电石炉气净化及综合利用分析

姚珏

(兰州石化职业技术大学,甘肃 兰州 730300)

1 电石炉气净化及综合利用的必要性

电石是化工的基础原料,可用于多种化学品的合成[1]。我国是电石大国,年产电石超过2 500万t,副产电石炉气已超过120亿m3,电石生产属于传统煤化工行业,是我国重点能源消耗产业之一,其生产方法为电热法,主要设备为电石炉。

根据《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)》,电石标准煤能效标杆水平为805 kg/t、基准水平为940 kg/t。截至2020年底,我国电石行业能效优于标杆水平的产能约占3%,能效低于基准水平的产能约占25%。由此可以看出,电石行业目前落后产能多、能耗大。减少电石生产过程能耗,减少污染物排放,净化及综合利用电石炉气,对环保节能具有重大意义。

在电石生产过程中,最大的污染源来自电石炉气,电石炉可分为三种:开放式、半封闭式和全封闭式,开放式由于产生的烟气直接排放,造成严重的环境污染,目前已被淘汰,半封闭式是在电石炉顶加了烟罩,操作环境有所改善,但综合能耗偏高,环境污染依旧存在,为国家限制的技术[2]。目前的主要生产工艺为全封闭式。炉内原材料的主要成分碳、钙、空气、水分等在高温作用下反应热烈,除产生电石产品外,还伴有CO,CO2,H2,CH4,O2,N2等气体、灰尘、油污等杂质,工艺参数见表1。

表1 电石炉气工艺参数

2 电石炉气净化技术

根据电石炉气工艺参数,电石炉气的主要成分为CO气体,含有70～150 g/m3粉尘和少量焦油,因此在综合利用电石炉气前,必须经过净化处理。目前,全封闭式电石炉气的净化技术可分为以下三类[3]。

2.1 湿法净化技术

湿法净化技术在国内外应用,其主要工艺流程是:电石炉气经过顺流塔和逆流塔进行初步清洗后,通过灰尘捕集器与水封进一步去除尘土及煤焦油,然后炉气经洗气机精洗。经过湿法洗气净化技术,炉气中粉尘量可降至20 mg/m3以下,但净化过程所产生的污水含氰,会引起二次污染。

湿法净化技术工艺成熟、可靠性强、焦油及粉尘去除效果较好,但工艺流程复杂、动力消耗较大、占地面积大,且排出的含氰废水会造成二次污染,环保性差,同时针对西北缺水且空气湿度低的地区,湿法净化技术不适用。

2.2 干法净化技术

干法净化技术采用的过滤器种类较多,常用的有静电除尘器、微孔陶瓷过滤器以及布袋过滤器。

静电除尘过滤器的除尘效率较高,应用广泛,但用于电石炉气净化存在以下不足:一是电除尘的适用温度有限,不能适用于600 ℃以上的温度;二是对1 μm以下的粒径较小的尘粒除尘效率低;三是冷却后的炉气温度分布不均匀,当温度低于260 ℃时,炉气中所含焦油发生黏结,会引起设备堵塞甚至损坏,同时降低除尘效率。静电除尘过滤器在20世纪60年代被应用于电石炉气净化,但由于成本过高及除尘效率低等原因未能推广应用[4]。

微孔陶瓷过滤器是由德国研究开发和应用的,陶瓷过滤器可将电石炉气含尘量降到至5～10 mg/m3,净化后的炉气去除焦油并冷却后送至生产使用。但由于该方法对过滤器及其配套设备材料的耐温性能要求较高,整体造价与设备维护成本较高,在我国的应用受到限制。

布袋除尘器是作为我国电石生产的重要设备从国外引进的,该净化技术是将电石炉气首先通过空气冷却器将炉气冷却至250 ℃左右,随后经风机送入布袋除尘器,通过布袋除尘器净化后的电石炉气含尘量可降至50 mg/m3以下。该技术曾在国内数家电石厂采用,但由于后期出现管道、冷却器及其他关键设备的严重堵灰,导致系统流程无法打通。后期,国内相关公司对其结构进行优化并选用耐高温滤袋,延长了使用周期并取得较好效果。

2.3 干法/湿法混合除尘技术

干法/湿法混合除尘工艺为:电石炉气先由引风机引出,然后经换热器降温,进入旋风分离器除尘,该法的除尘效果约为80%～95%,炉气含尘量可降至20～50 g/m3,随后进入湿法水洗塔进行水洗净化,将炉气含尘量降至10 mg/m3以下,作为原料气输出。洗涤塔中用到的洗涤水通过沉降池沉降后进入循环水系统,沉降池中沉积形成的炭泥可与旋风分离器收集的粉尘一起进入燃煤锅炉,作为可燃物燃烧。

3 电石炉气综合利用技术

全封闭式电石炉的炉气主要成分为CO、H2,利用价值高,利用方式多样,可作为燃料,也可作为化工原料使用。

3.1 燃料热能利用

电石炉炉气可用作石灰窑或锅炉的燃料。常用的方式有直接燃烧利用技术和净化后燃烧利用技术。直接燃烧工艺是将炉气在锅炉内燃烧后产生的过热蒸汽用于发电或化工生产。该工艺采用流程简单,系统可靠性强,且占地面积小,烟气的物理显热与尘粒、煤焦油的燃烧热值均可得到充分利用,且燃烧后的烟尘含量降低,黏度降低,有利于捕集,同时所含氰化物在高温下进行分解,避免二次污染,达到排放标准。净化后燃烧利用技术是电石炉气净化后作为燃料用于石灰窑,经过燃烧后可以采用常规烟气除尘方法处理,该工艺可产出活性较好的石灰,对电石生产有利。采用炉气燃烧热能利用的方式,可实现热能利用但并未根本解决温室气体的排放,且附加价值较低,并未将电石炉气的价值最大化利用。

3.2 作为化工原料

全封闭式电石炉的炉气主要成分为CO、H2,经过净化后,可生产合成氨、甲醇、二甲醚、甲酸钠、乙二醇等化工产品,随着碳一化工技术的发展,尤其是甲醇羰基化在工业上的应用,为电石炉气综合利用提供了更多技术基础。

3.2.1 合成氨和甲醇

电石炉气中含有氮气,如炉气单独生产甲醇,氮气将作为无效气外排,不能够充分利用,同时也增加了压缩机功率。如单独生产合成氨,系统则需要补充氮气,增加投资成本。因此,采用醇-氨联产工艺更合理,将甲醇生产工艺延伸至合成氨生产,避免了有效气的损失,提高炉气的利用率。同时,用醇-氨联产工艺和煤制甲醇工艺相比能耗与成本均有效降低,增加了经济效益。醇-氨联产工艺的流程如图1所示。

图1 醇-氨联产工艺的流程框图

3.2.2 合成乙二醇(EG)

乙二醇主要由合成气合成,其中合成气H2与CO的体积比约为1.95,若将电石炉气作为原料气合成乙二醇,与传统煤制乙二醇相比,省去了煤制气的环节,大大节省了原料成本,具有良好的经济效益。

电石炉气制乙二醇的工艺,其主要过程为:电石炉气经过电捕焦油器去除炉气中的焦油和粉尘,加压后进入文丘里深度除尘,随后经过CO变换、MEDA脱碳、除水进入变压吸附提纯一氧化碳装置,分离出的一氧化碳气体需进一步纯化除水,为后续反应做好准备,一氧化碳提纯装置中剩余的尾气经变压吸附氢气提纯装置分离出氢气,随后通过草酸酯法气相合成所需产品乙二醇。

电石炉气制乙二醇工艺不但可降低单位电石产品综合能耗,达到节能降碳效果,同时为电石炉气生产高附加值化工产品提供了技术支撑。电石炉气合成乙二醇工艺流程如图2所示。

图2 电石炉气合成乙二醇工艺流程框图

3.2.3 聚氯乙烯(PVC)

电石法合成PVC的生产路线中,有两个重要反应[5]:1)氢气与氯气生成氯化氢;2)氯化氢与乙炔合成氯乙烯。通常,在反应过程中,为了使乙炔反应完全,在合成氯乙烯的反应中氯化氢是过量的,而过量的氯化氢会产生过量的游离氯,游离氯和反应体系的乙炔会发生爆炸,因此整个反应体系需要过量的氢气,一般过量5%～10%。但氯化钠在电解过程中,产生的氢气和氯气量相等,因此需要过量的氢源。电石炉气中含有氢气,通过变换及变压吸附分离出后,可用于合成氯化氢,为PVC生产提供氢气,替代了传统PVC生产用天然气制氢满足生产需求的状况,有效提高经济效益。电石炉气应用于PVC生产工艺流程如图3所示。

图3 电石炉气应用于PVC生产工艺流程框图

4 电石炉气综合利用经济性分析

电石炉气的主要成分为CO、H2,净化后可生产合成氨、甲醇、二甲醚、甲酸钠、乙二醇等化工产品,主要应用于碳一化工行业,这里主要与煤制合成气用于碳一化工的成本的比较与分析。

4.1 分析比较前提

1)电石炉气生产合成气与煤气化生产合成气的规格与规模相同;

2)煤制合成气采用多喷嘴对置式水煤浆气化技术进行对比;

3)电石炉气用于项目外供给,单价按照以0.3元/m3计;

4)比较的工艺流程范围为生产出合成气环节,不包含后续的脱硫、变换工艺。

4.2 能耗对比

基于以上的比较基准,分别对煤制合成气与电石炉气制合成气工艺过程进行计算与分析对比,分别从原料消耗及公用工程消耗进行比较,得出能耗对比情况,如表2所示。

表2 电石炉气制合成气与煤制合成气消耗比较(以制备10 000 m3合成气为基准)

由表2可以得出结论,以电石炉气为原料制合成气的总体消耗要低于煤制合成气,原因是电石炉气是直接从电石厂采出,无需重在制备原料。而煤制合成气技术是需要增加原料制备及公用工程费用,同时需要配套相应的公用工程设备,总体消耗较高。

4.3 成本对比

由表2的消耗对比数据可得出,电石炉气生产原料气的工艺在计算成本时,只需要考虑电石炉气本身的投资,电石炉气属于电石行业的尾气,是副产品再利用,只需要考虑从外购入的单价即可,而煤气化制合成气需要考虑气化及公用工程的费用,比较结果见表3。

表3 电石炉气制合成气与煤制合成气成本比较(以制备10 000 m3合成气为基准) 单位:元

由表3比较结果可得出,以电石炉气为原料制合成气的成本降低显著,该比较基于电石炉气为外购得来,如果为电石厂自身供给进行综合利用,则成本的经济效益能够大幅增加。

4.4 投资对比

根据原料不同,分别对电石炉气制合成气与煤制合成气的整体投资进行了比较与估算,结果见表4。

表4 电石炉气制合成气与煤制合成气整体投资比较(以制备10 000 m3合成气为基准) 单位:万元

从表4中可以看出,采用电石炉气作为合成气的投资明显少于煤制合成气,具有较好的价格优势。

4.5 电石生产规模的影响

通过以上比较分析,电石炉气作为合成气与煤制合成气相比,无论在能耗还是投资方面都有较大的优势,但在利用电石炉气作为合成气工艺过程中,需要考虑电石装置的生产规模大小,电石厂的生产装置及规模较小,不能满足后续的化工产品合成,更不能产生经济效益,使电石炉气的综合利用效益减少。因此,碳一合成项目的建设可与大型电石项目合作,由电石项目为碳一化工项目提供炉气,达到资源的有效、互补、循环利用。

5 结语

综上所述,电石炉气综合利用生产化工产品,无论在能源消耗还是投资成本上都有较高的优势,电石炉气的净化及综合利用前景广阔。目前,电石行业在向装置大型化、密闭化及资源基地化发展。随着碳一技术的不断发展,为电石炉气综合利用提供了技术基础,净化后的电石炉气在羰基合成系列产品中前景广阔。电石炉气的净化及综合利用可降低单位电石产品综合能耗,推动电石炉气资源综合利用改造,使行业节能降碳效果显著,绿色低碳发展能力大幅度增强,为我国实现碳达峰、碳中和助力。