新型煤化工三人談 之中國工程院院士金涌訪談
近年來國內(nèi)風(fēng)頭正勁的煤化工產(chǎn)業(yè)眼下正處于發(fā)展的一個調(diào)整期：既要應(yīng)對全球金融危機(jī)的打擊，也要應(yīng)對產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展瓶頸的考驗(yàn)。調(diào)整得好，國內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)可以擺脫高能耗、低效率的桎梏，出現(xiàn)一個新的飛躍并對整個經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生積極影響。為此，我們特邀到３位權(quán)威專家暢談新型煤化工產(chǎn)業(yè)，以幫助煤化工企業(yè)明確今后的發(fā)展思路。
素有“有機(jī)化工之母”美稱的乙炔，是目前世界上有機(jī)化工產(chǎn)品最基礎(chǔ)的原料之一。1970年以后，由于石油化工的飛速發(fā)展，乙炔作為有機(jī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料逐漸被廉價的乙烯、丙烯所取代。但近年來，隨著石腦油裂解制乙烯成本的增加和石油資源的缺乏，乙烯作為基礎(chǔ)原料的加工路線面臨巨大的挑戰(zhàn)，乙炔化工重新煥發(fā)活力。
在煤化工下游產(chǎn)品中，業(yè)內(nèi)關(guān)注較多的是煤制甲醇和由甲醇往下延伸的二甲醚、乙烯、丙烯，以及煤制油。中國工程院院士、清華大學(xué)化學(xué)工程系教授金涌則認(rèn)為，煤制乙炔一步反應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)，是煤化工的捷徑之一，應(yīng)該受到關(guān)注。就此觀點(diǎn)，記者近日對金涌院士進(jìn)行了專訪。
中試技術(shù)已通過鑒定
記者：在煤化工中，大家比較關(guān)注甲醇及其下游產(chǎn)品，您為什么對煤制乙炔另眼相看？
金涌：前一段時間，大家比較看重的是煤制乙烯、丙烯，但是這個路線很長。首先煤氣化，然后合成甲醇，再繼續(xù)往前走，起碼要三四步化學(xué)反應(yīng)，并且還要進(jìn)行分離。而煤制乙炔一步反應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)，路線更直接，裝置更小，并且乙炔的活性不比乙烯小。我認(rèn)為煤制乙炔是煤化工中的一條捷徑。
記者：乙炔通常采用電石法生產(chǎn)，煤制乙炔是如何實(shí)現(xiàn)呢？
金涌：目前乙炔主要用石灰石和焦炭以電石法生產(chǎn)，但該方法存在很多問題：一是電能耗比較大。因?yàn)橐咽沂徒固吭陔姞t里熔化成熔融態(tài)，形成碳化鈣，然后再跟水反應(yīng)生成乙炔。石灰石中的鈣元素并不進(jìn)入產(chǎn)品，但在生產(chǎn)乙炔的過程中需要把它熔融，電能耗大；二是產(chǎn)生電石渣這樣的廢渣，同時還有廢水、廢氣。如果要解決以上問題，就應(yīng)該考慮不需要石灰石介入，不經(jīng)過電石，用煤直接生產(chǎn)乙炔。
當(dāng)然如果直接用煤粉加氫生產(chǎn)乙炔，就需要煤粉有很高的活性。因此考慮采用等離子體技術(shù)，即利用等離子體炬產(chǎn)生平均溫度達(dá)5000℃的氫等離子體，然后向其中噴入煤粉，直接生成乙炔、氫氣、一氧化碳等混合氣，再分離、提濃混合氣體后，可得到高質(zhì)量的乙炔。上世紀(jì)90年代我國曾經(jīng)嘗試過從俄羅斯引進(jìn)該技術(shù)，但合作沒有成功就擱淺了。
后來清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和新疆天業(yè)集團(tuán)合作開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的等離子體裂解煤制乙炔技術(shù)，2006年建成了一個最大炬功率2兆瓦的等離子體裂解煤制乙炔實(shí)驗(yàn)裝置，可年產(chǎn)乙炔1600噸。該裝置基本成功之后，近年來又建成了一個最大炬功率5兆瓦的等離子體裂解煤制乙炔裝置，可年產(chǎn)乙炔4000噸。
當(dāng)然，這個裝置在研制過程中也遇到過問題，主要就是反應(yīng)爐容易堵塞。因?yàn)橛袦囟炔▌樱豪锩娴拿喉肥瘯廴陴そY(jié)。該問題造成的主要矛盾就是開車時間比較短，反應(yīng)爐在很短的時間內(nèi)就堵死了。這個問題在進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)之后，現(xiàn)在已經(jīng)完全解決了。功率5兆瓦的裝置可以做到開車想開就開，想停就停。這套核心設(shè)備3月份已經(jīng)在新疆天業(yè)集團(tuán)通過了新疆建設(shè)兵團(tuán)主持的鑒定。
理論上效益是可觀的
記者：那么等離子體煤制乙炔可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化了嗎？
金涌：雖然等離子體煤制乙炔這個技術(shù)開發(fā)出來了，但這個裝置目前主要還是做實(shí)驗(yàn)用的。前面與之相配套的制煤系統(tǒng)、后面的分離處理裝置都尚未配套完善，所以這套裝置前面的煤粉系統(tǒng)需要擴(kuò)建，后面的分離等后處理裝置要跟上，使得等離子體煤制乙炔形成穩(wěn)定的生產(chǎn)，并且送到后面的氯乙烯等大系統(tǒng)里面去，這樣就可以連續(xù)開車了。
總的來說，現(xiàn)在核心技術(shù)已經(jīng)研究出來了，就是要把前面后面的輔助系統(tǒng)都完善起來，并且納入到大系統(tǒng)中去進(jìn)行穩(wěn)定連續(xù)地生產(chǎn)，變成產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)。
記者：請您分析一下采用等離子體煤制乙炔技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。
金涌：從原理上講，等離子體煤制乙炔技術(shù)擺脫了石灰石的介入，不用熔融石灰石，按計(jì)算結(jié)果來看，可以降低能耗30%～35%。由于這個技術(shù)的成本主要就在耗電上，所以它比電石法降低能耗30%～35%，也等同于理論上降低成本30％～35％。這樣乙炔就不再是高耗能的工業(yè)了。盡管還不是非常省能的，但起碼不是高耗能的，是可以接受的技術(shù)。同時該技術(shù)不產(chǎn)生廢渣、廢水和廢氣，是一項(xiàng)清潔技術(shù)。
就實(shí)際情況來講，因?yàn)楝F(xiàn)在這個系統(tǒng)還沒有與后面的大系統(tǒng)并網(wǎng)，還沒有進(jìn)行余熱利用，所以還不能具體核算效益。總的來講，我認(rèn)為等離子體煤制乙炔在技術(shù)上是可行的，理論經(jīng)濟(jì)效益是可觀的，具體經(jīng)濟(jì)效益還要做核算，等并網(wǎng)真正運(yùn)作一年下來，就能核算出究竟節(jié)能多少的結(jié)果。
記者：乙炔的市場空間如何？
金涌：目前電石法乙炔的衍生物主要有聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、環(huán)氧乙烷、醋酸乙烯等。其中聚氯乙烯是電石法乙炔最大的用戶，其消費(fèi)量占電石法乙炔總消費(fèi)量的70%左右。截至2008年底，我國聚氯乙烯總產(chǎn)能的75%采用電石法。2008年聚氯乙烯產(chǎn)能為1581萬噸，同比增長9%。乙炔大有用武之地。
魔鬼可以變成天使
記者：乙炔下游最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是做聚氯乙烯，可是電石法聚氯乙烯一直是被視為落后工藝的。
金涌：沒錯，近年來，大家認(rèn)為用煤制聚氯乙烯是一定要淘汰的技術(shù)，視之為一個魔鬼。因?yàn)橐皇谴罅亢哪埽欢怯小叭龔U”產(chǎn)生；三是由乙炔反應(yīng)生成氯乙烯的催化劑含有汞；四是產(chǎn)業(yè)規(guī)模很小，一臺氯乙烯反應(yīng)爐的產(chǎn)能只有5000～7000噸。在電石法聚氯乙烯的工廠，可以看到一個個的“圓包”，那就是反應(yīng)器。一個工廠有三五十臺這樣的小反應(yīng)器是很常見。假如每臺反應(yīng)器產(chǎn)能5000噸，要生產(chǎn)１００萬噸聚氯乙烯，就需要200臺這樣的反應(yīng)器。這得需要多少儀表和人員來控制它？這就是導(dǎo)致電石法聚氯乙烯無法規(guī)模化大生產(chǎn)的主要原因。因此業(yè)內(nèi)以前認(rèn)為電石法聚氯乙烯應(yīng)該被乙烯法聚氯乙烯替代。
但是由于我國石油資源稀缺，沒有足夠多的乙烯用來生產(chǎn)聚氯乙烯，所以盡管大家認(rèn)為電石法是魔鬼，但還是要跟它打交道、使用它。目前中國一半以上的聚氯乙烯是電石乙炔法做的。
值得一提的是，為徹底將以煤為原料生產(chǎn)聚氯乙烯的工藝從魔鬼變?yōu)樘焓梗瞬捎玫入x子體裂解煤制乙炔技術(shù)外，還應(yīng)配套一個流化床氯乙烯反應(yīng)器。因?yàn)楝F(xiàn)在的電石法氯乙烯合成爐是固定床反應(yīng)爐，產(chǎn)能規(guī)模很小，只有5000～7000噸，并且使用含汞催化劑。如果用流化床反應(yīng)器來代替固定床反應(yīng)器，不僅可以擴(kuò)大產(chǎn)能規(guī)模，而且可以減少甚至完全不采用含汞催化劑。因?yàn)樵瓉淼墓潭ù苍诓僮髦芷谥蟹磻?yīng)溫度熱點(diǎn)不斷上移，反應(yīng)過程中導(dǎo)致汞升華損失，所以產(chǎn)生汞污染。而流化床是等溫床，汞的升華損失會大大減少，汞污染可以大幅降低。
由于流化床的催化劑可以連續(xù)再生，所以對開發(fā)新型的催化劑沒有壽命要求。這就使得選擇催化劑的范圍擴(kuò)大，為開發(fā)無汞催化劑打下了很好的基礎(chǔ)。如果采用等離子體煤制乙炔代替電石法乙炔，用流化床氯乙烯反應(yīng)器代替原來的固定床氯乙烯反應(yīng)器，就可以把以煤為原料生產(chǎn)聚氯乙烯整個工藝的污染問題、能耗問題、汞催化劑問題、大規(guī)模化生產(chǎn)問題全部解決，從源頭上解決目前電石法聚氯乙烯存在的這4個問題。
記者：那么目前氯乙烯流化床反應(yīng)器的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展又如何？
金涌：現(xiàn)在新疆天業(yè)集團(tuán)已經(jīng)建成了4臺流化床氯乙烯反應(yīng)器，單臺年產(chǎn)能10萬噸，目前正在使用，效果良好。這項(xiàng)氯乙烯合成流化床反應(yīng)器技術(shù)過關(guān)后，與前面的等離子體煤制乙炔配套，就可以把電石法聚氯乙烯的全系統(tǒng)進(jìn)行改造了。前面用等離子體技術(shù)完成煤制乙炔，后面用流化床反應(yīng)器合成氯乙烯，可以實(shí)現(xiàn)聚氯乙烯的規(guī)模化大生產(chǎn)。我們希望單臺流化床反應(yīng)器產(chǎn)能達(dá)到25萬噸，這樣只要4臺反應(yīng)器就能達(dá)到１００萬噸聚氯乙烯生產(chǎn)規(guī)模。
記者：5兆瓦的等離子體煤制乙炔現(xiàn)在可以做到年產(chǎn)能4000噸，有進(jìn)一步放大的打算嗎？ 您覺得這個放大工作困難嗎？
金涌：我覺得放大工作在技術(shù)上比以前的工作要容易，而且放大后在技術(shù)上變得更穩(wěn)定，更容易實(shí)現(xiàn)。5兆瓦的裝置是目前國際領(lǐng)先的，也是國際上最大的裝置。我國的這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展，我們還想進(jìn)一步做大，下一步就瞄準(zhǔn)了擴(kuò)大到15兆瓦以上。這樣單臺等離子體乙炔爐就能達(dá)到2萬噸左右產(chǎn)能。建造15兆瓦等離子體煤制乙炔爐的想法正在做冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，在做小試實(shí)驗(yàn)。
過去大家認(rèn)為煤法聚氯乙烯是存在問題的，是個魔鬼，不能大型化，但是因?yàn)橛薪?jīng)濟(jì)效益，所以也得擁抱這個魔鬼。等離子體法乙炔可以代替電石法乙炔，流化床為汞觸媒問題的解決提供了可能，聚氯乙烯這個非常大的領(lǐng)域就會有徹底的改變。當(dāng)然這還需要時間。不少企業(yè)家和研究人員看好這個徹底的變革，正在努力實(shí)踐，希望在兩三年內(nèi)把等離子體煤制乙炔最終制成聚氯乙烯這個“天使”真正塑造成功。這是一個美好的未來。當(dāng)然現(xiàn)在離真正大型產(chǎn)業(yè)化還有距離。
記者：還需要哪些方面的努力？
金涌：研究方面需要學(xué)者的配合。另外需要找到有投資條件和相關(guān)煤資源的合作企業(yè)。這項(xiàng)技術(shù)需要的是比較年輕的煤種，就是揮發(fā)分比較多的煤種。總的講就是要把資源、資金和技術(shù)結(jié)合起來，把煤制乙炔直至聚氯乙烯的清潔生產(chǎn)徹底實(shí)現(xiàn)。
金涌簡介
金涌，清華大學(xué)化學(xué)工程系教授，化工科學(xué)與技術(shù)研究院院長，中國工程院院士。1935年生于北京，滿族。1959年畢業(yè)于前蘇聯(lián)烏拉爾工業(yè)大學(xué)，同年入天津大學(xué)化工系研究進(jìn)修班學(xué)習(xí)。1997年當(dāng)選中國工程院院士。現(xiàn)任中國化工學(xué)會和中國顆粒學(xué)會常務(wù)理事，中國生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)會副理事長，工業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)專業(yè)委員會主任，國務(wù)院學(xué)位委員會化工學(xué)科評議組召集人，北京市人民政府專業(yè)顧問（第3屆至第6屆）。長期從事化學(xué)工程研究與技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)工作。
