高爐氧熱法電石生產(chǎn)技術(shù)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610095)

高爐氧熱法電石生產(chǎn)技術(shù)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610095)

簡(jiǎn)介了生產(chǎn)電石的兩種工藝路線和氧熱法工藝的技術(shù)進(jìn)展,分析了在煉鐵高爐上應(yīng)用氧熱法生產(chǎn)電石的技術(shù)難點(diǎn)并開展了試驗(yàn)研究。

高爐;氧熱法;電石;試驗(yàn)

1 引言

根據(jù)國家工信部《鋼鐵行業(yè)規(guī)范條件》(2012年修訂)和國家發(fā)改委《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年本)(修正)》,鋼鐵行業(yè)有效容積400立方米以下的煉鐵高爐自2012年10月1日起全部淘汰。同時(shí),根據(jù)國家工信部《電石行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《電石行業(yè)準(zhǔn)入條件(2013年修訂)》,鼓勵(lì)實(shí)現(xiàn)氧熱法電石工藝技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化。為此,我們對(duì)在煉鐵小高爐上采用氧熱法生產(chǎn)電石的工藝和設(shè)備進(jìn)行了分析、探索和研究。

2 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110多年。

2.1 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)過程是:原料加工、配料、通過電爐上端的入口或管道將混合料加入電爐內(nèi),在開放或密閉的電爐中加熱至2 000℃左右,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型以不同方式排出:在開放爐中,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 500k Wh/t～4 000k Wh/t,電費(fèi)成本高達(dá)2 000元/t以上。

2.2 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)1t電石(80%CaC2),從石灰石中提取純炭168kg左右,產(chǎn)生煤氣6 000m3(CO含量在55%)～2600m3(CO含量在95%),可生產(chǎn)約4.5t的甲醇。氧氣一舉兩用: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。

此工藝為無能源消耗型和無污染型的電石和煤氣聯(lián)合生產(chǎn)新工藝。它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技術(shù)。

3 國內(nèi)外氧熱法技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 國外情況

美國、德國、荷蘭等國家在19世紀(jì)60年代初期和中期,做過氧熱法制電石的中試。19世紀(jì)90年代初已建立25kt/a的氧熱法生產(chǎn)裝置,生產(chǎn)1t電石,需消耗1t生石灰、2t焦炭、1 160Nm3氧氣和600k Wh電。

近幾年,日本和德國已開始進(jìn)行豎式爐全焦、純氧氧熱法的試驗(yàn)。日本公開專利昭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%。中國化工出版社的《電石生產(chǎn)及其深加工產(chǎn)品》一書中,介紹了德國采用豎式爐甲烷熱裂解法的半工業(yè)裝置,該豎爐日產(chǎn)70t～100t的電石(含80%的CaC2),但至今尚未得以推廣應(yīng)用。

3.2 北京化工大學(xué)研究情況

國內(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)從2009年至今開展了一系列的基礎(chǔ)研究,公開發(fā)表的論文有《不同含鈣化合物制備電石的影響因素分析》(2009,碩士論文)、《電石制備過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),2010,05:539-543)、《粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣新工藝的基礎(chǔ)研究》(2011,博士論文)、《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),2012,02:1-6)、《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), 2012,03:1-6)、《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),2013,03:27-31)。

2011年9月10日,北京化工大學(xué)與河南煤化集團(tuán)研究院、中國五環(huán)工程有限公司合作開發(fā)的2400t/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)通過了專家審查,但因故沒有建設(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)國內(nèi)發(fā)明專利2項(xiàng),提交國際專利1項(xiàng),正在開展中試裝置的方案設(shè)計(jì)。

3.3 國內(nèi)其他單位研究情況

河北省峰峰集團(tuán)非煤產(chǎn)業(yè)部的退休專家岳書才在2006年發(fā)表過論文《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》(中國石油和化工經(jīng)濟(jì)分析,2006年14:38-41),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N200810079309.9,至今未見獲得專利權(quán))。

4 高爐氧熱法生產(chǎn)電石的技術(shù)分析

4.1 技術(shù)難點(diǎn)分析

4.1.1 如何高溫生成電石

在電石的生產(chǎn)過程中,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)過程中所需的溫度,必須改變現(xiàn)有高爐的燃燒反應(yīng)過程,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。

4.1.2 電石爐爐型的設(shè)計(jì)

氧熱法生產(chǎn)電石的過程與高爐煉鐵的過程,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)。

4.1.3 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。

4.1.4 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)過程中的爐體冷卻問題。

4.1.5 如何對(duì)爐體進(jìn)行嚴(yán)實(shí)密封

高爐煉鐵過程中,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題。

4.1.6 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)全過程的安全問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。

4.2 設(shè)備及材質(zhì)分析

氧熱法電石生產(chǎn)根據(jù)其汽化爐工藝原理可借用高爐冶煉生產(chǎn)裝置,但國內(nèi)均無實(shí)例,在設(shè)備設(shè)施上無借鑒題材。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,冶煉過程采用高爐本體經(jīng)過內(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。

4.3 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),其它配套設(shè)施也可基本滿足試驗(yàn)研究需要。

5 高爐氧熱法生產(chǎn)電石試驗(yàn)研究

通過以上分析,我們利用淘汰的煉鐵小高爐系統(tǒng),組織開展了相關(guān)設(shè)備改造、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及相關(guān)研究,并申請(qǐng)了發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?01510072441.7,為保密起見,暫未公開)?？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)倉裝入,由運(yùn)輸皮帶運(yùn)至高爐配料倉,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),打開大鐘將原料從料罐直接裝入爐內(nèi)完成整個(gè)裝料過程。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)逐步升溫的過程,物態(tài)形式是一個(gè)從固態(tài)到液態(tài)的過程。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)從預(yù)熱、加熱、軟化、熔化反應(yīng)的過程。此反應(yīng)過程的熱量來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)上升過程中對(duì)下行的原料不斷加熱,通過爐頂煤氣導(dǎo)出管排出,再經(jīng)過煤氣凈化系統(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:配料倉門由多個(gè)礦倉組成,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,通過大小鐘的先后開閉實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)爐外隔絕密封,通過全液壓自控系統(tǒng)向爐內(nèi)裝料;爐前設(shè)備由液壓泥炮和開口機(jī)組成。

The Technology Research of Production of Calcium Carbide by Oxygen Thermal Method in Blast Furnace

CAI Jian-li,DENG Yong,CHEN Ren-hong,YANG Hong-jun
(Sichuan Tranvic Group Co.,Ltd.Chengdu 610095,Sichuan,China)

Introduce two process routes of production of calcium carbide and technical progress of oxygen thermal method,analyze the technical difficulties of production of calcium carbide by oxygen thermal method in blast furnace which was used to smelt iron,and conduct experimental study.

blast furnace;oxygen thermal method;calcium carbide;experiment

TQ132.3

:A

1001-5108(2015)05-0083-04

蔡建利,高級(jí)工程師,主要從事科技管理、發(fā)展規(guī)劃和科研開發(fā)等工作。