電石干濕法生產(chǎn)乙炔水平衡研究

寧春波，韓云峰，梁 鋒

（陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團(tuán)有限公司化工二分公司設(shè)計(jì)為100萬t/a聚氯乙烯，分為2種乙炔生產(chǎn)工藝，其中一期乙炔生產(chǎn)工藝為濕法發(fā)生，可生產(chǎn)50萬t/a聚氯乙烯，設(shè)計(jì)乙炔流量為25 000 Nm3/h；二期乙炔生產(chǎn)工藝為干法發(fā)生，可生產(chǎn)50萬t/a聚氯乙烯，設(shè)計(jì)乙炔流量為25 000 Nm3/h。

干法乙炔開車后，水平衡問題成為影響乙炔分廠生產(chǎn)的瓶頸，在干濕法的用水和排水問題上要保持一個(gè)循環(huán)平衡，否則水量過大，會(huì)造成渣漿和上清液溢流，產(chǎn)生環(huán)保事故。該公司電石干濕法生產(chǎn)乙炔水平衡主要有濕法發(fā)生用水，干法排至濕法渣漿處理的渣漿水，循環(huán)水排污及其他廢水，濕法和干法電石泥帶走水分，濕法清凈水洗冷卻塔、堿洗冷卻塔蒸汽冷凝水，干法發(fā)生用水，清凈機(jī)封冷卻水，上清液系統(tǒng)蒸發(fā)的水等，現(xiàn)通過定量的方法來計(jì)算水消耗和補(bǔ)水情況，研究水平衡?，F(xiàn)擬電石的發(fā)氣量為300 L/kg來計(jì)算乙炔分廠水平衡。

1 濕法發(fā)生熱量計(jì)算

設(shè)濕法乙炔流量為20 000 Nm3/h，乙炔氣收率為90%，在破碎過程中損失的電石，除塵器除去的電石灰，散落的電石，設(shè)其損失率5%，發(fā)氣量為300L/kg的電石CaC2含量為80.6%，并假設(shè)電石中含CaO為10%，其余雜質(zhì)為9.4%。則要達(dá)到濕法乙炔流量為20 000 Nm3/h，每小時(shí)所需發(fā)氣量為300 L/kg的電石質(zhì)量為：

m電石=20 000/（300×90%×95%）

=77 972.7 kg=78（t）

現(xiàn)以1 t發(fā)氣量為300 L/kg電石在發(fā)生器溫度為85℃（恒定）時(shí)水解計(jì)算熱量平衡（不計(jì)發(fā)生器及附屬設(shè)備散熱損失和電石加料，排渣過程帶走的熱量）。

CaC2水解化學(xué)反應(yīng)方程式為：

1.1 進(jìn)入發(fā)生器的熱量Q

1.1.1 水解反應(yīng)熱Q1

CaC2水解放出的熱量為：

1 000×80.6%×95%×1 000×130/64

=1 555 328.12（kJ）；

CaO水解放出的熱量為：

1 000×10%×1 000×63.4/56=113 214.29（kJ）；

電石與水總反應(yīng)放出的熱量為：

Q1=1 555 328.12+113 214.29=1 668 542.41（kJ）。

1.1.2 進(jìn)入發(fā)生器水帶入的熱量Q2

假設(shè)發(fā)生器中加入上清液的溫度為45℃，參與反應(yīng)水量為462.71 kg，則加入?yún)⑴c反應(yīng)水所帶入的熱量（其中，水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃））如下。

上清液帶入發(fā)生器的熱量為：

Q2=4.182×462.71×（45-20）=48 376.33（kJ）。

1.1.3 進(jìn)入發(fā)生器中電石帶入的熱量Q3

假設(shè)加入發(fā)生器的電石溫度約為40℃，電石比熱為 59.246 kJ/（kmol·℃）

Q3=59.246×1 000×（40-20）/64=18 514.38（kJ）；進(jìn)入發(fā)生器的熱量為：

1.2 乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量Q4

（1）乙炔氣帶走的熱量為Q5，由于在溫度為20℃，壓力為101.325 kPa，1 kg純度為80.6%的電石與水反應(yīng)，可得到干乙炔氣體為300 L，則1 t電石所產(chǎn)生乙炔氣體的質(zhì)量為：

m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔氣帶走的熱量 Q5=311.07×1.848×（85-20）=37 365.73（kJ）。

注：1.848為乙炔在85℃時(shí)的比熱；85℃為濕法發(fā)生器的乙炔氣平均溫度；20℃為常溫。

（2）反應(yīng)產(chǎn)生的水蒸氣帶走的熱量為Q6（假設(shè)乙炔氣與水蒸氣比例為1︰1）

1 t電石反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸氣質(zhì)量為：

m水蒸氣=311.07×18/26=215.36（kg）；

注：18為水的分子量；26為乙炔的分子量。

在85℃時(shí)，水的汽化潛熱為2 260 kJ/kg，則水蒸氣帶走的熱量Q6=m水蒸氣×水的汽化潛熱=215.36×2 260=486 713.60（kJ）。

（3）電石渣漿帶走的熱量為Q7

由反應(yīng)方程式可以看出，1 t電石水解產(chǎn)生電石渣質(zhì)量為：

m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質(zhì)含量。

電石渣的比熱容為 0.963 kJ/（kg·℃），電石渣的平均溫度為85℃，則電石渣漿中電石渣帶走的熱量為：0.963×1 111.48×（85-20）=69 573.09（kJ）；

發(fā)生器溢流的電石渣漿含固量為20%，則1 t電石反應(yīng)產(chǎn)生的電石渣漿中水分為：4 445.92 kg，渣漿中水帶走的熱量為（加入發(fā)生器中水溫為48℃）：

4 445.92×4.182×（85-48）=687 934.99（kJ）；

那么1 t電石水解產(chǎn)生電石渣漿帶走的熱量為：

Q7=69 573.09+687 934.99=757 508.08（kJ）；

所以，乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量總和為：

Q4=Q5+Q6+Q7=37 365.73+486 713.60+757 508.08=1 281 587.41（kJ）。

1.3 濕法反應(yīng)用水量

由反應(yīng)方程式可以得出1 t電石中CaC2和CaO 與水反應(yīng)所需水量為：1 000×0.806×0.95×36/64+1 000×0.1×18/56=462.71（kg）

需要用水移去的反應(yīng)熱為：

Q-Q4=1735433.12-1281587.41=453845.71（kJ）；

假設(shè)發(fā)生器中加入上清液的溫度為48℃，則需加入?yún)⑴c反應(yīng)與移走反應(yīng)熱所需水量為：其中水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃）

m上清液=1 141 780.7/[4.182×（85-48）]+462.71=3 395.78（kg）；

因此，當(dāng)乙炔流量為20 000 m3/h時(shí)，電石發(fā)氣量300 L/kg，乙炔氣收率為90%，0.95為電石利用率，則1 h所需要的電石量為：20 000/（300×90%×95%）=77.97（t）

當(dāng)乙炔流量為20 000 m3/h時(shí)，每小時(shí)濕法發(fā)生器中需要加入的水量V1為：3 184.39×77.97/1 000=264.77（m3）。

2 干法排至濕法渣漿水量

干法排至濕法的水量V2主要由洗滌冷卻塔頂部噴水V3和蒸汽冷凝水V4組成。

2.1 洗滌冷卻塔噴水量

干法乙炔流量為20 000 m3/h時(shí)，假設(shè)每臺(tái)發(fā)生器乙炔回收率均為99%，電石利用率為95%，則電石用量為 20 000/（300×0.99×0.95）=70.88（t/h）；

假設(shè)干法用12臺(tái)發(fā)生器，每臺(tái)電石進(jìn)料量為5.91 t，即可達(dá)到71 t/h，生產(chǎn)水壓力為0.3 MPa，流速約為2 m/s，塔頂噴水周期為每隔300 s噴20 s，每小時(shí)噴水12次，正水封和洗滌冷卻塔遠(yuǎn)傳液位計(jì)噴水周期為每隔600 s噴20 s，每小時(shí)噴水6次，則每小時(shí)每臺(tái)發(fā)生洗滌冷卻塔塔頂噴水量為 （噴水管道為DN50）；（12×20×2×0.025 2 ×3.14）=0.942（m3）；

每小時(shí)每臺(tái)洗滌塔和正水封遠(yuǎn)傳液位計(jì)噴水量為（噴水管道為 DN50）（6×20×2×0.025 2×3.14）=0.471（m3）

則12臺(tái)發(fā)生器每小時(shí)的噴水總量為

V3=（0.942+0.471）×12=16.96（m3）。

2.2 洗滌冷凝塔冷卻水量V4

由于干渣所帶水分較少，氣相管噴水的冷凝水也較少，二者可以忽略不計(jì)，下面以熱量衡量計(jì)算冷卻水量V4。

（1）進(jìn)入干法發(fā)生器的熱量為Q8，分為反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、電石帶入的熱量、加入生產(chǎn)水帶入的熱量

a.反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為 1 668 542.42 kJ，與濕法發(fā)生相同；

b.電石帶入的熱量為18 514.38 kg，與濕法發(fā)生相同；

c.生產(chǎn)水帶入的熱量Q8=1668542.42+18 514.38+0=1 687 056.8（kJ）。

（2）乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量Q9

a.由于在溫度為20℃，壓力為101.325 kPa，1 kg純度為80.6%的電石與水反應(yīng)，可得到干乙炔氣體為300L，則1t電石所產(chǎn)生乙炔氣體的質(zhì)量為：m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔氣帶走的熱量 Q10=311.07×1.848×（88-20）=39 090.30（kJ）；

注：1.848為乙炔在90℃時(shí)的比熱；88℃為干法發(fā)生器的乙炔氣平均溫度；20℃為常溫。

b.水蒸氣帶走的熱量Q11（假設(shè)乙炔氣與水蒸氣比例為1∶3）；1 t電石反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸氣質(zhì)量為：

m水蒸氣=311.07×18×3/26=646.07（kg）；

注：18為水的分子量；26為乙炔的分子量。

在90℃時(shí)，水的汽化潛熱為2 260 kJ/kg，則水蒸氣帶走的熱量Q11=m水蒸氣×水的汽化潛=646.07×2 260=1 460 118.2（kJ）；

c.電石渣帶走的熱量Q12。由反應(yīng)方程式可以看出，1 t電石水解產(chǎn)生電石渣質(zhì)量為：m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質(zhì)含量。

電石渣的比熱容為 0.963 kJ/（kg·℃），電石渣的平均溫度為93℃，則電石干渣帶走的熱量為1111.48×0.963×（93-20）=78 135.93（kJ）；

干法發(fā)生器排出的電石干渣含水為8%，則1 t電石反應(yīng)產(chǎn)生的電石干渣中水分為：96.65 kg，干渣中水帶走的熱量為：96.65×4.182×（93-20）=29 505.89（kg），1 t電石水解產(chǎn)生電石渣漿帶走的熱量為：

Q12=78 135.93+29 505.89=107 641.82（kg），乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量為：

需要用水移去反應(yīng)熱為：

Q8-Q9=1 687 056.8-1 606 850.32=80 206.48（kJ）

假設(shè)發(fā)生器中加入生產(chǎn)水的溫度為20℃，則需加水量為：mH2O=80 206.48/[4.182×（90-20）]+462.71=736.69（kg）；

注：4.182為水的比熱容；水的溫度加至90℃。

則洗滌冷凝塔冷卻水量為：V4=0.736 69×70.88=52.22（m3）；

所以每小時(shí)干法排至濕法水量為：V2=V3+V4=16.96+52.22=69.18（m3）。

3 濕法清凈水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔冷卻水量為

清凈水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔冷卻水主要為蒸汽冷凝水，蒸汽冷凝水為濕法發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽冷凝水（正逆水封及管道損失的蒸汽忽略不計(jì)）。

冷凝水量 V5為：486 713.60/[4.182×（80-10）]=1.66（m3）；

注：水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃）；80 ℃為水洗冷卻塔乙炔氣出口溫度；10℃為堿洗冷卻塔的乙炔氣出口溫度。

當(dāng)乙炔流量為20000m3/h時(shí)，每小時(shí)冷凝水量為：

1.66×78=129.48（m3）。

所以，水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔每小時(shí)冷卻水量V5為 129.48 m3。

4 電石泥帶走水量

由化學(xué)反應(yīng)方程式可以得出1 t電石反應(yīng)可產(chǎn)生電石泥為：m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質(zhì)含量。

當(dāng)電石泥含水為36%時(shí)，1 t電石所產(chǎn)生的電石泥帶走水量為0.63 m3，當(dāng)流量為20000m3/h時(shí)，每小時(shí)所產(chǎn)生的電石泥帶走的水量V6=49.14（m3）

清凈機(jī)封冷卻水、水洗冷卻塔、堿洗冷卻塔、除霧器、正逆水封排水等水量較小，與每天蒸發(fā)量可以抵消，不計(jì)入排水量中。

5 結(jié)論

當(dāng)乙炔流量濕法20 000 Nm3/h，干法流量20 000 Nm3/h，干法發(fā)生用水目前為生產(chǎn)水，循環(huán)水排污全部排至污水井，不影響水平衡，見表1。

a.當(dāng) 0≤VO＜115.25 m3時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致（濕法發(fā)生用水）+（電石泥帶走水）＞（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液池液位將會(huì)下降，只要保持壓濾電石泥進(jìn)料量不變，干濕法生產(chǎn)負(fù)荷不發(fā)生變化，將不會(huì)發(fā)生溢流，一段時(shí)間后，上清液池將需要補(bǔ)大量的生產(chǎn)水以滿足生產(chǎn)需求。

b.當(dāng)VO=115.25 m3時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致（濕法發(fā)生用水）+（電石泥帶走水）=（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液液位將保持在一定的液位不變，乙炔分廠干濕法水量達(dá)到平衡，不會(huì)發(fā)生上清液溢流，同時(shí)也不需要補(bǔ)入生產(chǎn)水。

表1 干法乙炔用水情況表

c.當(dāng) VO＞115.25 m3時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致（濕法發(fā)生用水）+（電石泥帶走水）＜（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液池液位會(huì)發(fā)生上漲趨勢(shì)，如果不加以控制將發(fā)生溢流。如果要保持總乙炔流量不變，可以通過調(diào)節(jié)干濕法電石用量、排入的其他廢水量、壓濾加大電石泥進(jìn)料量來控制水平衡。

所以，乙炔分廠要保持水平衡，必須保證干法排至濕法水與濕法清凈冷卻水和其他廢水量，其他廢水排至上清液小于濕法發(fā)生用水和電石泥帶走水之和，要嚴(yán)格控制濕法清凈冷卻水量，保證壓濾的電石泥進(jìn)料量，濃縮池不發(fā)生返渾現(xiàn)象。

［1］吳里云.井巷硐室工程.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［2］王國興，王進(jìn)述.淺談PVC廠乙炔生產(chǎn)中水平衡問題，陜西煤炭，2011，5.

［3］鄭石子，顏才南，胡志宏，曾建華.聚氯乙烯生產(chǎn)與操作，2008.