等离子体重油加工技术研究进展
中国科学院电工研究所、中国科学院大学、中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院的研究人员张凯、王瑞雪、韩伟、张帅、杨清河、邵涛，在2016年第24期《电工技术学报》上撰文指出，近年来，世界轻质原油资源日益枯竭，重质原油所占比例越来越大，且原油劣质化趋势不断加剧，充分利用重油资源意义重大。
在传统重油加工技术中，固定床技术最为成熟，但其易受原料性质、反应器压差、催化剂失活和运转周期的影响，发展受到限制。等离子体技术作为一种有效的分子活化手段，在重油加工中表现出巨大优势。
本文总结近年来国内外采用等离子体技术加工重油的研究概况。详细介绍当前用于重油加工的放电形式及等离子体反应器结构，讨论不同反应条件对重油转化效率的影响规律，并对非平衡等离子体处理重油的反应机理进行总结。最后展望纳秒脉冲激励的等离子体技术用于重油加工的潜在优势。
石油工业是国民经济最重要的支柱产业之一。据统计，全世界总能源需求的40%依赖石油产品[1]。随着轻质原油资源日益枯竭，重质原油所占比例越来越大，且原油劣质化趋势不断加剧[2-4]，如何充分利用重油资源已成为全球炼油工业亟需解决的重大问题之一。重油的特征是H/C比值很低，一般H/C＜1.4，这是限制其有效或高效利用的最根本原因之一，并且其含有硫、氮以及微量金属等杂质。
为了更好的利用重油，一般要通过一定的工艺，使其H/C比值达到1.6～2.0。脱碳和加氢是目前加工重油所采用的主要工艺，前者主要包括焦化和溶剂脱沥青等工艺过程；后者根据反应器类型主要分固定床、沸腾床、浆态床和悬浮床四种[5]。
尽管焦化工艺具有技术成熟、流程简单、投资少、操作费用低以及原料适应性强等优点，但其液体产品收率低、高硫石油焦化处理困难，从合理利用资源和环保角度看，并不是最理想的重油处理技术。加氢工艺因具有较高的优质液体产品收率以及更高的投资回报率，在加工重油中具有一定的优势[6-9]。
在各种传统的重油加氢工艺中，固定床技术最为成熟且发展最快，是目前应用最为广泛的技术。但由于其易受原料性质、反应器压差、催化剂失活和运转周期的影响，其发展受到了一定程度的限制[10-14]。在上述背景下，开发新型重油加工技术显得尤为必要。
等离子体作为一种新型分子活化方式，被认为是新型清洁能源技术[15]。随着等离子体技术的发展，其在化工领域的应用也越来越多[16-19]。与传统有催化剂参与的化学反应不同，等离子体技术能够提供各种在理论上可以直接与重油分子进行反应的高活性粒子（如激发态粒子和自由基），有利于提高化学反应速率、降低反应能耗以及简化反应设备，因此有望在重油加氢技术的发展中探索出一条新途径。
自1982年美国联碳公司Keller等[20]发现采用甲烷氧化偶联制乙烯的方法以来，各国相继开展了等离子体技术在化工方面的应用研究。国外在20世纪八九十年代已有采用热等离子体处理重质烃以及重油的研究报道[21-27]。
但是，热等离子体的反应装置所需温度高、能耗大，而且需要对电极进行冷却处理以避免热蒸发和抑制离子腐蚀。相反，冷等离子体则由于能耗较低，并处于非热力学平衡状态，有利于调控化学反应选择性，实现反应过程的定向控制。因此，合理利用低温冷等离子体技术，使其能够有效地应用于重油的加工处理，具有重大的实际意义和学术价值。
近年来，利用低温冷等离子体进行重油转化越来越受到国内外学者的重视。研究主要集中于对反应器类型、工作气体以及等离子体源等方面的探索，并采用不同的表征手段对等离子体进行诊断研究。
本文重点总结了近年来用于重油加工的等离子体装置结构类型、工作气体和反应参数对反应过程的影响，并对反应机理进行了初步分析。由于脉冲放电特别是纳秒脉冲电源作为等离子体源具有可控性强、转化效率高等优点，最后对纳秒脉冲放电转化甲烷等离子体的优势进行了展望。
图1 平行板DBD等离子体反应器原理图
结论
1）等离子体技术应用于重油加工具有重要研究价值和应用前景。世界范围内，重油轻质化的任务越来越艰巨，传统重油加氢技术正面临新的挑战。与传统工艺相比，非平衡等离子体技术处理的原料范围广、所需要的温度低、受杂质影响小，因此，低温等离子体作为一种新兴技术，将其用于重油的加工和改性，具有科学意义和应用前景。
2）目前等离子体重油加工主要研究裂解重油制备低碳烯烃和氢气，大多数集中于反应器结构参数、激励方式以及改变放电反应媒介气体等方面，将氩气作为主要工作气体，且将重油与气体共同置于电场之中。由于氩分子的亚稳态能量较高且由于电场的作用，很容易将重油过度裂解进而发生严重结焦。进行重油加工的工作气体必须富氢，尽管氢气可以直接作为工作气体，但是制氢成本高且碳排放高，所以甲烷应是理想的工作气体。
3）目前研究中常用的等离子体激励源以直流和高频电源居多，而纳秒脉冲激励技术因具有快速上升沿和高约化场强（E/n）的特点，能有效提高能量传递效率和获得远离平衡态的高活性等离子体，受到越来越多的关注，电子可在极短时间内加速获得极高的能量，具有效率高、欧姆加热小、参数控制方便等优点，所以纳秒脉冲放电等离子体有望在甲烷等离子体重油加工中发挥重要作用。
4）如果能够利用等离子体技术将“富氢”的低碳烷烃，特别是将甲烷气体加工成等离子体，利用这些高化学活性粒子的催化作用加强重油加氢过程中活化氢的供给能力，不仅可以有望克服固定床加氢工艺所固有的催化剂容易结焦、失活快、原料适应性差以及运转周期短等技术缺陷，成为实现重油高效加氢转化行之有效的途径，而且还可以充分利用诸如CH3、CH2、CH等粒子之间发生自由基链式反应获得高附加值的低碳烯烃副产物。