密閉電石爐節(jié)能降耗措施研究

段樹(shù)濤，曹智慧，馬 濤，鄧建民

（寧夏英力特化工股份有限公司，寧夏 石嘴山753202）

近年來(lái)，中國(guó)電石行業(yè)發(fā)展速度較快，已成為世界第一生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，國(guó)內(nèi)電石總產(chǎn)能已達(dá)到4 320萬(wàn)t/a左右。2020年底，應(yīng)急管理部下發(fā)38號(hào)文件《淘汰落后危險(xiǎn)化學(xué)品安全生產(chǎn)工藝技術(shù)設(shè)備目錄（第一批）》的通知，根據(jù)該文件開(kāi)放式和內(nèi)燃式電石爐將被關(guān)停，淘汰落后產(chǎn)能將加速優(yōu)化電石產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)大型氯堿企業(yè)“電力—電石—聚氯乙烯”配套一體化的循環(huán)經(jīng)濟(jì)已形成規(guī)模，電石下游消費(fèi)結(jié)構(gòu)中聚氯乙烯占據(jù)了主導(dǎo)地位，近幾年的消費(fèi)比例一直穩(wěn)定在80%左右。國(guó)內(nèi)富煤、貧油、少氣的能源現(xiàn)狀促使電石法PVC工藝路線得到了快速的發(fā)展。電石是高能耗產(chǎn)品，《電石單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB 21343-2015中電石單位產(chǎn)品綜合能耗接近1 t標(biāo)煤/t。電石生產(chǎn)過(guò)程熱損失嚴(yán)重，能耗居高不下。理論上生產(chǎn)1 t電石只需耗電1 630 kW·h，而在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，生產(chǎn)1 t電石耗電3 200～3 500 kW·h，可見(jiàn)大量的電能及熱能在生產(chǎn)過(guò)程損失掉了。另外，各企業(yè)的碳素原料消耗也差異較大，因此以節(jié)能創(chuàng)新為發(fā)展思路，從強(qiáng)化管理、推進(jìn)新技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、淘汰落后生產(chǎn)工藝等多方面著手，創(chuàng)建資源節(jié)約型電石生產(chǎn)企業(yè)，就成為必須研究的課題。

1 電石生產(chǎn)過(guò)程主反應(yīng)及理論電耗

將生石灰（CaO）和碳素材料加入電爐內(nèi)，依靠電弧熱，首先在反應(yīng)層將石灰熔化成流體，隨溫度升高而增加其分子動(dòng)能。在電極端部周?chē)母邷貐^(qū)，在1 800～2 200℃下即可使具有較大活性的熔融態(tài)石灰和焦炭開(kāi)始相互作用，炭將熔融石灰的鈣游離出來(lái)，隨即還原成金屬鈣并放出CO；在此高溫區(qū)，金屬鈣即氣化成鈣蒸氣；當(dāng)與炭接觸時(shí)，就在炭表面相互擴(kuò)散，并反應(yīng)生成CaC2[1]。其化學(xué)方程式如下。

這是一個(gè)吸熱反應(yīng)，為完成此反應(yīng)必須供給大量的熱能，生成1 t發(fā)氣量300 L/kg的標(biāo)準(zhǔn)電石，理論上所消耗電能為1 000×0.806÷64×111 300÷3 600=1 630（kW·h）。

式中：0.806—發(fā)氣量為300 L/kg的電石中CaC2的含量；3600—電熱，即電能完全轉(zhuǎn)化為熱能的數(shù)值，kJ/kW·h；64—CaC2的分子量。

實(shí)際上，工業(yè)電石爐生產(chǎn)1 t電石所消耗的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了計(jì)算所得的數(shù)值，一般地生產(chǎn)1 t電石的電耗在3 2O0～3 500 kW·h，可見(jiàn)有大量的電能損失[2]。

2 控制石灰原料質(zhì)量降低能源消耗

石灰石中的CaCO3在達(dá)到815℃時(shí)分解生成CaO，但在石灰窯中有些石灰石中心溫度較低，CaCO3還沒(méi)有分解就從窯內(nèi)卸出，形成生燒石灰，在電石爐內(nèi)生燒石灰中的CaCO3要吸熱分解成CaO，所需熱量就要由電能供給，所以石灰的生燒率越高，消耗電能越多，在電石生產(chǎn)過(guò)程中要求生燒率不超過(guò)5%[3]。生燒石灰不但增加了電爐電耗，在爐內(nèi)分解放出的CO2還與蘭炭反應(yīng)，也影響爐料的配比，擾亂了電爐的正常生產(chǎn)。

過(guò)燒石灰是指燒制過(guò)程中因煅燒溫度偏高或煅燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而活性較低的一種石灰，石灰石分解放出CO2以后，不但產(chǎn)生許多孔，而且體積縮小10%～15%。原來(lái)疏松多孔的石灰就變成堅(jiān)硬的石灰，過(guò)燒石灰堅(jiān)硬致密，活性差，降低了反應(yīng)速度，并且體積縮小以后，接觸面積也減少，引起爐料電阻的下降，電極容易上抬，對(duì)電石生產(chǎn)操作也是不利的。所以過(guò)燒石灰也要盡量減少。

英力特化工在建設(shè)密閉電石爐時(shí)，配套建設(shè)300 t/d的BASK雙套筒石灰窯，使用密閉電石爐副產(chǎn)的經(jīng)凈化處理后的以一氧化碳為主成分的煙氣作為石灰石煅燒燃料，石灰石原料在該窯內(nèi)能實(shí)現(xiàn)逆流和并流煅燒，且并流帶能起到延長(zhǎng)煅燒時(shí)間的作用。窯內(nèi)氣體分布合理，上燃燒室供給不足空氣為不完全燃燒，下燃燒室供給足夠的空氣為完全燃燒，從而防止了過(guò)燒和生燒，保證石灰的質(zhì)量穩(wěn)定。氣燒石灰活性度達(dá)350 mL以上，石灰中的殘余CO2≤2%。而且煅燒后的石灰質(zhì)量穩(wěn)定，過(guò)燒率＜4%，CaO含量在92%以上，粒度在5～35 mm，符合密閉電石爐使用要求。

3 加強(qiáng)操作管理降低電爐電耗

3.1 實(shí)行閉弧操作

閉弧操作存在以下優(yōu)點(diǎn)：（1）料層結(jié)構(gòu)能形成一個(gè)完整的體系，爐料有條不紊地進(jìn)行反應(yīng)過(guò)程；（2）弧光不外露，保持高爐溫，從而能夠增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量和降低電耗；（3）能使電極按正常秩序進(jìn)行焙燒，避免發(fā)生電極折斷事故。電石爐根據(jù)其生產(chǎn)工藝特性，嚴(yán)格實(shí)行閉弧操作，哪里有弧光，要求操作工加料到哪里，確?；」獗M量不外冒，使熱能盡可能的用于化學(xué)反應(yīng)。

3.2 調(diào)整爐料電阻

加入電石爐內(nèi)的碳素原料、石灰的電阻大小對(duì)電極的穩(wěn)定性起著決定性作用，在正常情況下，爐料電阻適當(dāng)，電極能夠深插到適當(dāng)?shù)奈恢?，使?fàn)t底溫度提高，保證電爐的正常運(yùn)行。但是當(dāng)爐料電阻不當(dāng)，電極不能深入，就難保證電爐的正常運(yùn)行。為了確保爐料電阻比較理想，使電石爐穩(wěn)定生產(chǎn)，首先，嚴(yán)格控制紅料量，因紅料量多，爐料電阻就會(huì)降低，電極不易伸入爐內(nèi)，要求加料時(shí)先推紅料再加生料，每次加料嚴(yán)禁料面過(guò)高；其次，控制好爐料粒度，爐料粒度大，電阻就小，支路電流就大，電極不易深入，為此，嚴(yán)格控制石灰粒度為5～35 mm、蘭炭粒度為3～15 mm；爐料還需要保持良好的透氣性，爐料的粉末多，透氣性不好，一氧化碳等氣體不易排出，易造成塌料和結(jié)塊，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要定期組織人員對(duì)板結(jié)料面進(jìn)行處理。

3.3 加強(qiáng)出爐操作管理

電石生產(chǎn)中，對(duì)出爐管理不善，會(huì)導(dǎo)致出爐操作狀況失常，電石出的過(guò)多或過(guò)少，造成加料量和出爐量不平衡，這樣對(duì)電極位置操作和爐內(nèi)溫度控制不利，直接影響電石爐的穩(wěn)定生產(chǎn)。為了確保出爐操作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要加強(qiáng)兩個(gè)爐眼的維護(hù)，使得爐眼打堵正常；嚴(yán)格控制出爐時(shí)間與次數(shù)，要求每班出爐不少于5次，出爐時(shí)間控制在（20±5）min；打爐眼時(shí)盡量要低，以便爐內(nèi)雜質(zhì)及時(shí)排除；出爐時(shí)，剛打開(kāi)爐眼，及時(shí)用鐵筋帶動(dòng)，以便流量增大，避免小流量時(shí)雜質(zhì)含量高，燒壞爐嘴、鍋?zhàn)拥仍O(shè)施，出爐過(guò)程中，不斷地用圓鋼疏通，以加快流速，縮短出爐時(shí)間，減少熱損失。

4 采用靜態(tài)烘干技術(shù)控制蘭炭水分含量、降低蘭炭破損率

碳素原料中的水分與石灰相遇會(huì)生成消石灰Ca（OH）2粉末，容易引起投料管堵塞，使?fàn)t料透氣性變壞。同時(shí)在爐內(nèi)將發(fā)生如下反應(yīng)。

由于上述反應(yīng)使電能和碳素原料的消耗增加。再者消石灰Ca（OH）2粉末的增加，容易使?fàn)t料棚住，進(jìn)而發(fā)生電石爐不吃料、噴料和塌料等事故[4]。故對(duì)電石原料蘭炭入爐前要進(jìn)行烘干處理，密閉電石爐要求烘干后蘭炭水分含量≤1%。

英力特化工蘭炭烘干設(shè)施原采用臥式轉(zhuǎn)筒烘干窯，使用中塊蘭炭和小塊蘭炭摻配使用，采用煤粉和煙氣混合燃燒作為熱源。由于在臥式烘干窯的運(yùn)行過(guò)程中，炭材跌落次數(shù)較多，破損率較大，甚至可高達(dá)25%左右。而立式烘干和箱式烘干技術(shù)碳材破碎率可降至1%以下。參照新疆某企業(yè)的碳素原料烘干數(shù)據(jù)，碳材原料烘干破碎率見(jiàn)表1。

表1 三種烘干窯的能耗對(duì)比[5]

英力特化工先后與北京某企業(yè)合作研發(fā)并建設(shè)箱式烘干窯，與河南某企業(yè)合作建設(shè)立式烘干窯，最終在建設(shè)12 t/h的蘭炭烘干技術(shù)改造項(xiàng)目時(shí)，選擇運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到要求、使用靜態(tài)烘干技術(shù)的立式烘干窯。

2018年在設(shè)備廠家技術(shù)支持下，對(duì)石灰窯煅燒和立式烘干窯需要的密閉電石爐煙氣量進(jìn)行多次核算，在確保不影響石灰窯正常用熱的前提下，對(duì)新建立式烘干窯用煙氣燃燒作為熱源。密閉電石爐煙氣在滿(mǎn)足氣燒石灰窯的基礎(chǔ)上富余2 500～3 500 m3/h，尾氣熱值為8 800～9 400 kJ/m3，正常生產(chǎn)中能夠滿(mǎn)足立式烘干窯需要。2019年底該項(xiàng)目投產(chǎn)，通過(guò)優(yōu)化立式烘干窯的工藝指標(biāo)，改進(jìn)設(shè)備，加強(qiáng)操作管理，最終將出烘干窯蘭炭水分嚴(yán)格控制在1%以?xún)?nèi)。

淘汰破碎率高的轉(zhuǎn)窯烘干技術(shù)，采用靜態(tài)烘干技術(shù)建設(shè)立式烘干窯項(xiàng)目，英力特化工碳素原料破碎率由25%降至1%以下，當(dāng)年減少蘭炭用量1萬(wàn)t左右。

蘭炭產(chǎn)品按照其粒度、用途和技術(shù)要求劃分為3類(lèi)共6個(gè)品種，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 蘭炭產(chǎn)品的主要類(lèi)別和品種[6]

原蘭炭烘干使用轉(zhuǎn)式烘干窯，蘭炭原料使用中塊料和小塊料摻配使用，因小塊料價(jià)格較低，與中塊料價(jià)格差為30～50元/t，為降低生產(chǎn)成本，在立式烘干窯新開(kāi)工時(shí)，計(jì)劃全部用小塊蘭炭。但小塊蘭炭粒度小，表面積大在烘干后易產(chǎn)生火星，引發(fā)安全事故。經(jīng)技術(shù)研發(fā)后，解決了此難題，最終將立式烘干窯原料全部使用小塊蘭炭，從而降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，中國(guó)電石生產(chǎn)水平有了質(zhì)的飛躍，但資源、能源日趨緊張。提高電石生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能降耗管理水平，對(duì)降低企業(yè)生產(chǎn)成本有極其重要的作用。英力特化工依托科技進(jìn)步成果，改善生產(chǎn)工藝與管理技術(shù)，使原料和能源消耗均有所降低，為同行業(yè)電石生產(chǎn)廠家在以后生產(chǎn)管理中提供了一些借鑒。