利用高爐生產(chǎn)電石的試驗(yàn)研究

蔡建利，鄧 勇，陳仁宏，楊紅軍

（四川省川威集團(tuán)有限公司，四川 成都611000）

1 電石生產(chǎn)技術(shù)概述

電石生產(chǎn)方法主要有電熱法和氧熱法。目前，工業(yè)上仍以電爐電熱法生產(chǎn)電石為主，該法發(fā)展歷史已有一百一十多年。

1.1 電熱法

電熱法（也稱為電弧法）即生石灰和含碳原料（焦炭、無(wú)煙煤或石油焦）在電石爐內(nèi)，依靠電弧高溫熔化反應(yīng)而生成電石。其生產(chǎn)過(guò)程為：通過(guò)電爐上端的入口或管道將混合料加入電爐內(nèi)，在開(kāi)放或密閉的電爐中加熱至2 000 ℃。熔化了的電石從爐底取出后，經(jīng)冷卻、破碎后作為成品包裝。反應(yīng)中生成的一氧化碳則依電石爐的類(lèi)型以不同方式排出：在開(kāi)放爐中，一氧化碳在料面上燃燒，產(chǎn)生的火焰隨同粉塵—起向外四散；在半密閉爐中，一氧化碳的一部分被安置于爐上的吸氣罩抽出， 剩余的部分仍在料面燃燒； 在密閉爐中， 全部一氧化碳被抽出。電熱法生產(chǎn)電石，單位產(chǎn)品的電耗高達(dá)3 500～4 000 kW·h/t，電費(fèi)成本高達(dá)2 000 元/t 以上。

1.2 氧熱法

氧熱法是在有氧環(huán)境（在爐內(nèi)吹氧氣或富氧空氣）下使部分粉煤燃燒（提高爐溫）生成合成氣，發(fā)出的熱量同時(shí)使剩余粉煤和粉狀氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成電石。該法利用非電石爐富氧熔煉焦炭和石灰石，從石灰石中提取碳，生產(chǎn)電石并副產(chǎn)煤氣、硅鐵。此“一爐三用”的新技術(shù)，使CaC2生產(chǎn)綜合利用了煤氣化過(guò)程中的余熱和煤灰，煤灰加配料熔融后生成CaC2和硅鐵（提純CaC2時(shí)），同時(shí)在高溫低壓下自然生成煤氣。每生產(chǎn)1 t 電石（80%CaC2），從石灰石中提取純炭168 kg 左右，產(chǎn)生煤氣6 000（CO 含量在55%）～2 600（CO 含量在95%）m3，可生產(chǎn)約4.5 t 的甲醇。產(chǎn)生的富氧既提高爐溫又提高了煤氣的CO 質(zhì)量；煤的熱能利用后產(chǎn)生的煤氣，用于煤化工或清潔發(fā)電。

此工藝為無(wú)能源消耗型和無(wú)污染型的電石和煤氣聯(lián)合生產(chǎn)新工藝。利用富氧或純氧使碳在非電石爐中氣化加熱熔融，代替電加熱熔融生產(chǎn)電石，綜合利用了煤氣化過(guò)程中的熱能和化學(xué)能，省去了外供電的消耗，減少工業(yè)廢渣排放。此技術(shù)創(chuàng)新了CaC2生產(chǎn)工藝、煤氣化工藝，還開(kāi)創(chuàng)了從石灰石（CaCO3）中提取碳能源的技術(shù)，使煤氣化工藝不排渣，還可生產(chǎn)硅鐵，有望成為煤炭綜合利用的新工藝。

2 國(guó)內(nèi)外氧熱法技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外情況

美國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)家在十九世紀(jì)60 年代初期和中期，做過(guò)氧熱法制電石的中試。十九世紀(jì)90 年代初已建立25 kt/a 的氧熱法生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)1 t 電石需消耗1 t 生石灰、2 t 焦炭、1 160 Nm3氧氣和600 kW·h 電。

近幾年，日本和德國(guó)已開(kāi)始進(jìn)行豎式爐全焦、純氧氧熱法的試驗(yàn)。日本公開(kāi)專利昭61—178412 提出：以豎爐全焦、純氧或富氧熱法實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)電石，在豎爐內(nèi)的填充層是分層填充炭素和含氧化鈣材料，經(jīng)風(fēng)口噴吹氧氣或富氧空氣生產(chǎn)電石產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)獲得的產(chǎn)品中，50%的產(chǎn)品含60%CaC2，其余的產(chǎn)品含40%以上CaC2，氧化鈣的回收率僅為60%。熊謨遠(yuǎn)[1]介紹了德國(guó)采用豎式爐甲烷熱裂解法的半工業(yè)裝置，該豎爐日產(chǎn)70～100 t 的電石（含80%的CaC2），但至今尚未得以推廣應(yīng)用。

2.2 北京化工大學(xué)研究情況

國(guó)內(nèi)的科研單位主要是北京化工大學(xué)，以劉振宇、劉輝和劉清雅教授為主的科研團(tuán)隊(duì)自2009 年開(kāi)展了一系列的基礎(chǔ)研究，包括對(duì)不同含鈣化合物制備電石的影響因素分析[2]，研究電石制備過(guò)程中不同含鈣化合物與焦炭的反應(yīng)行為[3]，研究粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣的新工藝[4]，分析氧熱法電石合成的反應(yīng)平衡和熱匹配[5]，研究氧熱法電石合成淤漿鼓泡床反應(yīng)器的流動(dòng)特性[6]、對(duì)氧熱法電石生產(chǎn)氣流床反應(yīng)器性能進(jìn)行數(shù)值模擬[7]等。

2011 年9 月10 日，北京化工大學(xué)與河南煤化集團(tuán)研究院、 中國(guó)五環(huán)工程有限公司合作開(kāi)發(fā)的2 400 t/a 氧熱法電石生產(chǎn)新技術(shù)中試裝置可行性研究報(bào)告及反應(yīng)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)通過(guò)了專家審查，但因故沒(méi)有建設(shè)中試裝置。近兩年，北京化工大學(xué)已完成該新技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，實(shí)驗(yàn)室模擬生產(chǎn)已完成。目前已申請(qǐng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利2 項(xiàng)，提交國(guó)際專利1 項(xiàng)，正在開(kāi)展中試裝置的方案設(shè)計(jì)。

2.3 國(guó)內(nèi)其他單位研究情況

河北省峰峰集團(tuán)非煤產(chǎn)業(yè)部岳書(shū)才開(kāi)展了氣化煤氣、熔融熔煉電石排放的循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究[8]，并于2005 年4 月7 日申請(qǐng)專利《豎爐氧燃噴吹生產(chǎn)碳化鈣方法及裝置》（申請(qǐng)?zhí)朇N200510063216.3，至今未見(jiàn)獲得專利權(quán)）。

太原理工天成科技股份有限公司杜文廣等5 人于2008 年8 月27 日申請(qǐng)了專利《一種同時(shí)生產(chǎn)電石、硅鐵和高純度CO 氣體的方法》（申請(qǐng)?zhí)朇N2008 10079309.9，至今未見(jiàn)獲得專利權(quán)）。

3 高爐氧熱法生產(chǎn)電石的技術(shù)分析

3.1 技術(shù)難點(diǎn)分析

3.1.1 如何產(chǎn)生高溫生成電石

在電石的生產(chǎn)過(guò)程中，碳與生石灰需在2 000 ℃的高溫條件下發(fā)生反應(yīng)才能生產(chǎn)液態(tài)的電石。但在目前高爐冶煉的模式下，爐內(nèi)的溫度達(dá)不到電石冶煉所需的溫度。要滿足電石生產(chǎn)過(guò)程中所需的溫度，必須改變現(xiàn)有高爐的燃燒反應(yīng)過(guò)程，其最有效的途徑就是提高燃燒反應(yīng)中氧氣的濃度，以大幅度提高理論燃燒溫度。

3.1.2 電石爐爐型的設(shè)計(jì)

氧熱法生產(chǎn)電石的過(guò)程與高爐煉鐵的過(guò)程，在不同的溫度下原料的體積、狀態(tài)均不同。為保證氧熱法生產(chǎn)電石在大工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，其電石爐的爐型與高爐相比會(huì)在包括高徑比、爐身角、爐腹角、爐缸直徑、爐腰直徑等參數(shù)上存在差異，需要通過(guò)試驗(yàn)研究，不斷調(diào)整優(yōu)化爐型參數(shù)，找到適合高爐冶煉電石的最佳參數(shù)。3.1.3 如何解決料柱透氣性

高爐煉鐵所用的原料具有較好的強(qiáng)度，而電石冶煉中石灰的強(qiáng)度較低，在承受較大壓力的情況下會(huì)粉化，將嚴(yán)重影響料柱的透氣性，進(jìn)而對(duì)冶煉過(guò)程中煤氣的運(yùn)動(dòng)及傳熱和傳質(zhì)產(chǎn)生影響，可能會(huì)導(dǎo)致冶煉行程的連續(xù)性中斷，需要研究解決料柱透氣性的辦法。

3.1.4 如何對(duì)爐體進(jìn)行冷卻

目前高爐冶煉采取的爐體冷卻方式是冷卻壁水冷，但生產(chǎn)過(guò)程中特別是爐役后期常出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。高爐煉鐵冷卻壁漏水只會(huì)對(duì)高爐的順行和指標(biāo)產(chǎn)生影響，不會(huì)造成大的安全事故。結(jié)合電石的特殊性能，一旦漏水可能會(huì)造成大的安全事故。需要研究并解決在高爐上進(jìn)行氧熱法電石生產(chǎn)試驗(yàn)過(guò)程中的爐體冷卻問(wèn)題。

3.1.5 如何對(duì)爐體進(jìn)行嚴(yán)實(shí)密封

高爐煉鐵過(guò)程中，爐頂及送風(fēng)裝置均存在煤氣泄漏的現(xiàn)象，但高爐產(chǎn)生的CO 濃度較低，實(shí)際生產(chǎn)中不易出現(xiàn)安全事故。電石生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的CO濃度較高，非常容易出現(xiàn)安全事故。需要研究并解決爐體密封問(wèn)題。

3.1.6 如何確保研究試驗(yàn)的安全

根據(jù)電石、煤氣的物性，需要研究試驗(yàn)全過(guò)程的安全問(wèn)題并制訂妥善的安全、環(huán)保措施以及相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案。

3.2 設(shè)備及材質(zhì)分析

氧熱法電石生產(chǎn)根據(jù)其氣化爐工藝原理可借用高爐冶煉生產(chǎn)裝置，但國(guó)內(nèi)均無(wú)實(shí)例，在設(shè)備設(shè)施上無(wú)借鑒題材。上配料系統(tǒng)使用高爐原有配料系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；冶煉過(guò)程采用高爐本體經(jīng)過(guò)內(nèi)部改造及增設(shè)相應(yīng)監(jiān)測(cè)設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

但氧熱法反應(yīng)區(qū)的溫度高達(dá)2 300 ℃、儲(chǔ)液區(qū)的溫度高達(dá)2 000 ℃，與冶煉鐵礦相比高出許多，故選用爐內(nèi)高溫區(qū)的耐材材質(zhì)是一大難題；進(jìn)氧系統(tǒng)，需在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，充分考慮其安全性；爐氣處理系統(tǒng)，需考慮現(xiàn)有高爐爐頂設(shè)備的密封安全性，爐氣的溫度如果同電熱法密閉爐的爐氣溫度一樣達(dá)500～1 000 ℃，則需考慮改進(jìn)高溫爐氣的處理工藝；電石出料爐口，還需根據(jù)液態(tài)電石性質(zhì)進(jìn)行改造，液態(tài)電石的固化和冷卻還需借鑒電熱法電石生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；此外，還需修建干燥的電石儲(chǔ)存場(chǎng)地。

3.3 公用工程及配套設(shè)施分析

高爐氧熱法電石生產(chǎn)在水、電、輔助氣體上均可借用原高爐生產(chǎn)配置的動(dòng)能系統(tǒng)，氧氣需修建專用輸氧管道及減壓站，爐氣輸送可借用原高爐的煤氣管網(wǎng)，其他配套設(shè)施也可基本滿足試驗(yàn)研究需要。

4 高爐氧熱法生產(chǎn)電石試驗(yàn)研究

通過(guò)以上分析，研究人員利用淘汰的煉鐵小高爐系統(tǒng)，組織開(kāi)展了相關(guān)設(shè)備改造、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及相關(guān)研究?？傮w思路是：在有氧環(huán)境（在高爐內(nèi)吹氧氣或富氧空氣）下使部分小粒級(jí)焦炭燃燒（提高爐溫）生成合成氣，發(fā)出的熱量同時(shí)使剩余焦炭和粉狀氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成液態(tài)碳化鈣，并在1 900～2 400 ℃下將液態(tài)電石從爐底不完全連續(xù)排出；同時(shí)，從爐頂取出高純度煤氣，用于余熱發(fā)電，具體的技術(shù)方案如下。

（1）生石灰石塊直接入爐或經(jīng)石灰窯鍛燒后以熟石灰石塊入爐，同時(shí)伴以焦炭作為燃料和冶煉骨架，在有氧環(huán)境下發(fā)生還原反應(yīng)生成液態(tài)碳化鈣。石灰石塊和焦炭從中轉(zhuǎn)倉(cāng)裝入，由運(yùn)輸皮帶運(yùn)至高爐配料倉(cāng)，經(jīng)配料罐稱重計(jì)量按實(shí)際需要進(jìn)行準(zhǔn)確配料，利用原高爐配料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料。

（2）配好的原料成批次由配料倉(cāng)下的皮帶運(yùn)輸線自動(dòng)運(yùn)至爐頂，從爐頂大小料鐘裝入高爐。原料先裝入高爐爐頂受料斗，此時(shí)爐內(nèi)與爐外處于密封狀態(tài)。待料罐壓力放散后，打開(kāi)小鐘，將原料從受料斗放入料罐，再關(guān)閉小鐘及放散閥；同時(shí)使用爐頂氣壓對(duì)料罐進(jìn)行充壓做好向爐內(nèi)裝料的準(zhǔn)備，待爐內(nèi)需裝料時(shí)，打開(kāi)大鐘將原料從料罐直接裝入爐內(nèi)完成整個(gè)裝料過(guò)程。如此往復(fù)，對(duì)高爐可進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)循環(huán)裝料。

（3）原料按一定配比裝入高爐后，從爐喉下降到爐底是一個(gè)逐步升溫的過(guò)程，物態(tài)形式是一個(gè)從固態(tài)到液態(tài)的過(guò)程。在爐內(nèi)垂直方向大致可分為預(yù)熱帶、加熱帶、滴落帶等幾個(gè)溫度帶，是一個(gè)預(yù)熱—加熱—軟化—熔化反應(yīng)的過(guò)程。此反應(yīng)過(guò)程的熱量來(lái)源于原料中配入的焦炭在富氧環(huán)境燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生，而富氧環(huán)境來(lái)源于將純氧或富氧空氣從爐底進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)支管均勻吹入。吹入的純氧或富氧氣體在熱源環(huán)境下與焦炭快速反應(yīng)，提供熱量促進(jìn)電石的生成，同時(shí)生成含一氧化碳的熱煤氣。此氣體在爐內(nèi)上升過(guò)程中對(duì)下行的原料不斷加熱，通過(guò)爐頂煤氣導(dǎo)出管排出，再經(jīng)過(guò)煤氣凈化系統(tǒng)處理，最后得到高純度煤氣。爐內(nèi)反應(yīng)生成的熔化電石的焦炭與氧氣反應(yīng)所提供的高熱源下繼續(xù)反應(yīng)生成液態(tài)電石，進(jìn)入爐缸電石液池儲(chǔ)熱。當(dāng)液面達(dá)到一定高度，從爐底側(cè)面組織開(kāi)口排液。達(dá)到液面控制要求后封口進(jìn)入下一個(gè)冶煉周期。

本研究涉及的配料系統(tǒng)設(shè)備組成如下：配料倉(cāng)門(mén)由多個(gè)礦倉(cāng)組成，放料閥模由液壓鄂式閘閥組成，配料系統(tǒng)自動(dòng)配料；爐頂系統(tǒng)由大料鐘、小料斗、料罐、均壓閥等組成，通過(guò)大小鐘的先后開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)爐外隔絕密封，通過(guò)全液壓自控系統(tǒng)向爐內(nèi)裝料；爐前設(shè)備由液壓泥炮和開(kāi)口機(jī)組成。

5 小結(jié)

通過(guò)技術(shù)分析和試驗(yàn)研究，初步掌握了利用高爐采用氧熱法工藝生產(chǎn)電石的設(shè)備改造方案和工藝技術(shù)參數(shù)，并申請(qǐng)了發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?0151007244 1.7，為保密起見(jiàn)，暫未公開(kāi)）。

［1］熊謨遠(yuǎn).電石生產(chǎn)及其深加工產(chǎn)品.北京：中國(guó)化工出版社，1989.233-234.

［2］唐旭博.不同含鈣化合物制備電石的影響因素分析.碩士學(xué)位論文，2009.

［3］唐旭博，馬彩霞，劉清雅，等.電石制備過(guò)程中不同含鈣化合物與焦炭的反應(yīng)行為研究.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（5）：539-543.

［4］李國(guó)棟.粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣新工藝的基礎(chǔ)研究.博士學(xué)位論文，2011.

［5］劉 陸，楊鵬遠(yuǎn)，劉 輝，等.氧熱法電石合成的反應(yīng)平衡和熱匹配分析.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，39（2）：1-6.

［6］楊鵬遠(yuǎn)，劉 陸，劉 輝，等.氧熱法電石合成淤漿鼓泡床反應(yīng)器的流動(dòng)特性.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，39（3）：1-6.

［7］于 洋，李文濤，竇雅玲，等.氧熱法電石生產(chǎn)氣流床反應(yīng)器性能的數(shù)值模擬.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，40（3）：27-31.

［8］岳書(shū)才.氣化煤氣、熔融熔煉電石排放的循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究.中國(guó)石油和化工經(jīng)濟(jì)分析，2006，14：38-41.