電石生產(chǎn)自動化技術(shù)發(fā)展探討

王 彤

（中化國際（控股）股份有限公司，上海 200120）

電石生產(chǎn)自動化技術(shù)發(fā)展探討

王 彤

（中化國際（控股）股份有限公司，上海 200120）

闡述了中國電石生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題，并結(jié)合國外的技術(shù)水平指出了對未來電石行業(yè)發(fā)展的希望。

電石生產(chǎn)；自動化技術(shù)；出爐系統(tǒng)自動搬鍋

1 電石行業(yè)的發(fā)展趨勢

2005年開始，中國迎來了電石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時期，產(chǎn)能突飛猛進，至2015年底，電石產(chǎn)能已經(jīng)達到了4 500萬t/a，是2005年（1 400萬t/a）的3倍；2016年度中國產(chǎn)能繼續(xù)維持在4 500萬t/a，近十年來首次出現(xiàn)了零增長。這并不意味著中國的電石產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入了瓶頸，相反，這個零增長恰恰說明了中國電石生產(chǎn)進入新的發(fā)展階段—從量變進入到了質(zhì)變的階段。國內(nèi)近期電石的發(fā)展有如下的特點。

（1）2016年的零增長主要是由于淘汰落后產(chǎn)能與擴張產(chǎn)能數(shù)相同所造成。2016年密閉式電石爐產(chǎn)能達到3 753萬t/a，占總產(chǎn)能的比重提升至84%，內(nèi)燃式電石爐比重下降至16%，較2015年下降了5%。

（2）電石爐有向大型化發(fā)展的趨勢。近年來，電石爐發(fā)展方向，不但是逐步淘汰內(nèi)燃式，而且也有大型化的發(fā)展趨勢，從之前的3萬爐，到4萬爐成為主流，后來出現(xiàn)了5萬爐、6萬爐，8.1萬爐也逐漸生產(chǎn)正常，還有最大的10萬爐。

（3）許多電石企業(yè)已經(jīng)意識到，單純地提高產(chǎn)能與產(chǎn)量，并不能帶來電石技術(shù)的革新，同時出于安全與環(huán)保的需求，更多的企業(yè)愿意加大技術(shù)裝備與生產(chǎn)現(xiàn)場的投入：自動出爐機、自動鍋搬運技術(shù)、料面處理機等一系列技術(shù)都開始得到應(yīng)用。這才是電石行業(yè)發(fā)展所需要的真正的原動力。

2 國內(nèi)電石生產(chǎn)現(xiàn)狀

十二五期間，中國電石行業(yè)就提出“提高自動化水平與機械化、改善工人勞動環(huán)境、降低能耗與物耗”的目標(biāo)，至今在電石生產(chǎn)的自動化生產(chǎn)方面已經(jīng)有了一定的提高，而且很多國內(nèi)企業(yè)都在積極探索中，但總體而言，離最終的目標(biāo)還有一定距離；更重要的是，很多電石生產(chǎn)企業(yè)或者電石裝備制造企業(yè)能將前二者結(jié)合起來，卻往往忽視了自動化水平與降低能耗物耗的直接聯(lián)系?，F(xiàn)就對目前中國的電石生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀進行剖析。

2.1 電石出爐作業(yè)

電石爐的出爐作業(yè)是在高溫下靠人力進行的一項既危險又繁重的作業(yè)，大型密閉式電石爐的生產(chǎn)會因此出現(xiàn)事故而影響生產(chǎn)。目前，國內(nèi)在出爐環(huán)節(jié)上除個別企業(yè)已經(jīng)開始使用機器人出爐，大部分企業(yè)還是完全由人工（或助力機）操作，大致人員配備在6～8人/（班·爐），高溫粉塵使得現(xiàn)場的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，工人易燒傷、燙傷；而且勞動強度高、勞動效率低，尤其是人工操作還會帶來出爐不穩(wěn)定等一系列不利于生產(chǎn)的后果。

2.2 電石鍋搬運作業(yè)

電石鍋搬運作業(yè)也是事故高發(fā)生率的作業(yè)之一，目前國內(nèi)幾乎完全是依靠牽引搬運，現(xiàn)場必須有人操作，人員配置大致為3～5人/（班·爐），牽引繩的崩斷是造成事故的危險源，而且尚未有好的應(yīng)對技術(shù)。

2.3 料面處理作業(yè)

電石爐2樓的料面處理作業(yè)，基本還是依靠人工，一般的人員配置為2人/（班·爐），大約需要20 min以上/門，工作效率低，且處理效果不理想，爐氣爆炸、爐內(nèi)噴火而產(chǎn)生的傷害風(fēng)險一直存在，使人身傷害事故頻發(fā)。

2.4 電極測量技術(shù)

電石生產(chǎn)過程中，電極在整個電爐中占有極其重要的地位，電極的壓放，必須要做到精心操作，所以需要及時觀測電極，實時掌握電極的溫度、硬度、長度等狀態(tài)，確保爐況經(jīng)常保持在正常穩(wěn)定狀態(tài)下生產(chǎn)。目前，國內(nèi)電石行業(yè)尚未通過儀器測定電石狀態(tài)的技術(shù)。

2.5 電石生產(chǎn)自動控制技術(shù)

電石因其特殊的理化性質(zhì)，在生產(chǎn)過程中極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒等事故，易造成人身傷亡及環(huán)境污染。因此，很多電石生產(chǎn)企業(yè)意識到，為電石生產(chǎn)裝置設(shè)計一套匹配且安全穩(wěn)定的自動化控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。但是，由于掌握的電石技術(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的限制，雖有少許企業(yè)雖已開始著手研究開發(fā)這一系統(tǒng)，但都未真正達到能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作的境界。

3 國外電石生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

在國外，美國、德國和日本等發(fā)達國家都曾對電石生產(chǎn)技術(shù)進行過深入研究，烯烴裂解法問世后，美國和德國逐漸轉(zhuǎn)變產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)淡出電石生產(chǎn)；作為曾經(jīng)的電石大國日本，由于國內(nèi)資源匱乏，仍沒有放棄對電石的生產(chǎn)與技術(shù)進步。

3.1 日本電化的發(fā)展歷程

作為占整個日本電石產(chǎn)能與產(chǎn)量99%的日本電化，1915年以電石和石灰氮起家，成立公司；1954年，以引進Elkem式30 MVA電石爐為契機，電石生產(chǎn)技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展，在50 MVA大型密閉爐技術(shù)之后，確立了自動出爐技術(shù)和鍋搬運設(shè)備等技術(shù)的機械化自動化，之后更完成了大型粗碎機以及近代使用的粉碎設(shè)備。日本電化電石生產(chǎn)技術(shù)與自動化改進的歷程，見圖1。

圖1 日本電化電石生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展歷程

由圖1可以得出日本電化電石技術(shù)的發(fā)展有以下幾個特點。

（1）電化的設(shè)計理念。電石生產(chǎn)不能完全脫離人（至少目前是不可以的），但人員必須脫離現(xiàn)場。影響電石生產(chǎn)的因素（原材料、工藝等）太復(fù)雜，控制環(huán)節(jié)易出現(xiàn)問題，若完全擺脫人類的判斷，可能會導(dǎo)致出現(xiàn)大的安全或生產(chǎn)事故；但是電石現(xiàn)場的環(huán)境又實在不適宜工人的操作，高溫粉塵以及隨時可能發(fā)生的危險都要求必須使工人遠(yuǎn)離現(xiàn)場。

（2）生產(chǎn)自動化技術(shù)的研發(fā)是一個漫長的過程，不但需要投入大量資金與人力，還需要對整個電石生產(chǎn)工藝過程（從原材料的選擇、投料直到最終產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)檢測）中的數(shù)據(jù)進行詳細(xì)地記錄、歸納及保存，可能需要3～5年，甚至10年。電化系統(tǒng)保留著開車至今的數(shù)據(jù)，作為無人值守操作系統(tǒng)的依據(jù)。

3.2 國內(nèi)外電石生產(chǎn)流程配置對比

綜上所述，可以得出國內(nèi)電石生產(chǎn)工藝流程的對比，見圖2。

圖2 國內(nèi)外電石生產(chǎn)工藝流程對比

由圖2可以得出表1，由于自動化程度的區(qū)別，所造成國內(nèi)外電石生產(chǎn)經(jīng)濟效益的差別。

表1 國內(nèi)外電石生產(chǎn)經(jīng)濟效益差別

以上數(shù)據(jù)，還尚未考慮由于生產(chǎn)穩(wěn)定，所導(dǎo)致的產(chǎn)量與質(zhì)量提升而帶來的經(jīng)濟效益。

4 電石爐生產(chǎn)自動化控制及運行管理系統(tǒng)

根據(jù)以上中日電石生產(chǎn)的差異，結(jié)合兩國國情與操作人員的特點，參考日本電化技術(shù)發(fā)展歷程，一套能夠改善工人勞動環(huán)境、降低能耗與物耗、促進生產(chǎn)穩(wěn)定的電石爐生產(chǎn)自動化控制及運行管理系統(tǒng)應(yīng)該包含以下幾個部分。

（1）電石爐自動出爐系統(tǒng)（RTM）；（2）電石爐自動鍋搬運系統(tǒng)（RAC）；（3）電石爐料面機械化處理；（4）電極生產(chǎn)狀態(tài)測定系統(tǒng)；（5）電石爐生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)。

4.1 電石爐自動出爐系統(tǒng)

電石爐自動出爐系統(tǒng)是密閉電石爐自動控制生產(chǎn)的重要組成部分。自動出爐系統(tǒng)受控完成開爐眼、出料、封爐眼等出爐系統(tǒng)工作及鍋搬運系統(tǒng)工作銜接。設(shè)備將出爐現(xiàn)場高溫、危險及勞動強度大的操作人員作交與受控機器，工人遠(yuǎn)程操作。電石爐自動出爐系統(tǒng)工作穩(wěn)定，工作過程數(shù)字化，能夠大幅度提高電石爐的生產(chǎn)穩(wěn)定性。

4.1.1 電石爐自動出爐系統(tǒng)技術(shù)特征

（1）作業(yè)操作遠(yuǎn)程化。出爐操作人員在中央控制室或現(xiàn)場出爐操作室完成所有出爐操作人員的工作，無須身在現(xiàn)場。大幅改善了工人的工作環(huán)境，降低了勞動強度，杜絕人身安全危害。

（2）工作過程數(shù)字化。出爐操作人員在出爐操作過程中，不同的出爐工作過程，系統(tǒng)會有即時數(shù)字信號。有利于不同操作人員工作過程的統(tǒng)一，也有利于電石爐出爐流道的穩(wěn)定，降低爐底積沉。

（3）出爐過程標(biāo)準(zhǔn)化。使用不同的標(biāo)準(zhǔn)工作夾具來完成出爐操作過程，工作流程標(biāo)準(zhǔn)化后，不再需要工作工人的現(xiàn)場經(jīng)驗，操作人員的可替換性大幅度提高，同時，也提高了出爐工作的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于降低電耗。

4.1.2 電石爐自動出爐系統(tǒng)經(jīng)濟特征

（1）大幅降低人力資源成本。使用電石爐自動出爐系統(tǒng)，每班次需要出爐工為1或2人，目前國內(nèi)40 kVA電石爐基本配置為6～8人。按人均收入15萬/a估算，年均節(jié)約人力成本330萬元左右。

（2）大幅降低安全風(fēng)險成本。使用電石爐自動出爐系統(tǒng)后，操作人員人與出爐工作面完全隔離，杜絕了出爐工作時的人員傷害風(fēng)險。

（3）有效降低電石生產(chǎn)電耗。使用電石爐自動出爐系統(tǒng)后，出爐節(jié)奏穩(wěn)定，出爐流道穩(wěn)定，爐底積存減少，能有效降低電石生產(chǎn)電耗。

4.1.3 電石爐自動出爐系統(tǒng)工作過程簡述

（1）開爐眼。操作人員操控RTM操作臺，控制RTM本機夾持碳棒夾具，同時操控?zé)╇娫聪到y(tǒng)供電，燒穿爐眼。根據(jù)監(jiān)控電弧和燒穿聲音，結(jié)合燒穿電流，控制燒穿過程。

（2）出料。出料過程中，操作人員根據(jù)出料狀況，替換2種夾具，保持出料流暢。

（3）封爐眼。出料結(jié)束后，操作人員操作RTM本機夾持堵眼夾具封堵爐眼。

4.1.4 電石爐自動出爐系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

（1）RTM本機。主要用于完成爐口所有工作操作，安置在工作平臺，一爐口配置1臺；

（2）RTM操作臺。是操作人員工作平臺，主要功能是將操作人員的模擬操作，轉(zhuǎn)化為RTM本機的工作，一般1臺電石爐配置2或3臺；

（3）RTM控制中心。這是電石爐出爐系統(tǒng)核心控制和配置平臺，一般1臺電石爐配置2或3臺；

（4）RTM液壓中心。這是電石爐出爐系統(tǒng)的動力中心，一般1臺電石爐配置1臺；

（5）RTM燒穿電源系統(tǒng)。電石爐出爐時的燒穿電源供應(yīng)系統(tǒng)，一般1臺電石爐配置3臺；

（6）RTM工作夾具系統(tǒng)。電石爐出爐系統(tǒng)工作過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)工作工具，一般一臺電石爐配置3套。

4.2 電石爐自動鍋搬運系統(tǒng)

4.2.1 作業(yè)操作遠(yuǎn)程化

自動鍋搬運系統(tǒng)不再采用牽引運輸?shù)姆绞?，操作人員在中央控制室與行車工通過互動協(xié)調(diào)完成所有電石出料、輸送、冷卻及破碎工作，無須身在現(xiàn)場；系統(tǒng)能大幅改善工作環(huán)境，降低勞動強度，杜絕人身安全危害。

4.2.2 大幅降低人力資源成本

使用自動鍋搬運系統(tǒng)，現(xiàn)場無需操作人員，目前國內(nèi)電石爐最低配置為3人，按人均收入10萬元/a估算，年均節(jié)約人力成本120萬元左右。

4.2.3 大幅提高安全性

使用自動鍋搬運系統(tǒng)后，將徹底實現(xiàn)現(xiàn)場無人操作，完全杜絕了現(xiàn)場人員的傷害風(fēng)險。

4.2.4 電石爐自動鍋搬運系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)以上特征，自動鍋搬運系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)由以下幾部分組成。

（1）閉環(huán)式循環(huán)小車軌道系統(tǒng)；（2）小車列驅(qū)動裝置；（3）爐口濺料收集系統(tǒng)；（4）電石鍋冷卻堆場；（5）錘式破碎系統(tǒng)。

4.3 電石爐料面機械化處理

操作人員駕駛充電式料面處理機，完成料面掘松、料面拉平、料塊破碎等工作。電石爐料面機材化處理有以下幾個特點。

（1）大幅提高工作效率。采用料面處理機處理料面工作的優(yōu)勢在于處理完全，比人工處理更加徹底；能大幅縮短料面處理時間。目前國內(nèi)人工處理時間約為20～30 min/次，日本電化是僅需10 min/次。

（2）大幅降低人力資源成本。使用料面處理機，現(xiàn)場僅需1名操作人員。目前國內(nèi)基本配置為2人，可節(jié)約50%的人力成本。

（3）大幅提高安全性。料面處理機完全杜絕了現(xiàn)場人員在料面處理時因爐氣爆炸、爐內(nèi)噴火而產(chǎn)生的傷害風(fēng)險。

4.4 電極生產(chǎn)狀態(tài)測定系統(tǒng)

電極狀態(tài)測定系統(tǒng)目前還是主要通過測定電極特征位置的溫度及硬度，來保證生產(chǎn)使用電極的壽命和性能，目前國內(nèi)還沒有類似技術(shù)的應(yīng)用。

4.5 電石生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)

當(dāng)完成以上自動化技術(shù)的全面實現(xiàn)后，電石生產(chǎn)就可以進行到下一個階段，也就是無人值守的自動化控制系統(tǒng)的研發(fā)進程了。

無人值守的自動化控制系統(tǒng)的定義應(yīng)該是通過分布式動態(tài)數(shù)據(jù)采集，通過中央控制系統(tǒng)，同時，控制原料配比和進料速度，控制供電系統(tǒng)，控制電石爐爐溫與爐壓，控制電極壓放速度，最終達到電石爐無人值守自動生產(chǎn)。

這方面的工作應(yīng)該是一項任重而道遠(yuǎn)的工作，哪怕我們的企業(yè)還沒有做好之前的準(zhǔn)備工作，為了企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展，也應(yīng)該開始著手進行以上提到的數(shù)據(jù)的搜集整理工作，因為這個系統(tǒng)將是未來幫助電石行業(yè)真正擺脫粗放型生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)而進入精細(xì)化生產(chǎn)的終極工具。

5 結(jié)語

電石生產(chǎn)的自動化技術(shù)的研發(fā)與使用，是一個漫長而復(fù)雜的過程，以上是作者根據(jù)鄰國的電石生產(chǎn)技術(shù)而整理的一個發(fā)展思路。在未來，借鑒、吸收、消化與再創(chuàng)新都將成為必經(jīng)之路，也希望這篇文章能使國內(nèi)的電石行業(yè)得到啟發(fā)與幫助。

Development discussion of calcium carbide production automation technology

WANG Tong

（Sinochem international Co.,Ltd.,Shanghai 200120，China）

The current status and existing problems of calcium carbide production in China are expounded,and the future prospects for the development of the calcium carbide industry are pointed out in combination with the technical level abroad.

calcium carbide production;automation technology;automatic moving boiler system

TQ161

B

1009－1785(2017)12-0042-04

2017-10-30