摘要：電石爐尾氣作為燃料利用效率低且會加重溫室氣體排放，電石爐尾氣的綜合利用勢在必行。本文對現(xiàn)階段電石爐尾氣的利用情況進行了綜述，并提出了一種采用變壓吸附技術從電石爐尾氣中分離提純CO并進行高附加值利用的新工藝。

關鍵詞：電石爐尾氣；綜合利用；變壓吸附；分離提純

近幾年，我國電石行業(yè)迅速發(fā)展，電石產(chǎn)能逐年上升，隨之而來的則是日益嚴重的環(huán)境問題?！峨娛袠I(yè)準入條件（2007年修訂）》要求推廣大型密閉式電石爐，并且明確指出“爐氣必須綜合利用，正常生產(chǎn)時不允許爐氣直排或點火炬”。電石爐尾氣的綜合利用成為電石行業(yè)亟待解決的難題，也是電石行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、降低成本、解決環(huán)境污染問題的一條有效途徑。

1. 電石爐尾氣分析

電石爐按其結構形式可分為開放式、半密閉式（內(nèi)燃式）、密閉式三種類型。表1所示為三種類型電石爐一般的尾氣組成：

表1三種類型電石爐煙氣成分分析

注：表1中風量為每噸電石產(chǎn)量條件下的值。

由表1可知，開放式及半密閉式電石爐的煙氣產(chǎn)量大、CO含量低，其熱值和回收利用價值都較低。開放式電石爐污染嚴重、能耗高，已被國家明令淘汰；內(nèi)燃式電石爐也因高能耗和高污染問題逐漸被改進或淘汰。與以上兩種電石爐相比，密閉式電石爐在能耗及尾氣綜合利用方面都具有一定的優(yōu)勢，被逐漸推廣。

據(jù)測算，采用密閉式電石爐每生產(chǎn)1噸電石副產(chǎn)爐氣400Nm3左右，爐氣溫度一般在400~800℃，密閉式電石爐尾氣的典型組成如表2所示：

表2 密閉式電石爐尾氣的典型組成

除上述組分外，爐氣中還含有硫、磷、砷、氟、氯、氰、焦油以及大量的煙塵等雜質(zhì)，煙塵濃度約50~150g/Nm3。

由表2可知，密閉式電石爐尾氣的主要成分是CO，體積分數(shù)70~90%。根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2012年我國電石總產(chǎn)量約1869.25萬噸，按照每生產(chǎn)一噸電石副產(chǎn)400 Nm3尾氣計算，則會產(chǎn)生約75億立方的尾氣，其中CO約53~68億立方。若將如此大量的電石爐尾氣直接排放，不僅對環(huán)境造成巨大危害，還造成資源的嚴重浪費。

2. 電石爐尾氣的利用

電石爐尾氣綜合利用是電石行業(yè)的發(fā)展趨勢。然而，電石爐尾氣組成復雜、不易凈化的特點使其回收利用較為困難。目前，電石爐尾氣的主要利用方式有兩種：一是熱能利用，二是凈化后作為C1化工產(chǎn)品的原料氣。

2.1 熱能利用

熱能利用是指對電石爐尾氣的顯熱和潛熱進行綜合利用的一種方式。其特點是工藝簡單、操作方便、運行容易，但其缺點也很明顯，即電石爐尾氣中的CO直接燃燒釋放出大量的CO2，增加了溫室氣體排放。熱能利用主要是將尾氣作為燃料獲得蒸汽或用于發(fā)電。

電石爐尾氣直接燃燒法[1]，是將尾氣作為燃料直接送入燃氣鍋爐，利用電石爐氣的顯熱和潛熱產(chǎn)生蒸汽，進而加以利用。爐氣燃燒后不再含有焦油和氰，可通過常規(guī)的旋風、布袋除塵器達到除塵效果。

目前也有企業(yè)利用電石爐尾氣先燃燒、后凈化的方式[2]，實現(xiàn)了對電石爐尾氣的較好利用。其采用SHS15-1.27-Q廢氣爐生產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)量約11t/h，使蒸汽成本大為降低，燃燒后的煙氣經(jīng)布袋除塵后達標排放。

2.2 作為C1化工產(chǎn)品原料氣

電石爐尾氣經(jīng)過凈化、分離、提純獲得純凈的CO作為C1化工的原料氣，粉塵則作為生產(chǎn)水泥的原料，此方式可實現(xiàn)電石爐尾氣的綜合利用。

由于電石爐尾氣粉塵含量高，且含有焦油以及氰、砷、硫等對吸附劑和催化劑有毒有害的物質(zhì)，這使得將其作為原料氣進行化工生產(chǎn)非常困難。隨著電石行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大，電石爐尾氣的凈化分離和綜合利用技術成為廣大科研工作者研究和開發(fā)的重點。

2013年初，新疆天業(yè)集團電石爐尾氣合成5萬噸/年乙二醇項目正式投產(chǎn)，標志著我國電石爐尾氣綜合利用技術首次成功實現(xiàn)大型工業(yè)化應用。表3所列是CO作為原料氣可用于合成的部分化工產(chǎn)品：

表3 可用CO合成的化工產(chǎn)品舉例[3]

此外，CO還可以作為合成甲醇、醋酸乙烯、甲酸甲酯的原料氣，以及作為合成氨的原料氣等。

3. 電石爐尾氣的凈化

從電石爐尾氣中獲得CO氣，需經(jīng)過除塵、除焦油、脫硫、磷、砷、氰等雜質(zhì)、提純CO等步驟。本文提出的電石爐尾氣綜合利用路線圖如下：

圖1 電石爐尾氣綜合利用路線圖

3.1 電石爐尾氣的除塵、凈化

電石爐尾氣的除塵方式有兩種：濕法除塵和干法除塵。

濕法除塵雖然有一定的除塵效果，但其最大的缺點是產(chǎn)生含氰廢水，需經(jīng)過多步脫氰裝置，使CN-含量降至0.5mg/L以下才可以實現(xiàn)達標排放，這種方式投資大、運行費用高，逐漸被干法除塵技術取代。

與濕法除塵相比，干法除塵過程不產(chǎn)生含氰廢水，占地面積小，投資運行費用相對較低，粉塵含量可降至5~10mg/Nm3。但需要注意的是電石爐尾氣中含有較多的焦油成分，必須對溫度進行控制，既要防止由于溫度降低造成焦油析出與粉塵混合形成粘度較大的混合物堵塞管道，又要防止溫度過高對袋式除塵裝置造成不利影響。

新疆天業(yè)集團采用干法除塵、濕法凈化組合的工藝[4]實現(xiàn)了電石爐尾氣中有害組分的有效分離和回收利用，達到了理想的效果。該技術中的干法除塵工序由一二級旋風分離器、一二三級冷卻器、高溫布袋器、粉塵總倉等裝置組成，分離出的粉塵可作為熔塊或水泥的原料加以利用；經(jīng)干法除塵后的爐氣進入濕法凈化工序，經(jīng)過噴淋塔、洗滌塔之后，爐氣中的剩余粉塵和焦油進一步脫除，并且CO2也可在此過程中被脫除，脫下的泥渣可作為脫硫劑和助燃劑。之后，電石爐尾氣進入深度凈化工段，進一步脫除尾氣中的硫、磷、氰等雜質(zhì)。

3.2 CO的分離提純

目前，工業(yè)氣體分離領域常用的技術有深冷分離和變壓吸附分離。深冷分離法應用較早、工藝成熟、處理能力大，但由于N2和CO沸點相近，低溫精餾很難將二者分開，故深冷分離只適合原料氣中不含N2或含N2極少的氣源。電石爐尾氣經(jīng)除塵、降溫、深度凈化等步驟后，其組成中N2含量約5%~10%。由北大先鋒科技有限公司開發(fā)的高效CO專用吸附劑PU-1對CO/N2的分離系數(shù)很高，適用于電石爐尾氣中CO的分離提純。經(jīng)預處理后的電石爐尾氣進入變壓吸附（PSA）裝置，在PSA-CO工序CO被PU-1吸附，解吸后獲得純度98%以上的CO產(chǎn)品氣?？筛鶕?jù)生產(chǎn)需要對CO進行變換，提高H2比例，在PSA- H2工序獲得純度99.9%以上的H2產(chǎn)品氣。

4. 經(jīng)濟效益分析

分離提純得到的CO和H2用于化工產(chǎn)品的合成，既保護環(huán)境、節(jié)約資源，又實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟效益。

以一臺年產(chǎn)5萬噸電石的密閉式電石爐為例，假設每產(chǎn)1噸電石副產(chǎn)爐氣400Nm3，則全年可產(chǎn)電石爐氣2000萬Nm3左右，以CO含量85%計，則其中CO約1700萬Nm3。經(jīng)估算，若將CO純度從85%提至98%左右，其成本約0.5元/Nm3，按照市場上CO產(chǎn)品價格1.5元/Nm3計算，則一臺規(guī)模5萬噸/年的密閉式電石爐每年可節(jié)約成本1700萬左右。

5. 小結

電石行業(yè)面臨著生產(chǎn)基數(shù)大、生產(chǎn)成本增加、國際國內(nèi)宏觀經(jīng)濟形勢不確定性、市場競爭愈加激烈的嚴峻形勢。充分利用電石爐尾氣，建立上下游配套的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈條，降低生產(chǎn)成本成為電石企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。通過回收電石爐尾氣中的CO并用于化工生產(chǎn)，既實現(xiàn)了電石爐尾氣的綜合利用，又為建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會提供了新的途徑。

參考文獻

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[2] 邸亞寧,史淑萍,張宇.密閉電石爐爐氣綜合利用工藝總結[J].中國氯堿，2010（10）：29-31.

[3] 應為勇,曹發(fā)海,房鼎業(yè).碳一化工主要產(chǎn)品生產(chǎn)技術.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

[4] 安志明.電石爐氣的凈化工藝及其應用[J].聚氯乙烯，2010,38（6）：4-7.