節能環保型電石裝置的建設

(中國平煤神馬集團汝州電化有限公司，河南汝州 467500)

1 前言

中國平煤神馬集團汝州電化有限公司承建的45萬t/a電石項目是中國平煤神馬集團30萬t/a聚氯乙烯項目的配套工程(同時配套有年產25萬t燒堿、年產120萬t真空制鹽、年產80萬t電石渣制水泥等項目)，是中國平煤神馬集團發展煤鹽化工循環經濟產業鏈條中的重要基礎，也是河南省重點建設項目。該項目采用8臺3×10 000 kVA密閉式電石爐、空心電極、組合式把持器、爐氣干法凈化、氣燒石灰窯等國家“十一五”電石行業節能減排重點推廣的先進技術，總投資為10.17億元，于2009年5月8日正式開工建設。2011年2月19日，1#電石爐送電成功，之后 2#、5#、6#、4#、3#電石爐相繼送電點火，目前已有6臺電石爐投入試運行。

2 主要節能環保技術

2.1 優化電石爐設計參數

采用引進挪威ELKEM技術國產化的組合式把持器電極柱，其與中國傳統的錐形環把持器相比有以下優點:有互換性和通用性;組合把持器接觸元件與電極筋片之間是平面接觸，接觸電阻小，壽命長;電極電流分布較為均勻，電極不易變形、下滑;由于它具有14個內伸鋼板翅片，電極電流分布均勻，電極強度高，電極事故率低，對電爐的連續運轉、降低電耗具有一定的保證作用。

在進一步總結國內電石爐生產實際的基礎上，根據石灰、焦炭原材料的條件，進一步改進電石爐的電氣、幾何參數，二次電壓為140～240V、二次電流為93621A、電極直徑為1280mm、同心圓直徑為3 650 mm、爐膛內徑為8 240 mm，爐襯耐火磚組成及結構亦進行了改進，使厚度減小為380 mm，減少了耐火磚用量。

2.2 優化變壓器、短網的設計

變壓器損失主要有銅損和鐵損，是變壓器本身結構上的損失，本次采用低損耗、低阻抗變壓器，降低損耗。電力通過短網到電極，由于線路存在阻抗和感抗，電石爐內有功功率一般只有78% ～88%，短網是影響電效率的主要因素，占7% ～11%，優化設計對于節能降耗非常重要。

在本項目中，我們采取的優化措施:①改變傳統電石廠房結構，為了滿足廠房要求我們改進了變壓器的結構，使變壓器實現了真正的正三角布置，使得三相短網長度相同，保證了三相平衡，并進一步縮短短網長度約600 mm。②變壓器出線端子增加為7組，降低短網的電流密度，增大導電銅管的直徑和截面積，減少集膚效應的影響。③采用短網的跳相設計，實現相鄰導電銅管的電流相位相反，交錯排列，使互感補充自感，達到減少電抗的目的。④變壓器和電石爐循環冷卻水各成系統，改進短網的冷卻水路，加強冷卻效果，盡可能的降低變壓器及短網的運行溫度，提高變壓器及短網的電效率。⑤采用金屬非磁性材料作為短網的加固件和吊固件，避免形成磁環路，防止渦流和磁滯損失，保證的固定可靠。

2.3 變壓器的無功補償

為提高電石爐功率因數、降低短網損耗、抑制和濾除電石爐冶煉過程中產生的特征諧波，達到節約電能、提高設備利用率、降低成本和提高產量的目的，在提高相同功率因數的情況下，中壓補償的設備安裝成本較低，從投資成本上考慮我們采用中壓補償裝置。實際運行功率因數可以達到0.9～0.95。

2.4 電石爐氣凈化技術

2.4.1 電石爐氣特點

電石爐氣量及溫度波動大、不平穩，溫度一般在600～800℃，瞬間可以達到1 100℃;爐氣中含有微量焦油，溫度＞225℃時呈氣態，溫度≤225℃時就凝析出來，使除塵器布袋黏結堵塞;爐氣中含塵量50～200 g/Nm3，爐塵具有輕、細、黏、不易撲集的特點。

2.4.2 國內外電石爐氣凈化的幾種工藝

2.4.2.1 陶瓷過濾器干法凈化工藝

德國72 000 kVA密閉爐采用陶瓷過濾器干法凈化技術，工作溫度＜500℃，瞬時可以達到800～1000℃，爐氣中的含塵量由140g/Nm3降至5～10 mg/Nm3。陶瓷過濾器具有使用壽命長、維修方便、除塵效率高、占地小等優點。

2.4.2.2 ELKEM公司的干法凈化工藝及其改進

20世紀90年代從挪威ELKEM公司引進技術和成套設備中包括爐氣干法凈化技術，但經實際運行，生產操作困難，多年來國內電石行業一直沒有成功采用此技術。近年來，青海東勝、寧夏三友、合肥合意、安徽威達等單位在ELKEM公司干法凈化技術的基礎上通過改進，成功將其轉化為自己的技術，分別在國內多家電石企業中應用，效果良好。

2.4.2.3 濕法凈化技術

國內原吉林電石廠、貴州有機廠采用濕法凈化技術，工藝與德國泰森濕法凈化工藝相似，但由于設備易堵，操作管理困難，且污水量大并含有CN－，要將污水集中處理，污泥送至水泥廠做原料，新建的電石項目基本不采用此技術。

2.4.2.4 直接燃燒法爐氣利用技術

直接燃燒法是將高溫爐氣直接送入燃氣鍋爐燃燒，充分利用爐氣潛熱和顯熱，產生蒸汽加以利用。爐氣在鍋爐內燃燒時溫度高達1 500℃，爐氣中的粉塵經燃燒后變為粗、重的不黏微粒，不再含焦油，這樣可以通過常規的旋風、布袋除塵器使之達到除塵效果。浙江巨化、云維、內蒙古海吉采用本方法。

2.4.2.5 濕法+氣柜緩沖凈化技術

濕法+氣柜緩沖凈化技術是天辰工程公司為適應電石企業規模化、大型化發展需要，以國內化肥造氣工藝為技術依托，對電石爐氣進行凈化后綜合利用的一種方法，稱為爐氣后處理技術。

該方法與以上幾種技術比較主要存在如下優點:①干法凈化無法實現多臺電石爐爐氣匯集和遠距離輸送，不能穩定的提供凈化爐氣，無法適應電石裝置規模化、大型化發展。②產生的廢水循環量和需要補充的水量很少，節水效果好，有利于水資源匱乏地區使用。③該技術進一步通過水洗塔水洗、降溫后送氣柜儲存，同時除去爐氣中的微量焦油和粉塵，凈化后的爐氣不僅可以作為燃料，而且為今后爐氣用于化工原料奠定了基礎。經比較，我公司選擇國內寧夏三友和合肥合意改進的干法爐氣凈化技術，各4套，分別與8臺電石爐相配套，同時配套4臺水洗塔和10 000 Nm3濕式氣柜。目前已運行5個月，干法凈化系統可長期穩定運行，凈化后爐氣含塵量可達到10～20 mg/Nm3，水洗塔沒有出現堵塞現象，水洗用循環水輕度混濁，效果良好。

2.5 氣燒石灰窯

2.5.1 選擇配套石灰窯的原因

①電石爐的副產爐氣量約為23 000 Nm3/h，爐氣中CO的含量在75% ～90%，熱值在10800～11 340 kJ/Nm3，可以送石灰窯作燃料。②氣燒石灰窯煅燒的石灰活性好，生燒率低，可以有效降低電耗。

2.5.2 窯型的選擇

世界上先進的氣燒石灰窯有雙蓄熱式(雙膛式)、雙套筒式和雙梁式氣燒石灰窯。

①雙蓄熱式氣燒石灰窯為瑞士麥爾茲公司技術，其熱效率高，為3 696～3 780 kJ/kg石灰，結構和維修簡單，但是因涉及專利費，價格相當高，兩臺600 t/d石灰窯投資約1.4億元。

②雙套筒式氣燒石灰窯原為德國維馬斯特公司技術，現已被消化吸收實現了國產化，該窯型熱效率也比較高，為3 780～3 990 kJ/kg石灰，操作容易，控制簡單，生產中故障率低，但窯本體復雜，耐火材料品種多，建造和日后維修較為困難，2臺600 t/d石灰窯投資大約1.1億元。

③雙梁式氣燒石灰窯原為意大利UCC公司技術，國內石家莊新華工業爐公司已成功國產化，產能為300 t/d的石灰窯已在多家企業正常運行，其窯體結構和耐火材料比較簡單，使用維護簡單，但與其它兩種窯型相比熱耗較高，約為1 050 kJ/kg石灰。

我公司每天需要石灰8 720 t左右，綜合上述幾種窯型的特點，注重投資比較，我們選擇4臺雙梁式氣燒石灰窯，通過優化改進窯體參數把產能擴大到400 t/d，4臺400 t/d石灰窯投資約9 000多萬元。2011年3月22日1#石灰窯點火成功，4月30日2#石灰窯點火，經過3個月的調整，產量已經達到設計要求，生燒率基本控制在8%左右。

2.6 空心電極技術

空心電極在我國管理比較好的電石企業有成功運行的經驗，實踐證明是利用焦炭和石灰粉料、降低生產成本、減輕對環境的污染、迅速調整爐況和電石質量、穩定生產、減少電極糊消耗、降低電極事故、提高電石爐運轉率和經濟效益的有力措施，但在生產和安全管理上需要細心操作，精心管理。空心電極是密閉式電石爐技術發展的方向，是現代化電石生產中不可缺少的重要組成部分。

2.7 貫徹“三同時”的原則，注重環保和安全衛生

電石爐尾氣和炭材干燥尾氣以及原料、成品加工、運輸過程的揚塵均經過集中撲集，經除塵處理后達標排放。對于輸送物料、生產過程中盡可能減少揚塵點，盡可能密閉吸塵點，選用適用、先進的除塵設備，單點或近點組成系統，注意收塵后的粉塵外運，避免和減少二次揚塵污染。針對出爐口操作環境惡劣的現狀，本次特別改進電石爐出爐口排煙點的設計，實現出爐和排煙系統聯鎖控制，在實際運行中取得了良好的效果。我公司的環保投資共達到6 924萬元，安全防護設施投資達到3 070萬元。

3 節能效果的分析預測

3.1 噸電石電耗

由于設計中體現對于原料的精心管理和精確配比，本設計采用進一步改進技術的大型3×10 000 kVA密閉式電石爐，優化短網設計，改進變壓器功率補償技術，采用空心電極、氣燒石灰窯和110 kV高壓供電系統等各項節能措施以及生產過程DCS自動控制等，本裝置預計在國內通用標準原料下:電耗將達到低于3 200 kW·h/t電石，比較一般狀況(3400 kW·h/t電石)，每噸電石降低了電耗200 kW·h，達到和超過電石準入條件的要求。45萬t電石全年節約電能9 000萬kW·h，每年節約折標準煤約為11 070 t。

3.2 爐氣凈化回收利用

按照每噸電石回收爐氣(噸電石產生爐氣量為400 Nm3，熱值按10 080 kJ/Nm3)折標準煤137 kg，每年節約折標準煤約為61 650 t。

3.3 空心電極技術的采用

每年節約(按粉料5%)石灰粉20 700 t/a(不計能耗)、焦炭粉13 050 t/a、電極糊6 750 t/a(采用空心電極技術時，電極糊消耗定額為0.02 t/t電石，相對于無空心電極時節省0.015 t/t電石)，每年節約折標準煤約為14 605 t。

3.4 節能效果合計

本項目全年節約折標準煤約87 325 t。

3.5 綜合能耗分析

電石生產主要耗能包括水、電、壓縮空氣、儀表空氣、氮氣、焦炭(含焦炭粉)、電極糊等。按綜合能耗折算要求，壓縮空氣、儀表空氣、氮氣為界區內部消耗，以電消耗計，石灰生產采用電石爐氣為燃料，回收利用的電石爐氣為界區內能耗，綜合能耗不計算在內，以電消耗計。汝州電化公司45萬t/a電石項目標準電石綜合能耗為1.054 t標準煤/t電石。接近國家發布的清潔生產標準中一級的要求(一級1.0，二級1.265)。

表1 裝置能耗表(成品電石計)