密闭电石炉尾气利用新途径
摘要:密闭电石炉尾气具有成分复杂、净化难、热值较高等特点。现有的利用方法存在可选择的成熟技术少、限制条件多等问题。以年产6万吨电石的电石厂为例，进行了技术经济分析，提出了具有分布式能源特征的密闭电石炉尾气利用途径。
关键词:电石炉尾气,利用,电石行业
引言
目前，我国每年产生的电石炉尾气超过150亿m3。处置方式基本为炉气直排或点火炬，不仅浪费了大量能源，也造成环境污染。国家对此十分重视，在《电石行业准入条件（2007年修订）》中明确规定“新建电石生产装置必须采用密闭式电石炉，电石炉气必须综合利用”，“密闭式电石装置的炉气（指CO气体）必须综合利用，正常生产时不允许炉气直排或点火炬”。
但由于电石炉尾气成分复杂，净化提纯难度大，国内外目前可供选用的真正成熟可行且实现了工业化生产的技术工艺很少，因而电石炉尾气回收利用率一直很低。截至2008年底，全国电石炉尾气的利用量尚不足15亿m3，利用率不足10％。每年因此损失约240万吨标准煤，同时排放约1200万吨二氧化碳和90余万吨粉尘。
研究开发经济合理、工艺技术可行的电石炉尾气利用途径，迫在眉睫。
1 密闭电石炉尾气的主要成分及特性
密闭电石炉具有焦耗及电耗低、装置易大型化、生产能力大、炉况稳定、产品质量好、炉气可全部回收利用等特点，是国家鼓励发展的炉型。电石炉尾气的成分复杂，含有一氧化碳、氢气、甲烷、乙炔、硫化物、磷化物、氰化物、煤焦油等十几种成分。
由于电石炉尾气含尘量大、温度高、易析出焦油、易燃易爆、成分复杂、气体压力小，因此对其输送、净化或是提纯的难度都很大，回收利用较难。
电石炉尾气的主要成分、参数如表1。
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2 密闭电石炉尾气利用途径分析
密闭电石炉尾气现有的利用途径可分为两大类：用做燃料或化工原料。
2.1 用做尾气锅炉燃料
该技术将密闭电石炉的含尘尾气直接引入特别设计的余热锅炉燃烧，充分利用电石炉尾气的显热、可燃气体（CO+H2，含量80％）的燃烧热和尾气中部分粉尘的燃烧热来生产蒸汽。同时通过锅炉炉膛、烟道落灰斗重力沉降及特别设计的电除尘器对烟气进行除尘处理，达到电石炉尾气热能利用及干法除尘的双重目的。
该技术巧妙地避开了电石炉尾气难以净化的难题，采取先燃烧后除尘的方案，一台尾气锅炉系统集除尘、供汽、消除有毒有害污染物于一体；电石炉出来的高温炉气经尾气锅炉煅烧后，粉尘中的氰化物含量为零，气体中的氰化物亦被完全分解。高温电石炉尾气不经冷却直接进入尾气锅炉燃烧，其炉气显热、可燃气体的燃烧热以及尾气中炭粉的燃烧热都得到了最大限度地利用，克服了干、湿法除尘装置需先对炉气进行冷却，易造成物理显热及除尘灰中炭尘燃烧热得不到利用的缺点，是目前较为成功的技术，国内已有西安化工厂、湖南省湘维有限公司、陕西榆电阳光化工有限公司等多家企业采用此法。
但该技术也存在一定的缺点和局限性：一是锅炉的运行完全受电石炉运行的影响，锅炉开停次数多，运转率受限，不能稳定供汽；二是需有蒸汽用户，否则必须配套系统复杂、投资大、热效率仅20%～25%的汽轮发电机组。
改进的方向是：采用国内成熟的循环流化床锅炉掺烧高炉和转炉煤气（转炉煤气的主要成分也是CO，但发热值没有电石炉尾气高）技术，掺烧热量比例可达20%～40%，实现锅炉稳定运行和汽轮发电装置规模化。
在有蒸汽用户的情况下，可首选采用尾气锅炉回收利用密闭电石炉尾气的技术。
2.2 用做电石生产的热源燃料
电石属高能耗产品，其生产过程中的石灰烧制、焦炭干燥等都需要大量的热源。采用电石炉尾气做热源燃料，可就近利用电石炉尾气，直接降低电石能耗，国内已有多家企业采用该技术。
宜昌香溪化工有限公司采用自行开发的尾气干法净化技术，回收的尾气全部用于气烧石灰窑，石灰再用于电石炉生产电石，即节约了资源，又保护了环境，实现了尾气平衡综合利用。
青海东胜化工有限公司将净化后的尾气通过输送管道引至焦炭烘干窑，用于焦炭烘干，其余用于烧制石灰和职工生活取暖、洗浴等，将25500KVA电石炉产生的尾气全部予以利用。
此种利用途径的缺点和局限性是：电石炉尾气需先除尘净化，净化过程易产生二次污染；目前，输送工艺、气烧石灰窑工艺本身还存在一些问题；净化后的尾气属高价值燃料，作为普通燃料使用太可惜。
2.3 用做化工原料
一氧化碳是一种用途广泛的化工原料，可以生产甲醇、甲酸、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、甲醛、聚甲醛等重要的一碳化工产品。
但密闭电石炉尾气作为化工原料，不仅需要除尘净化，而且需要提纯。特别作为合成氨、甲醇这些使用触媒的化工生产的原料，即使是微量的杂质，也可能导致触媒中毒造成生产无法进行，密闭电石炉尾气的净化提纯成了化工利用的最大技术障碍。
化工生产流程长、技术难度大、投资较大，从经济合理性来看，装置只有达到一定的规模才有效益。在没有成熟可靠的技术工艺和产业化示范装置的情况下，企业自然不愿冒这种风险。因而成功利用密闭电石炉尾气作为化工原料的工程实例，屈指可数。
2.3.1 生产甲酸
天津碳一公司于2005年成功开发出干湿两步法电石炉尾气净化制取甲酸钠技术，并于2006年率先在山东海力化工电石厂建成7万吨/年规模的甲酸钠生产线，产品质量达到优级品标准，一年即收回了全部投资。
从装置运行一年多的情况看，天津碳一公司的电石炉尾气净化制甲酸钠技术是比较成熟的，净化后能将炉气中的粉尘含量由200g/m3降至10mg/m3以下，一氧化碳提纯至90%以上，保证了甲酸钠生产对一氧化碳纯度的要求。
该技术是将CO气体经空压机压缩到反应釜与烧碱合成而成，生产工艺简单，没有触媒中毒问题，对一氧化碳的纯度要求不高，可用20%左右的液碱。
存在的主要问题是：在干气进入湿法脱尘系统后，炉气中的煤焦油与少量残存的粉尘易堵塞管道，运行一段时间就要清理，比较麻烦。
这套技术的最佳使用对象是电石-PVC-氯碱一体化企业。因为这些企业的电石炉尾气净化合成甲酸后，可以用企业自产的烧碱反应生成甲酸钠，既能实现电石炉尾气的综合利用，又能就地消化烧碱，减轻了企业的烧碱销售压力和运输成本，并能平衡和优化PVC-氯碱装置的工艺状况。
对于单纯的电石生产企业，采用该技术会受到烧碱运输、规模效益、市场等因素的制约。
2.3.2 生产其他化工产品
（1）合成氨
据报道，宁夏大地冶金化工有限公司正在建设的6万吨/年电石炉尾气生产合成氨项目，是国家发改委确定的国内首个电石炉尾气制合成氨试点项目。企业在原有的25,500kVA电石炉全密闭全自动尾气废渣回收利用技术研究的基础上，通过对电石炉尾气CO安全输送、电石炉尾气脱硫、增压与储存、高浓度CO气体的变换及脱炭等技术研究，将电石炉回收的尾气转化为化工级CO原料气，再用CO原料气生产合成氨。但目前尚未见投产报道。
（2）合成甲醇、二甲醚
一步法合成二甲醚是将合成气通过既有合成甲醇功能又有脱水功能的双功能催化剂，在催化剂的协同作用下合成二甲醚。其反应式如下：
CO＋2H2→CH3OH
2CH3OH→CH3OCH3＋H2O
副反应：CO＋H2O→CO2＋H2
电石炉尾气可通过部分CO转换获得等摩尔的H2，在5MPa、250℃和双功能催化剂作用下一步气固相合成二甲醚，经精馏得到高纯度产品。
但该法目前还处于工业性试验阶段，尚无大规模工业装置投入运行。
总之，目前国内外密闭电石炉尾气做化工原料的成熟技术还很少。
3 密闭电石炉尾气利用新途径
能源生产和供应形式多样化已经成为必然发展趋势，分布式能源是提高能源有效利用率、保护环境的有效途径，已受到世界各国的高度重视并得到广泛应用。
将净化后的电石炉尾气，作为燃气内燃机发电的燃料，具有典型的分布式能源特征，可大可小，附加值高，技术成熟可靠。
3.1 燃气内燃机发电原理
1876年，德国商人兼机械师奥托发明了人类第一台以煤气为燃料的四冲程内燃机，经过10年的不断改进，德国的另一个机械师“奔驰汽车之父”戴姆勒·本茨才将这种四冲程发动机改进为汽油发动机，直到1895年，狄塞尔才发明出柴油机。
燃气内燃机的工作原理基本与汽车发动机无异，由于内燃机气缸内的核心区域工作温度可以达到1400℃，因而其工作效率大大超过了蒸汽轮机和燃气轮机。燃气内燃机的发电效率通常在30％～40％之间，比较常见的机型一般可以达到35％。加上余热利用，总的电石炉尾气能量利用率可达80%以上。
3.2 燃气内燃机发电工艺流程
燃气内燃机发电系统分为三大部分，电石炉尾气预处理系统、发电系统、外部配套系统。具体包括电石炉尾气净化、冷却水循环、发电和输配电、余热利用装置、厂房土建等。其工艺流程如下图：
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3.3 燃气内燃机发电投资估算
以某电石厂每年生产6万吨电石为例，每吨电石产气400m3，年产气量2400万m3，小时产气量2740m3。1m3电石炉尾气热值约为2400大卡左右，1m3气能发1度电左右。上述气量用于发电，可装机容量达2740kW，采用6台CEG500-CC电石尾气发电机组，按年发电时间7500小时计算，年发电量可达2055万kW·h以上。机组发出的电压为400V，发电输出从用户的变压器低压端并入内部电网，可减少用户从市网的用电量，发电自动并网。主要投资内容及投资估算如表2所示。
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3.4 投资分析
（1）年发电量：发电装机容量2740kW，年发电时间7500小时，年发电量2055万kW·h。
（2）运行成本：包括人工、机油、维修及配件、消耗件、管理、不可预测等费用，折合单位发电成本为0.03元/kW·h。则年运行成本费用为=2055万kW·h×0.03元/kW·h=61.65万元。
（3）年发电收益：发电电价按用电电价0.55元/kW·h计算，年发电收益=年发电总量×发电电价=2055万kW·h×0.55元/kW·h=1130.25万元。
（4）经济效益：年收益=1130.25万元－61.65万元=1068.6万元。
（5）投资回收期：877.1万元÷1068.6万元=0.82年（约10个月）。
4 结论与建议
（1）电石炉尾气作为燃气内燃机燃料，具有显著的分布式能源特征，模块式设计可大可小，投资灵活，技术成熟可靠，能源利用效率高，投资回收期短。主要产品为电，无市场风险。特别适合我国电石生产企业多、分布广的国情。
（2）建议有关部门在《电石行业准入条件（2007年修订）》的基础上，制定相应的鼓励政策，促进电石炉尾气的利用，推进电石行业的节能减排工作。
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