1、等离子体一步法煤制乙炔技术研发 进展R&D Progress of Coal Pyrolysis to Acetylene in Thermal Plasmas程 易 / Yi Cheng清华大学化学工程系Department of Chemical Engineering, Tsinghua University煤制乙炔 Coal to acetylene (C2H2)天然气Natural gas煤 （焦炭） 电石Coal CaC2煤Coal90%传统的电石法乙炔工艺 等离子体法乙炔清洁生产技术热等离子体 乙炔 技术 Thermal plasma technique电 -热转化效率高High
2、 efficiency of the transformation of electrical energy into thermal energy超高温环境 （ 103 -104 K）Ultrahigh temperature能量密度高度集中Highly concentrated energy化学反应速率快，小尺寸反应器High rate of chemical reactions, compact reactor适于 氧化、还原、惰性或其混合物 氛围Reduction, oxidation, inert gases and their mixtureV - s haped H2 Pl a
3、s ma G ene rato rMi x i ng of Coal & H2Q uenc h Noz z l eReac ti on ChamberCoal Noz z l eProduc ts Exit 节水、低排放、清洁的煤化工过程 C2H2为主要产物，副产 H2、 CO、 CH4、 C2H4烯和固态产物One-step conversion from Coal to Acetylenein an ultra-high temperature, milliseconds reactorCoal pyrolysis in hydrogen plasmaultrahigh temperatu
4、remilliseconds contacting timeClean coal utilization: high efficiency no direct CO2 emissionmuch less H2O neededH2, CH4, C2H4, CO as by-products Fundamentals serve industrial trials.Lab scale (5 kW) 5 MW pilot plantChallenges & Opportunities! C h a r a n d s o o tPlasmaMixingZoneReactorQ u e n c h m
5、 e d i aQ u e n c h m e d i aC o a lC o a lG a s e o u s p r o d u c tC2H2, C H4, C2H4, C O , H2, e t c .H y d r o g e nH2Quench等离子体煤制乙炔国际研究进展天业 _2MW_20025MW_2007天业 _4*1.5MW2010美国 AVCO_1MW1980s实验发现 _1960s新疆天业集团：等离子体煤制乙炔国际最大规模工业试验平台， 2MW， 5MW， 4*1.5MWHistorical development of arc-coal process* Includ
6、e the coal input for quench* Yield is calculated by weight of product weight of coal input*Specific energy requirementQuench media Water Propane CoalInput power 807 kW 690 kW 478 kWSystem pressure Not specified 17.3 kPa 19.3 kPaFeedstock inputH2 34.5 kg/hr 33.3 kg/hr 33.3 kg /hrCoal 204 kg/hr 220 kg
7、/hr 406 kg/hr *Propane - 88 kg/hr -Yield of product *C2H2 37.6 % 30.0 % 16.2 %C2H4 0.3 % 21.4 % 10.5 %SER * 10.5 kWh/ kg C2H26.1 kWh/ kg C2H2+ C2H44.4 kWh/ kg C2H2+ C2H4Performance of AVCO arc-coal process(Patrick and Gannon, 1985)23 cents/lb C2H2等离子体法乙炔生产技术工业发展原料 急冷介质 生产能耗Huel 天然气 水 11 kWh/kgC2H2Du
8、Pont 石油 水 8 kWh/kgC2H2Westinghouse 烃类混合物 水 9.310 kWh/kgC2H2AVCO 煤 水煤烃类物质10.5 kWh/kgC2H24.4 kWh/kgC2H2+C2H46.1 kWh/kgC2H2+C2H4DuPont, Westinghouse, Huel, AVCO等公司的研发结果1. 煤； 2. 天然气、页岩气、煤层气； 3. 难加氢煤焦油、重油等；4. 植物沥青； 5. 固体废弃物 单一或混合进料原料热等离子体煤制乙炔：从 基础研究 到 工业应用清华大学 /新疆天业：国际最大规模等离子体 煤 制乙炔工业试验装置实验小试煤种依赖裂解规律理论建模
9、反应器模拟工业中试大功率 等离子体炬和反应器大功率等离子体炬和反应器参数名称 指标炬功率 4 5MW工作电流 550 750A工作电压 6000 7500V电热效率 85% 90%启动电压 8000V5MW氢等离子体炬的主要运行参数等离子体炬连续运行时间达200300小时 ，达到世界领先水平反应器 乙炔产率 达到经济可行水平新疆天业2-MW氢等离子体煤制乙炔物流、能流分析裂解尾气烃类循环工艺分析年产 4万吨乙炔生产技术经济评价（仅供参考）1.天然气 部分氧化制乙炔2.电石 法 乙炔3.等离子体 裂解煤制 乙炔（基于天业 2MW中试数据）等离子体乙炔（元 /吨）电石乙炔（元 /吨）天然气乙炔（元
10、 /吨）单位乙炔成本 6960 7946 10338天然气： 2.29元 /立方米煤 ： 220元 /吨电： 0.34元 /度主要评价基准：不同原料 等离子体裂解的优化 计算 （参考）等离子体裂解过程原料的多样性总结 Final remarks等离子体煤制乙炔技术Plasma pyrolysis of coal to C2H2超高温、毫秒级过程ultrahigh temperature, millisecond process节水 /理论上不耗水little consumption of water过程本身无 CO2排放 （成本计算在电能中）no direct CO2 emission fro
11、m the process不依赖于原油价格no competition with oil price广泛的原料适用性，尤其劣质难转化碳氢原料flexibility of feed choice, especially for poor-quality hydrocarbons致谢 / Acknowledgements 国家自然科学基金 (NSFC) 国家科技部 (MOST， 863重点， 973) 新疆天业集团 / Xinjiang Tianye (Group) Co. Ltd. 神华低碳所 / NICE, Shenhua Group 中国石油 / PetroChina 中国成达工程有限公司
12、航天科技集团（空气动力院、系统院）联系人：程易（教授，清华大学）手机： 13801304478邮箱： Coal Pyrolysis to Acetylene (C2H2)in Thermal Plasma Reactor: from fundamental study to industrial demonstrationChen, JQ(Shell)Cao, TF(Tsinghua)Wu, CN(NICE)Shuang, Y(CICCC)Yan, BH(Columbia)Zhang, Li(ENFI)Xu, PCCheng, YanLi, X(NICE)Zhang, HB(BIGC)Li, TY Rehmet, C.An, H
