大型密閉電石爐工藝氣體的成分分析

宋 華，康文斌

（中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司，寧夏銀川 751400）

大型密閉電石爐工藝氣體的成分分析

宋 華，康文斌

（中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司，寧夏銀川 751400）

電石爐氣體組分變化對電石爐生產(chǎn)工藝和安全生產(chǎn)具有重要的指導意義。本文重點介紹了大型密閉電石爐的原料變化對電石爐尾氣組分的影響，分析了電石爐尾氣中CO含量的變化規(guī)律及對電石爐生產(chǎn)的指導意義。

密閉電石爐；尾氣；一氧化碳；原料成分

密閉電石爐產(chǎn)生的尾氣在500℃～700℃，最高可達1 000℃，尾氣經(jīng)水冷煙道、沉降冷卻器冷卻，降溫至280℃以下，同時將氣體中大顆粒的粉塵捕集下來。電石爐尾氣冷卻后進入布袋過濾器過濾，過濾后的氣體輸送至冷凝器進一步降低溫度后送煤氣柜供氣燒石灰窯使用。電石爐尾氣處理系統(tǒng)出口安裝了在線氣體檢測儀，隨時監(jiān)測一氧化碳、氧氣、氫氣的含量變化，保證生產(chǎn)的安全運行。本文通過對電石爐爐內(nèi)氣體反應(yīng)關(guān)系的探討，分析了引起爐內(nèi)氣體組分變化的原因，總結(jié)氣體變化對電石生產(chǎn)過程中的影響[1，2]。

密閉式電石爐在運行過程中，工藝氣體不會泄漏到周圍環(huán)境，外部氣體也很少進入電石爐內(nèi)。電石爐內(nèi)產(chǎn)生的尾氣是有毒氣體，主要成分為CO、CO2、H2、CH4等氣體。這種混合氣體與空氣發(fā)生反應(yīng)易引起爆炸。因此，維持電石爐爐內(nèi)氣體組分的穩(wěn)定，既保證了電石爐的安全生產(chǎn)，也節(jié)約了能源消耗[1]。

1 電石爐尾氣各關(guān)鍵組份的生成過程

1.1 二氧化碳

電石生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2有兩個主要來源。分別為石灰中剩余CaCO3的分解和CO的氧化（分別見反應(yīng)（1）和（2））。只要生產(chǎn)電石的石灰成分不發(fā)生變化（即石灰的品質(zhì)穩(wěn)定），電石爐工藝氣體將保持恒定、只產(chǎn)生較少的CO2[2]。

根據(jù)氣化反應(yīng)，二氧化碳可與一氧化碳達到平衡：

大氣壓強下，溫度超過700℃時該反應(yīng)將向左邊“傾斜”。低于此溫度將有利于生成CO2。

1.2 一氧化碳

CO主要由C和CaO反應(yīng)生成（見反應(yīng)（3））。它約為廢氣量的四分之三。該氣體是有毒、無味的爆炸性氣體，因此是潛在極高危險性的產(chǎn)物。電石爐要保持密閉良好，以避免或減少進入電石爐的空氣量。如果有少量空氣進入電石爐，它將與CO發(fā)生反應(yīng)：

1.3 氫氣

H2和CO一樣，是一種無味的高活性爆炸性氣體。在電石生產(chǎn)過程中，氫氣的兩大主要來源是還原劑中的揮發(fā)物和水，其含量取決于CO/CO2平衡，如反應(yīng)（5）和（6）。若水蒸發(fā)或氫氣（重新）氧化，廢氣中也可能會含有水蒸氣。

1.4 空氣

空氣中含有21%的氧氣（O2）和78%的氮氣（N2），由于電石爐密封損壞等原因，部分空氣會進入到密閉電石爐內(nèi)，其中空氣與爐內(nèi)氣體CO和H2形成自燃混合物，易發(fā)生爆炸，因此，應(yīng)避免與電石爐內(nèi)的工藝氣體混合。

1.5 乙炔

C2H2通過反應(yīng)（7）生成，它是一種極具爆炸性的氣體。CaC2出現(xiàn)在電石爐的爐膛內(nèi)，此處不允許發(fā)生該反應(yīng)。因此盡最大努力監(jiān)控并減少原材料中的水分。

電石出爐過程中會與環(huán)境中或泄露的水發(fā)生反應(yīng)。因此，必須加強管理，避免電石產(chǎn)物與水接觸，另外，在放置電石的冷卻區(qū)域要安裝功能良好的通風系統(tǒng)和防雨設(shè)施。

2 影響電石爐尾氣成分的因素

2.1 原料成分對電石爐尾氣含量的影響

電石爐尾氣的成分隨原料的變化。以81 000 KVA電石爐的原料成分為例，其原料中石灰標準（見表1）。

表1 電石爐石灰原料標準

電石爐尾氣中組分的含量隨原料的變化而變化，其爐氣成分和爐氣量（見表2）。

表2 電石爐爐氣成分

2.2 影響CO含量的因素

CO作為電石爐最重要的尾氣，常用作石灰煅燒和碳材烘干的主要燃料。尾氣中CO含量的高低反映著電石爐爐況的變化和爐蓋設(shè)備的完好程度，影響尾氣中CO含量的主要因素有以下幾點：

2.2.1 電石質(zhì)量 電石等級越高，意味著電石爐內(nèi)的溫度升高，CO的反應(yīng)過程是吸熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)向逆向進行，CO的含量也就越高。

2.2.2 石灰生燒量 入爐石灰生燒量過大時，煅燒不充分的石灰在爐內(nèi)繼續(xù)分解，將產(chǎn)生較多的CO2，電石爐內(nèi)氣體總量增加，從而稀釋了CO的濃度；另外，這一部分CO2繼續(xù)與爐內(nèi)的C發(fā)生反應(yīng)形成CO氣體。

2.2.3 出爐延遲 從反應(yīng)（3）中看出，出爐延遲，爐內(nèi)液態(tài)電石未及時排出，電石過熱和分解，導致反應(yīng)逆向進行，從而使CO含量降低。

2.2.4 空氣泄漏、爐內(nèi)塌料、大負壓操作、電石爐密封破壞 空氣進入爐膛內(nèi)，一方面空氣泄露會稀釋CO濃度，另一方面CO會與空氣中O2發(fā)生反應(yīng)生成CO2，爐氣中的CO濃度降低，料面溫度升高，易燒損爐蓋設(shè)備及凈化系統(tǒng)設(shè)備。

3 氣體組分變化與工藝安全

3.1 爐體周圍CO濃度

如果電石爐周圍CO含量超過300 mg/L，操作人員進入存在CO的相關(guān)區(qū)域必須使用完全自給式呼吸器，使用手持式CO探測器確定泄漏位置。確定泄漏位置的人員不得單獨工作，應(yīng)讓另一名人員在安全距離觀察其行動。引起電石爐周圍濃度升高的原因有電石爐密封蓋熔斷，電石爐壓力控制裝置沒有正常工作，料倉水平過低。因此，操作人員必須立即查明任何引起CO水平過高的原因，且所有工作區(qū)域應(yīng)始終保持適當通風。

3.2 氫氣含量

工藝氣體中含有極具爆炸性的H2和CO混合物。從反應(yīng)（5）和（6）可知，電石爐內(nèi)的任何水分都會使這些氣體的濃度上升，增加爆炸的危險。一般而言，H2的少量增加或減少顯示了原材料中的水分變化，氫氣的大量增加表明有漏水現(xiàn)象，以及爐料下方的凝渣減少或電極斷裂。在漏水情況下，H2O和H2的含量將急劇升高。

當氫氣含量超過20%，或氧氣含量超過1.5%時，須關(guān)閉電石爐，以防出現(xiàn)爆炸危險。

4 結(jié)語

大型密閉電石爐操作者密切監(jiān)控電石爐工藝氣體及電石爐爐體密封的變化，確保尾氣中的O2、CO、CO2、H2、H2O和C2H2含量處于正常范圍。另外，要制定適當?shù)膽?yīng)急計劃，保證每位操作員了解相關(guān)的危險及應(yīng)對措施。電石爐爐氣組分隨電石爐的原料變化而不同，電石爐原料要穩(wěn)定，特別是石灰的生燒含量的穩(wěn)定，是產(chǎn)生穩(wěn)定氣體的重要條件。電石爐密封完好、按時出爐、生產(chǎn)高質(zhì)量的電石、避免大負壓操作等方法可提高電石爐尾氣中的CO含量，既可以確保電石爐穩(wěn)定運行又可以為下游裝置提供優(yōu)質(zhì)的燃料。

［1］熊謨遠，等.電石生產(chǎn)加工與產(chǎn)品開發(fā)利用及污染防治整改［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［2］梁軍，等.密閉電石爐尾氣煅燒活性石灰研究［J］.化學工程與裝備，2009，（11）：70-71.

TQ161

A

1673-5285（2017）11-0148-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.11.035

2017-10-27

宋華，男（1984-），2006年畢業(yè)于東北大學冶金工程專業(yè)。