一種電石生產(chǎn)節(jié)能措施

＊王 琳

（中國天辰工程有限公司 天津 300400）

電石作為生產(chǎn)乙炔進而生產(chǎn)聚氯乙烯（PVC）、合成橡膠、人造樹脂等重要有機化工產(chǎn)品的重要原料，是化工領(lǐng)域的一種重要基礎(chǔ)化工產(chǎn)品。我國是世界上最大的電石生產(chǎn)和消費國，但是隨著社會的不斷發(fā)展、全球氣候變暖，低碳環(huán)保已經(jīng)成為了主要的發(fā)展趨勢。電石生產(chǎn)作為高耗能產(chǎn)業(yè)，發(fā)展逐步放緩。隨著《電石行業(yè)準入條件（2014年修訂）》的出臺，我國開始對電石產(chǎn)能進行總量控制，對電石生產(chǎn)企業(yè)進行兼并重組和布局優(yōu)化，進一步淘汰落后產(chǎn)能。2016年，我國電石生產(chǎn)企業(yè)220家，產(chǎn)能達到4500萬噸/年。到2018年，我國的電石企業(yè)數(shù)量下降到170家，全國電石產(chǎn)能在4100萬噸/年，但是整體產(chǎn)能依舊面臨過剩的問題。在淘汰落后產(chǎn)能的過程中，節(jié)能降耗是一項重要的指標。作為高能耗行業(yè)，電石生產(chǎn)過程中熱損失嚴重，誰能在節(jié)能降耗方面領(lǐng)先一步，誰就能在行業(yè)競爭中處于優(yōu)勢地位。

1.電石生產(chǎn)過程的能耗和熱損失

電石生產(chǎn)過程中的能耗和熱損失主要來自以下幾個方面：（1）高壓電流在電石爐內(nèi)的電熱能轉(zhuǎn)換；（2）電石爐爐蓋的熱能散失；（3）電石爐氣排放攜帶的能量；（4）電石爐出料及電石砣冷卻過程散失的熱量。

理論上生產(chǎn)1噸電石只需要1630度電，而在實際生產(chǎn)中，電耗遠遠高于理論值。在電石工業(yè)較為發(fā)達的國家，電石電耗也在2900度/噸以上，而我國電石生產(chǎn)廠的電耗大多在3200度/噸以上。因此對上述的能量損失環(huán)節(jié)進行深入研究，探索相應(yīng)的節(jié)能降耗措施是非常有意義的。

2.電石生產(chǎn)節(jié)能措施

隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，電石行業(yè)內(nèi)也在不斷的從以上四個方面入手，探索和研究節(jié)能降耗的措施，并且取得了一定的成果。目前得到工業(yè)化應(yīng)用的節(jié)能降耗措施，主要是以下幾項：

(1)優(yōu)化電石爐電氣運行參數(shù)的節(jié)能措施

通過使用PLC計算機自控技術(shù)，能夠有效地符合相關(guān)工藝指標，同時能夠集中的對電器參數(shù)以及設(shè)備自動化操作、原料輸送以及緊急狀況處理等方面進行整合，并有效地結(jié)合巡檢和集中控制，從而能夠更好地確保整體的工作效率，確保其能夠平穩(wěn)生產(chǎn)。從而穩(wěn)定電熱能的轉(zhuǎn)換，有效避免非穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下的效率損失。

(2)改進電石爐結(jié)構(gòu)，回收爐蓋熱能

采用水冷壁結(jié)構(gòu)爐蓋，在爐蓋內(nèi)通入鍋爐給水，可以有效的回收電石爐的輻射熱能，副產(chǎn)蒸汽，充分利用以前散失到環(huán)境中的輻射熱能。但是采用這種節(jié)能措施時，要嚴格控制鍋爐給水的質(zhì)量，避免水冷壁內(nèi)結(jié)垢，導(dǎo)致水冷壁局部過熱，最終燒壞爐蓋，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。

(3)改善電石爐的密閉效果

電石爐的密閉性也是能量損失的重要因素。目前電石爐爐型大多采用全封閉爐，開放式爐和半封閉爐都屬于淘汰爐型。對于全封閉爐，進料口處的密封依然是能量損失的重要環(huán)節(jié)。最初企業(yè)使用石灰對進料口做簡單密封處理，能夠有效地提高爐內(nèi)一氧化碳濃度。但是因為電石爐蓋板溫度非常高，使得石灰容易發(fā)生脫落，導(dǎo)致密封時間非常短，散失的電石爐氣帶走大量的熱量。之后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)利用廢舊電池電極筒邊角料將下料嘴與料管之間進行密封，能夠進一步增加一氧化碳的濃度。同時通過改善電極的操作規(guī)程，使電石爐處于負壓狀態(tài)，能夠進一步避免爐氣泄露，降低能源的消耗。

(4)電石爐爐氣的回收利用

電石爐爐氣的利用主要是以下幾種情況：

①用于電石炭材烘干

電石爐氣經(jīng)過凈化后送入空氣加熱爐作為燃料。加熱爐的熱空氣送入回轉(zhuǎn)干燥器用于炭材的干燥熱源和載體。

②用于余熱鍋爐燃料

電石爐氣不需要凈化和除塵，直接送入余熱鍋爐作為燃料，充分利用電石爐氣的顯熱、可燃氣體（CO+H2）及氣體夾帶的可燃顆粒物的燃燒熱生產(chǎn)蒸汽，達到回收能量的目的。燃燒后的煙氣，經(jīng)過重力沉降和煙氣除塵器除去顆粒物后達標排放。在回收電石爐氣能量的同時，達到爐氣干法除塵的目的。

③用于化工原料

電石爐氣的主要成分是一氧化碳，可以用于生產(chǎn)甲醇、甲酸、醋酸、醋酸酐、二甲基甲酰胺、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、光氣、金屬羰基化合物等多種高附加值的化工產(chǎn)品。但是電石爐氣用于上述化工原料，必須先經(jīng)過凈化和提純才可以，否則電石爐氣中的各種顆粒物和氣體雜質(zhì)會嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)甚至導(dǎo)致生產(chǎn)工藝無法實現(xiàn)。例如需要使用催化劑的生產(chǎn)工藝，即便是微量的雜質(zhì)也可能導(dǎo)致催化劑中毒。因此電石爐氣的凈化提純是電石爐氣用于化工原料首先要攻克的技術(shù)難關(guān)。目前國內(nèi)成功將電石爐氣用于化工原料的案例非常少。

④用于燒制石灰

生石灰是生產(chǎn)電石的主要原料之一，制備方法是將主要成分為碳酸鈣的天然巖石在煅燒窯內(nèi)煅燒。將電石爐氣作為氣燒窯的燃料是目前電石企業(yè)的普遍做法。氣燒窯的結(jié)構(gòu)比煤燒窯簡單，并且燒制的生石灰不含爐渣等雜質(zhì)，燃料氣的適應(yīng)性強，可以燃燒作為廢氣排放的有害氣體。電石爐氣用來燒石灰窯完全是變廢為寶，既節(jié)能又環(huán)保。

(5)熔融電石顯熱回收

電石生產(chǎn)的出爐環(huán)節(jié)和電石砣冷卻過程也是熱量損失的另一重要環(huán)節(jié)。電石出爐的溫度高達1800-1900℃，因電石熱焓高，熔融電石的顯熱熱量巨大。目前電石生產(chǎn)廠中，熔融電石出爐后，通常是放置在空氣中自然冷卻或采用鼓風強制冷卻固化，大量熱能散失到環(huán)境中。并且采用鼓風機強制冷卻需要額外消耗電能。

為了回收熔融電石固化、冷卻時放出的熱量，降低能耗，在國外，尤其是在能源匱乏的日本，進行了多年的研究和實踐，提出了多種回收熱量的工藝和設(shè)備，大多是采用直接換熱方式，制取蒸汽用于發(fā)電、采暖等用，該方式換熱效率高，但對設(shè)備加工、生產(chǎn)過程控制要求較高，任意點出現(xiàn)泄漏都將造成重大事故。

熔融電石余熱回收在國內(nèi)屬于剛起步階段，目前也出現(xiàn)了多種思路，一種是采用風淬粒化，利用流化床回收其部分余熱；一種是改變電石冷卻器具結(jié)構(gòu)，利用間壁換熱方式回收部分電石熱量；一種是改變電石鍋結(jié)構(gòu)利用隧道窯概念回收電石高品位部分熱能。

3.一種熔融電石熱量回收的新方法

根據(jù)四川大學對四川金路樹脂有限公司8000KVA電石爐運行參數(shù)的測試及熱點平衡計算，電石爐氣帶走的熱量約占總熱損失的12.7%，而出爐熔融電石帶走的熱量約占總熱損失的25.3%。該電石爐的熱損失詳細情況如表1。

表1 電石爐熱損

從表1的熱損失對比來看，除了冷卻水帶走的熱量之外，占比最大的熱損失是出爐熱電石帶走熱量。但是國內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的電石爐熱量回收措施主要是針對電石爐氣。熱損失占比更大的熔融電石余熱在國內(nèi)才開始受到重視，對此余熱的回收利用大多處于探索階段，鮮有成功的工業(yè)化應(yīng)用案例。究其原因主要有以下幾個方面：

首先，電石爐出料并非連續(xù)出料，熔融電石的輻射熱釋放不連續(xù)。這種不連續(xù)的能量釋放，即便回收也難以有效利用；其次，電石爐出料一般是排入電石鍋內(nèi)，很難實現(xiàn)密閉，輻射熱散失到空氣中后迅速通過空氣流動被帶走。輻射熱的散失很難避免；最后，電石產(chǎn)品本身的性質(zhì)導(dǎo)致直接換熱的介質(zhì)難以選取。

傳統(tǒng)的熔融電石出料是排放到電石鍋內(nèi)，然后通過卷揚機將電石鍋拖拽至冷卻車間自然冷卻或者機械通風冷卻。這個過程中散失的熱量非常難以回收。雖然通過研制帶散熱翅片的電石鍋，采用機械通風并回收熱風可以回收部分顯熱，但是顯然這種回收方法的效率是較低的。并且由于回收的熱風溫度較低，回收能量的利用也很困難。風淬?；橇硗庖环N熔融電石余熱回收的方向，但是由于氣體的比熱容較小，換熱需要大量的氣體，氣體壓縮輸送的能量消耗較大，并且處理氣體的設(shè)備和輸送管道體積龐大，投資較高。

采用隧道窯概念可以實現(xiàn)熔融電石余熱回收，但是隧道窯本身無法實現(xiàn)密封，輻射到空氣中的熱量依然會流失，熱量的回收率也不會太高。通過改變電石冷卻器具的結(jié)構(gòu)，通過間壁換熱回收電石熱量是一個可行的思路，但是電石鍋需要從電石爐廠房運輸?shù)嚼鋮s車間，在此運動過程中，如何實現(xiàn)熱載體在電石鍋間的流動是難題。

通過對熔融電石出料及電石鍋輸送至冷卻車間過程的研究，筆者提出一種全新的熔融電石余熱回收方法的構(gòu)想。該方法是將接收熔融電石的電石鍋布置在充滿導(dǎo)熱油的鏈板輸送機的溝槽內(nèi)。排入電石鍋的熔融電石迅速的與導(dǎo)熱油直接換熱，提高導(dǎo)熱油的溫度。鏈板輸送機將電石向?qū)嵊筒鄣囊欢溯斔停c此同時，導(dǎo)熱油槽內(nèi)的導(dǎo)熱油以一定的速度與鏈板輸送機逆向流動，最終從導(dǎo)熱油槽的另一端用泵抽出。抽出的導(dǎo)熱油溫度控制在325℃，送至蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)3.9MPaG的中壓蒸汽，送至蒸汽用戶。經(jīng)鍋爐換熱后的導(dǎo)熱油溫度降至260℃，送回導(dǎo)熱油槽再次與熔融電石換熱。以下為該余熱回收方法的流程簡圖：

圖1 余熱回收流程

通常電石生產(chǎn)廠會有多個電石爐同時運行，對于多個電石爐的工廠，上述余熱回收方法的導(dǎo)熱油槽應(yīng)由多個電石爐共用，采用串聯(lián)的方式布置。因為電石爐的出料為間歇出料，多個電石爐串聯(lián)，可以將出料時間錯開，能夠?qū)崿F(xiàn)始終有電石出料進入導(dǎo)熱油槽，保證熱量的連續(xù)回收，使導(dǎo)熱油的抽出溫度和流量更加穩(wěn)定，保證蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)定運行，產(chǎn)生的蒸汽量更加穩(wěn)定。

該余熱回收方法的關(guān)鍵是導(dǎo)熱油的選取。導(dǎo)熱油必須要在325℃的條件下保證性能穩(wěn)定。目前市場上的礦物型導(dǎo)熱油的最高使用溫度不超過320℃。但是一些品牌的全合成導(dǎo)熱油最高使用溫度可以達到400℃。所以從導(dǎo)熱介質(zhì)的選擇上來看，本方法是可行的。

在導(dǎo)熱油與電石爐出料換熱的過程中，電石的碎屑、粉塵會進入導(dǎo)熱油內(nèi)，隨著裝置的運行，導(dǎo)熱油的性能會逐漸變差。為此需要考慮導(dǎo)熱油的過濾設(shè)施，在導(dǎo)熱油泵的出口設(shè)置精密過濾器，將導(dǎo)熱油中的顆粒物過濾下來。

表2

采用這種方法，可以回收熔融電石1800℃至290℃的顯熱，理論上回收率可以達到70%以上。并且電石移出導(dǎo)熱油槽時，溫度已經(jīng)降低至290℃，進一步冷卻所需的時間大幅縮短，減少了電石砣在冷卻廠房的停留時間，可以大幅的減少冷卻廠房的建筑面積，進而降低建設(shè)投資。

由于導(dǎo)熱油的使用溫度較高，并且在熔融電石落入導(dǎo)熱油槽的時有可能發(fā)生局部過熱，在空氣存在的情況下導(dǎo)熱油可能會著火。因此導(dǎo)熱油槽及電石的落料管必須封閉，并通入氮氣進行保護。

與前述的其他熔融電石余熱回收方法進行對比，優(yōu)缺點情況如下：

雖然本方法處于理論研究階段，但是從上述優(yōu)缺點對比來看，本方法具有明顯的優(yōu)勢：

（1）由于熔融電石直接與導(dǎo)熱介質(zhì)接觸，換熱效率高，熱損失小，能冷回收效率高。

（2）采用導(dǎo)熱油為導(dǎo)熱介質(zhì)，熱容量大，導(dǎo)熱油的循環(huán)量相比于空氣小很多，導(dǎo)熱介質(zhì)的輸送機械能消耗低。

（3）導(dǎo)熱油的出口溫度高，可以用于制備蒸汽，回收的熱量便于利用。

（4）采用的設(shè)備除鏈板輸送機在特殊的環(huán)境運行外，其余的設(shè)備都是常用的化工設(shè)備，投資容易控制。

但是本方法也是在理論上具備了可行性，真正用于工業(yè)化實踐需要經(jīng)過小試、中試進行驗證。根據(jù)對本方法的分析研究，可以初步判斷需要解決的工程問題如下：

（1）導(dǎo)熱油槽的布置需要與電石爐的布置相匹配，使多個電石爐的出料能夠排入同一個導(dǎo)熱油槽內(nèi)，保證熱量的集中回收，使導(dǎo)熱油的出口溫度相對穩(wěn)定。

（2）導(dǎo)熱油槽的蓋板與熔融電石的出料管連接處必須封閉，避免保護氮氣散失到環(huán)境中，造成氮氣積聚引發(fā)安全事故。

（3）導(dǎo)熱油的進出口溫差只有35℃，因此蒸汽發(fā)生器的設(shè)計必須有針對性的考慮。

（4）鏈板輸送機在導(dǎo)熱油槽內(nèi)運行，設(shè)備的設(shè)計必須考慮高溫環(huán)境。

（5）鏈板輸送機帶動電石鍋出導(dǎo)熱油槽時，要考慮帶出的導(dǎo)熱油回收的問題，避免導(dǎo)熱油的損耗。

4.總結(jié)

電石生產(chǎn)過程的熱損失是電石生產(chǎn)企業(yè)非常關(guān)注的問題，研究開發(fā)相應(yīng)的節(jié)能措施有非常重要的意義。隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，電石生產(chǎn)的節(jié)能降耗迫在眉睫，刻不容緩?？梢哉f誰攻克了節(jié)能降耗的難題，誰就會在電石生產(chǎn)領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位。本文從理論方面探討了一種回收熔融電石余熱的方法，但付諸于實踐的道路長遠，需要解決的工程問題還很多。希望本文可以起到拋磚引玉的作用，引導(dǎo)電石生產(chǎn)企業(yè)從多個方向綜合考慮電石生產(chǎn)節(jié)能降耗的措施，努力改善電石生產(chǎn)高耗能的形象，提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。