電石爐氣在循環經濟的綜合利用論文
[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，而以其為原料發展高附加值的化工產品則更有意義。因此，本文重點介紹了利用密閉電石爐尾氣生產碳一化工產品的工藝，并與煤化工中煤造氣工藝進行對比，發現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，減輕了對環境的污染，同時可以有效降低碳一化工產品的生產成本和建設投資。
[關鍵詞]電石爐氣；循環經濟；碳一
電石是有機化工的基礎原料，由它制得的乙炔可生產醋酸、醋酸乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙炔炭黑等一系列數千種有機產品。在國內電石行業，無論是全密閉式電石爐、內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。
1電石爐氣特性及利用價值
1.1電石爐氣特性
使用密閉爐生產電石，每噸電石副產爐氣量約400Nm3[1-2]，其典型組成及物理性質如表1所示。從表1可以看出，爐氣中含塵量大，具有黏、輕、細、不易捕集等特點；爐氣內含微量焦油，它在溫度大于225℃時呈氣態，在溫度小于225℃時容易析出，會使除塵布袋黏結堵塞；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生巨大的經濟效益和社會效益。以我國2017年電石產量2500萬噸計算，副產的電石爐氣總量達到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，爐氣凈化利用對實現能源回收利用、降低生產成本、提高經濟效益，都具有重要的意義。
2電石爐氣在化工中的利用及經濟性分析
目前，部分企業的電石爐氣只是經過簡單處理后，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，在經過深度凈化處理后，可利用CO和H2發展后續高附加值化工產品，可用于生產合成氨、甲醇、乙二醇、二甲醚、甲酸鈉等較高附加值的化工產品[4]，目前國內已成功建成生產甲酸鈉、合成氨、乙二醇的裝置，詳見表2。
2.1合成氨和甲醇
[3]根據原料氣分析以及物料平衡計算，電石尾氣中氮氣的體積分數約為5%，如單產甲醇，5%的氮氣將作為無效氣被放空，增加了壓縮機的無效功；如單產合成氨，需要向系統中補充氮氣，新增制氮裝置，增加投資。綜合考慮，如果采用以醇-氨聯產工藝，即甲醇生產中串入合成氨生產，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-氨聯產工藝不僅最大限度地利用了電石爐氣，減少了排放量，又創造了經濟效益。醇-氨聯產工藝的流程示意圖1所示。以電石爐氣為原料，醇-氨聯產工藝有以下幾個優點：(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液氨，既最大限度利用了電石爐氣，又創造了經濟效益；(3)能耗低，與國內煤頭制甲醇工藝相比能耗明顯降低；(4)成本低，與國內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，無疑是一種優于單純以煤為原料的生產乙二醇的原料路線。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，電石爐氣只需要經過適當的變換及分離制氫后即可作為乙二醇的原料，不需要煤造氣過程，可以節省大量的投資，具有良好的經濟效益和社會效益。從國內電石爐氣的在化工產品上的利用情況來看，新疆天業集團已經取得了成功。新疆天業以電石爐氣為原料，采用煤制乙二醇技術，于2011年7月在新疆石河子開工建設了25萬噸/年煤制乙二醇項目一期工程，規模為年產5萬噸乙二醇。一期工程在2013年1月份建成并成功產出優等品乙二醇，產品純度均超過國標優等品標準。在一期獲得成功的基礎上，二期工程20萬噸/年乙二醇于2013年5月開工建設，并于2015年9月建成投產。
2.3聚氯乙烯
[4]除了在碳一化工中利用外，在燒堿-PVC生產路線中，電石法PVC有兩個重要的化學反應過程：(1)氫氣和氯氣反應合成氯化氫；(2)氯化氫和乙炔反應合成氯乙烯。在合成氯化氫過程中，為了避免氯化氫中的游離氯含量過高遇乙炔發生爆炸，參加反應的氫氣一般過量10%左右。但電解氯化鈉時，產生的氯氣和氫氣量是相同的，這樣就需要過量的氫資源。而氯堿企業一般靠生產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充氫氣，這樣都會帶來投資增加和生產成本上升的問題。而從電石爐氣成分可知，爐氣中除含有體積分數80%左右的CO外，還有體積分數5%~10%的H2，這樣可將爐氣回收后經過等溫變換、變壓吸附等工藝分離出H2，用于合成氯化氫，剩余的CO可以繼續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成本，而且為PVC生產提供了氫氣，具有顯著的經濟效益。
2.4爐氣回收利用的經濟性分析
采用煤與電石爐氣為原料生產乙二醇合成氣，主要的成本差異體現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)生產相同規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)電石爐氣按項目外供給，按0.3元/Nm3計價；(4)比較范圍截至合成氣的原料氣，即不考慮后續變換、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合成氣的過程進行計算和分析，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，消耗已計入電石生產中，因此對于化工裝置來說原料氣是已經制備好的；而采用煤氣化，在造氣環節要增加公用工程消耗和原料煤消耗，對項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公用工程。2.4.3成本比較根據表3的消耗情況可知，電石爐氣為原料氣只需要計算原料電石爐氣的成本，實際上電石爐氣是電石生產副產品，因而其成本可認為是0。本比較考慮電石爐氣從項目外電石廠外購，需按購買價計入原料氣成本。成本比較結果見表4。從表4的比較結果來看，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。如果電石爐氣能夠實現內部供給的話，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行了投資差異上的比較估算，其比較結果見表5。從表5可以看出，若煤制氣投資基準值為0，以93750Nm3/h(可滿足30萬噸/年乙二醇生產)合成氣規模計算，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模的大小。例如，利用電石爐氣生產甲酸鈉，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合成氨、甲醇、乙二醇等高附加值的化工產品，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生經濟效益，相當于利用了電石爐氣的資源，但在配套建設的化工裝置上多消耗了能源，使電石爐氣回收利用的社會、經濟、環保、節能效益大打折扣。因此，利用電石爐氣必須要考慮電石裝置規模。目前從新疆、內蒙等地電石企業來看，規模一般都在60萬噸/年以上，如新疆天業電石產能已達到200萬噸/年以上，這樣的規模可以為化工生產提供足夠的原料氣。所以，若新建碳一化工項目無充足的電石爐氣，可考慮與周邊大型電石企業合作，由電石企業向化工企業提供電石爐氣，從而實現資源互補，循環利用。
3結論
綜合以上分析，利用電石爐氣來生產化工產品，無論從一次性投資還是產品成本上都優勢明顯。電石爐氣的開發利用已經引起了越來越多的關注，尤其是在化工領域已經取得了重大突破。電石爐氣在碳一化工產品中的應用，目前行業內已經獲得了成功，如果逐步推廣到更多的化工產品中將會大大降低相關產品成本和投資，節能減排，提高經濟效益，是循環經濟發展的一大亮點。此外，除了生產電石外，冶金行業中生產鐵合金、工業硅、黃磷、剛玉等過程都會產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品上應用成功的范例，推廣到整個冶金行業，將對整個國民經濟能源節約、資源利用、環境保護有著重大貢獻。
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