淺析石灰石及石灰質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)的影響

高 剛

（陜西北元集團(tuán)錦源化工有限公司，陜西 神木 719319）

引言

電石即碳化鈣（CaC2），是化學(xué)工業(yè)當(dāng)中一種十分重要的基礎(chǔ)原料，被稱為化工原料之母。我國(guó)在20 世紀(jì)50 年代之前幾乎無(wú)電石工業(yè)，后經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，到1983 年，我國(guó)的電石廠家達(dá)到了204 家，2012 年我國(guó)的電石產(chǎn)量達(dá)到了2 438 萬(wàn)t[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)發(fā)展，對(duì)電石產(chǎn)品的需求也越來(lái)越大。

電石主要是由焦炭和石灰在電石爐制備得到，電石的主要成分是碳化鈣，其余成分為游離氧化鈣、碳以及鎂、硅、鐵、鋁的化合物及少量的磷化物、硫化物雜質(zhì)，這些雜質(zhì)都是生產(chǎn)電石原料中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的[2-4]。實(shí)際上，在電石生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，影響電石產(chǎn)品的因素眾多，通常，在保證設(shè)備性能不變的前提下，在電石生產(chǎn)操作中必須把握好爐料配比和生產(chǎn)工藝參數(shù)兩個(gè)關(guān)鍵因素[5]，但是生產(chǎn)電石所用的石灰石和炭材，其質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)的品質(zhì)影響更大，因其品質(zhì)不僅會(huì)直接影響電石的純度，同時(shí)，還會(huì)通過(guò)對(duì)爐料配比準(zhǔn)確性的影響來(lái)間接影響電石質(zhì)量[6-9]。因此，探討石灰石及石灰質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)的影響，對(duì)提升電石產(chǎn)品質(zhì)量，提升化工生產(chǎn)水平具有十分重大的意義。

1 石灰石質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)的影響

1.1 電石生產(chǎn)工藝分析

電石的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1 所示，首先將石灰石經(jīng)過(guò)石灰窯的煅燒生產(chǎn)石灰，然后，利用盤式卸料機(jī)將石灰輸送到破碎機(jī)中進(jìn)行破碎，之后，利用滾筒篩將破碎后的石灰進(jìn)行篩分，從而獲得適合于生產(chǎn)需要粒度大小的石灰顆粒，最后，將制備好的石灰顆粒送入到料倉(cāng)當(dāng)中。而焦炭同樣首先要經(jīng)過(guò)破碎機(jī)的破碎，以及滾筒篩的篩分后，獲得粒度適當(dāng)?shù)慕固款w粒。接著，將適合生產(chǎn)工藝要求粒度的石灰和焦炭，經(jīng)過(guò)自動(dòng)稱重后，按照一定比例加入到電石爐中，利用電爐中電極的強(qiáng)電弧熱量的加熱作用，將原料反應(yīng)生成電石，最后，生產(chǎn)的電石經(jīng)過(guò)出爐口流到電石鍋中進(jìn)行冷卻，從而獲得了電石產(chǎn)品。通常，為了滿足產(chǎn)品的需求，所產(chǎn)生的電石在冷卻后，還需經(jīng)過(guò)破碎機(jī)的破碎后才能進(jìn)行銷售使用。

圖1 電石的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 石灰石質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)的影響

1.2.1 石灰石中氧化鈣含量對(duì)電石生產(chǎn)的影響

石灰石中氧化鈣含量是用于評(píng)價(jià)電石生產(chǎn)中所用石灰質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)。在電石的生產(chǎn)中，為了獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的電石成品，通常所采取的措施是加快電石爐中的反應(yīng)速度，這樣就可有效地減少相應(yīng)的副反應(yīng)。因此，要求生產(chǎn)電石用的石灰中所含CaO 的量越高越好，這樣生產(chǎn)出來(lái)的電石產(chǎn)品中雜質(zhì)自然就越低。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)電石用石灰中CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)92%時(shí)，電石產(chǎn)品中的雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)小于8%。但是，從實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)看，企業(yè)生產(chǎn)出的石灰產(chǎn)品中所含CaO 量很難滿足這個(gè)要求。若強(qiáng)行將石灰中CaO 的指標(biāo)設(shè)置較高，則可能造成市場(chǎng)上無(wú)產(chǎn)品可選的尷尬局面。因此，在電石的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，石灰的選取過(guò)程中，不能簡(jiǎn)單地以CaO 含量滿足理論上生產(chǎn)電石的技術(shù)指標(biāo)要求即可，而是需在綜合考慮石灰石資源、生產(chǎn)石灰石的工藝條件和技術(shù)水平等。同時(shí)，生產(chǎn)電石產(chǎn)品質(zhì)量的提高應(yīng)當(dāng)是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)電石工藝條件、生產(chǎn)技術(shù)和石灰石資源的合理利用等這些措施來(lái)進(jìn)行保障。

1.2.2 石灰石中雜質(zhì)物質(zhì)對(duì)電石生產(chǎn)的影響

通常，石灰石中通常會(huì)含有MgO（氧化鎂）、Al2O3（氧化鋁）、Fe2O3（三氧化二鐵）和SiO2（二氧化硅）等一些雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在，會(huì)在電石爐中與碳發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，這不僅會(huì)增加相應(yīng)的碳消耗量和電消耗量，同時(shí)還原所生成的產(chǎn)品還會(huì)降低最終電石產(chǎn)品的品質(zhì)。更為嚴(yán)重的還會(huì)威脅到生產(chǎn)工藝的安全，因此，在電石生產(chǎn)過(guò)程中必需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。碳與雜質(zhì)物質(zhì)的反應(yīng)如式（1）～式（4）：

通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)及相關(guān)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，生石灰中雜質(zhì)在電石生產(chǎn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)化率高低不一樣，其中，MgO 轉(zhuǎn)化率為80%～100%，Al2O3為5%～10%，SiO2為50%～60%，F(xiàn)e2O3為40%～50%。

1.2.2.1 MgO 雜質(zhì)的影響

在電石產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，MgO 雜質(zhì)的影響最為嚴(yán)重。該雜質(zhì)在電石爐中較容易被C 原料還原成Mg 蒸汽，并隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，Mg 蒸汽會(huì)不斷上升，其中一部分會(huì)與電石生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并同時(shí)伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，從而會(huì)使得電石爐中部分區(qū)域形成高溫，其相應(yīng)的反應(yīng)方程式為式（5）：

在局部高溫作用下，會(huì)使得其中的料層遭受破壞，進(jìn)而會(huì)使得熔融液態(tài)電石直接與耐火磚材質(zhì)的爐壁相接觸，從而發(fā)生腐蝕問(wèn)題，造成對(duì)爐壁的破壞。同時(shí)，另一部分Mg 蒸汽則會(huì)在上升的過(guò)程當(dāng)中，與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該情況在開(kāi)放性電石爐中表現(xiàn)得最為明顯，其相應(yīng)的反應(yīng)方程式為式（6）：

同時(shí)，因所生成的MgO 的密度較小，會(huì)導(dǎo)致其在高溫條件下與電石爐中黏料發(fā)生黏接，形成結(jié)塊，浮在物料的上層，進(jìn)而降低物料層的透氣性，這樣就會(huì)使得電石爐中的爐氣較難排放出來(lái)，并且還會(huì)在物料面形成支路電流，進(jìn)而造成電耗的增加。而從反應(yīng)熱效應(yīng)上分析，Mg 發(fā)生氧化反應(yīng)，是一個(gè)放熱反應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量會(huì)使得反應(yīng)物料的上層發(fā)紅，導(dǎo)致物料的局部出現(xiàn)破壞，并引起碳原料燃燒，從而使得碳原料的消耗增加，更為嚴(yán)重的還會(huì)改變反應(yīng)爐料中的配比，從而影響到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。據(jù)相關(guān)研究計(jì)算統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)電石所用原料石灰中MgO 每增加1%，就會(huì)使得每生產(chǎn)1 t 電石，所消耗的電量上升100 kWh，發(fā)氣量下降10%～15%。

1.2.2.2 其他雜質(zhì)存在的影響

在電石生產(chǎn)中，SiO2雜質(zhì)會(huì)被碳還原成硅單質(zhì)，其中，一部分的硅還會(huì)繼續(xù)與硅反應(yīng)生成碳化硅，因碳化硅的比重較大，會(huì)使得其沉降至電石爐的底部，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累后，會(huì)導(dǎo)至電石爐的爐底上升，電石爐的熔池變小，因而影響到電石的產(chǎn)量；而另一部分的硅則可能與Fe 反應(yīng)生成硅鐵合金，因硅鐵合金的熔點(diǎn)較高，其在出爐的過(guò)程當(dāng)中，會(huì)破壞爐舌、爐眼或電石鍋等一些設(shè)備，這也會(huì)直接影響到電石的生產(chǎn)。此外，高含量的SiO2會(huì)使得石灰原料容易破碎、粉化，該物料被送入到爐內(nèi)后，容易出現(xiàn)塌料并造成出爐時(shí)存在生料帶出的問(wèn)題。

電石生產(chǎn)中，石灰中Al2O3雜質(zhì)的存在，其中一少部分會(huì)被碳還原成金屬鋁單質(zhì)，而生產(chǎn)的鋁則會(huì)熔融于電石產(chǎn)品當(dāng)中，從而降低電石的發(fā)氣量；而其中參與反應(yīng)的大部分Al2O3則會(huì)直接沉積于爐底形成黏性的爐渣，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的累積后，會(huì)使得爐底上升，爐眼上移，最終導(dǎo)致出爐出現(xiàn)問(wèn)題。

電石生產(chǎn)中，石灰中Fe2O3雜質(zhì)的存在，會(huì)直接與硅生成硅鐵產(chǎn)物，或直接被碳還原生成金屬鐵，而因?yàn)楣梃F的流動(dòng)性較大，其在高溫作用下，極為容易滲透至爐壁和爐底之間的縫隙當(dāng)中，這樣會(huì)縮短電石爐的服役壽命。

同時(shí)，電石生產(chǎn)中，其中存在的硫和磷雜質(zhì)會(huì)在電爐中直接與CaO 反應(yīng)生成Ca3P2（磷化鈣）和CaS（硫化鈣），并最終進(jìn)入到電石產(chǎn)品當(dāng)中，而該物質(zhì)在乙炔的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)直接與會(huì)水反應(yīng)生成H2S 和PH3，而H2S 氣體存在對(duì)生產(chǎn)的金屬設(shè)備存在一定腐蝕性，PH3氣體的存在則有爆炸和自燃的危險(xiǎn)。

如上所述，這些雜質(zhì)物質(zhì)的存在，不僅會(huì)增大生產(chǎn)電石的電能消耗，同時(shí)還會(huì)降低電石產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，在電石生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，需對(duì)石灰中所存在的這些雜質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的限制。

1.2.3 石灰的生燒率對(duì)電石生產(chǎn)的影響

石灰石以自然界存在的石灰石礦（CaCO3含量超過(guò)了90%）作為原料，將其在超過(guò)825℃高溫的條件下進(jìn)行煅燒發(fā)生分解反應(yīng)以后獲得。然而在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，由于生產(chǎn)用石灰石原料存在顆粒大小不一的問(wèn)題，而大塊的石灰石原料的中心，由于外層隔熱的問(wèn)題，必然會(huì)使得中心存在未發(fā)生反應(yīng)的石灰石，這部分即為生石灰，其主要的成分為CaCO3。當(dāng)石灰中含有的生石灰較多時(shí)，其在制備電石時(shí)，會(huì)繼續(xù)在電石爐中與碳原料反應(yīng)，其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)方程式為式（7）～式（8）：

從上式中可以看出，兩步反應(yīng)均需要較大的熱量，同時(shí)反應(yīng)的過(guò)程中還會(huì)消耗較大的碳原料，會(huì)對(duì)電石爐中原料的反應(yīng)配比造成影響，進(jìn)而使得電石生產(chǎn)的質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)。因此，控制石灰中生石灰的量也是生產(chǎn)電石產(chǎn)品中一個(gè)較為重要指標(biāo)。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐摸索，用于電石生產(chǎn)中石灰的生燒率需控制在5%以內(nèi)。

1.2.4 石灰的過(guò)燒率對(duì)電石生產(chǎn)的影響

在正常燒制石灰的過(guò)程中，石灰石會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，并產(chǎn)生大量的CO2氣體，并使所生產(chǎn)出的石灰呈現(xiàn)出一種疏松多孔的形貌特征，這樣的石灰存在將會(huì)更加有利于其與碳素原料的充分反應(yīng)。但是，實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，若石灰石在煅燒窯內(nèi)受熱溫度過(guò)高或停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致所制備的石灰晶體更加的堅(jiān)硬、密實(shí)和整齊，其體積會(huì)比正常減小約43%，通常將其稱為過(guò)燒石灰。由于單位質(zhì)量過(guò)燒石灰的體積小，其與電石爐中碳素原料的接觸面積自然會(huì)較小，這樣就使得其反應(yīng)的活性不高，反應(yīng)的速度較慢，電石生產(chǎn)的反應(yīng)不完全，電石的質(zhì)量較差。同時(shí)，因過(guò)燒石灰的密度大、電阻降低，而對(duì)應(yīng)電極位置較高，這樣同樣會(huì)增加相應(yīng)的耗電量，就會(huì)給電石爐的生產(chǎn)造成較大困難。同樣，經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐探討，用于電石生產(chǎn)中過(guò)燒石灰的含量也不能超過(guò)5%。

1.2.5 粉化石灰對(duì)電石生產(chǎn)的影響

從上述分析可知，質(zhì)量較好石灰的特征表現(xiàn)為強(qiáng)度低、疏松多孔，反應(yīng)活性高。但是質(zhì)量好的石灰卻在生產(chǎn)、裝卸、運(yùn)輸和儲(chǔ)存的過(guò)程當(dāng)中形成一定量的石灰粉末，而這些粉末，以及所制備得到石灰的表面從空氣中吸附一定量的水分，進(jìn)而生成Ca（OH）2，當(dāng)使用該物料進(jìn)行電石的生產(chǎn)時(shí)，其會(huì)發(fā)生式（9）～式（10）的反應(yīng)：

從上述的反應(yīng)方程式可以看出，粉化后石灰在吸水生成Ca（OH）2后，其在電爐中會(huì)因分解消耗一定量的熱量，同時(shí)，其生成的水還會(huì)繼續(xù)與碳原料進(jìn)行反應(yīng)，這樣不斷使得耗電量增大，同時(shí)也會(huì)大大增加對(duì)原料碳的消耗量。此外，當(dāng)粉化的粉末較多時(shí)，其還會(huì)在電石爐的面板上燒結(jié)成塊。而燒結(jié)塊一方面會(huì)阻礙電石爐中爐氣的釋放，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致?tīng)t面發(fā)生大塌料或爐底噴料的問(wèn)題；另一方面還會(huì)影響到電石爐中的下料量，進(jìn)而影響到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.2.6 石灰粒度對(duì)電石生產(chǎn)的影響

在電石生產(chǎn)過(guò)程中，石灰的粒度大小也非常重要，其同樣會(huì)對(duì)電石產(chǎn)品的質(zhì)量造成較大影響。首先，當(dāng)石灰的粒度較大時(shí)，其與碳素原料反應(yīng)時(shí)，它們之間反應(yīng)的接觸面積較小，自然會(huì)導(dǎo)致其反應(yīng)速度較慢；而當(dāng)石灰的粒度較小或其中存在的粉狀石灰較多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電極附近的料層在高溫下結(jié)成硬殼，進(jìn)而發(fā)生棚料，從而使得爐料下降的速度降低，這樣會(huì)降低產(chǎn)量，同時(shí)，還會(huì)對(duì)爐氣的排出形成一定的阻礙作用，當(dāng)爐內(nèi)的壓力增大到一定程度后，會(huì)出現(xiàn)塌料和噴料的問(wèn)題，嚴(yán)重的還會(huì)在出爐時(shí)將生料帶出。經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐證實(shí)，用于電石生產(chǎn)用的石灰原料，其粒度大小的最佳范圍是5 mm～35 mm。但在實(shí)際的生產(chǎn)中，考慮到塊狀石灰在運(yùn)輸、裝卸和儲(chǔ)存的過(guò)程中造成其破碎，若石灰粒徑限制較小，會(huì)造成最終使用物料中粉末石灰過(guò)高，因此，若石灰是自己生產(chǎn)的，則其粒度應(yīng)該控制在5 mm～40 mm 的范圍；若石灰是通過(guò)外購(gòu)的，則其相應(yīng)粒度應(yīng)該控制在8 mm～60 mm的范圍，同時(shí)其合格率應(yīng)該控制在90%以上。另外，在電石生產(chǎn)過(guò)程中，還需對(duì)石灰?guī)齑孢M(jìn)行相應(yīng)的控制，目的是為了防止在儲(chǔ)存過(guò)程中造成大量粉化。

2 提高和穩(wěn)定電石生產(chǎn)的措施

2.1 提高和穩(wěn)定石灰質(zhì)量的措施

要想提高和穩(wěn)定石灰的生產(chǎn)質(zhì)量，首先就需要提高石灰原料的質(zhì)量。為了能夠提供穩(wěn)定高質(zhì)量的石灰，可以下述方面入手：

1）宜選擇一些品質(zhì)較好的石灰石礦來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，這樣會(huì)使得所生產(chǎn)出石灰中所含的雜質(zhì)較低。

2）在石灰石采礦的過(guò)程中，通過(guò)安排專人挑出石灰石中存在的雜石，這樣就首先從源頭上對(duì)提高石灰生產(chǎn)品質(zhì)提供了保障。

3）對(duì)用于篩分石灰石的振動(dòng)篩實(shí)施全工段的檢查，即需分別引入工段長(zhǎng)檢查、班長(zhǎng)檢查、值長(zhǎng)檢查和操作工檢查，從而最大程度地避免因被泥土堵塞，而造成較小粒徑的石灰石進(jìn)入到窯里面進(jìn)而影響到石灰生產(chǎn)中的粉化率以及石灰的煅燒情況。

4）強(qiáng)化對(duì)用于生產(chǎn)石灰石粒度的監(jiān)控，嚴(yán)格控制石灰石的粒度范圍為40 mm～70 mm。

5）強(qiáng)化對(duì)石灰石生產(chǎn)過(guò)程中存在的泥土的清洗，從而有效地去減低其雜質(zhì)的含量。

2.2 穩(wěn)定生石灰生產(chǎn)的措施

1）對(duì)生石灰生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可以通過(guò)一些獎(jiǎng)勵(lì)的方式對(duì)工藝控制的個(gè)人和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，從而促使生產(chǎn)工人在對(duì)生產(chǎn)工藝控制上的執(zhí)行力度。

2）每班生產(chǎn)的班長(zhǎng)在實(shí)施班組工作時(shí)，需每次對(duì)所有的窯進(jìn)行敲灰操作，目的是為了查看煅燒窯是否存在燒透問(wèn)題，并同時(shí)將敲灰過(guò)程中的詳細(xì)情況進(jìn)行記錄，同時(shí)，由工段長(zhǎng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的敲灰情況進(jìn)行相應(yīng)生產(chǎn)產(chǎn)量的調(diào)節(jié)。

3）在生產(chǎn)過(guò)程中，需定期對(duì)煅燒窯的內(nèi)膽進(jìn)行清理，這樣就可以保證燃?xì)庠诠艿乐胁淮嬖谧枞膯?wèn)題，也不會(huì)出現(xiàn)燒損的問(wèn)題。

4）要適當(dāng)?shù)貙?duì)合理庫(kù)存量進(jìn)行控制。過(guò)低的庫(kù)存量會(huì)直接影響企業(yè)電石產(chǎn)品的正常生產(chǎn)，無(wú)法去應(yīng)對(duì)一些突發(fā)的設(shè)備故障問(wèn)題；而當(dāng)庫(kù)存量過(guò)高時(shí)，則又會(huì)導(dǎo)致石灰在儲(chǔ)存的過(guò)程中出現(xiàn)粉化的問(wèn)題，因而會(huì)影響到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。

5）對(duì)凈化工進(jìn)行規(guī)范化操作，強(qiáng)化凈化與燒窯之間的聯(lián)系，從而確保CO 量和尾氣的流量，這樣才能使得燒窯工作正常進(jìn)行，確保生石灰的質(zhì)量。

6）在設(shè)計(jì)氣燒石灰窯的過(guò)程中，需充分地考慮除電石尾氣之外的其他的一些燃?xì)?，例如天然氣和煤氣等，這樣就可以避免當(dāng)電石尾氣產(chǎn)量不是很穩(wěn)定時(shí)，可以通過(guò)對(duì)這些燃?xì)獾倪\(yùn)用，從而確保石灰生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因?yàn)槭疑a(chǎn)是否正常不僅會(huì)影響到電石的生產(chǎn)，還會(huì)影響到電石產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

電石作為一種特別重要的化工基礎(chǔ)原料，其品質(zhì)高低不僅會(huì)影響到下游化工產(chǎn)品的質(zhì)量，還會(huì)直接的影響到電石生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。而電石產(chǎn)品質(zhì)量的提高不僅是由原料石灰石的品質(zhì)決定，同時(shí)也與其石灰的生產(chǎn)工藝存在極大關(guān)系。因此，電石生產(chǎn)中需在綜合考慮其不同的影響因素的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地制定一些相應(yīng)的措施，這樣才能從根本上去提高電石產(chǎn)品的質(zhì)量。