电石生产工艺（电石炉技术的发展）

　　电石生产工艺（电石炉技术的发展）
　　电石做为重要的化工原料，广泛应用于化工、冶金、医药等诸多领域。电石为煤炭化工的中间产品。随着国民经济的不断增长，尤其PVC需求量的迅速增加，电石的需求量也在不断地扩大。我国具有丰富的煤炭资源，为电石生产提供了充分的原料保证。特别是近年来石油价格的飞速上涨，导致石油化工生产成本不断升高，与石油化工相比，煤炭化工已不断呈显其自身优势，使得电石工业迅猛发展。
　　电石生产的主体设备为电石炉，电石炉在电炉种类的划分中属埋弧电炉（或矿热电炉），与一些铁合金电炉属同一种类。
　　我国是一个煤炭大国，同时也是一个电石生产大国，国内有大型电石生产骨干企业五、六十家，中、小型电石企业更多至几百家，电石生产设备主要以中、小型开放式电石炉为主，大型密闭式电石炉占有量相对较少。在今后的电石工业发展中，将以大型节能、环保型密闭电石炉为主。
　　我国老式电石炉主要是在前苏联技术上发展起来的。国际上以前电石炉技术比较先进的外国公司主要有挪威埃肯公司、德国西马克·德马格公司以及日本钻石公司等，我国曾在20世纪70年代初期从日本钻石公司引进35MVA密闭式电石炉技术，20世纪80年代分别从挪威埃肯公司引进25.5MVA密闭电石炉技术、从德国西马克·德马格公司引进多种容量大型铁合金电炉技术。20世纪末期，由于国际上石油法化工发展迅速，电石法化工发展较为缓慢，国际上提供电石炉设备技术的一些大公司在此方面技术上发展也相对较为缓慢，特别是日本钻石公司等现在已基本退出电石炉技术开发研究领域。
　　相反，我国由于电石工业发展迅速，在生产中摸索出很多有益经验，并且在引进国外先进技术基础上不断总结提高，并且在电石炉设备技术中又吸收了很多铁合金电炉方面的有益经验，使得我国目前电石生产技术已进入国际先进行列。
　　以前由于大型电极设备技术及工艺技术的制约，使得大型电石炉的发展受到限制，目前直径1400mm的大型电极已经在国内大型密闭埋弧电炉上应用，且已经收到良好的使用效果，证明我国在大型电炉核心技术掌握上已经成熟，为我们设计制造新型40MVA及以上规格的超大型电石炉创造了有利条件。
　　由于大型电石炉具有劳动定员少、易于高水平自动化控制、相对投资少、易于综合环境治理等优点，建议今后新上电石炉采用30～40MVA大型密闭电石炉。
　　2.电石炉的分类
　　电石炉是电石生产的主要设备，电石生成的电化学反应就是在电石炉内完成的。电石炉按其容量可分为小型电石炉（一般容量在10000kVA以下）、中型电石炉（一般容量为10000～25000kVA以下）、大型电石炉（一般容量为25000～40000kVA以下）、超大型电石炉（一般容量为40000kVA以上）；电石炉按其结构可分为开放式电石炉、半开放式电石炉及密闭式电石炉。
　　3.密闭电石炉是什么
　　密闭电石炉是指电石生产的电化学反应在密闭的容器（包括炉体及炉盖等）中进行，外部的空气不能进入反应的容器内，这样的电石炉称为密闭电石炉。由于密闭电石炉炉内隔绝了空气，其反应生成的CO气体不会在炉内发生燃烧反应。
　　密闭电石炉的特点：
　　1)反应生成的CO气体抽出后经降温及除尘净化处理，可作为气体燃料及有机合成工业的原料，从而使能源得到了综合利用，降低了电石生产的成本；
　　2)密闭电石炉电化学反应在密闭的炉盖下进行，在电石炉周围没有火焰和粉尘，大大的改善了劳动环境；
　　3)由于反应生成的CO气体被抽出，炉面上不再发生燃烧反应，炉内气体温度降低，延长了设备的使用寿命；
　　4)由于密闭电石炉炉面上不再发生燃烧反应，电炉的工作环境得到了改善，电石炉功率可以提高，电石炉可向大型化发展，目前世界上大型电密闭石炉容量已达到100000kVA；
　　5)密闭电石炉加料为连续自动加料的方式，取消了现场人工加料；
　　6)电极升降及压放采用自动方式在控制室内完成，可以减少劳动定员及减轻工人的劳动强度；
　　7)密闭电石炉可根据各种仪表来控制电石炉，并且利用仪表进行安全检测，提高了电石炉操作的安全性，为自动化电炉操作提供了基础；
　　4.节能、环保型密闭电石炉介绍
　　按照电石生产满足可持续发展的需要，及设备的先进性、生产安全性、环保达标排放、节能及达到经济规模的要求，目前新上电石炉在容量上应为大型或超大型电石炉，在结构上应采用密闭式电石炉。下面，将目前国内先进的节能、环保型密闭电石炉情况作以介绍。
　　4.1密闭电石炉的炉体形式
　　电石炉的炉体由炉壳和炉衬组成。在电石炉炉体内炉料通过其电阻热及部分电弧发出的高温使炉料熔化反应生成电石。由于反应温度高达2000℃以上，这样高的温度，一般耐火材料是难以承受的，所以炉体的容积必须大于反应的空间，也就是说反应区与炉衬之间留存一层炉料， 用以保护炉衬。
　　炉体的形状很多，从炉口形状来说，有圆形的、椭圆形的、方形的 和长方形的。由热力学的观点来看，以圆形较为有利。实际上，炉体形状的选择决定于电极位置的布置和一氧化碳抽取设备的安装位置。现今的电石炉可以说大多数都是采用圆形炉。
　　炉体内反应空间的大小由电极的大小、距离以及电弧作用范围来决定。电极间的距离与其直径成正比例，而电极直径是随炉子的容量而变的。电极直径又由其所允许的电流密度来决定。电极的电流又由变压器的容量来决定。最终结论是炉体的大小决定于其变压器的容量。
　　对炉壳的要求：①炉体强度应该能满足炉衬受热而产生的剧烈膨胀，适应炉衬热胀冷缩的要求；②在满足强度要求的情况下，应力争节省材料，减轻重量；③制造方便，必要时应考虑包装运输的可能性。
　　目前国内所用炉壳的结构形式有两种：一种是圆柱形壳，大多数工厂都采用这种结构。另一种是例圆锥形炉壳，锥角为7°。这种形式的炉壳以前我国曾经在大容量密闭电石炉上采用。
　　4.2密闭电石炉的炉盖形式
　　炉盖的作用是盖在炉体上面，使电石炉密闭起来，炉盖与炉体之间密封采用砂封。炉体与炉盖的密封是为了使电石生产中产生出来的炉气全部回收。
　　炉盖为水冷焊接结构，其上打结有耐火材料。在炉盖上设有检查孔、安全阀、测温计孔、炉气排出口、加料口和3个电极插入口。
　　4.3密闭电石炉的电极装置结构形式
　　电石炉的电极装置为电石炉设备的重要组成部分，电极装置的好坏，直接影响着电石炉是否能够顺利生产。 自焙电极系统由于生产成本低、使用比较可靠，现在电石炉电极系统基本上采用自焙电极系统。 目前大型电石炉电极装置的控制主要是采用液压系统进行全自动控制。 电极装置主要分为组合把持器式电极装置、液压报闸式电极装置、钢带抱紧压放式电极装置。 组合把持器式电极装置为近年来在引进国外技术基础上改进而成的新式电极装置，此种结构的电极装置在国内一些厂家已得到很好的应用，充分证明了其适应大型电石炉生产的特性。此种结构的电极装置已不同于电极装置的结构形式。此种结构的电极装置其电极壳上焊接有多个筋片，电极的压放和导电就是通过夹持筋片来完成的。其分为上、下两部分。
　　根据长期使用，组合把持器式电极装置与其它电极装置，具有如下的显著特点：
　　a)结构简单，它简化了把持器和压放机构，使用可靠，重量轻；
　　b)互换性好，接触装置和压放装置可适用于各种不同直径的自焙电极；
　　c)组合把持器接触电阻小，电效率高，不易与电机壳间打火；
　　d)电极壳再不会变形；
　　e)电极再不会在滑放时失去控制，为高电耗的冶炼工艺增加了安全电极滑放率；
　　f)由于降低电极的冷却，因而使电极焙烧位置升高；
　　g)减少了电极断损事故；
　　h)寿命长，普通的铜瓦式把持器一般寿命较短，块式抱闸重且易磨损，而组合式电极柱接触元件及压放装置的寿命可在传统电极柱寿命的5～8倍以上。
　　i)在电极导电系统中，接触导电元件与电极壳之间通过弹簧进行夹紧，电极压放时不用降低电炉负荷，而在电炉满负荷的状态下进行电极的压放，这样大大的提高了电石炉的功率利用系数。
　　组合式电极柱虽然有以上优点，但必须加工制造精密，按照其特性进行调试，才能充分发挥其优点。
　　5．电石炉空心电极系统介绍
　　近年来随着生产技术的发展，人们又研制出了空心电极系统并得到了很好的应用，取得了很好的经济效益。电石炉空心电极系统将原料破碎过程产生的石灰粉料和焦碳、无烟煤粉料按比例配料作原料从中空电极内部直接加入炉内，空心电极系统具有如下的特点:
　　1)电石炉空心电极系统把配料前筛分下来的粉料（石灰、焦碳及无烟煤粉末）直接从电极心部加入炉内,提高原料利用率,粉料的加入率最高可达30%；（无空心电极系统的电石炉，粉料一般作为废料处理）
　　2)由于电极为空心结构,电极焙烧效果好；
　　3)快速调节溶池原料配比，迅速调整炉况；
　　4)由于细粒原料在炉内均匀混合，直接进入反应区，更有利于反应的进行，降低电耗5%左右；
　　5)在电石生产中可加入更多的焦碳，而不造成电极上移，可提供更有利的还原条件，提高产品的质量；
　　6)使用空心电极系统,可使电极糊及电极壳的消耗量减少1/3以上；
　　6.电石炉气体分析解决方案
　　电石(CaC2)是基本的有机化工原料，曾被誉为有机合成之母。由它制得的乙炔气可代替石油制品生产醋酸、醋酸乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、乙炔炭墨等一系列数千种有机产品的气体原料。电石化工作为煤化工的一个分支，一方面是具有生命力的产业，另一方面又是高耗能、高污染的产业。电石生产中，电石炉排放的烟气是最大的污染源。为了加强环境保护治理和实现能源回收利用、降低生产成本、提高企业和社会效益，按照国家发改委2007 年70 号文件《电石行业准入条件》（2007 年修订）的意见。新建电石炉必须符合以下4个要求：（1）建设大型密闭式电石炉；（2）单台炉容量25000KVA 以上；（3）初始总容量100000KVA；（4）电石炉气必须综合利用。
　　电石炉气的净化和利用在国内外都是难题，要充分、安全、有效地利用电石炉气，就必须对电石炉尾气进行有效的监测。电石炉尾气分析方法主要有三种：手工（奥氏气体仪）分析、色谱仪分析、在线分析。
　　本解决方案仅就密闭式电石炉气的在线监测进行简要分析，对电石炉尾气分析系统的设计进行简要介绍。希望能抛砖引玉，从而实现在新建电石炉和老的电石炉改造后的尾气得到充分利用，进而实现环境保护、劳动保护以及实现能源回收利用、降低生产成本、提高企业和社会经济效益。
　　1. 炉气的特性
　　生产过程中的密闭电石炉内,通电后生成产品的主要反应式：CaO+3C=CaC2+CO
　　1.1 炉气量：400Nm3/t电石；
　　1.2 温度：正常400--800℃，（瞬时）1000℃。
　　1.3 炉气的组分（一般）
　　1.4 粉尘含量及组分
　　粉尘含量：50-150 g/ Nm3
　　密闭电石炉尾气有以下特点：
　　2. 炉气的特点
　　(1)电石炉尾气出炉温度高且不稳定；
　　(2) 炉气量波动而不平稳，尾气中一氧化碳浓度高，约含74—85％，且温度高，属于易燃易爆的气体；
　　(3)尾气粉尘含量大且粒径小，5～10μm的约占粉尘40％，大于40μm的不足11％，高达150g／Nm3的烟尘使得尾气的回收很不利;
　　(4)尾气有一定的热值约2300—2600 Kcal／Nm3；
　　(5)尾气中含有微量的焦油，析出后和粉尘粘连，给低温除尘带来不便。
　　3. 密闭电石炉尾气分析系统
　　一般分析系统从结构上可分为三大部分，即取样系统，预处理系统，分析系统。根据炉气的以上特点，天禹智控经过多年经验积累，将该分析系统从功能上划分，据此设计制造的密闭电石炉尾气分析成套系统，在新建大型密闭电石炉（5万t）以及老的电石炉改造的应用中都取得了很好的运用效果。以下简要介绍该分析系统的设计。
　　3.1 取样点的选取
　　取样点的选取应该满足以下要求：能真实、及时地反映用户所关注的炉况参数；取样的点温度、压力、流量比较稳定；粉尘、焦油量尽可能小。如果取样点选取不当将给后续系统带来额外负担，甚至不能真实地反映出需要的炉况参数。
　　3.2 取样系统的设计
　　取样系统是整个分析系统的第一道关口，它是否成功，将直接导致整个分析系统的成败。电石炉尾气取样点的温度大约在200-300℃，相对压力为微正压到微负压之间，由于炉气的特殊性，取样系统必须具有对样品组分进行初步的物理分离，将采样探头周围的固体颗粒从气态流体中分离出去，因此取样系统不仅要有探针（取样管），还要有过滤系统、探头清扫系统等，此外，还应具有便于维护的结构。天禹智控自主研发的取样探头能将大于0.3 μ 粉尘m的99%滤出。采用专用取样探头，再配以程控自动吹扫装置，即可担此重任。
　　3.3 预处理系统的设计
　　预处理系统主要完成从取样系统输送过来的气样进行安全、及时、有效地处理，以满足仪器分析系统的使用条件。首先传输管路的设计必须满足空气动力学的要求，使样气流路畅通无阻；接下来是将样气进行除尘、除焦油、调压、除水、稳流等一系列连惯处理。使处理后的样品气干燥、清洁，以便进入仪器分析系统中的关键组分得以准确分析。从而为电石的生产安全以及炉气的有效利用提供科学的依据。
　　除尘系统包括过滤、清扫、再过滤等，防止管路阻塞；脱焦除油系统包括控温、洗出、吸附等，有利于管路畅通，保护分析设备；除水系统包括汽水分离、冷凝、雾捕集、气水分离、干燥过滤等，保护分析仪，保证测试准确；压力调整系统包括泵、调节阀、快速回路等，以保证仪器正常工作条件。可编程控制（PLC）系统，主要包括PLC、程序软件、执行机构、人机界面等，主要用于对取样预处理系统实现自动控制，出现异常情况时报警。
　　3.4 仪器分析系统
　　本系统包括流量调节装置、防异常进水装置、校准装置、分析仪器等。分析仪器是根据电石生产工艺以及尾气用途进行配置的。一般密闭电石炉尾气中的O2、H2、CO等气体属于必测项目。其中O2和H2的含量是安全指标，CO是尾气利用核心。
　　4. 电石炉尾气成套分析系统的应用
　　武汉天禹智控研发的电石炉尾气分析系统，功能框图的基础上，根据不同用户的工况及要求还会进行有针对性地设计。
　　总之，密闭式电石炉适用于大容量炉型，炉气从炉内引出后可实现综合利用，既降低了冶炼能耗，又减少了能源的巨大浪费，同时大幅度减少了烟气直接排放，有利于环境保护。符合国家有关产业政策，必将得到较快发展。同时，对其尾气在线分析系统也会有越来越高的要求。因此，电石炉尾气分析系统在先进性、适用性、可靠性、稳定性、安全性等方面应提出更高的要求。