煤层气制乙炔流程模拟与分析

摘要：为缓解电石法制乙炔中高污染、高能耗的现状、推广甲烷部分氧化法工艺，同时改善国内煤层气（Coal-Bed Methane， CBM） 利用率，本文搭建了一套以煤层气为原料且采用部分氧化法生产乙炔的工艺模型。结合乙醇胺（MEA） 脱碳工艺吸收CO2，利用Aspen Plus 软件完成了煤层气制乙炔的全流程模拟，并进行了技术经济和环境影响分析。结果表明：本工艺年产乙炔3×104 t（纯度大于99%），乙炔成本为12 423.73 CNY/t，还可以副产1.86×104 t 氢气（纯度99.99%），具备良好的综合经济效益；本工艺每生产1 t 乙炔排放3 048.66 kg CO2，仅为主流电石法碳排放量（6 560 kg） 的46.5%，碳减排优势突出。

关键词：乙炔；煤层气；部分氧化法；经济分析；碳排放

中图分类号：TQ021.8 文献标志码：A

能源化工是现今国民经济的重要支柱，乙炔是能源化工的一种重要产物。乙炔与纯氧燃烧的氧炔焰被大量用于焊接等工艺，乙炔本身也是一种重要的化工原料[1-2]，可生产上千种化工制品。广泛的应用和巨大的需求使业内对生产乙炔的方法十分关注。目前工业化生产乙炔的方法包括电石法和天然气法两种，在国内都有装置在运行。

电石法是将电石与水反应制取乙炔气体的方法。在国内，由煤制电石的生产成本低、电石产业技术成熟，约有95% 的乙炔来自电石法[3]。然而国内主流的湿法电石制乙炔工艺普遍存在能耗高、污染严重等问题，不符合新发展理念，有被逐步淘汰的趋势。天然气制乙炔应用最广泛的工艺是部分氧化法（Partial Oxidation， POX）[4]，该方法利用天然气不完全燃烧产生的高温使甲烷发生裂解[5]，从裂解气中分离得到乙炔，这个工艺最早由德国BASF 公司实现工业化生产。相比电石法，部分氧化法制乙炔流程更加简单、能耗更低、污染更小、还能副产合成气生产合成氨及甲醇[6]，具有更好的综合经济效益。Hunter等[7] 研究了甲烷的氧化过程，发现该过程由40 种物质、207 个反应组成。陈香[8] 研究了甲烷部分氧化过程中乙炔的形成机理，并指出该反应过程为高温下短的自由基反应。Liu 等[9] 指出提高预热温度会提高乙炔的生产效率，并且缩短着火延迟时间，而甲烷和氧气的物质的量之比和预热温度对乙炔的最大摩尔分数也具有显著影响。Wang等[10] 对天然气部分氧化法制乙炔工艺进行了全流程模拟和优化，该流程进料氧气与甲烷的物质的量之比为0.65，模拟结果与实际工业数据相当。然而国内天然气资源紧张导致原材料成本高，使天然气部分氧化法的经济性不如电石法[11]；其次，国内对天然气资源的调控严格[12]。在国内“双碳”目标的背景下，能源化工正在向节能减排方向发展，天然气制乙炔工艺更符合新的发展理念，因此可通过进一步推广部分氧化法工艺从而助力乙炔产业的节能减排。

煤层气（Coal-Bed Methane， CBM） 是一种主要以吸附状态储存在煤基质表面和煤系地层的烃类气体，其以甲烷为主要成分，还含有氮气、二氧化碳和少量其他气体，是国际上崛起的新型、清洁、优质的非常规天然气能源。高浓度煤层气的甲烷摩尔分数大于90%，发热量大于3.3×105 kJ/m3，可以作为等同于常规天然气的优质能源和化工原料[13]。相比于天然气，煤层气的优势在于不用考虑C2～C4 组分的分离回收，且资源廉价。我国十分重视煤层气的开发利用，在沁水盆地南部和鄂尔多斯东缘北部等地区建设了多个煤层气产业化开发利用示范工程[14]。煤层气的利用主要涉及瓦斯发电、民用、矿井瓦斯锅炉燃用等方面[15]。煤层气的化工利用思路与天然气化工类似。徐东彦等[16] 用固定床流动反应装置，研究了煤层气与空气催化部分氧化以及煤层气与CO、H2O重整耦合制合成气，结果表明，以煤矿抽放煤层气为原料，可以采用较灵活的工艺生产具有适宜氢碳比的合成气。李琼玖等[17] 提出用煤层气制甲醇再生产二甲醚，经测算，该工艺比传统一段转化工艺增产35%，减排CO2 85%～90%，经济效益突出。

本文提出一种煤层气化工利用思路，将其代替常规天然气作为部分氧化法生产乙炔的原料，参考天然气部分氧化生产乙炔过程的数据，进行了煤层气制乙炔的全流程模拟与分析。