密閉電石爐尾氣利用新途徑
摘要:密閉電石爐尾氣具有成分復(fù)雜、凈化難、熱值較高等特點(diǎn)，F(xiàn)有的利用方法存在可選擇的成熟技術(shù)少、限制條件多等問題。以年產(chǎn)6萬噸電石的電石廠為例，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出了具有分布式能源特征的密閉電石爐尾氣利用途徑。
關(guān)鍵詞:電石爐尾氣,利用,電石行業(yè)
引言
目前，我國每年產(chǎn)生的電石爐尾氣超過150億m3。處置方式基本為爐氣直排或點(diǎn)火炬，不僅浪費(fèi)了大量能源，也造成環(huán)境污染。國家對(duì)此十分重視，在《電石行業(yè)準(zhǔn)入條件（2007年修訂）》中明確規(guī)定“新建電石生產(chǎn)裝置必須采用密閉式電石爐，電石爐氣必須綜合利用”，“密閉式電石裝置的爐氣（指CO氣體）必須綜合利用，正常生產(chǎn)時(shí)不允許爐氣直排或點(diǎn)火炬”。
但由于電石爐尾氣成分復(fù)雜，凈化提純難度大，國內(nèi)外目前可供選用的真正成熟可行且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)工藝很少，因而電石爐尾氣回收利用率一直很低。截至2008年底，全國電石爐尾氣的利用量尚不足15億m3，利用率不足10％。每年因此損失約240萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)排放約1200萬噸二氧化碳和90余萬噸粉塵。
研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理、工藝技術(shù)可行的電石爐尾氣利用途徑，迫在眉睫。
1 密閉電石爐尾氣的主要成分及特性
密閉電石爐具有焦耗及電耗低、裝置易大型化、生產(chǎn)能力大、爐況穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量好、爐氣可全部回收利用等特點(diǎn)，是國家鼓勵(lì)發(fā)展的爐型。電石爐尾氣的成分復(fù)雜，含有一氧化碳、氫氣、甲烷、乙炔、硫化物、磷化物、氰化物、煤焦油等十幾種成分。
由于電石爐尾氣含塵量大、溫度高、易析出焦油、易燃易爆、成分復(fù)雜、氣體壓力小，因此對(duì)其輸送、凈化或是提純的難度都很大，回收利用較難。
電石爐尾氣的主要成分、參數(shù)如表1。
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2 密閉電石爐尾氣利用途徑分析
密閉電石爐尾氣現(xiàn)有的利用途徑可分為兩大類：用做燃料或化工原料。
2.1 用做尾氣鍋爐燃料
該技術(shù)將密閉電石爐的含塵尾氣直接引入特別設(shè)計(jì)的余熱鍋爐燃燒，充分利用電石爐尾氣的顯熱、可燃?xì)怏w（CO+H2，含量80％）的燃燒熱和尾氣中部分粉塵的燃燒熱來生產(chǎn)蒸汽。同時(shí)通過鍋爐爐膛、煙道落灰斗重力沉降及特別設(shè)計(jì)的電除塵器對(duì)煙氣進(jìn)行除塵處理，達(dá)到電石爐尾氣熱能利用及干法除塵的雙重目的。
該技術(shù)巧妙地避開了電石爐尾氣難以凈化的難題，采取先燃燒后除塵的方案，一臺(tái)尾氣鍋爐系統(tǒng)集除塵、供汽、消除有毒有害污染物于一體；電石爐出來的高溫爐氣經(jīng)尾氣鍋爐煅燒后，粉塵中的氰化物含量為零，氣體中的氰化物亦被完全分解。高溫電石爐尾氣不經(jīng)冷卻直接進(jìn)入尾氣鍋爐燃燒，其爐氣顯熱、可燃?xì)怏w的燃燒熱以及尾氣中炭粉的燃燒熱都得到了最大限度地利用，克服了干、濕法除塵裝置需先對(duì)爐氣進(jìn)行冷卻，易造成物理顯熱及除塵灰中炭塵燃燒熱得不到利用的缺點(diǎn)，是目前較為成功的技術(shù)，國內(nèi)已有西安化工廠、湖南省湘維有限公司、陜西榆電陽光化工有限公司等多家企業(yè)采用此法。
但該技術(shù)也存在一定的缺點(diǎn)和局限性：一是鍋爐的運(yùn)行完全受電石爐運(yùn)行的影響，鍋爐開停次數(shù)多，運(yùn)轉(zhuǎn)率受限，不能穩(wěn)定供汽；二是需有蒸汽用戶，否則必須配套系統(tǒng)復(fù)雜、投資大、熱效率僅20%～25%的汽輪發(fā)電機(jī)組。
改進(jìn)的方向是：采用國內(nèi)成熟的循環(huán)流化床鍋爐摻燒高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣（轉(zhuǎn)爐煤氣的主要成分也是CO，但發(fā)熱值沒有電石爐尾氣高）技術(shù)，摻燒熱量比例可達(dá)20%～40%，實(shí)現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行和汽輪發(fā)電裝置規(guī)模化。
在有蒸汽用戶的情況下，可首選采用尾氣鍋爐回收利用密閉電石爐尾氣的技術(shù)。
2.2 用做電石生產(chǎn)的熱源燃料
電石屬高能耗產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程中的石灰燒制、焦炭干燥等都需要大量的熱源。采用電石爐尾氣做熱源燃料，可就近利用電石爐尾氣，直接降低電石能耗，國內(nèi)已有多家企業(yè)采用該技術(shù)。
宜昌香溪化工有限公司采用自行開發(fā)的尾氣干法凈化技術(shù)，回收的尾氣全部用于氣燒石灰窯，石灰再用于電石爐生產(chǎn)電石，即節(jié)約了資源，又保護(hù)了環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了尾氣平衡綜合利用。
青海東勝化工有限公司將凈化后的尾氣通過輸送管道引至焦炭烘干窯，用于焦炭烘干，其余用于燒制石灰和職工生活取暖、洗浴等，將25500KVA電石爐產(chǎn)生的尾氣全部予以利用。
此種利用途徑的缺點(diǎn)和局限性是：電石爐尾氣需先除塵凈化，凈化過程易產(chǎn)生二次污染；目前，輸送工藝、氣燒石灰窯工藝本身還存在一些問題；凈化后的尾氣屬高價(jià)值燃料，作為普通燃料使用太可惜。
2.3 用做化工原料
一氧化碳是一種用途廣泛的化工原料，可以生產(chǎn)甲醇、甲酸、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、甲醛、聚甲醛等重要的一碳化工產(chǎn)品。
但密閉電石爐尾氣作為化工原料，不僅需要除塵凈化，而且需要提純。特別作為合成氨、甲醇這些使用觸媒的化工生產(chǎn)的原料，即使是微量的雜質(zhì)，也可能導(dǎo)致觸媒中毒造成生產(chǎn)無法進(jìn)行，密閉電石爐尾氣的凈化提純成了化工利用的最大技術(shù)障礙。
化工生產(chǎn)流程長、技術(shù)難度大、投資較大，從經(jīng)濟(jì)合理性來看，裝置只有達(dá)到一定的規(guī)模才有效益。在沒有成熟可靠的技術(shù)工藝和產(chǎn)業(yè)化示范裝置的情況下，企業(yè)自然不愿冒這種風(fēng)險(xiǎn)。因而成功利用密閉電石爐尾氣作為化工原料的工程實(shí)例，屈指可數(shù)。
2.3.1 生產(chǎn)甲酸
天津碳一公司于2005年成功開發(fā)出干濕兩步法電石爐尾氣凈化制取甲酸鈉技術(shù)，并于2006年率先在山東海力化工電石廠建成7萬噸/年規(guī)模的甲酸鈉生產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到優(yōu)級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)，一年即收回了全部投資。
從裝置運(yùn)行一年多的情況看，天津碳一公司的電石爐尾氣凈化制甲酸鈉技術(shù)是比較成熟的，凈化后能將爐氣中的粉塵含量由200g/m3降至10mg/m3以下，一氧化碳提純至90%以上，保證了甲酸鈉生產(chǎn)對(duì)一氧化碳純度的要求。
該技術(shù)是將CO氣體經(jīng)空壓機(jī)壓縮到反應(yīng)釜與燒堿合成而成，生產(chǎn)工藝簡單，沒有觸媒中毒問題，對(duì)一氧化碳的純度要求不高，可用20%左右的液堿。
存在的主要問題是：在干氣進(jìn)入濕法脫塵系統(tǒng)后，爐氣中的煤焦油與少量殘存的粉塵易堵塞管道，運(yùn)行一段時(shí)間就要清理，比較麻煩。
這套技術(shù)的最佳使用對(duì)象是電石-PVC-氯堿一體化企業(yè)。因?yàn)檫@些企業(yè)的電石爐尾氣凈化合成甲酸后，可以用企業(yè)自產(chǎn)的燒堿反應(yīng)生成甲酸鈉，既能實(shí)現(xiàn)電石爐尾氣的綜合利用，又能就地消化燒堿，減輕了企業(yè)的燒堿銷售壓力和運(yùn)輸成本，并能平衡和優(yōu)化PVC-氯堿裝置的工藝狀況。
對(duì)于單純的電石生產(chǎn)企業(yè)，采用該技術(shù)會(huì)受到燒堿運(yùn)輸、規(guī)模效益、市場等因素的制約。
2.3.2 生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品
（1）合成氨
據(jù)報(bào)道，寧夏大地冶金化工有限公司正在建設(shè)的6萬噸/年電石爐尾氣生產(chǎn)合成氨項(xiàng)目，是國家發(fā)改委確定的國內(nèi)首個(gè)電石爐尾氣制合成氨試點(diǎn)項(xiàng)目。企業(yè)在原有的25,500kVA電石爐全密閉全自動(dòng)尾氣廢渣回收利用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電石爐尾氣CO安全輸送、電石爐尾氣脫硫、增壓與儲(chǔ)存、高濃度CO氣體的變換及脫炭等技術(shù)研究，將電石爐回收的尾氣轉(zhuǎn)化為化工級(jí)CO原料氣，再用CO原料氣生產(chǎn)合成氨。但目前尚未見投產(chǎn)報(bào)道。
（2）合成甲醇、二甲醚
一步法合成二甲醚是將合成氣通過既有合成甲醇功能又有脫水功能的雙功能催化劑，在催化劑的協(xié)同作用下合成二甲醚。其反應(yīng)式如下：
CO＋2H2→CH3OH
2CH3OH→CH3OCH3＋H2O
副反應(yīng)：CO＋H2O→CO2＋H2
電石爐尾氣可通過部分CO轉(zhuǎn)換獲得等摩爾的H2，在5MPa、250℃和雙功能催化劑作用下一步氣固相合成二甲醚，經(jīng)精餾得到高純度產(chǎn)品。
但該法目前還處于工業(yè)性試驗(yàn)階段，尚無大規(guī)模工業(yè)裝置投入運(yùn)行。
總之，目前國內(nèi)外密閉電石爐尾氣做化工原料的成熟技術(shù)還很少。
3 密閉電石爐尾氣利用新途徑
能源生產(chǎn)和供應(yīng)形式多樣化已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢，分布式能源是提高能源有效利用率、保護(hù)環(huán)境的有效途徑，已受到世界各國的高度重視并得到廣泛應(yīng)用。
將凈化后的電石爐尾氣，作為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電的燃料，具有典型的分布式能源特征，可大可小，附加值高，技術(shù)成熟可靠。
3.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電原理
1876年，德國商人兼機(jī)械師奧托發(fā)明了人類第一臺(tái)以煤氣為燃料的四沖程內(nèi)燃機(jī)，經(jīng)過10年的不斷改進(jìn)，德國的另一個(gè)機(jī)械師“奔馳汽車之父”戴姆勒·本茨才將這種四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，直到1895年，狄塞爾才發(fā)明出柴油機(jī)。
燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的工作原理基本與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)無異，由于內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的核心區(qū)域工作溫度可以達(dá)到1400℃，因而其工作效率大大超過了蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電效率通常在30％～40％之間，比較常見的機(jī)型一般可以達(dá)到35％。加上余熱利用，總的電石爐尾氣能量利用率可達(dá)80%以上。
3.2 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電工藝流程
燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)分為三大部分，電石爐尾氣預(yù)處理系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、外部配套系統(tǒng)。具體包括電石爐尾氣凈化、冷卻水循環(huán)、發(fā)電和輸配電、余熱利用裝置、廠房土建等。其工藝流程如下圖：
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3.3 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電投資估算
以某電石廠每年生產(chǎn)6萬噸電石為例，每噸電石產(chǎn)氣400m3，年產(chǎn)氣量2400萬m3，小時(shí)產(chǎn)氣量2740m3。1m3電石爐尾氣熱值約為2400大卡左右，1m3氣能發(fā)1度電左右。上述氣量用于發(fā)電，可裝機(jī)容量達(dá)2740kW，采用6臺(tái)CEG500-CC電石尾氣發(fā)電機(jī)組，按年發(fā)電時(shí)間7500小時(shí)計(jì)算，年發(fā)電量可達(dá)2055萬kW·h以上。機(jī)組發(fā)出的電壓為400V，發(fā)電輸出從用戶的變壓器低壓端并入內(nèi)部電網(wǎng)，可減少用戶從市網(wǎng)的用電量，發(fā)電自動(dòng)并網(wǎng)。主要投資內(nèi)容及投資估算如表2所示。
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3.4 投資分析
（1）年發(fā)電量：發(fā)電裝機(jī)容量2740kW，年發(fā)電時(shí)間7500小時(shí)，年發(fā)電量2055萬kW·h。
（2）運(yùn)行成本：包括人工、機(jī)油、維修及配件、消耗件、管理、不可預(yù)測等費(fèi)用，折合單位發(fā)電成本為0.03元/kW·h。則年運(yùn)行成本費(fèi)用為=2055萬kW·h×0.03元/kW·h=61.65萬元。
（3）年發(fā)電收益：發(fā)電電價(jià)按用電電價(jià)0.55元/kW·h計(jì)算，年發(fā)電收益=年發(fā)電總量×發(fā)電電價(jià)=2055萬kW·h×0.55元/kW·h=1130.25萬元。
（4）經(jīng)濟(jì)效益：年收益=1130.25萬元－61.65萬元=1068.6萬元。
（5）投資回收期：877.1萬元÷1068.6萬元=0.82年（約10個(gè)月）。
4 結(jié)論與建議
（1）電石爐尾氣作為燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃料，具有顯著的分布式能源特征，模塊式設(shè)計(jì)可大可小，投資靈活，技術(shù)成熟可靠，能源利用效率高，投資回收期短。主要產(chǎn)品為電，無市場風(fēng)險(xiǎn)。特別適合我國電石生產(chǎn)企業(yè)多、分布廣的國情。
（2）建議有關(guān)部門在《電石行業(yè)準(zhǔn)入條件（2007年修訂）》的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，促進(jìn)電石爐尾氣的利用，推進(jìn)電石行業(yè)的節(jié)能減排工作。
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