姚玨

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730300)

1 電石爐氣凈化及綜合利用的必要性

電石是化工的基礎(chǔ)原料,可用于多種化學(xué)品的合成[1]。我國是電石大國,年產(chǎn)電石超過2 500萬t,副產(chǎn)電石爐氣已超過120億m3,電石生產(chǎn)屬于傳統(tǒng)煤化工行業(yè),是我國重點能源消耗產(chǎn)業(yè)之一,其生產(chǎn)方法為電熱法,主要設(shè)備為電石爐。

根據(jù)《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2021年版)》,電石標(biāo)準(zhǔn)煤能效標(biāo)桿水平為805 kg/t、基準(zhǔn)水平為940 kg/t。截至2020年底,我國電石行業(yè)能效優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占3%,能效低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占25%。由此可以看出,電石行業(yè)目前落后產(chǎn)能多、能耗大。減少電石生產(chǎn)過程能耗,減少污染物排放,凈化及綜合利用電石爐氣,對環(huán)保節(jié)能具有重大意義。

在電石生產(chǎn)過程中,最大的污染源來自電石爐氣,電石爐可分為三種:開放式、半封閉式和全封閉式,開放式由于產(chǎn)生的煙氣直接排放,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,目前已被淘汰,半封閉式是在電石爐頂加了煙罩,操作環(huán)境有所改善,但綜合能耗偏高,環(huán)境污染依舊存在,為國家限制的技術(shù)[2]。目前的主要生產(chǎn)工藝為全封閉式。爐內(nèi)原材料的主要成分碳、鈣、空氣、水分等在高溫作用下反應(yīng)熱烈,除產(chǎn)生電石產(chǎn)品外,還伴有CO,CO2,H2,CH4,O2,N2等氣體、灰塵、油污等雜質(zhì),工藝參數(shù)見表1。

表1 電石爐氣工藝參數(shù)

2 電石爐氣凈化技術(shù)

根據(jù)電石爐氣工藝參數(shù),電石爐氣的主要成分為CO氣體,含有70～150 g/m3粉塵和少量焦油,因此在綜合利用電石爐氣前,必須經(jīng)過凈化處理。目前,全封閉式電石爐氣的凈化技術(shù)可分為以下三類[3]。

2.1 濕法凈化技術(shù)

濕法凈化技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用,其主要工藝流程是:電石爐氣經(jīng)過順流塔和逆流塔進(jìn)行初步清洗后,通過灰塵捕集器與水封進(jìn)一步去除塵土及煤焦油,然后爐氣經(jīng)洗氣機(jī)精洗。經(jīng)過濕法洗氣凈化技術(shù),爐氣中粉塵量可降至20 mg/m3以下,但凈化過程所產(chǎn)生的污水含氰,會引起二次污染。

濕法凈化技術(shù)工藝成熟、可靠性強(qiáng)、焦油及粉塵去除效果較好,但工藝流程復(fù)雜、動力消耗較大、占地面積大,且排出的含氰廢水會造成二次污染,環(huán)保性差,同時針對西北缺水且空氣濕度低的地區(qū),濕法凈化技術(shù)不適用。

2.2 干法凈化技術(shù)

干法凈化技術(shù)采用的過濾器種類較多,常用的有靜電除塵器、微孔陶瓷過濾器以及布袋過濾器。

靜電除塵過濾器的除塵效率較高,應(yīng)用廣泛,但用于電石爐氣凈化存在以下不足:一是電除塵的適用溫度有限,不能適用于600 ℃以上的溫度;二是對1 μm以下的粒徑較小的塵粒除塵效率低;三是冷卻后的爐氣溫度分布不均勻,當(dāng)溫度低于260 ℃時,爐氣中所含焦油發(fā)生黏結(jié),會引起設(shè)備堵塞甚至損壞,同時降低除塵效率。靜電除塵過濾器在20世紀(jì)60年代被應(yīng)用于電石爐氣凈化,但由于成本過高及除塵效率低等原因未能推廣應(yīng)用[4]。

微孔陶瓷過濾器是由德國研究開發(fā)和應(yīng)用的,陶瓷過濾器可將電石爐氣含塵量降到至5～10 mg/m3,凈化后的爐氣去除焦油并冷卻后送至生產(chǎn)使用。但由于該方法對過濾器及其配套設(shè)備材料的耐溫性能要求較高,整體造價與設(shè)備維護(hù)成本較高,在我國的應(yīng)用受到限制。

布袋除塵器是作為我國電石生產(chǎn)的重要設(shè)備從國外引進(jìn)的,該凈化技術(shù)是將電石爐氣首先通過空氣冷卻器將爐氣冷卻至250 ℃左右,隨后經(jīng)風(fēng)機(jī)送入布袋除塵器,通過布袋除塵器凈化后的電石爐氣含塵量可降至50 mg/m3以下。該技術(shù)曾在國內(nèi)數(shù)家電石廠采用,但由于后期出現(xiàn)管道、冷卻器及其他關(guān)鍵設(shè)備的嚴(yán)重堵灰,導(dǎo)致系統(tǒng)流程無法打通。后期,國內(nèi)相關(guān)公司對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并選用耐高溫濾袋,延長了使用周期并取得較好效果。

2.3 干法/濕法混合除塵技術(shù)

干法/濕法混合除塵工藝為:電石爐氣先由引風(fēng)機(jī)引出,然后經(jīng)換熱器降溫,進(jìn)入旋風(fēng)分離器除塵,該法的除塵效果約為80%～95%,爐氣含塵量可降至20～50 g/m3,隨后進(jìn)入濕法水洗塔進(jìn)行水洗凈化,將爐氣含塵量降至10 mg/m3以下,作為原料氣輸出。洗滌塔中用到的洗滌水通過沉降池沉降后進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng),沉降池中沉積形成的炭泥可與旋風(fēng)分離器收集的粉塵一起進(jìn)入燃煤鍋爐,作為可燃物燃燒。

3 電石爐氣綜合利用技術(shù)

全封閉式電石爐的爐氣主要成分為CO、H2,利用價值高,利用方式多樣,可作為燃料,也可作為化工原料使用。

3.1 燃料熱能利用

電石爐爐氣可用作石灰窯或鍋爐的燃料。常用的方式有直接燃燒利用技術(shù)和凈化后燃燒利用技術(shù)。直接燃燒工藝是將爐氣在鍋爐內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的過熱蒸汽用于發(fā)電或化工生產(chǎn)。該工藝采用流程簡單,系統(tǒng)可靠性強(qiáng),且占地面積小,煙氣的物理顯熱與塵粒、煤焦油的燃燒熱值均可得到充分利用,且燃燒后的煙塵含量降低,黏度降低,有利于捕集,同時所含氰化物在高溫下進(jìn)行分解,避免二次污染,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。凈化后燃燒利用技術(shù)是電石爐氣凈化后作為燃料用于石灰窯,經(jīng)過燃燒后可以采用常規(guī)煙氣除塵方法處理,該工藝可產(chǎn)出活性較好的石灰,對電石生產(chǎn)有利。采用爐氣燃燒熱能利用的方式,可實現(xiàn)熱能利用但并未根本解決溫室氣體的排放,且附加價值較低,并未將電石爐氣的價值最大化利用。

3.2 作為化工原料

全封閉式電石爐的爐氣主要成分為CO、H2,經(jīng)過凈化后,可生產(chǎn)合成氨、甲醇、二甲醚、甲酸鈉、乙二醇等化工產(chǎn)品,隨著碳一化工技術(shù)的發(fā)展,尤其是甲醇羰基化在工業(yè)上的應(yīng)用,為電石爐氣綜合利用提供了更多技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2.1 合成氨和甲醇

電石爐氣中含有氮氣,如爐氣單獨生產(chǎn)甲醇,氮氣將作為無效氣外排,不能夠充分利用,同時也增加了壓縮機(jī)功率。如單獨生產(chǎn)合成氨,系統(tǒng)則需要補充氮氣,增加投資成本。因此,采用醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝更合理,將甲醇生產(chǎn)工藝延伸至合成氨生產(chǎn),避免了有效氣的損失,提高爐氣的利用率。同時,用醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝和煤制甲醇工藝相比能耗與成本均有效降低,增加了經(jīng)濟(jì)效益。醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝的流程如圖1所示。

圖1 醇-氨聯(lián)產(chǎn)工藝的流程框圖

3.2.2 合成乙二醇(EG)

乙二醇主要由合成氣合成,其中合成氣H2與CO的體積比約為1.95,若將電石爐氣作為原料氣合成乙二醇,與傳統(tǒng)煤制乙二醇相比,省去了煤制氣的環(huán)節(jié),大大節(jié)省了原料成本,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

電石爐氣制乙二醇的工藝,其主要過程為:電石爐氣經(jīng)過電捕焦油器去除爐氣中的焦油和粉塵,加壓后進(jìn)入文丘里深度除塵,隨后經(jīng)過CO變換、MEDA脫碳、除水進(jìn)入變壓吸附提純一氧化碳裝置,分離出的一氧化碳?xì)怏w需進(jìn)一步純化除水,為后續(xù)反應(yīng)做好準(zhǔn)備,一氧化碳提純裝置中剩余的尾氣經(jīng)變壓吸附氫氣提純裝置分離出氫氣,隨后通過草酸酯法氣相合成所需產(chǎn)品乙二醇。

電石爐氣制乙二醇工藝不但可降低單位電石產(chǎn)品綜合能耗,達(dá)到節(jié)能降碳效果,同時為電石爐氣生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品提供了技術(shù)支撐。電石爐氣合成乙二醇工藝流程如圖2所示。

圖2 電石爐氣合成乙二醇工藝流程框圖

3.2.3 聚氯乙烯(PVC)

電石法合成PVC的生產(chǎn)路線中,有兩個重要反應(yīng)[5]:1)氫氣與氯氣生成氯化氫;2)氯化氫與乙炔合成氯乙烯。通常,在反應(yīng)過程中,為了使乙炔反應(yīng)完全,在合成氯乙烯的反應(yīng)中氯化氫是過量的,而過量的氯化氫會產(chǎn)生過量的游離氯,游離氯和反應(yīng)體系的乙炔會發(fā)生爆炸,因此整個反應(yīng)體系需要過量的氫氣,一般過量5%～10%。但氯化鈉在電解過程中,產(chǎn)生的氫氣和氯氣量相等,因此需要過量的氫源。電石爐氣中含有氫氣,通過變換及變壓吸附分離出后,可用于合成氯化氫,為PVC生產(chǎn)提供氫氣,替代了傳統(tǒng)PVC生產(chǎn)用天然氣制氫滿足生產(chǎn)需求的狀況,有效提高經(jīng)濟(jì)效益。電石爐氣應(yīng)用于PVC生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。

圖3 電石爐氣應(yīng)用于PVC生產(chǎn)工藝流程框圖

4 電石爐氣綜合利用經(jīng)濟(jì)性分析

電石爐氣的主要成分為CO、H2,凈化后可生產(chǎn)合成氨、甲醇、二甲醚、甲酸鈉、乙二醇等化工產(chǎn)品,主要應(yīng)用于碳一化工行業(yè),這里主要與煤制合成氣用于碳一化工的成本的比較與分析。

4.1 分析比較前提

1)電石爐氣生產(chǎn)合成氣與煤氣化生產(chǎn)合成氣的規(guī)格與規(guī)模相同;

2)煤制合成氣采用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)進(jìn)行對比;

3)電石爐氣用于項目外供給,單價按照以0.3元/m3計;

4)比較的工藝流程范圍為生產(chǎn)出合成氣環(huán)節(jié),不包含后續(xù)的脫硫、變換工藝。

4.2 能耗對比

基于以上的比較基準(zhǔn),分別對煤制合成氣與電石爐氣制合成氣工藝過程進(jìn)行計算與分析對比,分別從原料消耗及公用工程消耗進(jìn)行比較,得出能耗對比情況,如表2所示。

表2 電石爐氣制合成氣與煤制合成氣消耗比較(以制備10 000 m3合成氣為基準(zhǔn))

由表2可以得出結(jié)論,以電石爐氣為原料制合成氣的總體消耗要低于煤制合成氣,原因是電石爐氣是直接從電石廠采出,無需重在制備原料。而煤制合成氣技術(shù)是需要增加原料制備及公用工程費用,同時需要配套相應(yīng)的公用工程設(shè)備,總體消耗較高。

4.3 成本對比

由表2的消耗對比數(shù)據(jù)可得出,電石爐氣生產(chǎn)原料氣的工藝在計算成本時,只需要考慮電石爐氣本身的投資,電石爐氣屬于電石行業(yè)的尾氣,是副產(chǎn)品再利用,只需要考慮從外購入的單價即可,而煤氣化制合成氣需要考慮氣化及公用工程的費用,比較結(jié)果見表3。

表3 電石爐氣制合成氣與煤制合成氣成本比較(以制備10 000 m3合成氣為基準(zhǔn)) 單位:元

由表3比較結(jié)果可得出,以電石爐氣為原料制合成氣的成本降低顯著,該比較基于電石爐氣為外購得來,如果為電石廠自身供給進(jìn)行綜合利用,則成本的經(jīng)濟(jì)效益能夠大幅增加。

4.4 投資對比

根據(jù)原料不同,分別對電石爐氣制合成氣與煤制合成氣的整體投資進(jìn)行了比較與估算,結(jié)果見表4。

表4 電石爐氣制合成氣與煤制合成氣整體投資比較(以制備10 000 m3合成氣為基準(zhǔn)) 單位:萬元

從表4中可以看出,采用電石爐氣作為合成氣的投資明顯少于煤制合成氣,具有較好的價格優(yōu)勢。

4.5 電石生產(chǎn)規(guī)模的影響

通過以上比較分析,電石爐氣作為合成氣與煤制合成氣相比,無論在能耗還是投資方面都有較大的優(yōu)勢,但在利用電石爐氣作為合成氣工藝過程中,需要考慮電石裝置的生產(chǎn)規(guī)模大小,電石廠的生產(chǎn)裝置及規(guī)模較小,不能滿足后續(xù)的化工產(chǎn)品合成,更不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,使電石爐氣的綜合利用效益減少。因此,碳一合成項目的建設(shè)可與大型電石項目合作,由電石項目為碳一化工項目提供爐氣,達(dá)到資源的有效、互補、循環(huán)利用。

5 結(jié)語

綜上所述,電石爐氣綜合利用生產(chǎn)化工產(chǎn)品,無論在能源消耗還是投資成本上都有較高的優(yōu)勢,電石爐氣的凈化及綜合利用前景廣闊。目前,電石行業(yè)在向裝置大型化、密閉化及資源基地化發(fā)展。隨著碳一技術(shù)的不斷發(fā)展,為電石爐氣綜合利用提供了技術(shù)基礎(chǔ),凈化后的電石爐氣在羰基合成系列產(chǎn)品中前景廣闊。電石爐氣的凈化及綜合利用可降低單位電石產(chǎn)品綜合能耗,推動電石爐氣資源綜合利用改造,使行業(yè)節(jié)能降碳效果顯著,綠色低碳發(fā)展能力大幅度增強(qiáng),為我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和助力。