电石炉气在循环经济中的综合利用

[摘要]本文简述了电石炉气的特性和利用价值。从电石炉气主要由CO和H2(约90%)组成这一事实可以看出，电石炉气可用作燃料和化工原料。但单纯用电石炉气做燃料并不能使其价值最大化，以电石炉气为原料开发高附加值的化工产品更有意义。因此，本文重点研究利用密闭电石炉尾气生产碳一化工产品的工艺，并与煤化工中的煤气化工艺进行比较。发现以电石炉气为原料的工艺不仅可以充分利用电石炉气中的有效气体成分，减少碳排放和环境污染，同时有效降低碳一化工产品的生产成本和建设投资。

[关键词]电石炉气；循环经济；谷一

电石是有机化工的基础原料，用它制成的乙炔可以生产醋酸、醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙炔黑等一系列上千种有机产品。在国内电石行业，无论是全封闭电石炉、内燃半封闭电石炉还是敞开式电石炉，尾气都没有得到很好的利用，有的甚至直接放空燃烧，造成了极大的资源浪费。

1电石炉的气体特性及利用价值

1.1电石炉的气体特性

密闭炉生产电石时，每吨电石的副产气体量约为400Nm3[1-2]，其典型组成和物性见表1。从表1可以看出，炉气中含有大量的粉尘，粘、轻、细，不易捕捉。炉气中含有少量焦油，温度高于225℃时呈气态，低于225℃时易沉淀，会造成除尘袋粘堵；炉气本身温度较高，含有大量难以去除的粉尘，控制难度较大，使用前需要充分净化。

1.2电石炉气的利用价值

从电石炉气的成分可以看出，炉气中含有大量的CO和H2，是很好的燃料和化工原料。利用好这种气体可以产生巨大的经济效益和社会效益。以2017年全国电石产量2500万吨计算，副产电石炉气总量达到约1000亿Nm3。如果能全部回收，大约可以得到75亿Nm3CO和7.5亿Nm3H2。因此，炉气的净化利用对实现能源循环利用、降低生产成本、提高经济效益具有重要意义。

2.化学工业中电石炉气的利用及经济分析

目前一些企业的电石炉气只是经过简单处理后作为燃料烧石灰和锅炉，炉气的价值没有得到最大化利用。电石炉气的主要成分是一氧化碳和H2。CO和H2经深度净化后可用于开发后续高附加值化工产品，可用于生产合成氨、甲醇、乙二醇、二甲醚、甲酸钠等高附加值化工产品[4]。目前，国内生产甲酸钠、合成氨和乙二醇的装置已成功建成。详情见表2。

2.1合成氨和甲醇

[3]根据原料气分析和物料平衡计算，电石尾气中氮气的体积分数约为5%。比如单位面积生产甲醇，5%的氮气会作为无效气体排出，增加了压缩机的无效功；比如合成氨单位产量的话就要给系统加氮气，增加新的制氮装置，增加投资。综合考虑，如果采用醇氨联产工艺，即甲醇生产与合成氨串联，利用炉气中的N2和H2进行合成氨，避免了甲醇合成过程中惰性气体排放造成的大量有效气体的损失。醇氨联产工艺不仅最大限度地利用了电石炉气，减少了排放，还创造了经济效益。醇氨联产工艺流程图见1。以电石炉气为原料，醇氨联产工艺具有以下优点:(1)充分利用了电石炉气中的气体成分，炉气利用率较高；(2)利用甲醇合成后尾气中的副产品液氨，不仅最大限度地利用了电石炉气，还创造了经济效益；(3)能耗低，明显低于国内燃煤甲醇生产工艺；(4)成本低，明显低于国内燃煤甲醇生产工艺。

2.2乙二醇

乙二醇合成气是高纯度的H2(99.9%，vol)和CO(99%，vol)，H2和CO的体积比约为1.95。如果以电石炉气作为乙二醇合成气，与以煤为原料相比，省去了煤制气的过程，消耗低，原料成本大大降低，无疑是一条优于单纯以煤生产乙二醇的原料路线。电石炉气合成乙二醇的工艺流程见图2。可见，电石炉气只需经过适当的转化和分离就可以作为乙二醇的原料制氢，不需要煤气化的过程，可以节省大量投资，具有良好的经济效益和社会效益。从我国电石炉气在化工产品中的利用来看，新疆天业集团取得了成功。新疆天业于2011年7月在新疆石河子开工建设25万吨/年煤制乙二醇项目一期工程，以电石炉气为原料，年产5万吨乙二醇。一期工程于2013年6月竣工，成功生产出优级乙二醇，纯度超过国家优级品标准。在一期成功的基础上，20万吨/年乙二醇二期工程于2013年5月开工建设，2015年9月建成投产。

2.3聚氯乙烯

[4]电石法生产的-PVC除了用于C1化工外，还有两个重要的化学反应过程:(1)氢气和氯气反应合成氯化氢；(2)氯化氢和乙炔反应合成氯乙烯。氯化氢合成过程中，为了避免氯化氢中游离氯含量过高时乙炔爆炸，参与反应的氢气一般为10%左右。但是电解氯化钠时，产生的氯气和氢气量是一样的，需要过量的氢气资源。而氯碱企业一般依靠生产液氯来平衡氢气的不足，或者采用水电解制氢或天然气制氢来补充氢气，会带来投资增加、生产成本上升的问题。根据电石炉气的组成，炉气中含有约80%的CO和5%~10%的H2(按体积计)，这样回收的炉气可通过等温变换、变压吸附等工艺分离出来，合成氯化氢，剩余的CO可继续用作碳一化工的原料。炉气回收利用的工艺流程如图3所示。在氯碱行业利润较低的情况下，炉气的回收利用不仅降低了电石生产成本，还为PVC生产提供了氢气，经济效益显著。

2.4“炉气回收的经济分析”

以煤和电石炉气为原料生产乙二醇合成气，主要的成本差异体现在合成气原料气的制备上，所以煤基合成气和电石炉气的成本主要作为合成气的处理成本进行比较。2.4.1比较前提(1)生产相同规格、相同量的合成气(H2+一氧化碳)；(2)煤制天然气被认为是水煤浆气化过程；(3)电石炉气在项目外供应，按0.3元/Nm3计价；(4)将原料气比作合成气，即不考虑后续的转化分离。2.4.2消耗对比基于2.4.1的对比前提，对煤气和电石炉气生产合成气的工艺进行计算分析，得出两种工艺的原料和公用工程消耗，如表3所示。从表3中可以明显看出，原料采用电石炉气，原料气由电石厂直接供应，消耗已包含在电石生产中，因此原料气已为化工厂准备；但如果采用煤气化，造气过程中要增加公用工程和原煤的消耗，这就需要保证项目所在地的煤炭资源，同时需要建设煤气化的公用工程。2.4.3成本对比根据表3中的消耗情况可以看出，电石炉气是原料气，只需要计算原料电石炉气的成本。实际上电石炉气是电石生产的副产品，所以其成本可以认为是零。本次比较认为，电石炉气是从项目外的电石厂购买的，应按购买价格计入原料气成本。成本比较结果如表4所示。从表4的对比结果来看，若以电石炉气为原料，每1000Nm3合成气成本可降低200元以上，每吨乙二醇成本可降低500元左右，非常显著。如果电石炉气可以内部供应，电石炉气的成本可以忽略不计，合成气的成本可以更显著地降低。2.4.4投资比较由于合成气来源不同，投资差异会比较大。对煤气和电石炉气的投资差异进行了比较和估算，比较结果见表5。从表5可以看出，如果煤制气投资基准值为0，合成气规模为93750 nm3/h(可满足30万吨/年乙二醇生产)，以电石炉气为原料的一次性投资可减少约9.5亿。

2.5电石结垢的影响

虽然电石炉气作为合成气的原料，在投资和运行成本上比煤制气路线低很多，但是用好电石炉气还是要看电石装置的规模。比如用电石炉气生产甲酸钠，654.38+万吨/年的电石可配7万吨/年的甲酸钠装置；而利用电石炉气生产合成氨、甲醇、乙二醇等高附加值化工产品，65438+万吨/年的电石只能支撑3.6万吨/年的甲醇或合成氨装置。这样的小化工厂很难产生经济效益，相当于利用了电石炉气的资源，却在配套的化工厂上消耗了更多的能源，大大降低了电石炉气回收利用的社会效益、经济效益、环保效益和节能效益。因此，在使用电石炉气时，必须考虑电石厂的规模。目前从新疆、内蒙古等地的电石企业来看，规模普遍在60万吨/年以上。比如新疆天业的电石产能已经达到200万吨/年以上，这样的规模可以为化工生产提供足够的原料气。因此，如果新建碳一化工项目没有足够的电石炉气，可以考虑与周边大型电石企业合作，向化工企业提供电石炉气，实现资源互补和循环利用。

3结论

基于以上分析，利用电石炉气生产化工产品，无论是一次性投资还是产品成本都具有明显的优势。电石炉气的开发利用越来越受到重视，尤其是在化工领域。电石炉气在碳一化工产品中的应用目前在工业上已经获得成功。如果逐步推广到更多的化工产品，将大大降低相关产品的成本和投资，节能减排，提高经济效益，是发展循环经济的一个亮点。此外，冶金行业生产铁合金、工业硅、黄磷、刚玉等工序除生产电石外，还会产生以一氧化碳为主的炉气，其炉气排放量约为电石炉气的两倍。如果将电石炉气在化工产品中的成功应用推广到整个冶金行业，将对整个国民经济的节能、资源利用和环境保护做出巨大贡献。

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