言要在以下3方面取得重大突破：一是加大低温等离子体发生技术研究，在低温等离子体技术应用研究领域实现重大突破；二是实现等离子体裂解天然气方面取得重大突破；三是在等离子体焚烧技术和等离子体处理危险废物方面取得重大技术突破。
记者：一旦等离子体煤制乙炔技术得到工业化应用，您对项目布局有何建议？
熊新阳：与电石法制乙炔、煤经甲醇制烯烃不同，等离子体煤制乙炔的原料只有煤，对水资源没有依赖，只要电力、煤炭供应充足、价格相对低廉且拥有可靠的乙炔下游用户，就可建设不同规模的工业化装置。不过，根据我们的测算，等离子体煤制乙炔的生产成本随电价增长曲线的斜率远大于随原煤价格增长曲线的斜率，这表明电价对生产成本的影响比原煤价格更大。因此，建议工业化装置优先考虑建在电力供应充足且电价比较低廉的地区。如果条件允许，最好同步建设自备电厂。
记者：等离子体煤制乙炔技术一旦实现工业化应用，将对哪些行业产生重大影响？
熊新阳：等离子体煤制乙炔技术一旦实现大规模工业化应用，将以其显著的节能减排、绿色环保与经济效益，替代3000万吨/年电石法制乙炔产能，对电石行业产生巨大冲击。同时，扩大了氯碱企业的原料选择范围，丰富其工艺路径，并显著提升其清洁生产水平。随着技术成熟和规模扩大，等离子体煤制乙炔将与煤经甲醇制烯烃、天然气制乙烯、石油制乙烯工艺一道，成为乙烯工业发展的重要技术支撑。
记者：谢谢您接受采访！祝愿您和您的团队取得更多研究成果！
