新形勢下傳統能源化工的循環經濟產業鏈模式

熊磊，張明，曾憲軍，楊莉

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

聚氯乙烯(PVC)是世界五大通用樹脂之一，其產量僅次于聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，居世界通用樹脂產量第3位。在我國煤炭、石灰石和原鹽資源豐富、價格低廉的地區，電石法聚氯乙烯仍占據發展的主導地位，它的快速發展也將對我國聚氯乙烯工業未來發展格局產生重要影響[1]。

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱“陜西北元”)有110萬t/a聚氯乙烯、80萬t/a離子膜燒堿、4×125 MW發電、220萬t/a新型干法工業廢渣水泥、50萬t/a電石的生產能力。每年可轉化原鹽135萬t，直接和間接轉化原煤800萬t。氯堿產業循環經濟歸根結底是通過氯堿產業及其相關產業的發展，以“減量化、再利用、資源化”為準則，以市場需求為導向，實現“低開采、高利用、低排放”，提升氯堿產業的經濟運行質量和效益[2]。

1 陜西北元實施循環經濟發展面臨的問題

1.1 電石渣不能有效利用

電石渣為電石水解后的產物，其主要成分是氫氧化鈣。電石法生產聚氯乙烯在行業內約占83%，電石法制乙炔產生的工業廢渣即為電石渣，國內每年將產生4 000多萬t的電石渣。陜西北元擁有110萬t/a PVC生產線，每年消耗電石約150萬t，產生工業廢渣約200萬t/a(干基)。通過2條3 kt/d熟料的水泥生產線，可消耗電石渣180萬t/a左右。由于受到冬季水泥市場影響，每年實際消化電石渣約160萬t(干基)，當生產出現異常情況時，有較多濕電石渣無法完全使用，造成大量外倒。

1.2 廢硫酸不能合理利用

陜西北元110萬t/a聚氯乙烯循環綜合利用項目乙炔清凈工序98%硫酸干燥后產生75%的廢硫酸。該部分廢酸濃度低，所含雜質較高，由供應商以3 300元/t的價格進行處理。88萬t/a燒堿配套氯氣采用98%硫酸干燥，產生75%的廢硫酸。該部分廢酸含雜質較少，由供應商免費拉走處理，不能徹底解決廢硫酸帶來的環保問題，同時造成資源浪費。

1.3 過程中產生的各種廢棄物不能合理利用

陜西北元在生產過程中產生各種中間產物或廢氣、廢液及固廢等，不能合理利用，造成較大的能源損耗。自備電廠在發電過程會產生粉煤灰、脫硫灰、爐渣等固廢；化工生產裝置在運行過程中會產生副產蒸汽、高含鹽廢水、含汞污水、生產污泥等；電石在反應過程中反應不完全，在電石渣中會存留部分生電石及乙炔氣體等。

2 陜西北元實施循環經濟發展的具體措施

2.1 電石裝置區自循環，減少資源消耗

陜北北元50萬t/a電石資源綜合利用項目包括50萬t/a電石裝置和配套的2×30 MW廢氣鍋爐發電裝置、5萬t/a硅鈣、50萬t/a白灰以及蘭炭裝置。通過將生產蘭炭過程中產生的煤氣供給石灰窯作為熱源，蘭炭與生石灰結合生產電石，電石爐產生的煤氣供廢氣鍋爐進行發電供內部使用，電石供聚氯乙烯裝置使用，實現電石裝置區自循環。

陜西北元電石裝置循環產業鏈如圖1所示。

圖1 陜西北元電石裝置循環產業鏈示意圖Fig.1 Circular industrial chain of carbide plant in Shaanxi Beiyuan

2.2 整個裝置區大循環，提高資源利用效率

陜西北元通過整個裝置區的合理規劃，以100萬t/a聚氯乙烯裝置為核心，采鹽裝置為氯堿裝置提供鹽水，熱電裝置為化工裝置和水泥裝置提供電和蒸汽，電石裝置為乙炔裝置提供電石。水泥裝置利用乙炔裝置產生的電石泥廢渣、熱電裝置產生的爐渣及粉煤灰、脫硫石膏等生產水泥。整個生產過程資源得到高效利用，形成了一個生態產業鏈條。陜西北元循環產業鏈如圖2所示。

圖2 陜西北元循環產業鏈示意圖Fig.2 Circular industrial chain in Shaanxi Beiyuan

2.3 聯合園區內企業，優化資源配置

陜西北元結合工業園區內的企業，實現園區內部企業資源的合理配置。亞華熱電將多余蒸汽供給陜西北元10萬t/a聚氯乙烯裝置；神木化工的多余氮氣解決陜西北元氮氣不足問題；泰安精細化工的多余氯化氫供給陜西北元，陜西北元的多余蒸汽及液氯供給泰安精細化工；陜西北元與錦界煤礦之間修建輸煤廊道，將煤供給陜西北元，礦井疏干水通過地下管網向陜西北元供應。通過循環經濟產業鏈的實施，使園區內物料得到綜合利用，實現了園區內部資源的循環利用。陜西北元與園區內企業之間循環產業鏈如圖3所示。

圖3 陜西北元與園區內企業之間循環產業鏈示意圖Fig.3 Circular industrial chain between Shaanxi Beiyuan and other enterprises in the park

2.4 局部資源合理利用，降低能源消耗

陜西北元生產系統產生的廢水主要有化工聚合母液水、生活污水、循環水排污、高含鹽廢水、陰陽床樹脂反洗水、汽提干燥污水等。廢水經過收集、物理沉降、生化處理、過濾、吸附、臭氧氧化等技術，重新回用于生產系統。同時，陜西北元圍繞循環產業鏈深度挖掘，完成化工合成熱水塔、水泥燒成系統、熱電鍋爐系統的余熱回收利用。完成了鹽泥、脫硫灰、粉煤灰、白灰面、蘭炭面等固體資源的再利用，實現末位資源的有效利用。由于整個生產過程中實現了能源的循環利用，主要產品聚氯乙烯和燒堿、水泥等產品能耗在國內屬先進水平。

2.5 強化廢酸資源處理，實現循環利用

2.5.1 采用廢硫酸裂解技術

陜西北元110萬t/a聚氯乙烯循環綜合利用項目乙炔清凈工序采用98%硫酸進行干燥，產生含大量有機物的75%廢硫酸。國內的廢硫酸再生處理技術處于發展初期，在工藝、設備及自控上還是存在或多或少的問題。陜西北元采用廢硫酸裂解技術，乙炔清凈產生的廢硫酸先經過焚燒爐，使廢酸中的各種成分全部裂解，將焚燒后的灰塵排掉，產生含有雜質成分的SO2氣體，氣體經過凈化裝置處理后得到干凈SO2氣體。隨后將SO2轉換為SO3，再用96%濃硫酸將SO3吸收，轉變為98%的濃硫酸，用于內部生產系統。在裂解爐焚燒系統設計上采用普通空氣和富氧空氣助燃兩種模式，進一步降低了天然氣的消耗量。同時充分利用了空壓制氮裝置排放的富氧空氣，實現變廢為寶。利用廢硫酸裂解裝置所產SO2氣體制備亞硫酸鈉回用于電解脫氯裝置，進一步提高廢硫酸裂解裝置運行的經濟性。該項目首次將廢硫酸裂解再生技術應用于乙炔清凈廢酸處理領域，項目技術水平達到國內領先水平。

2.5.2 采用廢硫酸提濃技術

陜西北元80萬t/a燒堿項目氯氣干燥工序采用98%硫酸進行干燥，產生75%廢硫酸。由于該部分廢硫酸不含有機物，主要雜質為氯，若采用廢酸再生方式，處理成本及能耗都較高。陜西北元采用空濃縮技術進行廢酸提濃，廢硫酸經換熱器換熱至一定溫度后，進入脫氯塔，在真空條件下脫除廢硫酸中的氯氣。脫氯后的廢硫酸再經廢硫酸蒸發器蒸發濃縮。蒸發濃縮出來的廢酸蒸汽與循環水換熱，冷凝為水，最終產出96%左右的濃硫酸，繼續回用于氯氣干燥。

2.6 電石渣處理多樣化

2.6.1 將電石渣用于水泥生產

針對電石法聚氯乙烯生產過程中產生的副產電石渣，陜西北元將電石渣作為原料生產硅酸鹽水泥，實現了100%電石渣替代石灰石生產水泥，與全國同類電石渣水泥生產線相比，電石渣摻量大，運行更加穩定，有效解決了電石渣固廢處理，減少了二氧化碳的排放。除生產通用水泥外，陜西北元針對市場和當地條件，研究開發了電石渣制油井水泥、低熱硅酸鹽水泥、高抗硫酸鹽水泥、低堿水泥。

2.6.2 電石渣代替石灰應用于城市道路基層建設

電石渣的主要成分是氫氧化鈣，含有少量的雜質。根據行業標準《粉煤灰石灰類道路基層施工及驗收規程》和交通部行業標準《公路路面基層施工技術規范》，陜西北元經過試驗研究，提出用電石渣穩定基層材料的組成，以電石渣代替石灰應用于城市道路基層，使其變廢為寶作為二次資源。目前，陜西北元廠區內部道路已經實現電石渣替代石灰作為道路基層建設。

2.6.3 電石渣制電石研究

電石渣主要成分是氫氧化鈣，煅燒后CaO含量高達91%以上，但相應的有害雜質含量也較高。陜西北元開展了電石渣、蘭炭末以及粉煤混合共成型制電石爐料試驗研究，分別從電石渣、蘭炭的單獨成型，電石渣與蘭炭、蘭炭與煤粉的復合成型等方面進行研究，形成蘭炭、電石渣、煤粉共同復合成型的方案。

2.6.4 電石渣制備其他高附加值產品

根據電石渣的特性，陜西北元開展了電石渣作為脫硫劑、電石渣制備活性氧化鈣，電石渣和氯堿廢酸制備硫酸鈣進而制備硫酸鈣晶須，電石渣制備納米碳酸鈣等研究工作。目前，陜西北元內部電廠已經采用電石渣進行脫硫。

2.7 電石渣漿乙炔氣處理工藝研究

陜西北元50萬t/a乙炔生產工藝采用濕法乙炔發生裝置，其所產電石渣中殘存一定量的乙炔氣體，一方面是因為電石渣中含有的水會溶解一定量乙炔，另一方面是Ca(OH)2微顆粒對乙炔具有較強的吸附能力，會吸附大量的乙炔氣體。電石渣在濃縮或運轉過程中會有大量的乙炔揮發流失，造成資源浪費，還存在潛在的安全隱患。陜西北元自主設計了電石渣漿乙炔氣回收裝置，利用真空閃蒸原理，收集電石渣中的乙炔氣體，繼續回用于生產。

2.8 半干法蘭炭熄焦裝置研究

陜西北元蘭炭生產工序采用濕法熄焦工藝，采用水撈焦的方式，蘭炭從出焦口直接落至水槽內，經烘干后水分為20%左右，進入電石爐的蘭炭水分要求達到1%以下，需大量的熱量烘干。同時，蘭炭為敞開式輸送，在輸送過程中有害氣體直接排放至大氣，存在能耗高、環境污染及焦炭質量差等缺點。陜西北元自主設計了半干法蘭炭熄焦裝置，該裝置的熄焦方式由水撈焦變為噴淋的方式進行，同時整個系統采用負壓，過程中無有害氣體排出。通過控制噴淋的水量來控制蘭炭出焦溫度，將蘭炭水分降低至10%以下，熄焦處理后蘭炭溫度小于100 ℃，可有效降低后期入電石爐蘭炭烘干所需能耗。

3 結語

依托區域優勢、資源優勢、人才優勢，陜西北元搶抓發展機遇，走出了一條高效轉化、循環利用、低碳發展的路子，逐步形成了“煤、焦、電、電石、聚氯乙烯、水泥、聚氯乙烯下游產品”的一體化循環生產模式。

循環經濟產業鏈可轉化原煤650萬t/a，其中：PVC項目用電耗煤約150萬t/a，水泥項目耗煤約35萬t/a，轉化原鹽135萬t/a。

循環經濟產業鏈建成后，改變了傳統企業的發展模式，大量的原鹽、原煤進行就地轉化，降低了資源在運輸過程中的損失和給環境帶來的各種污染，實現了能源的清潔化輸送和利用。全年可實現銷售收入90億元，上繳各類稅費8億元，同時帶動了一大批下游企業，促進了一大批人員就業。