密閉式電石爐開爐方法的探討

（新疆天業(yè)(集團(tuán))有限公司，石河子市，832000） 宋 斌 蔡雪融

電石是重要的基礎(chǔ)化工原料。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,特別是國內(nèi)市場對于乙炔產(chǎn)品需求的增長,我國電石產(chǎn)能和產(chǎn)量迅速增加。電石行業(yè)屬于高耗能行業(yè)，且生產(chǎn)裝置大小、技術(shù)裝備水平和能源利用效率參差不齊，節(jié)能形勢較為嚴(yán)峻。

目前，隨著我國能源日趨緊缺，節(jié)能減排、環(huán)保要求更加嚴(yán)格，促使電石行業(yè)向著大型化密閉化方向發(fā)展。大型密閉式電石爐的新開爐是電石生產(chǎn)全過程中技術(shù)含量較高的一部分。如何正確掌握新開爐工藝技術(shù)，達(dá)到預(yù)期的新開爐效果，仍是目前電石行業(yè)亟待解決的一個重要技術(shù)難題。

新疆天業(yè)（集團(tuán)）有限公司（以下簡稱“新疆天業(yè)”）是我國電石乙炔法聚氯乙烯生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，近年來企業(yè)在電石的清潔生產(chǎn)方面做了大量的工作，企業(yè)通過不斷的創(chuàng)新，2009年率先開發(fā)了40000KVA大型密閉式電石爐生產(chǎn)技術(shù)；2011年，針對電石爐氣凈化技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了爐氣作為碳一化工原料的綜合利用；近期又針對電石爐除塵灰與爐渣輸送及綜合利用的難題展開研究，最終實(shí)現(xiàn)了電石爐除塵灰的全密閉式輸送及兩種廢渣的高值化利用。新疆天業(yè)通過多年來在電石領(lǐng)域的不斷探索與研究，取得了一定的成績，并總結(jié)出了一套適用于大型密閉電石爐的開爐方法。

1 電極的焙燒

在整個電石爐設(shè)備中，電極就是電石爐的心臟。在電石生產(chǎn)中電流通過電極輸入爐內(nèi)，產(chǎn)生電弧進(jìn)行冶煉。因此在電石爐開爐階段電極的焙燒占據(jù)至關(guān)重要的地位，電石焙燒質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電石爐是否能夠投入正常生產(chǎn)，開爐是否順利。

1.1 電極糊的燒結(jié)過程

電極糊的燒結(jié)過程也就是電極的焙燒過程，電極糊的燒結(jié)過程是隨著電石爐內(nèi)的溫度逐漸升高，電極糊內(nèi)的煤瀝青不斷熔化、分解、排出和碳化的過程。其電極糊的燒結(jié)過程主要分為以下三個階段[1]。

第一階段：低溫軟化階段。電極糊的軟化溫度為74～78℃，隨著電石爐內(nèi)溫度升高，電極糊不斷軟化，當(dāng)爐內(nèi)溫度上升至200℃左右，電極糊內(nèi)部的煤瀝青全部軟化，由固體狀態(tài)熔化成塑性狀態(tài)，其中的水分和低沸點(diǎn)的成分開始揮發(fā)，此階段沒有明顯的化學(xué)變化。

第二階段：劇烈變化階段。當(dāng)爐內(nèi)溫度為200～700℃之間時，此階段作為粘結(jié)劑的煤瀝青全部分解，開始?xì)饣罅颗懦鰮]發(fā)分，煤瀝青的剩余物質(zhì)已被半碳化或者碳化，電極糊有塑性狀態(tài)變化為固體狀態(tài)。

第三階段：高溫?zé)Y(jié)階段。當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到800℃以上，此階段只有少量的殘余揮發(fā)分排出，電極開始進(jìn)一步燒結(jié)，導(dǎo)電性大大增加，成為堅(jiān)硬的整體，電極達(dá)到完全燒結(jié)的溫度900～1000℃。

焙燒電極時電極糊揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖1表示：

圖1 焙燒電極時電極糊揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系圖

1.2 焙燒后電極的性能要求

電極具有較小的電阻率；焙燒后的電極的電阻率較小，就能夠有效減少電極自身發(fā)熱，從而降低無效電能損耗，減低噸電石電耗，同時還會降低由于電極筒“過負(fù)荷”而引起的“軟斷”故障的頻次。

電極具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；在電石爐生產(chǎn)過程中，由于電極處于高溫熔池的極端環(huán)境中，除了要克服自身的重量外，還要抵抗來自熔池中的電石或者原材料的沖刷與侵蝕以及物料的崩塌擠壓，保證了電石不因機(jī)械設(shè)備與電器設(shè)備符合的影響而造成電極折斷。[2]

電極具有較好的抗氧化性；電石爐在生產(chǎn)過程中，電極的工作端頭需要不斷消耗，除了要不斷的下放電極，以資補(bǔ)充外，還要求電極具有較小的氣孔率，具有良好的抗氧化性，以減緩高溫狀態(tài)下電極的氧化消耗速度。

2 電石爐開爐方法簡介

電石爐開爐是電石爐連續(xù)生產(chǎn)工作的開始，新建、大修的電石爐都要經(jīng)歷開爐的過程，開爐是電石爐生產(chǎn)中極為重要的大事，直接影響電石爐使用壽命。開爐成功率的高低受到許多因素的影響，而開爐方法卻是其中重要的因素之一。開爐是否順利直接影響著開爐后長期穩(wěn)定運(yùn)行與指標(biāo)的進(jìn)步，因此有效合理的開爐方式是確保開爐后爐況正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.1 傳統(tǒng)電石爐開爐方法

傳統(tǒng)的電石爐開爐方法是兩步法，第一步是先對未投料的爐內(nèi)內(nèi)進(jìn)行加熱，第二步則是投料后進(jìn)行首期冶煉。該開爐方法是先進(jìn)行木烘，木烘結(jié)束后將爐內(nèi)柴炭推向爐內(nèi)四周，將電極下放至適當(dāng)部位，再送電下降電極使之與爐內(nèi)柴炭接觸讓其起弧，待負(fù)荷上升至一定值穩(wěn)定后，將爐內(nèi)投入一定量的混合料進(jìn)行冶煉，但投入的料中焦炭的比例要小于正常配料50～60%。冶煉按正常連續(xù)加料埋弧作業(yè)方法操作，冶煉最初階段爐溫較低，隨著冶煉過程中電流緩慢上升爐溫相應(yīng)提高，同時爐襯砌體隨之干燥、爐底、爐壁、碳磚縫隙中的電極糊焦化。當(dāng)冶煉6h后停電，然后選擇適合該電壓級數(shù)以提高爐溫進(jìn)行冶煉。[3]

上述開爐方法在烘爐結(jié)束后，需要向爐內(nèi)投入大量的混合爐料進(jìn)行冶煉，由于是空爐一次性投料量大，且投料是在高溫下進(jìn)行的，這種投料操作勞動強(qiáng)度大、危險性高，所投入的混合爐料在爐內(nèi)分布極不規(guī)則，堆積形態(tài)的隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致在電石爐開爐過程中形成的出流道及熔池的隨機(jī)性增大，大大降低了電石的生產(chǎn)效率。由于分為兩步法開爐，存在開爐時間長、能源消耗高、勞動強(qiáng)度大等問題。

2.2 一步法開爐方法

一步法開爐方法在傳統(tǒng)開爐方法的基礎(chǔ)上做了大的改進(jìn)，不再單獨(dú)對電石爐進(jìn)行烘爐處理，而是將烘爐處理和對電石的冶煉合為一體。首先將電石爐體內(nèi)底部鋪設(shè)一層焦炭，再在焦炭層爐體內(nèi)地面的中央位置鋪設(shè)木材堆與出流道，放置成品導(dǎo)電柱，導(dǎo)電柱的位置與電極位置相對應(yīng)，最后向電石爐體內(nèi)裝入焦炭與石灰的混合料，將木材堆和出流道全部覆蓋。最后向電石爐電極供電，使木材堆和出流道在原料覆蓋層下全部碳化，并使位于原料覆蓋層下部的原料熔化并冶煉，待冶煉完成后使用吹氧工序打開電石爐出爐口，將冶煉完成的電石排出，整個開爐過程全部結(jié)束。[4]

上述開爐方法不再單獨(dú)對電石爐爐體進(jìn)行烘爐處理，而是將烘爐和電石的首批冶煉合為一體，有效減少了電石爐的開爐時間。同時在電石爐開爐初期爐內(nèi)鋪設(shè)的出流道，也提高了電石爐的首次開爐的成功率。但是在開爐期間，爐內(nèi)溫度的逐漸升高，木材被燃燒碳化，在冶煉過程中碳化后的木材被作為有益的成分消耗掉，木柴堆鋪設(shè)的出流道會逐漸消失；同時隨著爐料的不斷加入，料層的塌陷會使出流道堵塞不連續(xù)或者完全消失，因此上述方法并未能徹底解決電石爐開爐期間出爐困難的溫度，隨著電石爐容量的不斷增大，存在的問題愈加明顯。

2.3 新疆天業(yè)電石爐開爐方法

目前新疆天業(yè)擁有200萬t/y的電石生產(chǎn)能力，其中40500KVA密閉式電石就有26臺，新疆天業(yè)憑借多年的電石生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套快速、節(jié)能、低成本的電石爐開爐方法。

2.3.1 電極筒的制作

新建電石爐開爐時需要預(yù)先焙燒電極，制作三個盆底尺寸為直徑1100mm、高度500mm，并且用厚鋼板焊接封閉電極端頭，在底盆內(nèi)裝入電極糊后與現(xiàn)有的電極筒對接。并在盆底側(cè)面開設(shè)直徑為3～4mm的均勻小孔，且孔與孔之間的距離不小于200mm[5]。

2.3.2 電石爐裝爐

首先在電石爐內(nèi)三相電極與出爐口相對應(yīng)的位置分別砌筑三個內(nèi)徑為200mm的電石溢流通道，在通道內(nèi)放置一根直徑與通道內(nèi)徑相符的圓木，圓木的一段延伸至出爐口外，圓木與出爐口之間的空隙用黃泥與電極糊粉末的拌合物進(jìn)行密封。其次，在電石爐內(nèi)與電極相對應(yīng)的位置放置三個直徑大于電極直徑的圓柱筒，并在圓柱筒內(nèi)加滿焦炭至頂端呈倒錐形狀，使其形成導(dǎo)電柱，并在三個導(dǎo)電柱之間依次用圓鋼焊接固定使其呈三角形狀。最后，電石爐底部依次鋪設(shè)一層碳素材料和一層焦炭與石灰的混合料，使?fàn)t內(nèi)混合料層分布呈現(xiàn)碟子型。

2.3.3 送電開爐

調(diào)整電極端頭距導(dǎo)電柱的距離，保證電極端頭與導(dǎo)電柱分離，且三相電極端頭與導(dǎo)電柱的距離相等，并將電石爐變壓器的一次側(cè)接線改接為星形接法，給電石爐升溫和焙燒電極。送電后通過逐步下降三相電極，產(chǎn)生電極電流并將電極電流穩(wěn)定在0～2KA，穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，逐漸提升電極電流和變壓器檔位，運(yùn)行35h左右將電極電流提升至82KA，變壓器檔位提升至30檔，此時完成電石爐首次出爐工序，出爐期間電極電流繼續(xù)保持82KA穩(wěn)定運(yùn)行；完成出爐后電極電流在82KA穩(wěn)定運(yùn)行30min左右后，將變壓器的一次側(cè)接線改接為三角形接法。角接送電后將電極電流控制并穩(wěn)定在45KA，穩(wěn)定運(yùn)行2h左右，開始逐漸增加電極電流，當(dāng)電極電流運(yùn)行至58KA開始逐漸提升檔位，在提升檔位時不允許下降電極增加電極電流，當(dāng)電極電流增長到92KA時整個送電提升過程結(jié)束，轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)，完成整個開爐過程。

電石爐開爐負(fù)荷提升見圖2：

圖2 密閉電石爐開爐負(fù)荷提升圖

3 應(yīng)用效果

在電極筒底部焊接錐形底盆，且在底盆側(cè)面開設(shè)直徑為3～4mm的均勻小孔，孔與孔之間的距離不小于200mm；在電極焙燒過程中，由于電極糊中含有一定量的揮發(fā)分，在電極焙燒階段電極糊隨著溫度的升高揮發(fā)分逐漸逸出，此時開設(shè)的小孔能夠及時排出揮發(fā)分，有利于電極的焙燒，有效減少電極事故。

在電石爐內(nèi)砌筑的拱形通道，結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，不會因電石爐開爐期間發(fā)生料層塌陷、漏料等現(xiàn)象而堵塞通道，可形成穩(wěn)定的溢流通道；在通道被放置的圓木隨著爐內(nèi)溫度的升高逐漸碳化，由于開爐期間出爐口溫度相對較低仍然以圓木形式存在，在電石爐首次出爐時只需拔出圓木，出爐口將會打開；徹底取消了出爐吹氧的工序，消除了電石爐出爐吹眼過程中存在的安全隱患，解決了電石爐首次開爐眼困難的問題，縮短了電石爐開爐時間，有效減少了工人的勞動強(qiáng)度，提高了電石爐開爐的成功率。

一般在電石爐開爐時將完成首次出爐視為完成整個開爐過程；這時電石爐中料層結(jié)構(gòu)層次不夠分明，熔池內(nèi)和熔池內(nèi)壁仍有大量的半成品存在，爐內(nèi)還未形成穩(wěn)定的熔池，如果此時直接將電石爐投入正常生產(chǎn)中，則易出現(xiàn)電極不能深入爐料，爐眼上升等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致幾天都出不了爐。但是新疆天業(yè)研究的開爐方法，完成首次出爐后，繼續(xù)采用逐步提升與穩(wěn)定控制相結(jié)合的控制方式操作電石爐，使電石爐內(nèi)形成層次分明的料層結(jié)構(gòu)，最上層是預(yù)熱料層，其下依次為紅料層、粘結(jié)層、半成品層、熔池和液態(tài)產(chǎn)品層；使其形成穩(wěn)定的熔池后，再按照正常操作方法進(jìn)行操作，是電石爐產(chǎn)量很快就能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

以40000KVA密閉式電石爐為例，采用原有的開爐方法時，開爐需要12～15d左右，耗電量達(dá)到80萬度左右，新疆天業(yè)采用現(xiàn)有開爐方法時，開爐只需要72h左右，耗電量為25～28kwh。完成一次開爐可節(jié)約電能52kwh，電價1度按0.3元計(jì)算，可節(jié)約15.6萬元，同時可使電石爐能夠提前投入生產(chǎn)運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，其經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)束語

該開爐方法自用于大型密閉電石爐開爐以來，有效解決了電石爐開爐耗時較長、能源消耗大、開爐成本高、電極事故多發(fā)等問題，提供一種電石爐的快速開爐方法，該方法具有操作簡單、安全環(huán)保、開爐成功率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。