電石爐氣在循環(huán)經(jīng)濟(jì)的綜合利用論文

[摘要] 本文簡述了電石爐氣的特性和利用價值，從電石爐氣成分主要為CO和H2(約90%)可以看出，電石爐氣可以作為燃料及化工原料來利用。然而簡單地將電石爐氣作為燃料使用并沒有使其價值最大化，而以其為原料發(fā)展高附加值的化工產(chǎn)品則更有意義。因此，本文重點(diǎn)介紹了利用密閉電石爐尾氣生產(chǎn)碳一化工產(chǎn)品的工藝，并與煤化工中煤造氣工藝進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)以電石爐氣為原料的工藝不僅可以全部利用電石爐氣中的有效氣體成分，還減少了碳的排放量，減輕了對環(huán)境的污染，同時可以有效降低碳一化工產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和建設(shè)投資。

[關(guān)鍵詞] 電石爐氣；循環(huán)經(jīng)濟(jì)；碳一

電石是有機(jī)化工的基礎(chǔ)原料，由它制得的乙炔可生產(chǎn)醋酸、醋酸乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙炔炭黑等一系列數(shù)千種有機(jī)產(chǎn)品。在國內(nèi)電石行業(yè)，無論是全密閉式電石爐、內(nèi)燃式半密閉電石爐還是開放式電石爐，其尾氣一直以來沒有得到很好的利用，有的甚至直接放空燒掉，造成了資源的極大浪費(fèi)。

1電石爐氣特性及利用價值

1.1電石爐氣特性

使用密閉爐生產(chǎn)電石，每噸電石副產(chǎn)爐氣量約400Nm3[1-2]，其典型組成及物理性質(zhì)如表1所示。從表1可以看出，爐氣中含塵量大，具有黏、輕、細(xì)、不易捕集等特點(diǎn)；爐氣內(nèi)含微量焦油，它在溫度大于225℃時呈氣態(tài)，在溫度小于225℃時容易析出，會使除塵布袋黏結(jié)堵塞；爐氣本身溫度很高，同時含有難以除凈的大量粉塵，治理難度比較大，在利用前需要對爐氣進(jìn)行充分的凈化處理。

1.2電石爐氣利用價值

從電石爐氣成分可以看出，爐氣中含有大量的CO和H2，是很好的燃料和化工原料，利用好這部分氣體可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以我國2017年電石產(chǎn)量2500萬噸計(jì)算，副產(chǎn)的電石爐氣總量達(dá)到100億Nm3左右，如能全部回收，可得到約75億Nm3CO和7.5億Nm3H2。因此，爐氣凈化利用對實(shí)現(xiàn)能源回收利用、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，都具有重要的意義。

2電石爐氣在化工中的利用及經(jīng)濟(jì)性分析

目前，部分企業(yè)的電石爐氣只是經(jīng)過簡單處理后，作為燃料燒石灰、燒鍋爐等使用，并沒有將爐氣價值最大化利用。電石爐氣的主要成分是CO和H2，在經(jīng)過深度凈化處理后，可利用CO和H2發(fā)展后續(xù)高附加值化工產(chǎn)品，可用于生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙二醇、二甲醚、甲酸鈉等較高附加值的化工產(chǎn)品[4]，目前國內(nèi)已成功建成生產(chǎn)甲酸鈉、合成氨、乙二醇的裝置，詳見表2。

2.1合成氨和甲醇

[3]根據(jù)原料氣分析以及物料平衡計(jì)算，電石尾氣中氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)約為5%，如單產(chǎn)甲醇，5%的氮?dú)鈱⒆鳛闊o效氣被放空，增加了壓縮機(jī)的無效功；如單產(chǎn)合成氨，需要向系統(tǒng)中補(bǔ)充氮?dú)?，新增制氮裝置，增加投資。綜合考慮，如果采用以醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝，即甲醇生產(chǎn)中串入合成氨生產(chǎn)，將爐氣中的N2與H2合成氨，避免了合成甲醇過程中排放惰性氣體而造成大量有效氣體損失。醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝不僅最大限度地利用了電石爐氣，減少了排放量，又創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝的流程示意圖1所示。以電石爐氣為原料，醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：(1)充分利用了電石爐氣中的氣體成分，爐氣的利用率更高；(2)利用甲醇合成后的尾氣副產(chǎn)液氨，既最大限度利用了電石爐氣，又創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益；(3)能耗低，與國內(nèi)煤頭制甲醇工藝相比能耗明顯降低；(4)成本低，與國內(nèi)煤頭制甲醇工藝相比成本明顯降低。

2.2乙二醇

乙二醇合成氣為高純度的H2(99.9%，vol)和CO(99%，vol)，且H2和CO的體積比約為1.95。若以電石爐氣作為乙二醇合成氣，與以煤為原料相比，省去了煤制氣的過程，消耗低，原料成本大幅下降，無疑是一種優(yōu)于單純以煤為原料的生產(chǎn)乙二醇的原料路線。以電石爐氣為原料合成乙二醇的工藝流程見圖2。2中可以看出，電石爐氣只需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q及分離制氫后即可作為乙二醇的原料，不需要煤造氣過程，可以節(jié)省大量的投資，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。從國內(nèi)電石爐氣的在化工產(chǎn)品上的利用情況來看，新疆天業(yè)集團(tuán)已經(jīng)取得了成功。新疆天業(yè)以電石爐氣為原料，采用煤制乙二醇技術(shù)，于2011年7月在新疆石河子開工建設(shè)了25萬噸/年煤制乙二醇項(xiàng)目一期工程，規(guī)模為年產(chǎn)5萬噸乙二醇。一期工程在2013年1月份建成并成功產(chǎn)出優(yōu)等品乙二醇，產(chǎn)品純度均超過國標(biāo)優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。在一期獲得成功的基礎(chǔ)上，二期工程20萬噸/年乙二醇于2013年5月開工建設(shè)，并于2015年9月建成投產(chǎn)。

2.3聚氯乙烯

[4]除了在碳一化工中利用外，在燒堿-PVC生產(chǎn)路線中，電石法PVC有兩個重要的化學(xué)反應(yīng)過程：(1)氫氣和氯氣反應(yīng)合成；(2)和乙炔反應(yīng)合成氯乙烯。在合成過程中，為了避免中的游離氯含量過高遇乙炔發(fā)生爆炸，參加反應(yīng)的氫氣一般過量10%左右。但電解氯化鈉時，產(chǎn)生的氯氣和氫氣量是相同的，這樣就需要過量的氫資源。而氯堿企業(yè)一般靠生產(chǎn)液氯來平衡氫氣的不足，或者采用如水電解制氫或天然氣制氫來補(bǔ)充氫氣，這樣都會帶來投資增加和生產(chǎn)成本上升的問題。而從電石爐氣成分可知，爐氣中除含有體積分?jǐn)?shù)80%左右的CO外，還有體積分?jǐn)?shù)5%~10%的H2，這樣可將爐氣回收后經(jīng)過等溫變換、變壓吸附等工藝分離出H2，用于合成，剩余的CO可以繼續(xù)作為碳一化工的原料來利用。爐氣回收利用工藝流程如圖3所示。在氯堿行業(yè)利潤普遍不高的情況下，爐氣回收利用不僅降低了電石生產(chǎn)成本，而且為PVC生產(chǎn)提供了氫氣，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4爐氣回收利用的`經(jīng)濟(jì)性分析

采用煤與電石爐氣為原料生產(chǎn)乙二醇合成氣，主要的成本差異體現(xiàn)在合成氣的原料氣制備上，因此主要比較煤制合成氣成本與電石爐氣做為合成氣處理成本。2.4.1比較前提(1)生產(chǎn)相同規(guī)格和相同量的合成氣(H2+CO)；(2)煤制氣按水煤漿氣化工藝考慮；(3)電石爐氣按項(xiàng)目外供給，按0.3元/Nm3計(jì)價；(4)比較范圍截至合成氣的原料氣，即不考慮后續(xù)變換、分離等。2.4.2消耗比較基于2.4.1的比較前提，對煤制氣和電石爐氣生產(chǎn)合成氣的過程進(jìn)行計(jì)算和分析，得到兩種工藝過程原材料消耗和公用工程消耗情況，如表3所示。從表3中明顯可以看出，采用電石爐氣為原料，原料氣直接由電石廠供應(yīng)，消耗已計(jì)入電石生產(chǎn)中，因此對于化工裝置來說原料氣是已經(jīng)制備好的；而采用煤氣化，在造氣環(huán)節(jié)要增加公用工程消耗和原料煤消耗，對項(xiàng)目所在地的煤資源保證有要求，同時還需要為煤氣化配套建設(shè)公用工程。2.4.3成本比較根據(jù)表3的消耗情況可知，電石爐氣為原料氣只需要計(jì)算原料電石爐氣的成本，實(shí)際上電石爐氣是電石生產(chǎn)副產(chǎn)品，因而其成本可認(rèn)為是0。本比較考慮電石爐氣從項(xiàng)目外電石廠外購，需按購買價計(jì)入原料氣成本。成本比較結(jié)果見表4。從表4的比較結(jié)果來看，采用電石爐氣為原料，每1000Nm3合成氣成本可降低200元以上，折每噸乙二醇成本下降500元左右，成本降低非常顯著。如果電石爐氣能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部供給的話，則電石爐氣成本可以忽略，合成氣成本下降更為可觀。2.4.4投資比較因合成氣來源不同，投資差異會比較大。對煤制氣與電石爐氣兩種原料過程進(jìn)行了投資差異上的比較估算，其比較結(jié)果見表5。從表5可以看出，若煤制氣投資基準(zhǔn)值為0，以93750Nm3/h(可滿足30萬噸/年乙二醇生產(chǎn))合成氣規(guī)模計(jì)算，則采用電石爐氣為原料一次性投資可減少約9.5億。

2.5電石規(guī)模的影響

雖然電石爐氣作為合成氣原料，無論從投資上還是運(yùn)行成本都較煤制氣路線要低很多，但要利用好電石爐氣還要看電石裝置規(guī)模的大小。例如，利用電石爐氣生產(chǎn)甲酸鈉，10萬噸/年電石可配套7萬噸/年甲酸鈉裝置；而利用電石爐氣生產(chǎn)合成氨、甲醇、乙二醇等高附加值的化工產(chǎn)品，10萬噸/年電石僅能配套3.6萬噸/年甲醇或合成氨裝置。如此小的化工裝置很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，相當(dāng)于利用了電石爐氣的資源，但在配套建設(shè)的化工裝置上多消耗了能源，使電石爐氣回收利用的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能效益大打折扣。因此，利用電石爐氣必須要考慮電石裝置規(guī)模。目前從新疆、內(nèi)蒙等地電石企業(yè)來看，規(guī)模一般都在60萬噸/年以上，如新疆天業(yè)電石產(chǎn)能已達(dá)到200萬噸/年以上，這樣的規(guī)?？梢詾榛どa(chǎn)提供足夠的原料氣。所以，若新建碳一化工項(xiàng)目無充足的電石爐氣，可考慮與周邊大型電石企業(yè)合作，由電石企業(yè)向化工企業(yè)提供電石爐氣，從而實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)，循環(huán)利用。

3結(jié)論

綜合以上分析，利用電石爐氣來生產(chǎn)化工產(chǎn)品，無論從一次性投資還是產(chǎn)品成本上都優(yōu)勢明顯。電石爐氣的開發(fā)利用已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注，尤其是在化工領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大突破。電石爐氣在碳一化工產(chǎn)品中的應(yīng)用，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)獲得了成功，如果逐步推廣到更多的化工產(chǎn)品中將會大大降低相關(guān)產(chǎn)品成本和投資，節(jié)能減排，提高經(jīng)濟(jì)效益，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大亮點(diǎn)。此外，除了生產(chǎn)電石外，冶金行業(yè)中生產(chǎn)鐵合金、工業(yè)硅、黃磷、剛玉等過程都會產(chǎn)生一氧化碳為主的爐氣，且其爐氣排放量大約是電石爐氣的兩倍。如果將電石爐氣在化工產(chǎn)品上應(yīng)用成功的范例，推廣到整個冶金行業(yè)，將對整個國民經(jīng)濟(jì)能源節(jié)約、資源利用、環(huán)境保護(hù)有著重大貢獻(xiàn)。

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標(biāo)簽：電石循環(huán)利用