西湖雪景:密闭电石炉尾气的利用--甲酸钠

密闭电石炉尾气（一氧化碳）生产化工产品----- 甲酸钠9 V8 a* r!F2 q3 t
一、项目概况2 L% `+ c+y, _6 h) S' y+ ]% G
    电石生产装置在以挪威埃肯（EIKEM）公司的技术基础上，结合中国国情推出国产化的改型ELKEM密闭电石炉，其工艺技术先进。该电石炉在我国已使用多年为我国的电石、氯碱、聚氯乙烯(PVC)等化工产品做出了非常大的贡献。
目前，全国电石炉的生产能力超过1000万吨，每年电石炉排放的废气大约800万吨（二氧化碳）、粉尘60万吨，对环境造成极大的污染；尤其是电石炉尾气主要成分是一氧化碳，全部白白地点“天灯”，相当于每年浪费标准煤160万吨。
    自上世纪八十年代中期引进ELKEM密闭电石炉以来，国家各科研部门和用户就开展电石炉尾气利用和研发，其主要的技术瓶颈是引电石炉尾气的安全性，和电石炉尾气的净化问题。在此期间，浙江巨化集团引电石炉尾气用于蒸汽锅炉的燃烧，西宁也是用于燃气锅炉，但引气安全受到了限制成本较高。山东博汇集团引电石炉尾气用于水泥厂电石灰烘干，但时间不长就停了下来。, _: \8 }-j2 ~$ ^
    我们在经过大量的理论计算和中试的基础上，采用自主创新的工艺技术，对山东海力化工电石厂的电石炉尾气进行工业化改造，突破了安全引用电石炉尾气、对所引炉气脱尘净化等关键技术，获得了一氧化碳气体技术参数,净化后气体含尘量小于1 mg/Nm³～10mg/N m³，完全符合有机合成化工产品的生产要求，终于破解了电石炉尾气综合利用的这一世界性的难题。利用电石炉尾气生产有机化工产品甲酸钠的生产线一次试车成功，已在博汇正常运转数月,甲酸钠产量、质量稳定达到设计要求。6 J6 H* ~3 o( q+ N( F/ c
二、技术背景1 P# U, p0H% }7 B
    1986年我国将太原、下花园、甘肃、包头，西安电石厂“**”在一起，共同引进挪威EIKEM公司密闭电石炉技术，至今已二十年。中国天辰化学工程公司（化工部第一设计院）与大重集团公司对EIKEM电石炉进行多年的跟踪研究，改进后的EIKEM密闭电石炉更适合中国国情，对电石炉废气治理也付出了极大的努力。如直接燃烧法，是在杭州电化集团公司首先开发成功的电石炉气（尾气）利用技术，在该厂8000kvA密闭炉运行已近几十年。在国内巨化、下花园、乌海4.5万吨/年电石炉上运行表现成功。该技术针对电石炉气的具体特点，认为炉气先净化后利用难度大（如厂家直接防空燃烧）或直接送入燃气锅炉为燃料，即利用了炉气潜热又利用了炉气的显热，产生蒸汽加以利用。. q+ D9 l(c  d, I; o7 O5 K4 K# W
电石炉气（尾气、一氧化碳）的组成大致为：75%-90%的CO(V%)、10%的H2(V%)、2%～4%的CH4(V%)、2-5%的CO2 (V%)、1%～2%的N2(V%)、0.2%～0.6%的O2(V%)。
电石炉气粉尘含量高达100g/Nm³～250g/Nm³，温度在400℃～800℃。每生产一吨电石要产生400Nm³尾气。5 Q: R+ \; E8 V/ p; r)F! G
    利用两台25500KVA(4.5万吨/年电石)电石炉炉气（尾气），设计年产7万吨甲酸钠装置，运行效果通过有关专家及这项技术使用厂家的认可，产品达到了高质量、高水平。生产工艺达到了环保型生产工艺，无二次污染，充分利用了资源，达到循环经济的目的。，彻底打破了电石炉尾气不好引、不好净化、不能生产化工产品的历史。. `! T&h$ v' r" x
利用净化后的电石炉气（一氧化碳）生产甲酸钠等化工产品，在不断改进老的生产工艺使原材料、能源的消耗不断降低。我们在这套年产7万吨甲酸钠生产线即有多处工艺改进。因此，利用净化后的电石炉气（一氧化碳）生产甲酸钠等化工产品的全套技术是成熟的，不存在技术风险
三、工艺技术路线概述
    以两台(年产4.5万吨电石)电石炉尾气（每台电石炉产气量2300～2600Nm³/h）为气源。电石炉尾气由引风机引出，经换热器降温，再进入一至四级干法脱尘旋风分离器，分离效果达80-95%（粉尘粒径太小），电石炉尾气的粉尘含量下降到20～50g/Nm³；然后进入一至四级湿法水洗塔水洗脱尘，系统动力由水环泵提供，再进入两至六级湿法水洗塔，脱尘后炉气含尘量在1ｍg/Nm³～10ｍg/Nm³以下，用压缩机压缩一氧化碳气体进入合成反应器，与烧碱合成甲酸钠。
     系统湿法水洗达到闭路循环使用，系统脱除的粉尘送燃煤锅炉燃烧。* l* k) z6 a; M
     干法脱尘采用先进的旋风分离器，材料选用耐热钢，可自动卸料，卸料时对系统不产生影响，更不会烧坏设备，从设计、安全、操作都考虑了适当的安全设施。: T2 v% D!V' l% p2 `
四、环境风险评估
    1986年，我国引进挪威EIKEM公司密闭电石炉技术及其制造技术，当时采用“集尘布袋”除尘，随炉气飞出的未烬焦碳微粒常常烧毁“集尘布袋”，导致挪威密闭电石炉的除尘装置形同虚设。
干法脱尘利用旋风分离器分离粉尘进入集尘仓（集灰罐）集聚一定量双级排放灰尘，这些粉尘与湿法水洗粉尘（煤泥）混合可以作为锅炉燃料。. W: F- S:k% G( ~5 m  }- T
    湿法水洗粉尘进入水循环系统在沉降池中沉降形成炭泥，其中漂浮物煤焦油及氧化钙（CaO ）遇水生成的氢氧化钙与炉气中的二氧化碳、氰根生成相应的钙盐，在沉降池中沉降，形成“炭泥”。  \/ ?7 o0 I!A& G& m) E
从沉淀池中起获的炭泥和干法脱尘得到的粉尘混合后，送入燃煤锅炉燃烧，可燃物燃烧,其中氰钙盐分解。氰钙盐在高温燃烧过程中分解为无害的物质。
    电石炉尾气经过湿法脱尘多级水洗工艺处理之后，99.9%的粉尘得到收集，并送入燃煤锅炉燃烧，或送入水泥厂制造水泥。因此，该技术不存在固体废弃物的环境污染。
环境风险评估结论：电石炉尾气干法、湿法脱尘净化对环境不产生影响，对密闭电石炉做到了环保型生产不再产生火炬（天灯），不再排放粉尘，更不会对环境产生二次污染，净化后的电石炉尾气可用于多种化工产品的生产，更有效的利用了能源节约了资源，使电石生产做到了既环保又节能的绿色环保型生产工艺。' ?" l3G: v$ F, s; L& Q) |; [4 g# f
    该甲酸钠生产工艺不存在废气、废水、废渣的排放问题，是环保型的生产工艺。( s*V  Z4 ~/ G. m
五、电石炉尾气净化处理的单位成本估算
    电石炉尾气净化处理的目的是获取成本低廉的一氧化碳气体。主要是电石炉电解制碳化钙产生的一氧化碳，以及黄磷炉电解制黄磷产生一氧化碳经过净化处理后，都是生产有机化工产品的宝贵原料。) e9 ~3M  u/ x$ ?+ K
    下面仅以我们在山东海力化工电石厂设计建设的一套年产70000吨甲酸钠生产线为计算依据，具体测算由电石炉尾气除尘净化提取一氧化碳的单位成本。
单台年产45000吨电石炉，每小时产气2300-2800Nm³（一氧化碳含量75-90%）
炉气净化成本表                  （元/Nm³）
消耗名目       消耗量       单价       计算过程       平均单价)^  m1 m1 i0 U6 m) v
循环补充水       10 m³/h        1.0元/吨       10÷2500 Nm³/h        0.004元/Nm³
总耗电        100度        0.5元/度       100×0.5÷2500        0.02元/Nm³" I$ m:z+ R! x3 ]* p
设备折旧       200万元÷10年÷8000小时÷2500        0.01元/Nm³' Y7 T7 r- v( L4 p* u' Z) l
人员总计       12人        1500元/人月       12×1500÷30天÷24小时÷2500 Nm³/h       0.01元/Nm³5 Q* w4 @4_6 X3 n
合计：       0.044元/Nm³
                                              
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     每标方尾气(一氧化碳含量＞90%)进入压缩机前成本低于5分钱& D1 d- I( i5 t/ B3 r
传统有机合成工艺生产甲酸钠，首先需要通过煤气发生炉产生一氧化碳，再经过净化处理，对比两者的单位成本构成是：
炉型       原料       气体
浓度       一吨甲酸钠需用气量       焦炭( z6 ]1 H2g% D2 p' Y3 ?, R
消耗       焦炭' Q+ U* O!L1 x$ x1 b- C3 _8 h( L9 J
费用       气体压缩功率消耗       耗电费用       一吨甲酸钠气体成本
煤气炉       焦炭       30%        1200Nm³       300Kg        300元       600度        300元       600元
电石炉       尾气       80%        450Nm³       0        0        ＜200度       100元        100元
黄磷炉       尾气       90%        400Nm³       0        0        ＜200度       100元        100元
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如果考虑设备投资折旧、人工费用等方面，黄磷炉、电石炉尾气处理后的成本是0.044元/Nm³，而煤气发生炉的一氧化碳气体成本是0.32元/Nm³。
老工艺生产甲酸钠用焦炭产气一氧化碳含量只有30%，消耗84%焦炭300公斤，按现价300元；压缩30%的一氧化碳要多耗电400多度（电费200多元）。初步估算，仅仅原料气（一氧化碳）的费用比黄磷炉、电石炉尾气生产甲酸钠，每吨成本要高出450多元。2 p: A8 H" P5 L5n. k: n
     电石炉尾气治理要比黄磷炉尾气治理困难的多，因此黄磷炉尾气生产每吨甲酸钠的成本更低。
     在上世纪70年代，由化工部牵头，我们与天津汉沽化工厂技术合作在黄磷炉引尾气生产甲酸钠及甲酸，开创了国内首套黄磷炉尾气生产化工产品，随后国内黄磷企业与我们技术合作生产甲酸钠及下游产品甲酸，草酸，保险粉等。
目前，本公司正为贵州青利公司设计实施黄磷炉尾气环保治理循环经济项目年产70000吨甲酸钠，利用两台年产15000吨的黄磷炉尾气生产甲酸钠。
六、利用电石炉尾气净化处理的单位成本及效益估算   . G; a$ X0 L- E1 ]- ])p) C2 Y: q
年产7万吨甲酸钠成本表          （元/吨甲酸钠）
        需用数量        单价                单位产品成本
一氧化碳       ＜400Nm³（90%）       0.044元                17.6元/吨甲酸钠
烧碱       ＜2吨（32%）       550元/吨                1100元/吨甲酸钠
电       ＜180度       0.5元/度                90元/吨甲酸钠
水       ＜10吨       1元/吨                10元/吨甲酸钠
蒸汽       ＜2吨       80元/吨                160元/吨甲酸钠
劳务       ＜120人       1500元/月        *6000吨/月       30元/吨甲酸钠* g% T# S  b; t- w
其他                                 92.4元/吨甲酸钠
成本合计       1500元/吨甲酸钠! e* n3 B* f8 Y9 x
      甲酸钠生产包括从电石炉引气到甲酸钠成品，成本低于1500元/吨,现市场价售价在1900元～2400元之间。
    用净化后的炉气生产有机化工产品甲酸钠，及其它“碳一”化工产品，是完全可行的，也是具有很高经济效益和社会效益。3 E7 o+ `6A6 t8 `2 M2 k7 l9 j
    甲酸钠是基本有机化工原料，也是生产甲酸、草酸、保险粉的主要原料，尤其是甲酸钠近年来在石油钻井用量成倍增长。
七、投资概算7 B$ }) o3f2 ^4 W- P* |! _
基本设备投资       电石炉       甲酸钠年产量       双台电石炉投资       备注
500万元       12500KVA        1.5万吨       800万元        不含公共工程投资。投资回收期均在一年以内。
800万元       22500KVA        3.5万吨       1500万元        
1400万元       31500KVA        5.0万吨       2000万元        
备注：对于具备炉气除尘净化设备的企业，应根据炉气最后的净化效果，决定是否需要进一步改造，这样可以相应减少基本设备投资。
八、展望2 ~, {"[: c6 d* w
    随着电石法聚氯乙烯的高速发展，国家政策要求电石炉必须大型化、密闭型、尾气利用、节能环保。本公司在开展密闭型电石炉尾气生产甲酸钠工程设计（实施）的同时,已经完成由甲酸钠一步法生产草酸二乙酯的中试模拟实验；并与西南院合作开展草酸二乙酯加氢制取乙二醇.与天津大学合作由草酸二乙酯加水生产