绿色出海 | 第3期：热等离子体技术：绿色升级的行业领域及“走出去”的新机遇

热等离子体在化工生产领域研究较多，较为成熟的方向是等离子体裂解煤制乙炔技术。乙炔是通过煤炭资源转化生产的大宗基础化工原料之一。乙炔分子具有化学性质活泼的碳碳三键，可用于生产PVC、乙烯基乙炔、氯丁二烯、乙醛、乙酸、丙烯腈等重要化工产品。工业乙炔的主要生产工艺有电石法和烃类裂解法。等离子体裂解煤制乙炔技术是世界公认的极具发展前景的乙炔绿色生产技术，该技术利用等离子体高温、高焓的特点和煤炭的碳氢比利于生成乙炔的特性，高效率实现煤粉一步转化为乙炔过程，具有流程短、洁净、高效等优点。与电石乙炔法相比，其乙炔单位综合能耗下降20％-30％，资源消耗量下降50％，有望成为今后替代电石法获取乙炔的重要途径。 

在全球“脱碳”大潮的背景之下，钢铁工业的绿色低碳发展势不可挡。目前欧洲钢铁企业主要利用绿色电力制备H2，再用于钢铁生产，而日韩则采用含H2副产煤气进行高炉炼铁。用H2代替煤炭，改变能源消耗结构，实现炼铁工艺的近零排放，将带动钢铁工业以及上下游相关行业的同步调整和变革，逐步向绿色化、精深化、高端化转型。氢冶炼主要有三条技术路线：一是高炉富氢技术：通过在高炉中喷吹天然气、焦炉煤气等富氢气体，减少焦炭的用量，从而减少碳排放。二是富氢直接还原铁技术：使用氢气与一氧化碳混合气体作为还原剂，将铁矿石转化为直接还原铁，再将其投入电炉进行进一步冶炼。这种方法碳排放更低，适合用于氢冶金。三是氢基熔融还原铁技术：氢气被释放、解离和电离，用直流转移电弧的能量产生氢基等离子体，熔化铁矿粉并将其还原生成铁水，进一步精炼得到钢铁产品。

在氢冶炼的三条技术路线中，大功率的热等离子体炬（H2、CH4或CO）都能起到关键性作用。在高炉富氢技术中，大功率的非转移弧热等离子体炬可提供天然气或顶煤气回吹，使注入的富氢气体自带高温，提升整体系统的能效。在富氢直接还原铁技术中，直流转移弧等离子体炬可以直接用于电弧炉。而氢基熔融还原铁技术，则完全利用等离子气化炉进行冶炼。

利用热等离子体的高温特性，在粉末材料领域主要是金属粉末球化处理(难容金属：钨、钛、钼、铜等)、金属和非金属纳米粉末的制取。

金属粉末球化处理方面，热离子体法是球化难熔金属粉的一种高效手段。该方法通常选用无规则形状的难熔金属粉作为原料，通过载气将其注入等离子体炬中；经过熔化-凝固-淬火等过程后，最终制备出粒径小于原料粉末的球形难熔金属粉。与直流电弧等离子体制备难熔金属纳米粉不同，射频等离子体球化的物理过程是熔融颗粒的凝固淬火，而直流电弧制备纳米粉的物理过程是金属升华成蒸气后的冷凝成核。

金属纳米粉末制取方面，直流电弧等离子体法是一种合成纳米金属材料的有效方法。难熔金属指熔点高于 1650 ℃并有一定储量的金属，主要有钨W、钛Ti、钼Mo、镍Ni、钴Co、铜Cu、铁Fe等。难熔金属及其相关材料具有高熔点、优异的导电性、导热性与抗腐蚀性，已被广泛应用于电子工业、化学工业以及军工等领域中。但高品质难熔金属纳米粉的制备一直是工业上的难题。直流电弧等离子体法是一种合成纳米金属材料的有效方法。该方法的特点是合成速度快、纯度高、可制备的纳米金属材料种类多，可以用来制备其他方法难以合成的难熔金属纳米材料。

非金属纳米粉末的制取方面，电弧热等离子体法是一种合成纳米陶瓷材料的有效方法。陶瓷材料具有高硬度、刚性、耐磨性和低密度等优点，主要包括氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、氧化物陶瓷三大类。纳米陶瓷材料因晶粒细化到了纳米级别，晶界数量远多于普通陶瓷材料，具有优秀的力学性能与高温性能。电弧热等离子体法是一种合成纳米陶瓷材料的有效方法。随着对纳米颗粒研究的不断深入，其制备手段也不断发展。

近年来，碳纳米材料因其优异的理化性质而被认为是能够应用到纳米电子学、纳米传感器等领域的理想材料。在碳纳米材料的众多制备方法中，电弧法由于具有高制备效率和易于产业化的优势愈发受到关注。最早采用电弧法制备的碳纳米材料是富勒烯。由于该方法所制备的碳纳米材料的缺陷少、纯度高，逐渐被用来制备碳纳米管、碳纳米角、石墨烯等碳纳米材料。电弧等离子体的性质、各类碳纳米材料的生长机理也被进一步研究。碳纳米材料的成核与生长过程可以通过改变工艺条件来进行控制。现阶段电弧法已成为制备碳纳米材料的一种常用方法。制备多壁碳纳米管时通常在阴极沉积物中收集，而制备石墨烯与碳纳米角时，生成物的位置一般在反应室的内壁。选取不同的反应气氛、压强和放电电流会相应地制备出不同形貌的碳纳米材料。

美国在热等离子体领域起步较早，在等离子体固废熔融处置、化工生产等方面具有领先的行业应用成果。

在等离子体固废熔融处置方面，美国有许多技术成熟且商业运作的等离子体技术公司, 如西屋等离子体公司、Phoenix Solutions公司和 Startech公司， 其中以西屋等离子体公司最具代表性，该公司几十年来一直从事生活垃圾、污泥和废旧物品的处理研究, 具有丰富的等离子气化废物的经验。自2000年开始，西屋等离子体公司在全球推广其气化处理技术，目前已有4个成功运营业绩,同时在日本建立了规模达220 吨/天的城市生活垃圾等离子体处理厂。

在化工生产领域，美国也较早开展了兆瓦级的等离子体裂解煤制乙炔中试研究，取得了较好的试验结果，但由于反应条件极端苛刻，要实现工业化会遇到诸多瓶颈问题。目前的基础研究水平尚不能准确揭示出复杂的裂解过程机制，迄今为止未见工业化的报道。但在炭氢联产的方向上，利用热等离子体将甲烷裂解制氢并获得炭黑产品方面，美国率先建立了产业化的示范性工程。例如，2020年巨石材料(Monolith Materials)公司在美国林肯市郊的工厂，首次使用天然气作为原料以等离子法进行商品化炭黑生产，并产生氢气。一期工程生产规模为年产能力为12万吨至16万吨炭黑。二期工程将达到更大产能。

欧洲国家是碳减排运动的主要倡导力量。在全球“脱碳”大潮的背景之下，钢铁工业的绿色低碳发展势不可挡。欧盟从2004年开始启动超低二氧化碳排放炼钢项目(ULCOS)，旨在使钢铁工业二氧化碳排放量减少50%左右，欧洲钢铁工业到2030年碳排放水平较1990年减少30%，到2050年减少80%-95%。

欧洲地区钢铁工业的历史超过150年，20世纪50年代后期开始运行的焦炉等相关设备已经达到了使用寿命极限，而高炉、电炉等工艺主打设备老化严重，正处于设备更换或引进新工艺的十字路口。要实现这些目标，氢冶炼是未来重要的方向。目前欧洲钢铁企业主要利用绿色电力制备氢气,再用于钢铁生产,用氢气代替煤炭，改变能源消耗结构，实现炼铁工艺的近零排放，将带动钢铁工业以及上下游相关行业的同步调整和变革，逐步向绿色化、精深化、高端化转型。例如，荷兰开发了基于HIsmelt的HIsarna熔融还原技术，可以使钢铁生产至少降低20％的CO2排放。德国利用富氢焦炉煤气进行高炉喷吹，用氢作为还原剂取代部分碳。奥钢联集团开展氢气替代焦炭冶炼技术研究。瑞典提出HYBRIT项目，推动用氢替代炼焦煤和焦炭的突破性炼铁技术。值得关注的是，该计划探讨了绿色电力制氢气还原炼铁工艺的相关问题。

因此，在节能减碳背景下，欧洲在“氢冶炼”及相关的能源转型方面呈现巨大的市场需求空间。而在氢冶炼的三条技术路线中，大功率的热等离子体炬（H2、CH4或CO）都能起到关键性作用，该方面技术的投资与贸易机遇凸显。

在绿冶金方面，日本实施COURSE50项目，包括降低高炉煤气CO2排放的CCUS和高炉煤气循环和“铁焦”项目；还将推动核电、可再生能源发电、无碳制氢技术等基础研究。该项目分为两期，始于2008年，到2028年将完成中试阶段的开发，该项目的总目标是到2050年实现CO2减排30%。

在热等离子体制备新材料方面，日本具有雄厚的科研实力及产业化经验。例如金属纳米粉末领域，等离子体法制备纳米粉末的技术已经实现产业化，并在中国建立了日资背景的上市企业专门生产用于MLCC的金属粉末材料。MLCC由陶瓷介质、内电极、端电极和涂层构成，广泛应用于5G消费电子及基站、汽车、航天航空等领域，被誉为电子工业的粮食，目前正向微型化、高容量化等方向发展。镍粉作为内电极的主要原材料，需具备粒径小、分布窄、分散性好、球形度高、振实密度高等特点，以满足镍浆配制、印刷电极及烧结性能匹配需要；铜粉作为端电极的主要电极材料，需具备导电性及流平性好、抗氧化等特点，以满足端电极烧结性能匹配、导电性需要。蒸发-凝聚法（主要以等离子体为热源）制备的镍粉、铜粉可满足上述指标要求，并且相比其它工艺路线更能满足MLCC发展需求，具有更好的应用趋势。

目前，中国已经是全球领先的制造业大国，不仅工业规模领先，而且工业门类齐全。在这种优势下，等离子体方面的先进技术也不断被引进，并且创新发展，使我国在多个方面逐渐赶超并领先。

在化工生产领域，美国、俄罗斯、中国陆续开展了兆瓦级的等离子体裂解煤制乙炔中试研究。2007年，新疆天业与清华大学、浙江大学“产、学、研”联合，进行工业规模5MW大功率氢等离子体裂解煤制乙炔关键技术的研究，2009年，“等离子体裂解煤关键设备及工艺”项目被正式批复列入2009年国家高技术研究发展计划（863计划）。经过３年开发研究，建成兆瓦级等离子体裂解煤制乙炔成套工艺流程，并通过了连续72小时考核运行试验，从裂解气中分离出纯度大于99.5％的乙炔并入生产线，目前该项目处在商业化运行的前夕。

在绿色冶金领域，近年来，中国钢铁企业也在积极布局H2冶金产业，但国内现有的H2产能还远不能满足钢铁工业的需求。作为我国钢铁行业标杆性的龙头企业，宝武集团在氢冶金领域投入了大量研究与实践，主要聚焦富氢碳循环氧气高炉和氢基竖炉两种工艺。富氢碳循环氧气高炉是指通过重构高炉流程，实现冶金过程中的大幅减碳。标志性的项目有：八钢2500立方米富氢碳循环氧气高炉商业化示范项目、宝钢股份湛江钢铁零碳示范工厂百万吨级氢基竖炉项目。

在粉末材料领域，我国企业也引进日本相关技术的基础上不断创新发展。我国企业使用自主研发的常压下等离子体加热气相冷凝法技术（PVD）制备MLCC用镍粉。该工艺制备的粉体粒径可控，从微米级、亚微米级到纳米级均可生产，技术全面匹配未来MLCC等电子元器件薄层化、小型化、高容化的趋势，资源利用效率高，对环境绿色友好，生产流程短，生产灵活度较高。我国企业已经与韩国三星电机等海外大型MLCC厂商建立了长期的合作协议，迅速开拓海外市场并占据海外市场份额。

在新能源关键新材料领域，中国也正在国外研究基础上对相关“卡脖子”技术进行持续攻关。例如，等离子体法制备炭黑方面，国内外展开的大量的相关研究及应用。Timcal公司生产的导电炭黑目前已经大规模应用于锂电池行业，国内目前暂无厂家可以生产出类似产品。中昊黑元化工研究设计院有限公司、中国科学院大学团队等都进行了相关产业化的研究。在碳纳米材料方面，也有大量的基础及应用研究，目前该领域已成为新材料研究的热点。

中国的稀土、钨、钼、铟、镓、锗、石墨的探明储量居世界前列，是国际市场的重要供应者，但铜、铝、镍、锂、铬、钴、铂、钾盐的储量不足，高度依赖进口。从关键矿产供应链来看，中国在上游资源端总体上处于劣势地位，在中游加工精炼环节产能巨大，具有明显优势。随着新能源汽车、储能电池等行业快速发展的，中国对镍、锂、钴等电池金属的需求迅速增长，但国内相关矿种的储量并不丰富。在确保关键矿产供应链安全方面，绿色高效的热等离子体精炼技术或将发挥关键性作用，具体体现以下方面：

（1）“城市矿产”精炼中的实现高效的金属资源循环利用，减少关键矿产的进口依赖。利用热等离子体精炼技术可用于废旧线路板金属熔融再回收、废旧电池的金属熔融再回收、三元催化剂贵金属回收等。未来随着这方面的市场需求不断增强，相关技术及装备水平不断提升，关键性矿产资源金属强制回收制度的不断完善，热等离子体精炼技术将在重要金属回收循环再利用领域发挥重要作用，从而提升资源使用效率，减少对关键原材料的进口依赖。

（2）热等离子体精炼及高端金属粉末加工制取属于先进的资源节约型技术，有利于相关矿产资源的高效利用及产业持续技术升级。对技术创新和资源回收利用的鼓励和支持，吸引创新要素向关键原材料等产业领域集聚，有助于进一步巩固中国在关键矿产加工领域的竞争优势。热等离子体技术在关键矿产的提炼、加工、高端产品的制取等领域属于前沿先进技术，能不断提升矿产资源利用效率，并实现产业的持续技术升级。

（3）可与“一带一路”重点资源国共同建立高端矿产精炼产业，提升产品附加值，实现共同富裕。由于许多“一带一路”共建国家发展矿产精炼加工业的意愿强烈，鼓励在资源国建立关键矿产加工企业，且将加工后的矿产品出口至中国进一步精炼，既能满足资源国提升产业层次、增加经济附加值的现实需求，又能保障国内关键矿产的供应，还能为我国相关装备制造业开拓市场空间，实现合作共赢。热等离子体精炼技术有助于在这些国家建立高效、绿色、低碳的矿产精炼新产业，既能体现我国先进的技术能力，避免环境污染，又能体现与所在国贡献先进技术及产业，共享经济成果的诚意与决心。

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