新型煤化工三人谈 之中国工程院院士金涌访谈
近年来国内风头正劲的煤化工产业眼下正处于发展的一个调整期:既要应对全球金融危机的打击,也要应对产业自身发展瓶颈的考验。调整得好,国内煤化工产业可以摆脱高能耗、低效率的桎梏,出现一个新的飞跃并对整个经济产生积极影响。为此,我们特邀到3位权威专家畅谈新型煤化工产业,以帮助煤化工企业明确今后的发展思路。
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。1970年以后,由于石油化工的飞速发展,乙炔作为有机产品的基础原料逐渐被廉价的乙烯、丙烯所取代。但近年来,随着石脑油裂解制乙烯成本的增加和石油资源的缺乏,乙烯作为基础原料的加工路线面临巨大的挑战,乙炔化工重新焕发活力。
在煤化工下游产品中,业内关注较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。中国工程院院士、清华大学化学工程系教授金涌则认为,煤制乙炔一步反应就可以实现,是煤化工的捷径之一,应该受到关注。就此观点,记者近日对金涌院士进行了专访。
中试技术已通过鉴定
记者:在煤化工中,大家比较关注甲醇及其下游产品,您为什么对煤制乙炔另眼相看?
金涌:前一段时间,大家比较看重的是煤制乙烯、丙烯,但是这个路线很长。首先煤气化,然后合成甲醇,再继续往前走,起码要三四步化学反应,并且还要进行分离。而煤制乙炔一步反应就可以实现,路线更直接,装置更小,并且乙炔的活性不比乙烯小。我认为煤制乙炔是煤化工中的一条捷径。
记者:乙炔通常采用电石法生产,煤制乙炔是如何实现呢?
金涌:目前乙炔主要用石灰石和焦炭以电石法生产,但该方法存在很多问题:一是电能耗比较大。因为要把石灰石和焦炭在电炉里熔化成熔融态,形成碳化钙,然后再跟水反应生成乙炔。石灰石中的钙元素并不进入产品,但在生产乙炔的过程中需要把它熔融,电能耗大;二是产生电石渣这样的废渣,同时还有废水、废气。如果要解决以上问题,就应该考虑不需要石灰石介入,不经过电石,用煤直接生产乙炔。
当然如果直接用煤粉加氢生产乙炔,就需要煤粉有很高的活性。因此考虑采用等离子体技术,即利用等离子体炬产生平均温度达5000℃的氢等离子体,然后向其中喷入煤粉,直接生成乙炔、氢气、一氧化碳等混合气,再分离、提浓混合气体后,可得到高质量的乙炔。上世纪90年代我国曾经尝试过从俄罗斯引进该技术,但合作没有成功就搁浅了。
后来清华大学、复旦大学和新疆天业集团合作开发了自主知识产权的等离子体裂解煤制乙炔技术,2006年建成了一个最大炬功率2兆瓦的等离子体裂解煤制乙炔实验装置,可年产乙炔1600吨。该装置基本成功之后,近年来又建成了一个最大炬功率5兆瓦的等离子体裂解煤制乙炔装置,可年产乙炔4000吨。
当然,这个装置在研制过程中也遇到过问题,主要就是反应炉容易堵塞。因为有温度波动,煤里面的煤矸石会熔融黏结。该问题造成的主要矛盾就是开车时间比较短,反应炉在很短的时间内就堵死了。这个问题在进行了技术攻关之后,现在已经完全解决了。功率5兆瓦的装置可以做到开车想开就开,想停就停。这套核心设备3月份已经在新疆天业集团通过了新疆建设兵团主持的鉴定。
理论上效益是可观的
记者:那么等离子体煤制乙炔可以实现产业化了吗?
金涌:虽然等离子体煤制乙炔这个技术开发出来了,但这个装置目前主要还是做实验用的。前面与之相配套的制煤系统、后面的分离处理装置都尚未配套完善,所以这套装置前面的煤粉系统需要扩建,后面的分离等后处理装置要跟上,使得等离子体煤制乙炔形成稳定的生产,并且送到后面的氯乙烯等大系统里面去,这样就可以连续开车了。
总的来说,现在核心技术已经研究出来了,就是要把前面后面的辅助系统都完善起来,并且纳入到大系统中去进行稳定连续地生产,变成产业化的技术。
记者:请您分析一下采用等离子体煤制乙炔技术的经济效益。
金涌:从原理上讲,等离子体煤制乙炔技术摆脱了石灰石的介入,不用熔融石灰石,按计算结果来看,可以降低能耗30%~35%。由于这个技术的成本主要就在耗电上,所以它比电石法降低能耗30%~35%,也等同于理论上降低成本30%~35%。这样乙炔就不再是高耗能的工业了。尽管还不是非常省能的,但起码不是高耗能的,是可以接受的技术。同时该技术不产生废渣、废水和废气,是一项清洁技术。
就实际情况来讲,因为现在这个系统还没有与后面的大系统并网,还没有进行余热利用,所以还不能具体核算效益。总的来讲,我认为等离子体煤制乙炔在技术上是可行的,理论经济效益是可观的,具体经济效益还要做核算,等并网真正运作一年下来,就能核算出究竟节能多少的结果。
记者:乙炔的市场空间如何?
金涌:目前电石法乙炔的衍生物主要有聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、环氧乙烷、醋酸乙烯等。其中聚氯乙烯是电石法乙炔最大的用户,其消费量占电石法乙炔总消费量的70%左右。截至2008年底,我国聚氯乙烯总产能的75%采用电石法。2008年聚氯乙烯产能为1581万吨,同比增长9%。乙炔大有用武之地。
魔鬼可以变成天使
记者:乙炔下游最主要的应用领域是做聚氯乙烯,可是电石法聚氯乙烯一直是被视为落后工艺的。
金涌:没错,近年来,大家认为用煤制聚氯乙烯是一定要淘汰的技术,视之为一个魔鬼。因为一是大量耗能;二是有“三废”产生;三是由乙炔反应生成氯乙烯的催化剂含有汞;四是产业规模很小,一台氯乙烯反应炉的产能只有5000~7000吨。在电石法聚氯乙烯的工厂,可以看到一个个的“圆包”,那就是反应器。一个工厂有三五十台这样的小反应器是很常见。假如每台反应器产能5000吨,要生产100万吨聚氯乙烯,就需要200台这样的反应器。这得需要多少仪表和人员来控制它?这就是导致电石法聚氯乙烯无法规模化大生产的主要原因。因此业内以前认为电石法聚氯乙烯应该被乙烯法聚氯乙烯替代。
但是由于我国石油资源稀缺,没有足够多的乙烯用来生产聚氯乙烯,所以尽管大家认为电石法是魔鬼,但还是要跟它打交道、使用它。目前中国一半以上的聚氯乙烯是电石乙炔法做的。
值得一提的是,为彻底将以煤为原料生产聚氯乙烯的工艺从魔鬼变为天使,除了采用等离子体裂解煤制乙炔技术外,还应配套一个流化床氯乙烯反应器。因为现在的电石法氯乙烯合成炉是固定床反应炉,产能规模很小,只有5000~7000吨,并且使用含汞催化剂。如果用流化床反应器来代替固定床反应器,不仅可以扩大产能规模,而且可以减少甚至完全不采用含汞催化剂。因为原来的固定床在操作周期中反应温度热点不断上移,反应过程中导致汞升华损失,所以产生汞污染。而流化床是等温床,汞的升华损失会大大减少,汞污染可以大幅降低。
由于流化床的催化剂可以连续再生,所以对开发新型的催化剂没有寿命要求。这就使得选择催化剂的范围扩大,为开发无汞催化剂打下了很好的基础。如果采用等离子体煤制乙炔代替电石法乙炔,用流化床氯乙烯反应器代替原来的固定床氯乙烯反应器,就可以把以煤为原料生产聚氯乙烯整个工艺的污染问题、能耗问题、汞催化剂问题、大规模化生产问题全部解决,从源头上解决目前电石法聚氯乙烯存在的这4个问题。
记者:那么目前氯乙烯流化床反应器的研究和产业化进展又如何?
金涌:现在新疆天业集团已经建成了4台流化床氯乙烯反应器,单台年产能10万吨,目前正在使用,效果良好。这项氯乙烯合成流化床反应器技术过关后,与前面的等离子体煤制乙炔配套,就可以把电石法聚氯乙烯的全系统进行改造了。前面用等离子体技术完成煤制乙炔,后面用流化床反应器合成氯乙烯,可以实现聚氯乙烯的规模化大生产。我们希望单台流化床反应器产能达到25万吨,这样只要4台反应器就能达到100万吨聚氯乙烯生产规模。
记者:5兆瓦的等离子体煤制乙炔现在可以做到年产能4000吨,有进一步放大的打算吗? 您觉得这个放大工作困难吗?
金涌:我觉得放大工作在技术上比以前的工作要容易,而且放大后在技术上变得更稳定,更容易实现。5兆瓦的装置是目前国际领先的,也是国际上最大的装置。我国的这项技术还在不断发展,我们还想进一步做大,下一步就瞄准了扩大到15兆瓦以上。这样单台等离子体乙炔炉就能达到2万吨左右产能。建造15兆瓦等离子体煤制乙炔炉的想法正在做冷态实验和计算,在做小试实验。
过去大家认为煤法聚氯乙烯是存在问题的,是个魔鬼,不能大型化,但是因为有经济效益,所以也得拥抱这个魔鬼。等离子体法乙炔可以代替电石法乙炔,流化床为汞触媒问题的解决提供了可能,聚氯乙烯这个非常大的领域就会有彻底的改变。当然这还需要时间。不少企业家和研究人员看好这个彻底的变革,正在努力实践,希望在两三年内把等离子体煤制乙炔最终制成聚氯乙烯这个“天使”真正塑造成功。这是一个美好的未来。当然现在离真正大型产业化还有距离。
记者:还需要哪些方面的努力?
金涌:研究方面需要学者的配合。另外需要找到有投资条件和相关煤资源的合作企业。这项技术需要的是比较年轻的煤种,就是挥发分比较多的煤种。总的讲就是要把资源、资金和技术结合起来,把煤制乙炔直至聚氯乙烯的清洁生产彻底实现。
金涌简介
金涌,清华大学化学工程系教授,化工科学与技术研究院院长,中国工程院院士。1935年生于北京,满族。1959年毕业于前苏联乌拉尔工业大学,同年入天津大学化工系研究进修班学习。1997年当选中国工程院院士。现任中国化工学会和中国颗粒学会常务理事,中国生态经济学会副理事长,工业生态经济与技术专业委员会主任,国务院学位委员会化工学科评议组召集人,北京市人民政府专业顾问(第3届至第6届)。长期从事化学工程研究与技术创新开发工作。