煤層氣制乙炔流程模擬與分析

摘要：為緩解電石法制乙炔中高污染、高能耗的現(xiàn)狀、推廣甲烷部分氧化法工藝，同時(shí)改善國(guó)內(nèi)煤層氣（Coal-Bed Methane， CBM） 利用率，本文搭建了一套以煤層氣為原料且采用部分氧化法生產(chǎn)乙炔的工藝模型。結(jié)合乙醇胺（MEA） 脫碳工藝吸收CO2，利用Aspen Plus 軟件完成了煤層氣制乙炔的全流程模擬，并進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響分析。結(jié)果表明：本工藝年產(chǎn)乙炔3×104 t（純度大于99%），乙炔成本為12 423.73 CNY/t，還可以副產(chǎn)1.86×104 t 氫氣（純度99.99%），具備良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益；本工藝每生產(chǎn)1 t 乙炔排放3 048.66 kg CO2，僅為主流電石法碳排放量（6 560 kg） 的46.5%，碳減排優(yōu)勢(shì)突出。

關(guān)鍵詞：乙炔；煤層氣；部分氧化法；經(jīng)濟(jì)分析；碳排放

中圖分類號(hào)：TQ021.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

能源化工是現(xiàn)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，乙炔是能源化工的一種重要產(chǎn)物。乙炔與純氧燃燒的氧炔焰被大量用于焊接等工藝，乙炔本身也是一種重要的化工原料[1-2]，可生產(chǎn)上千種化工制品。廣泛的應(yīng)用和巨大的需求使業(yè)內(nèi)對(duì)生產(chǎn)乙炔的方法十分關(guān)注。目前工業(yè)化生產(chǎn)乙炔的方法包括電石法和天然氣法兩種，在國(guó)內(nèi)都有裝置在運(yùn)行。

電石法是將電石與水反應(yīng)制取乙炔氣體的方法。在國(guó)內(nèi)，由煤制電石的生產(chǎn)成本低、電石產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟，約有95% 的乙炔來(lái)自電石法[3]。然而國(guó)內(nèi)主流的濕法電石制乙炔工藝普遍存在能耗高、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，不符合新發(fā)展理念，有被逐步淘汰的趨勢(shì)。天然氣制乙炔應(yīng)用最廣泛的工藝是部分氧化法（Partial Oxidation， POX）[4]，該方法利用天然氣不完全燃燒產(chǎn)生的高溫使甲烷發(fā)生裂解[5]，從裂解氣中分離得到乙炔，這個(gè)工藝最早由德國(guó)BASF 公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。相比電石法，部分氧化法制乙炔流程更加簡(jiǎn)單、能耗更低、污染更小、還能副產(chǎn)合成氣生產(chǎn)合成氨及甲醇[6]，具有更好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。Hunter等[7] 研究了甲烷的氧化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該過(guò)程由40 種物質(zhì)、207 個(gè)反應(yīng)組成。陳香[8] 研究了甲烷部分氧化過(guò)程中乙炔的形成機(jī)理，并指出該反應(yīng)過(guò)程為高溫下短的自由基反應(yīng)。Liu 等[9] 指出提高預(yù)熱溫度會(huì)提高乙炔的生產(chǎn)效率，并且縮短著火延遲時(shí)間，而甲烷和氧氣的物質(zhì)的量之比和預(yù)熱溫度對(duì)乙炔的最大摩爾分?jǐn)?shù)也具有顯著影響。Wang等[10] 對(duì)天然氣部分氧化法制乙炔工藝進(jìn)行了全流程模擬和優(yōu)化，該流程進(jìn)料氧氣與甲烷的物質(zhì)的量之比為0.65，模擬結(jié)果與實(shí)際工業(yè)數(shù)據(jù)相當(dāng)。然而國(guó)內(nèi)天然氣資源緊張導(dǎo)致原材料成本高，使天然氣部分氧化法的經(jīng)濟(jì)性不如電石法[11]；其次，國(guó)內(nèi)對(duì)天然氣資源的調(diào)控嚴(yán)格[12]。在國(guó)內(nèi)“雙碳”目標(biāo)的背景下，能源化工正在向節(jié)能減排方向發(fā)展，天然氣制乙炔工藝更符合新的發(fā)展理念，因此可通過(guò)進(jìn)一步推廣部分氧化法工藝從而助力乙炔產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排。

煤層氣（Coal-Bed Methane， CBM） 是一種主要以吸附狀態(tài)儲(chǔ)存在煤基質(zhì)表面和煤系地層的烴類氣體，其以甲烷為主要成分，還含有氮?dú)?、二氧化碳和少量其他氣體，是國(guó)際上崛起的新型、清潔、優(yōu)質(zhì)的非常規(guī)天然氣能源。高濃度煤層氣的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)大于90%，發(fā)熱量大于3.3×105 kJ/m3，可以作為等同于常規(guī)天然氣的優(yōu)質(zhì)能源和化工原料[13]。相比于天然氣，煤層氣的優(yōu)勢(shì)在于不用考慮C2～C4 組分的分離回收，且資源廉價(jià)。我國(guó)十分重視煤層氣的開(kāi)發(fā)利用，在沁水盆地南部和鄂爾多斯東緣北部等地區(qū)建設(shè)了多個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)利用示范工程[14]。煤層氣的利用主要涉及瓦斯發(fā)電、民用、礦井瓦斯鍋爐燃用等方面[15]。煤層氣的化工利用思路與天然氣化工類似。徐東彥等[16] 用固定床流動(dòng)反應(yīng)裝置，研究了煤層氣與空氣催化部分氧化以及煤層氣與CO、H2O重整耦合制合成氣，結(jié)果表明，以煤礦抽放煤層氣為原料，可以采用較靈活的工藝生產(chǎn)具有適宜氫碳比的合成氣。李瓊玖等[17] 提出用煤層氣制甲醇再生產(chǎn)二甲醚，經(jīng)測(cè)算，該工藝比傳統(tǒng)一段轉(zhuǎn)化工藝增產(chǎn)35%，減排CO2 85%～90%，經(jīng)濟(jì)效益突出。

本文提出一種煤層氣化工利用思路，將其代替常規(guī)天然氣作為部分氧化法生產(chǎn)乙炔的原料，參考天然氣部分氧化生產(chǎn)乙炔過(guò)程的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了煤層氣制乙炔的全流程模擬與分析。