毫秒级超高温煤裂解制乙炔过程研究

氢等离子体裂解煤制乙炔过程一步法实现煤中挥发分（甚至固定碳）向乙炔的转化，是一条清洁、高效的煤化工转化路线。针对近两年该绿色工艺过程在工业化进程中提出的基础研究需求，本课题立足于开发和建立毫秒级超高温裂解器反应系统，考察煤种、裂解温度、气氛、反应时间等因素对煤的高温快速热解过程影响，并与常规条件下煤的热解产物比较，全面认识煤的热解特性；探讨裂解后残余煤的物理和化学反应特性，指导裂解后煤的合理、高价值利用途径；同时，深入分析该过程副产氢气的原因和依赖变量。在上述煤裂解过程实验的研究基础上，进一步完善现有的煤粉受热和脱挥发分模型，并耦合高温气相湍流和反应模型，在欧拉-拉格朗日框架下建立超高温下煤裂解制乙炔过程的多相反应流动模型，并实现三维复杂几何模拟。这些基础研究将为5-10MW级等离子体煤制乙炔过程的工业示范装置的选煤、过程条件优化和裂解后煤的综合利用等提供科学指导。

氢等离子体裂解煤制乙炔过程一步法实现煤中挥发分（甚至固定碳）向乙炔的转化，是一条清洁、高效的煤化工转化路线。针对近几年该绿色工艺过程在工业化进程中提出的基础研究需求，本课题立足于开发和建立煤粉高温慢速热解（10^-1~10^1 K/s）、快速热解（10^2~10^4 K/s）及等离子体裂解（10^4~10^6 K/s）反应系统，考察不同升温速率下气相温度、裂解气氛、热解时间、煤种等因素对煤热解/裂解过程的影响，全面认识煤的热解特性；在上述实验和已有的煤裂解反应器模拟基础上，进一步完善基于煤粉颗粒尺度传热和脱挥发分模型，以及煤粉运动与高温气体湍流流动的模型耦合，形成复杂多相反应流的物理模型和三维模拟基础；通过分析气相产物组成及裂解前后煤粉的物理/化学反应特性，结合热力学分析手段，探讨等离子体裂解煤制乙炔同时副产氢气/一氧化碳/甲烷/乙烯的过程机理，指导裂解后煤的合理、高价值利用，确定现有反应体系最佳的操作条件和反应条件，建立对煤种进行筛选和排序的相关标准等；同时建立一套完整的适用于等离子体裂解液态烃的实验研究平台并考察了典型液态烃及煤焦油的高温裂解特性，为进一步研究液态烃和焦油的裂解机理奠定了良好的基础。相关的基础研究将为5~10 MW级等离子体煤制乙炔过程的工业示范装置的选煤、反应体系的分析和诊断、过程操作条件的优化、气相体系中的碳氢质量比的调控、裂解后煤的综合利用以及进一步的煤-液态烃（煤-焦油）共裂解的过程等提供科学指导。