耿书阳，姜泽毅，张欣茹：均混预热电石熔炼新工艺的能耗特征与热经济成本分析

电石的主要成分是CaC ₂ ，纯品为白色晶体。作为重要的煤化工产品和化工原料，在工业上常用电石与水制取乙炔气体，亦被应用于冶炼工业作为还原剂和脱硫剂，此外也用于有机合成、氧炔焊接等。电石的规模化生产方法为传统的电热法，以块状生石灰和块状焦炭为原料，在电弧产生的的高温（2273K以上）条件下反应生成电石。电石熔炼过程要求的温度很高，需要消耗大量电力。电石炉高效节能技术、以热代电的新工艺等一直是电石行业的研究热点。近年来提出了以煤粉和生石灰粉为原料，经过压球、预热热解等工序生产电石的一种新工艺。

由于生石灰与焦炭反应所需的温度较高，通常在电石炉中采用电加热的方式生产电石，这使得电石生产过程中的能耗研究具有重要意义。目前已有学者对传统电石生产工艺的能耗进行了研究。刘冰等通过建立物料传输和热化学计量模型对密闭电石炉的能量需求进行分析，结果表明电石炉的基本能量需求为2716kWh/t。张建良等为提高对入炉电能的控制，引入了“电石炉炉热指数”的概念，将电石炉划分成炉料区和反应区，对两个区域进行物料平衡和能量平衡的计算，结果表明通过调节炉料电阻值和电极入料深度可调节炉料配热系数的大小。焦克新等以温度为边界，将电石炉划分成炉料区、反应区、熔融滴落区和熔池区四个区域，并且建立了多区域模型，结合电石的实际生产数据进行能耗分析，结果表明这四个区域的电耗分别占总能量的14.46%、12.40%、13.54%和43.21%。Mi等提出了新的能耗评价指标，即多产品综合能耗和多产品综合㶲耗，考虑CaC ₂ 和CO均为电石生产工艺的产品，计算得到电石生产工艺单位产品的综合能耗和综合㶲耗分别为2.52kgce/kg（1kgce=8.17kWh）和13.55kW/kg。针对均混预热电石熔炼新工艺，还没有学者探讨其能耗情况，有学者模拟了该新工艺在电石炉中的传热和化学反应。结果表明，与传统的以生石灰和焦炭为原料的电石生产工艺相比，该工艺的生产效率提高了11%，这与生石灰粉与煤粉的良好混合和球团的预热有关。

目前人们对于电石生产工艺的经济性问题研究较少，且均局限于技术经济层面，未涉及与能量结合的热经济学分析。王义等分析了传统工艺和新工艺组合的混合工艺的经济效益（即装料70%为石灰石和焦炭，30%为由石灰石粉和煤粉压制而成的球团），结果表明与传统工艺相比，该混合工艺的原料成本降低72CNY/t电石，电力成本降低26CNY/t电石。Huo等分析了不同经济因素对均混预热电石熔炼新工艺净现值（NPV）的影响，结果表明，电石价格对净现值的影响最为显著，其次为电力消耗、设备寿命等。

到目前为止，研究者都只是从能源或经济的角度对电石生产工艺进行独立的分析。考虑到节能过程往往并不是一个低成本的过程，而热经济学分析方法能够同时考虑包括环境温度、压力等在内的物理环境和描述市场价格的经济环境，因此采用热经济学分析方法评价电石生产工艺尤为重要。本文针对传统工艺和新工艺，基于元素守恒、能量守恒和㶲平衡，建立了两种工艺的能质平衡模型和㶲平衡模型，分析两个工艺系统的物质流、能量流和㶲流。在㶲流基础上，结合㶲单价的确定原则以及非能量成本的估算方法，建立两种工艺的热经济学成本模型，计算两种工艺的单位电石热经济学成本，并讨论原料价格、电价等经济参数对单位电石热经济学成本的影响，期望对实际生产提供理论指导和科学依据。

式中， m _in 和 m _out 分别为进口和出口物质的质量，kg。

元素守恒方程为式(2)。

式中， E 为电能，J； H _in 和 H _out 分别为输入物质和输出物质的焓值，J； E _loss 为电力损失，J； Q _loss 为热损失，J。

焓值的计算要选取统一基准。本文规定焓的基准态温度为298.15K（25℃），基准态压力为100kPa，大气物质所含元素的基准物质取大气中的对应成分，即在上述温度和压力条件下的干空气。

焓值的计算公式为式(4)。

式中， h _ph 和 h _ch 分别为物理焓和化学焓，J/mol。

h _ph 表示处于一定温度、压力下的物质变化到环境温度、压力下该物质的焓差，由于本系统中的热解气（100Pa）、电石炉气（5Pa）等气体处于微正压状态，压力对焓的影响很小，在文中可忽略，其公式可表达为式(5)。

式中， y _i 为组分 i 的摩尔分数； T ₀ 和 T 分别为环境和物质温度，K； c _pi 为组分 i 的等压热容，J/(mol·K)。

h _ch 表示处于环境温度、压力下的物质通过化学反应变化到环境物质时的焓差，计算公式为式(6)。

式中， h _i ^θ 为组分i的标准化学焓，J/mol。

化合物A _a B _b C _c 标准化学焓的计算公式为式(7)。

式中， E _{x ,in} 和 E _{x ,out} 分别为进入和离开系统的物质的㶲值，J； E _{xq ,in} 和 E _{xq ,out} 分别为进入和离开系统的热量㶲，J； W _in 和 W _out 分别为进入和离开系统的功，J；I为㶲损失，J。

㶲的计算公式为式(9)。

式中， e _{x ,ph} 和 e _{x ,ch} 分别为物理㶲和化学㶲，J/mol。

物理㶲（ e _{x ,ph} ）包括温度㶲（ e _xT ）、压力㶲（ e _xp ）和潜热㶲（Δ e _x ），计算公式分别为式(10)~式(12)。

式中， R 为气体常数，J/(mol·K)； p 为气体压力，kPa； p ₀ 为环境压力，kPa； h _m 为相变热，J/mol。

化学㶲与化学焓采取相同的基准，计算公式为式(13)。

式中， e ^θ _{xi, ch} 为组分 i 的标准化学㶲，J/mol。

化合物A _a B _b C _c 标准化学㶲的计算公式为式(14)。

式中，Δ _f G ^ϴ (A _a B _b C _c )为化合物A _a B _b C _c 的标准生成Gibbs自由能，J/mol；e(A)、e(B)、e(C)分别为元素A、B、C的标准化学㶲，J/mol。

本文主要物质的标准化学焓和标准化学㶲值见表1所示。

表1　 物质的标准化学焓和标准化学㶲

式中， C _pr 为产品的㶲经济成本，CNY； C _in 为能量成本，即原料和能源物质的㶲经济成本，CNY； C _n 为非能量成本，即设备折旧、工资、管理、福利等费用，CNY。

若㶲的平均单价以 c 表示，产品㶲经济成本和能量成本均可以表示为㶲单价 c 和㶲流 E 的乘积，则式(15)的热经济学成本方程也可表示为式(16)。

（1）物理模型

电石生产工艺热经济学成本的物理模型如图2所示。在传统工艺中，原料成本包括石灰石、焦炭以及电极糊的成本，能源成本包括燃料和电力的成本，非能量成本包括石灰窑和电石炉设备折旧、管理等成本，产品成本和副产品成本分别为电石和电石炉气的成本，如图2(a)所示。在新工艺中，原料成本包括煤粉、生石灰粉、黏结剂以及电极糊的成本，能源成本包括燃料和电力的成本，非能量成本包括压球机、热解炉和电石炉设备折旧、管理等成本，产品成本为电石的成本，副产品成本为热解气、焦油和电石炉气的成本，如图2(b)所示。

（2）数学模型

传统工艺的热经济学成本方程为式(17)、式(18)。

式中， c ₁ ~ c ₈ 分别为石灰石、燃料、生石灰、焦炭、电力、电极糊、电石和电石炉气的㶲单价，CNY/MJ； E _{x 1} ~ E _{x 8} 分别为石灰石、燃料、生石灰、焦炭、电力、电极糊、电石和电石炉气的㶲值，MJ； C _{k 1} 、 C _{k 2} 分别为石灰窑和电石炉的非能量成本，CNY。

新工艺的热经济学成本方程为式(19)~式(21)。

（1）㶲单价的确定

经济环境决定购入物质（如煤粉、生石灰粉、电力等）的㶲单价，通过联系物质的市场价与㶲流，可将经济参量转化成具有能量属性和经济属性的热经济学参量，具体的市场价见表2。

表2　 原料、能源及副产品的市场参考价格

式中， c _g 和 c _n 分别为副产煤气和煤的㶲单价，CNY/MJ； A _g 和 A _n 分别为副产煤气和煤的能级。

（2）非能量成本的确定

非能量成本包括操作维修成本、折旧、工厂间接成本、管理成本、分销和销售成本、地方税以及保险等。非能量成本的计算基于设备成本，其计算公式为式(23)。

式中， C _E 为当前设备的成本，CNY； C _B 为某一基准条件下的设备的成本，CNY； Q 为当前设备的成本容量； Q _B 为某一基准条件下的设备的容量； M 为比例因子，取值为0.6。

电石生产工艺的基本设备参数见表3。

表3　 电石生产工艺设备的相关参数

表4　 总投资成本（TIC）的计算方法

表5　 非能量成本的计算方法

表6　 煤粉工业及元素分析

表7　 电石出炉时的参数

在电石生产工艺的投入成本中，电力㶲成本占主导地位，约50%。目前电力结构仍以火力发电为主，未来随着可再生能源发电比例的增加，发电成本将发生变化，进而可能会影响到电力的价格，图6为电价对电石生产工艺单位电石热经济学成本的影响。

本文由燃煤电厂提供电力，电价为0.35CNY/kWh，由于电力是能源，所以其市场价与㶲单价具有一致性，经计算发现新工艺吨电石热经济学成本（1919CNY）低于传统工艺的热经济学成本（2208CNY），从图中可以看出，若采用可再生能源电（如风电、光电、水电），新工艺的经济性仍优于传统工艺，总之目前无论是采用火电还是可再生能源电，新工艺的单位电石热经济学成本均低于传统工艺的单位电石热经济学成本；在新工艺中，由于电耗显著降低，使其在电价偏高的条件下更具经济优势，若电价能降低至0.2CNY/kWh，传统工艺的单位电石热经济学成本将接近于新工艺的单位电石热经济学成本。

在新工艺中，非能量成本在输入成本中占比为16.8%，高于传统电石生产工艺非能量成本占比（10.9%）。非能量成本是基于设备购买成本进行计算的，所以设备成本对非能量成本具有主导作用；而设备的寿命更是直接影响到年均折旧费用，从而影响非能量成本。因此，设备成本和设备寿命是影响非能量成本的两个重要参数。

图7为设备成本和使用寿命对新工艺单位电石热经济学成本的影响关系。从图中可以看出，当设备寿命从5年增加到25年（设备成本设为1亿元）时，电石热经济学成本从2048CNY/t电石降低到1877CNY/t电石；当设备成本从1亿元增加到2亿元（设备寿命为25年）时，电石热经济学成本从1877CNY/t电石增加到2018CNY/t电石。在设备寿命为5年、设备成本为2亿元时，电石热经济学成本为2360CNY/t电石；在设备寿命为25年，设备成本为1亿元时，电石热经济学成本为1877CNY/t电石；降低了483CNY/t电石。由此可见，随着设备寿命的增加和设备成本的降低，电石的热经济学成本也会大幅下降。

（1）相比传统工艺，新工艺具有明显的经济性优势和能源联产效果。新工艺以廉价的低阶粉料替代块料，产生更多的副产能源，可有效降低电石生产成本；在新工艺中，除了电石合成产生的电石炉气外，还生成了高附加值的热解气，经过除尘净化后的副产煤气不仅可用作燃料，还可用作化工原料，实现跨行业的能源联产。

（2）新工艺的电炉电耗为3023.6kWh/t电石，比传统工艺（3405.7kWh/t电石）低382.1kWh/t电石。新工艺电耗降低，是由于电石炉采用热球团作为原料，实现了以低品质热能替代高品质电能，有效降低了电耗，具有按质用能的效果。

（3）对比分析传统工艺和新工艺的单位电石热经济学成本，发现新工艺的电石热经济学成本（1919CNY/t）低于传统工艺的电石热经济学成本（2208CNY/t），这主要是因为新工艺电耗显著降低、副产气净产量提高和低阶原料替代，其贡献度分别为8.7%、6.0%和3.5%，而目前新工艺的设备成本偏高，由此带来的非能量成本比传统工艺的非能量成本高114CNY/t，在后续的工艺推广中，新工艺将进一步展现出热经济性优势。

（4）从原料成本、能源成本和非能量成本方面分析经济参数对单位电石热经济学成本的影响。结果表明：在原料成本方面，煤粉和生石灰粉价格在-20%~+20%范围内波动，分别会使得新工艺电石热经济学成本变化7.9%和4.3%；在能源成本方面，当火力发电逐渐向可再生能源（如风能、太阳能、水能）发电转化时，将引起电价的改变，从而使得电石生产工艺经济性发生变化，如果电价降低至0.2CNY/kWh，传统工艺的电石热经济学成本将接近于新工艺的电石热经济学成本；在非能量成本方面，与设备成本为2亿元、设备寿命为5年相比，设备成本为1亿元、设备寿命为25年时的新工艺吨电石热经济学成本可降低483CNY。