以煤层气为冷却剂的等离子体裂解煤制乙炔方案研究

【摘要】：由于全球范围内石油资源相对短缺,煤必将取代石油成为主要的化工原料,而中国必须大力发展新型煤化工。等离子体裂解煤可一步制得乙炔,进而生产下游化工产品,是实现煤高效清洁转化的新途径。 本文首先对煤的挥发分平衡体系和等离子体条件下碳与氢的反应进行了热力学研究,结果表明:煤粉在温度低于4000K的氢等离子体中热解时,乙炔主要来自于除CO外的挥发分,乙炔对煤中碳的利用率较低,单位质量乙炔的比能耗较高。为了提高乙炔的碳利用率,必须提高反应体系的温度到4000K以上。 通过对全煤热力学平衡体系的研究,本文接着探索了提高煤制乙炔碳利用率的途径,确定了等离子体裂解煤制乙炔方案的优化反应条件:初始反应体系的温度在石墨碳的升华点(4000K左右)以上,急冷开始前体系的H/C比为6,体系总压为0.5MPa,并且必需在3460K的温度采取合适的急冷措施对体系进行急冷。本文进一步探索了降低单位质量乙炔比能耗的途径——降低供入反应体系的初始能量并再利用高温气相体系急冷过程中的能量,提出了以煤层气为冷却剂的等离子体裂解煤制乙炔新方案:首先使初始H/C比(以保德煤为例,扣除CO消耗的碳)为2.25的体系升温到4000K以上,然后加入H_2冷却并调节体系在3460K时的H/C比为6,总压为0.5MPa,而体系中刚好不含有固体碳;接着加入煤层气甲烷作为急冷剂使体系快速降温,混合体系温度达到2000K左右;最后采用水或者液态烃类将混合体系温度急冷到500K以下。该方案所得乙炔对煤中碳的利用率可达到94.9%,单位质量乙炔的比能耗为6.38kWh/kg-C_2H_2,在经济效益和环境效益上相对于其他制乙炔方案具有明显优势。 同时,本文对以煤层气为冷却剂的高温气相体系的急冷过程进行了动力学模拟,结果表明:以煤层气为冷却剂使高温气相体系从3460K急冷到2000K需要的初始急冷速率为(0.88～1.0)×10~8K/s,加入煤层气冷却剂后的混合体系从2000K急冷到500K以下需要的初始急冷速率为(0.7～2.5)×10~7K/s。 本文以石墨代替煤粉进行了在氢等离子体热解的实验研究,验证了热力学研究的结果,其中石墨气化后与氢反应的实验结果初步验证了新方案的可行性。