電石生產(chǎn)工藝再認(rèn)識(shí)

馬占玉

1 電石生產(chǎn)發(fā)展簡史

1939 年，美國人黑爾曾將氰化汞和石灰混合，用電弧加熱，所得產(chǎn)物遇水時(shí)放出氣體，這便是最早的電石和乙炔；1862 年，首次人工合成了尿素的德國化學(xué)家維勒在實(shí)驗(yàn)室制得電石，并鑒定電石遇水產(chǎn)生的氣體是乙炔； 1892 年，法國人麥桑和美國人威爾遜同時(shí)開發(fā)出了電爐還原制取碳化鈣的方法；1895 年，美國首先實(shí)現(xiàn)電石工業(yè)化生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)的電石爐容量很小只有300KVA，電石產(chǎn)品主要用于點(diǎn)燈，后用于金屬切割；二十世紀(jì)初，用電石生產(chǎn)石灰氮（氰氨化鈣）的方法問世后，電石需求量增加，電石生產(chǎn)向前邁進(jìn)一步。二十世紀(jì)三十年代，世界電石年產(chǎn)量210 萬噸，其中一半用于生產(chǎn)石灰氮，用于有機(jī)合成的只占15%左右。第二次世界大戰(zhàn)后，挪威和聯(lián)邦德國先后發(fā)明了埃肯密閉爐和德馬格密閉爐，世界許多國家采用這兩種爐型建設(shè)密閉爐。

放眼國內(nèi)，我國在解放前幾乎沒有電石工業(yè)，只有在某些采礦場建有幾座小型電石爐，容量為300 千伏安左右，生產(chǎn)的電石主要用于點(diǎn)燈。與國外電石工業(yè)相比，相差約半個(gè)世紀(jì)。1948 年，我國在吉林建成了第一座容量為1750KVA 的開放爐。1958 年以電石乙炔為原料的有機(jī)合成工業(yè)在我國興起以后，電石工業(yè)才在全國各地普遍開花，許多城市紛紛建設(shè)電石廠。1987 年開始引進(jìn)挪威?？想娛癄t，2000 年海吉公司建設(shè)三臺(tái)25500KVA電石爐，2004 年西安會(huì)議后，建設(shè)電石爐容量提高至31500KVA。截止到 2018 年底，國內(nèi)電石產(chǎn)能達(dá)到 4500 萬噸/年，與 2010 年相比產(chǎn)能幾乎翻了一番。設(shè)計(jì)容量較大的電石爐當(dāng)屬德國技術(shù)81000KVA 以及美國技術(shù)195000KVA 電石爐，裝備水平提高、節(jié)能環(huán)保效果顯著的密閉式電石爐產(chǎn)能達(dá)到 3753 萬噸/年，占總產(chǎn)能的比重提升至 84%。[1]

2 關(guān)于電石爐幾何參數(shù)

表2-1 五種爐型參數(shù)對(duì)比

電石爐幾何參數(shù)的基本參數(shù)是電極直徑和極心圓直徑，?？?5500KVA 電石爐的幾何參數(shù)與我國電石爐參數(shù)有相似處也有差別處。其25500KVA 的電爐幾何參數(shù)與我國傳統(tǒng)的30000KVA 電石爐、中鹽吉蘭泰電石廠的27000KVA 電石爐參數(shù)基本接近。表2-1為各種爐型的參數(shù)比較。

通 過 用 埃 肯25500KVA 電 石 爐、 中鹽27000KVA 電 石 爐、東 明36000KVA 電石爐、伊東40500KVA 電石爐、長城石化81000KVA 電石爐參數(shù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，實(shí)踐證明，?？蠣t由于極心圓直徑過大，不利于電石熔煉，但中鹽電石爐比?？蠣t極心圓直徑還要大20mm。中鹽吉蘭泰電石爐原設(shè)計(jì)電極與爐墻間距小于電極間距，經(jīng)常出現(xiàn)爐墻燒損現(xiàn)象，之后對(duì)電石爐爐膛直徑進(jìn)行擴(kuò)容，使電極與爐墻間距等于電極間距，從而有效地避免了爐墻燒損現(xiàn)象發(fā)生。

3 關(guān)于電極“入爐”深度

電石爐電極入爐深度，始終是電石生產(chǎn)行業(yè)所關(guān)注的的核心話題，近幾年中鹽電石廠也去過許多電石企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)也對(duì)電極入爐深度的問題進(jìn)行探討，大部分企業(yè)都認(rèn)為 電極入爐深度應(yīng)控制在1000mm 以上，而且作為工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

但電極入爐1000mm 以上的理論依據(jù)從何而來？經(jīng)過查閱電石生產(chǎn)資料與文獻(xiàn)，很多都會(huì)提及電極入爐，但沒有明確具體的數(shù)值，僅在艾肯手冊(cè)中發(fā)現(xiàn)兩處描述，第一段為：爐子主要用電阻熔煉，為此，電極頭應(yīng)保持在爐料面以下1100-1300 毫米。操作過程中，通過經(jīng)驗(yàn)會(huì)得出更精確的數(shù)字。

艾肯手冊(cè)中第二段描述為：為了保持爐子工作良好和平穩(wěn)，電極滲透性良好，并且所有電極都要相同。這可以通過測(cè)量從電極頭到爐底的距離來控制，度量應(yīng)按需要時(shí)進(jìn)行，但至少每隔一天度量一次。電極頭和爐底之間的最佳距離要求為1.1-1.3 米，但可按經(jīng)驗(yàn)確定。[2]

看似兩段描述的數(shù)據(jù)相互矛盾，但仔細(xì)推敲，第一段描述中明確指出電極頭在爐料面以下1100-1300 毫米，電石爐料柱距離爐殼上沿距離為430mm 左右，入料深度較入爐深度多430mm，如果料柱燒損，則入料深度與入爐深度的差值會(huì)更大。第二段關(guān)于電極入爐的描述，是寫在電石爐啟動(dòng)階段，入爐深度的描述與電石爐實(shí)際啟動(dòng)階段的入爐深度一致。

對(duì)于27000KVA 電石爐來說，電石爐爐膛深度為2650mm，底部鋪300mm 碳，底焦上放置啟動(dòng)缸，其高度為1500mm，內(nèi)部填滿焦炭，三相電極正是座在啟動(dòng)缸頂部，所以此時(shí)電極入爐850mm，在送電后星接電壓較低，為了盡快提高爐底溫度，必須將電極下降400mm 左右，此時(shí)電極端頭距爐底1400mm，但隨著電石爐負(fù)荷的提升，電壓、電流會(huì)逐漸增大，電極勢(shì)必會(huì)上升，電極上升的程度也要視爐料電阻的大小，根據(jù)以往生產(chǎn)過程，一般會(huì)上升800mm 以上，這也是電石爐啟動(dòng)必須要經(jīng)歷的過程，也就是說在正常生產(chǎn)時(shí)，電極入爐會(huì)在450mm 左右，這里說的入爐深度是以爐殼上沿為基準(zhǔn)進(jìn)行描述的，如考慮料柱高于爐殼上沿及料柱燒損情況，入料深度為880—1300mm，與?？鲜謨?cè)中描述差距不大。

即使這樣，“入爐深度”這個(gè)指標(biāo)也給電石生產(chǎn)帶來極大的困惑，經(jīng)過目前文獻(xiàn)的查找并沒有直接提及“電極入爐深度”這個(gè)名詞，也沒有給出明確的指標(biāo)，所以此“指標(biāo)” 還有待繼續(xù)研究和討論。

4 關(guān)于電石爐電氣理論

礦熱爐的電氣基本原理類似于燈泡的原理。電通過一種具有電阻的介質(zhì)傳送。根據(jù)焦耳第一定律，電能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，但電石爐電阻不是歐姆電阻，除電阻外，負(fù)荷也有電感和電容。因此，在電阻和電感串聯(lián)的電路中，既有能量的消耗又有能量的轉(zhuǎn)換。阻抗Z，電阻R，感抗X 之間的關(guān)系，可以用圖4-1 來表示：

圖4-1 阻抗三角形

在電阻電路中，電源輸出的能量全部被電阻消耗。也就是說，電阻吸收有功功率。在電感電路中，電感不消耗能量，在電感和電源之間進(jìn)行著能量的互換，即電感吸收無功功率。 在電阻和電感串聯(lián)的電路中，既有能量的消耗又有能量的轉(zhuǎn)換，所以既有有功功率P，又有無功功率Q，它們與視在功率S 之間可以用圖4-2 表示。

圖4-2 功率三角形

功率因數(shù)，在電阻和電感串聯(lián)的電路中，有功功率的大小不僅和電壓、電流的大小有關(guān)，而且還和它們之間的相位差(即功率因數(shù)cosφ)有關(guān)。從功率三角形也可以看出，有功功率P 和視在功率S 的比值等于功率因數(shù)cosφ 中。功率因數(shù)較低的負(fù)荷工作需要較多的無功功率。譬如，電燈、電爐、電熨斗之類的功率因數(shù)cos=1，說明它們只消耗有功功率。異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)比較低，一般在0.7-0.85左右，說明它們需要一定數(shù)量的無功功率。因此，對(duì)于發(fā)電廠來說，就必須在輸出有功功率的同時(shí)也輸出無功功率。在輸出的總功率中，有功功率和無功功率各占多少，不是決定于發(fā)電機(jī)，而是取決于負(fù)荷的需要，即取決于負(fù)荷的功率因數(shù)。

5 關(guān)于電石爐電流電壓控制

關(guān)于電流和電壓的控制，經(jīng)過實(shí)踐，電石爐電流電壓控制直接影響電石爐運(yùn)行狀況，但電石爐電流電壓如何控制才算合適？?？鲜謨?cè)給出了工程列線圖，如圖5-1 所示，列線圖依據(jù)R=P/3I2公式進(jìn)行繪制，輔助計(jì)算公式：S= √3UI；P=S·COSΦ；R/Z=COSΦ；Z=S/3I2=U/I·√3。[2]

圖5-1 25500KVA?？想娛癄t工程列線圖

電石爐運(yùn)行中的每一個(gè)點(diǎn)都可以在圖中對(duì)應(yīng)，目前是我們操作的最根本依據(jù)。當(dāng)電石爐電壓等于恒功率電壓時(shí)（181V），剛好是直線和曲線的交點(diǎn)，當(dāng)視在功率達(dá)到25500KVA 時(shí)，電石爐操作電阻0.82，有功功率15800KW，電極電流81.8KA，電極電壓181V。

當(dāng)電石爐電壓低于恒功率電壓時(shí)（181V），這條曲線是一條直線，呈恒電流狀態(tài)，即電石爐視在功率達(dá)到25500KVA 時(shí)，隨著電石爐操作電阻（功率因數(shù)）的增加，電極電流不變都是81.8KA，電石爐有功功率逐漸增大，電極電壓逐漸增大，C3 值逐漸增大；

當(dāng)電石爐電壓高于恒功率電壓時(shí)（181V），是一條曲線，呈恒視在功率狀態(tài)，即電石爐視在功率達(dá)到25500KVA 時(shí)，隨著電石爐操作電阻（功率因數(shù)）的增加，電石爐有功功率逐漸增大，電極電壓逐漸升高，電極電流逐漸降低，C3 值逐漸減小。

視在功率達(dá)到25500KVA 時(shí)，電石爐操作電阻越大，則電石爐有功功率就越高，電極電壓也越大，電極電流越小。隨著電石爐有功功率的升高，電極電流越來越低，主要是目的在于要增大電極電壓，因?yàn)殡姌O電壓越高，電石爐熔池就越大，而熔池?cái)U(kuò)大對(duì)應(yīng)的效果就是電石爐爐況穩(wěn)定性的提高。 ?？想娛癄t所引進(jìn)的C3 值，其公式為電流與功率的三分之二次方的比值（I/P3/2），C3 值越低，則反映出的爐況越好，從公式推出，電極電流不可過高，會(huì)使C3 值升高。

6 關(guān)于CaC2—CaO 相平衡圖與電石過熱理論

電石爐在電熱裝置中的分類應(yīng)屬于電阻電弧爐，它不僅僅依靠電流通過電阻發(fā)出的熱量來加熱爐料，還要依靠電弧的放熱來獲取更高的熱量。電石生產(chǎn)需要這部分熱量來進(jìn)行反應(yīng)，但輸入過多的熱量也會(huì)給生產(chǎn)帶來一系列的不良影響。圖6-1 為不同純度電石的液相線溫度，含 80% CaC2的液相線溫度約為 2050℃，為保持物料的液體狀態(tài)，溫度應(yīng)高于此溫度，否則物料將開始凝固，而輸入過多能量所產(chǎn)生的過熱，溫度遠(yuǎn)高于液相線的液體溫度，也會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一系列負(fù)面影響。

圖6-1 CaC2—CaO相平衡圖

實(shí)際電石生產(chǎn)中，生產(chǎn)原料無法精煉提純，原料中大量雜質(zhì)被帶入電石中，所以電石工業(yè)產(chǎn)品并非是CaC2和CaO 的混合物，而是以CaC2為主的多種物質(zhì)（包括MgO、Al2O3、SiO2等）的混合物，混合物原子排列規(guī)則不像單一物質(zhì)的原子排列那么均勻、有序，所以更容易受到溫度作用。因此混合物的液相線溫度比單一物質(zhì)熔點(diǎn)都要低[3]。所以電石實(shí)際液相線溫度要比圖6-1 中的溫度更低一些，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使用蘭炭固定碳在84%，石灰CaO 在90%相圖應(yīng)為圖6-2 所示：

圖6-2 實(shí)際生產(chǎn)中的CaC2—CaO相平衡圖

理解相平衡圖，對(duì)電石生產(chǎn)起到一定的指導(dǎo)作用。電石生產(chǎn)中需要一定的過熱來使電石保持液態(tài)，但一旦輸入的過熱能量過多，就會(huì)產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響，例如電石的粘度會(huì)降低，流動(dòng)性變好，導(dǎo)致出爐堵不住眼，噴濺，流地；電石過熱，焰口（電極周圍吃料口）會(huì)擴(kuò)大，也是爐氣溫度升高的主要原因。同時(shí)電石過熱會(huì)伴隨副反應(yīng)：

反應(yīng)式中Ca 是以單質(zhì)氣態(tài)形式存在，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量CO 氣體，氣體只能透過料層將已經(jīng)生成的電石帶出料面以上，就會(huì)發(fā)生翻電石現(xiàn)象。發(fā)生噴塌料事故也是同樣道理，就是過熱引起氣體集中爆發(fā)。

結(jié)合相平衡圖，為什么說電石質(zhì)量低的時(shí)候容易翻電石，例如圖6-2 中CaC2質(zhì)量在69% 左右，對(duì)應(yīng)發(fā)氣量應(yīng)為260L/Kg，發(fā)氣量較低，此時(shí)對(duì)應(yīng)的液相線溫度僅為1750℃，如果我們按照過去的理念，按照同一水平的能量輸入，就會(huì)更容易使電石過熱，造成翻電石的現(xiàn)象，然而在發(fā)生翻電石時(shí)，我們多數(shù)會(huì)將原因歸結(jié)為反應(yīng)溫度不足，從而降低爐次續(xù)積爐溫，這樣不但不會(huì)緩解翻電石問題，反而會(huì)造成翻電石惡化，這就是電石在低質(zhì)量的條件下，翻電石問題反反復(fù)復(fù)無法轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)的原因。

過量輸入能量或不及時(shí)出爐，能量不平衡所導(dǎo)致的過熱，百害無利，如何解決過熱問題，是科學(xué)指導(dǎo)我們降低故障、事故，降低電能消耗的有效途徑。根據(jù)公式△Q=I2R △t，我們可以視爐料電阻不變，那么過熱的能量即和電流強(qiáng)度、加熱時(shí)間有關(guān)，一方面降低電流可以有效減少過熱，另外就是加熱時(shí)間，雖然電石爐需要連續(xù)生產(chǎn)，這就說明加熱時(shí)間不可中斷，但我們可以控制出爐頻次，控制合理的出爐頻次，也是減少過熱的途徑之一。

7 關(guān)于中鹽吉蘭泰電石爐產(chǎn)能的提升

中鹽吉蘭泰電石廠總共有12 臺(tái)電石爐，每臺(tái)電石爐采用三臺(tái)單相變壓器供電，單臺(tái)變壓器容量為9000KVA，共9000*3=27000KVA；12 臺(tái)電石爐總負(fù)荷為27000KVA*12=324000KVA。電石爐用電由220KV 站8#、9#兩臺(tái)主變供電，每臺(tái)變壓器接帶6 臺(tái)電石爐負(fù)荷，每臺(tái)主變壓器額定38.5KV 電壓時(shí)負(fù)荷為180000KVA，兩臺(tái)變壓器38.5KV 電壓時(shí)總負(fù)荷為360000KVA，35KV 電 壓 時(shí) 為163800*2=327600 KVA，電石廠1 2 臺(tái)電石爐額定總需求負(fù)荷為27000 KVA *12=324000KVA。

表7-1 主變分支回路的實(shí)際參數(shù)和目前的運(yùn)行參數(shù)

按照表7-1 設(shè)計(jì)要求電石爐變壓器制造時(shí)可超額定負(fù)荷20% 長期運(yùn)行，但是實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電石爐總負(fù)荷324000KVA 超20% 為388800KVA，已經(jīng)超過8#、9# 變壓器的額定負(fù)荷，顯然8#、9# 主變壓器設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮電石爐變壓器設(shè)計(jì)負(fù)荷要求，因此在原設(shè)計(jì)中，電石爐總負(fù)荷限制在額定負(fù)荷324000KVA 以下。

優(yōu)化前， 單臺(tái)變壓器額定負(fù)荷9000KVA（超額定負(fù)荷20%能長期運(yùn)行），一次電流257A（相電流），角接運(yùn)行時(shí)額定線電流為257*1.732=445A，三臺(tái)電石爐滿負(fù)荷電流為445*3=1335A，從上表中可以看出，分支電流報(bào)警值為1300A，額定電流為1350A。三臺(tái)電石爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電流1335A 大于供電分支設(shè)定報(bào)警值1300A，小于設(shè)計(jì)電流值1350A。受供電設(shè)備額定負(fù)荷的影響，實(shí)際運(yùn)行中，每臺(tái)電石爐只能運(yùn)行在27000KVA 以下，考慮到電石爐操作電流引起的三相不平衡，電石爐負(fù)荷實(shí)際達(dá)不到額定的27000KVA。主變的限制，已成為電石爐負(fù)荷提升的一個(gè)制約點(diǎn)；另外一點(diǎn)，電石爐變壓器運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)0.95，檔位達(dá)到3 檔甚至2 檔運(yùn)行，變壓器在負(fù)荷不超27000KVA，有功功率最高可提高到25650KW，這時(shí)，變壓器已基本達(dá)到上限，這是制約電石爐負(fù)荷提升的另一個(gè)原因，兩方面制約了電石爐負(fù)荷的進(jìn)一步提升。

目前電石提升產(chǎn)能，必然要利用現(xiàn)有的條件，提升檔位，開滿負(fù)荷，以輸入更多的能量來提升產(chǎn)量，但如何提升負(fù)荷正是需要我們現(xiàn)今研究解決的問題。

根據(jù)公式P=UIcosφ，提升負(fù)荷勢(shì)必要從提升電壓、提升電流、提升功率因數(shù)三個(gè)方面來進(jìn)行考慮，在之前的內(nèi)容中已經(jīng)提到，電石爐并非純電阻爐，需要一部分感性負(fù)載，所以功率因數(shù)不能提升到很高的水平，而電流方面，由于工藝和系統(tǒng)的限制，目前控制在72000A 左右，提升空間也不大，所以提升電壓是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能提升的關(guān)鍵突破點(diǎn)。

根據(jù)公式P=UIcosφ 反算，若電流按照72000A 控制，功率因數(shù)保持在0.95，將有功功率提升至27000Kw，則電壓應(yīng)提升至228V；將有功功率提升至30000Kw，則電壓應(yīng)提升至253V。然而系統(tǒng)存在一部分壓降損失，經(jīng)過測(cè)量，變壓器和短網(wǎng)壓降損失為15V 左右。這部分壓降損失暫時(shí)無法解決，所以實(shí)際電壓要提高到更高的水平（有功功率27000Kw，則電壓應(yīng)提升至243V ；有功功率30000Kw，則電壓應(yīng)提升至268V ），所以電石產(chǎn)能的提升，需要從以下兩方面著手：一方面對(duì)電石爐變壓器參數(shù)實(shí)施優(yōu)化，著手提升二次電壓，提高電效率，降低電壓損耗，減少無功損耗，在不改變現(xiàn)有供電設(shè)備的前提下，提升電石爐變壓器的帶載能力，是解決變壓器制約負(fù)荷提升的一項(xiàng)重要舉措。另一方面，近階段籌劃新建變電站，將主變?nèi)萘刻嵘嵘娛癄t變壓器一次側(cè)電壓，也是提升二次電壓，提升產(chǎn)量的有效途徑。