摘要:密閉電石爐尾氣具有成分復雜、凈化難、熱值較高等特點�，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，進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，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火炬，不僅浪費了大量能源，也造成環(huán)境污染。國家對此十分重視，在《電石行業(yè)準入條件（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)時不允許爐氣直排或點火炬”。

但由于電石爐尾氣成分復雜，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240萬噸標準煤，同時排放約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，是國家鼓勵發(fā)展的爐型。電石爐尾氣的成分復雜，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、成分復雜、氣體壓力小，因此對其輸送、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。

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)計的余熱鍋爐燃燒，充分利用電石爐尾氣的顯熱、可燃氣體（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。同時通過鍋爐爐膛、煙道落灰斗重力沉降及特別設(shè)計的電除塵器對煙氣進行除塵處理，達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)冷卻直接進入尾氣鍋爐燃燒，其爐氣顯熱、可燃氣體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爐氣進行冷卻，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，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)也存在一定的缺點和局限性：一是鍋爐的運行完全受電石爐運行的影響，鍋爐開停次數(shù)多，運轉(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)復雜、投資大、熱效率僅20%～25%的汽輪發(fā)電機組。

改進的方向是：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20%～40%，實現(xiàn)鍋爐穩(wěn)定運行和汽輪發(fā)電裝置規(guī)�；�

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，又保護了環(huán)境，實現(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)，也可能導致觸媒中毒造成生產(chǎn)無法進行，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)濟合理性來看，裝置只有達到一定的規(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)自然不愿冒這種風險。因而成功利用密閉電石爐尾氣作為化工原料的工程實例，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)量達到優(yōu)級品標準，一年即收回了全部投資。

從裝置運行一年多的情況看，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)對一氧化碳純度的要求。

該技術(shù)是將CO氣體經(jīng)空壓機壓縮到反應釜與燒堿合成而成，生產(chǎn)工藝簡單，沒有觸媒中毒問題，對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，運行一段時間就要清理，比較麻煩。

這套技術(shù)的最佳使用對象是電石-PVC-氯堿一體化企業(yè)。因為這些企業(yè)的電石爐尾氣凈化合成甲酸后，可以用企業(yè)自產(chǎn)的燒堿反應生成甲酸鈉，既能實現(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輸成本，并能平衡和優(yōu)化PVC-氯堿裝置的工藝狀況。

對于單純的電石生產(chǎn)企業(yè)，采用該技術(shù)會受到燒堿運輸、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)合成氨項目，是國家發(fā)改委確定的國內(nèi)首個電石爐尾氣制合成氨試點項目。企業(yè)在原有的25,500kVA電石爐全密閉全自動尾氣廢渣回收利用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過對電石爐尾氣CO安全輸送、電石爐尾氣脫硫、增壓與儲存、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。其反應式如下：

CO＋2H2→CH3OH
2CH3OH→CH3OCH3＋H2O
副反應：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)性試驗階段，尚無大規(guī)模工業(yè)裝置投入運行。

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用。

將凈化后的電石爐尾氣，作為燃氣內(nèi)燃機發(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 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電原理

1876年，德國商人兼機械師奧托發(fā)明了人類第一臺以煤氣為燃料的四沖程內(nèi)燃機，經(jīng)過10年的不斷改進，德國的另一個機械師“奔馳汽車之父”戴姆勒·本茨才將這種四沖程發(fā)動機改進為汽油發(fā)動機，直到1895年，狄塞爾才發(fā)明出柴油機。

燃氣內(nèi)燃機的工作原理基本與汽車發(fā)動機無異，由于內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的核心區(qū)域工作溫度可以達到1400℃，因而其工作效率大大超過了蒸汽輪機和燃氣輪機。燃氣內(nèi)燃機的發(fā)電效率通常在30％～40％之間，比較常見的機型一般可以達到35％。加上余熱利用，總的電石爐尾氣能量利用率可達80%以上。

3.2 燃氣內(nèi)燃機發(fā)電工藝流程

燃氣內(nèi)燃機發(fā)電系統(tǒng)分為三大部分，電石爐尾氣預處理系統(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：

3.3 燃氣內(nèi)燃機發(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，可裝機容量達2740kW，采用6臺CEG500-CC電石尾氣發(fā)電機組，按年發(fā)電時間7500小時計算，年發(fā)電量可達2055萬kW·h以上。機組發(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)電自動并網(wǎng)。主要投資內(nèi)容及投資估算如表2所示。

3.4 投資分析

（1）年發(fā)電量：發(fā)電裝機容量2740kW，年發(fā)電時間7500小時，年發(fā)電量2055萬kW·h。

（2）運行成本：包括人工、機油、維修及配件、消耗件、管理、不可預測等費用，折合單位發(fā)電成本為0.03元/kW·h。則年運行成本費用為=2055萬kW·h×0.03元/kW·h=61.65萬元。

（3）年發(fā)電收益：發(fā)電電價按用電電價0.55元/kW·h計算，年發(fā)電收益=年發(fā)電總量×發(fā)電電價=2055萬kW·h×0.55元/kW·h=1130.25萬元。

（4）經(jīng)濟效益：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個月）。

4 結(jié)論與建議

（1）電石爐尾氣作為燃氣內(nèi)燃機燃料，具有顯著的分布式能源特征，模塊式設(shè)計可大可小，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，無市場風險。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)準入條件（2007年修訂）》的基礎(chǔ)上，制定相應的鼓勵政策，促進電石爐尾氣的利用，推進電石行業(yè)的節(jié)能減排工作。

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