利用高爐生產電石的試驗研究

蔡建利，鄧 勇，陳仁宏，楊紅軍

（四川省川威集團有限公司，四川 成都611000）

1 電石生產技術概述

電石生產方法主要有電熱法和氧熱法。目前，工業上仍以電爐電熱法生產電石為主，該法發展歷史已有一百一十多年。

1.1 電熱法

電熱法（也稱為電弧法）即生石灰和含碳原料（焦炭、無煙煤或石油焦）在電石爐內，依靠電弧高溫熔化反應而生成電石。其生產過程為：通過電爐上端的入口或管道將混合料加入電爐內，在開放或密閉的電爐中加熱至2 000 ℃。熔化了的電石從爐底取出后，經冷卻、破碎后作為成品包裝。反應中生成的一氧化碳則依電石爐的類型以不同方式排出：在開放爐中，一氧化碳在料面上燃燒，產生的火焰隨同粉塵—起向外四散；在半密閉爐中，一氧化碳的一部分被安置于爐上的吸氣罩抽出， 剩余的部分仍在料面燃燒； 在密閉爐中， 全部一氧化碳被抽出。電熱法生產電石，單位產品的電耗高達3 500～4 000 kW·h/t，電費成本高達2 000 元/t 以上。

1.2 氧熱法

氧熱法是在有氧環境（在爐內吹氧氣或富氧空氣）下使部分粉煤燃燒（提高爐溫）生成合成氣，發出的熱量同時使剩余粉煤和粉狀氧化鈣發生反應生成電石。該法利用非電石爐富氧熔煉焦炭和石灰石，從石灰石中提取碳，生產電石并副產煤氣、硅鐵。此“一爐三用”的新技術，使CaC2生產綜合利用了煤氣化過程中的余熱和煤灰，煤灰加配料熔融后生成CaC2和硅鐵（提純CaC2時），同時在高溫低壓下自然生成煤氣。每生產1 t 電石（80%CaC2），從石灰石中提取純炭168 kg 左右，產生煤氣6 000（CO 含量在55%）～2 600（CO 含量在95%）m3，可生產約4.5 t 的甲醇。產生的富氧既提高爐溫又提高了煤氣的CO 質量；煤的熱能利用后產生的煤氣，用于煤化工或清潔發電。

此工藝為無能源消耗型和無污染型的電石和煤氣聯合生產新工藝。利用富氧或純氧使碳在非電石爐中氣化加熱熔融，代替電加熱熔融生產電石，綜合利用了煤氣化過程中的熱能和化學能，省去了外供電的消耗，減少工業廢渣排放。此技術創新了CaC2生產工藝、煤氣化工藝，還開創了從石灰石（CaCO3）中提取碳能源的技術，使煤氣化工藝不排渣，還可生產硅鐵，有望成為煤炭綜合利用的新工藝。

2 國內外氧熱法技術研究進展

2.1 國外情況

美國、德國、荷蘭等國家在十九世紀60 年代初期和中期，做過氧熱法制電石的中試。十九世紀90 年代初已建立25 kt/a 的氧熱法生產裝置，生產1 t 電石需消耗1 t 生石灰、2 t 焦炭、1 160 Nm3氧氣和600 kW·h 電。

近幾年，日本和德國已開始進行豎式爐全焦、純氧氧熱法的試驗。日本公開專利昭61—178412 提出：以豎爐全焦、純氧或富氧熱法實驗生產電石，在豎爐內的填充層是分層填充炭素和含氧化鈣材料，經風口噴吹氧氣或富氧空氣生產電石產品；實驗獲得的產品中，50%的產品含60%CaC2，其余的產品含40%以上CaC2，氧化鈣的回收率僅為60%。熊謨遠[1]介紹了德國采用豎式爐甲烷熱裂解法的半工業裝置，該豎爐日產70～100 t 的電石（含80%的CaC2），但至今尚未得以推廣應用。

2.2 北京化工大學研究情況

國內的科研單位主要是北京化工大學，以劉振宇、劉輝和劉清雅教授為主的科研團隊自2009 年開展了一系列的基礎研究，包括對不同含鈣化合物制備電石的影響因素分析[2]，研究電石制備過程中不同含鈣化合物與焦炭的反應行為[3]，研究粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣的新工藝[4]，分析氧熱法電石合成的反應平衡和熱匹配[5]，研究氧熱法電石合成淤漿鼓泡床反應器的流動特性[6]、對氧熱法電石生產氣流床反應器性能進行數值模擬[7]等。

2011 年9 月10 日，北京化工大學與河南煤化集團研究院、 中國五環工程有限公司合作開發的2 400 t/a 氧熱法電石生產新技術中試裝置可行性研究報告及反應器基礎設計通過了專家審查，但因故沒有建設中試裝置。近兩年，北京化工大學已完成該新技術的基礎理論研究，實驗室模擬生產已完成。目前已申請國內發明專利2 項，提交國際專利1 項，正在開展中試裝置的方案設計。

2.3 國內其他單位研究情況

河北省峰峰集團非煤產業部岳書才開展了氣化煤氣、熔融熔煉電石排放的循環經濟技術研究[8]，并于2005 年4 月7 日申請專利《豎爐氧燃噴吹生產碳化鈣方法及裝置》（申請號CN200510063216.3，至今未見獲得專利權）。

太原理工天成科技股份有限公司杜文廣等5 人于2008 年8 月27 日申請了專利《一種同時生產電石、硅鐵和高純度CO 氣體的方法》（申請號CN2008 10079309.9，至今未見獲得專利權）。

3 高爐氧熱法生產電石的技術分析

3.1 技術難點分析

3.1.1 如何產生高溫生成電石

在電石的生產過程中，碳與生石灰需在2 000 ℃的高溫條件下發生反應才能生產液態的電石。但在目前高爐冶煉的模式下，爐內的溫度達不到電石冶煉所需的溫度。要滿足電石生產過程中所需的溫度，必須改變現有高爐的燃燒反應過程，其最有效的途徑就是提高燃燒反應中氧氣的濃度，以大幅度提高理論燃燒溫度。

3.1.2 電石爐爐型的設計

氧熱法生產電石的過程與高爐煉鐵的過程，在不同的溫度下原料的體積、狀態均不同。為保證氧熱法生產電石在大工業生產時的連續性和穩定性，其電石爐的爐型與高爐相比會在包括高徑比、爐身角、爐腹角、爐缸直徑、爐腰直徑等參數上存在差異，需要通過試驗研究，不斷調整優化爐型參數，找到適合高爐冶煉電石的最佳參數。3.1.3 如何解決料柱透氣性

高爐煉鐵所用的原料具有較好的強度，而電石冶煉中石灰的強度較低，在承受較大壓力的情況下會粉化，將嚴重影響料柱的透氣性，進而對冶煉過程中煤氣的運動及傳熱和傳質產生影響，可能會導致冶煉行程的連續性中斷，需要研究解決料柱透氣性的辦法。

3.1.4 如何對爐體進行冷卻

目前高爐冶煉采取的爐體冷卻方式是冷卻壁水冷，但生產過程中特別是爐役后期常出現漏水現象。高爐煉鐵冷卻壁漏水只會對高爐的順行和指標產生影響，不會造成大的安全事故。結合電石的特殊性能，一旦漏水可能會造成大的安全事故。需要研究并解決在高爐上進行氧熱法電石生產試驗過程中的爐體冷卻問題。

3.1.5 如何對爐體進行嚴實密封

高爐煉鐵過程中，爐頂及送風裝置均存在煤氣泄漏的現象，但高爐產生的CO 濃度較低，實際生產中不易出現安全事故。電石生產過程中產生的CO濃度較高，非常容易出現安全事故。需要研究并解決爐體密封問題。

3.1.6 如何確保研究試驗的安全

根據電石、煤氣的物性，需要研究試驗全過程的安全問題并制訂妥善的安全、環保措施以及相應的應急救援預案。

3.2 設備及材質分析

氧熱法電石生產根據其氣化爐工藝原理可借用高爐冶煉生產裝置，但國內均無實例，在設備設施上無借鑒題材。上配料系統使用高爐原有配料系統完全可以實現自動化操作；冶煉過程采用高爐本體經過內部改造及增設相應監測設備也可以實現自動化控制。

但氧熱法反應區的溫度高達2 300 ℃、儲液區的溫度高達2 000 ℃，與冶煉鐵礦相比高出許多，故選用爐內高溫區的耐材材質是一大難題；進氧系統，需在試驗研究基礎上進行設計改造，充分考慮其安全性；爐氣處理系統，需考慮現有高爐爐頂設備的密封安全性，爐氣的溫度如果同電熱法密閉爐的爐氣溫度一樣達500～1 000 ℃，則需考慮改進高溫爐氣的處理工藝；電石出料爐口，還需根據液態電石性質進行改造，液態電石的固化和冷卻還需借鑒電熱法電石生產的相關技術進行改進；此外，還需修建干燥的電石儲存場地。

3.3 公用工程及配套設施分析

高爐氧熱法電石生產在水、電、輔助氣體上均可借用原高爐生產配置的動能系統，氧氣需修建專用輸氧管道及減壓站，爐氣輸送可借用原高爐的煤氣管網，其他配套設施也可基本滿足試驗研究需要。

4 高爐氧熱法生產電石試驗研究

通過以上分析，研究人員利用淘汰的煉鐵小高爐系統，組織開展了相關設備改造、試驗方案設計及相關研究。總體思路是：在有氧環境（在高爐內吹氧氣或富氧空氣）下使部分小粒級焦炭燃燒（提高爐溫）生成合成氣，發出的熱量同時使剩余焦炭和粉狀氧化鈣發生反應生成液態碳化鈣，并在1 900～2 400 ℃下將液態電石從爐底不完全連續排出；同時，從爐頂取出高純度煤氣，用于余熱發電，具體的技術方案如下。

（1）生石灰石塊直接入爐或經石灰窯鍛燒后以熟石灰石塊入爐，同時伴以焦炭作為燃料和冶煉骨架，在有氧環境下發生還原反應生成液態碳化鈣。石灰石塊和焦炭從中轉倉裝入，由運輸皮帶運至高爐配料倉，經配料罐稱重計量按實際需要進行準確配料，利用原高爐配料系統可實現自動配料。

（2）配好的原料成批次由配料倉下的皮帶運輸線自動運至爐頂，從爐頂大小料鐘裝入高爐。原料先裝入高爐爐頂受料斗，此時爐內與爐外處于密封狀態。待料罐壓力放散后，打開小鐘，將原料從受料斗放入料罐，再關閉小鐘及放散閥；同時使用爐頂氣壓對料罐進行充壓做好向爐內裝料的準備，待爐內需裝料時，打開大鐘將原料從料罐直接裝入爐內完成整個裝料過程。如此往復，對高爐可進行自動連續循環裝料。

（3）原料按一定配比裝入高爐后，從爐喉下降到爐底是一個逐步升溫的過程，物態形式是一個從固態到液態的過程。在爐內垂直方向大致可分為預熱帶、加熱帶、滴落帶等幾個溫度帶，是一個預熱—加熱—軟化—熔化反應的過程。此反應過程的熱量來源于原料中配入的焦炭在富氧環境燃燒反應所產生，而富氧環境來源于將純氧或富氧空氣從爐底進風系統支管均勻吹入。吹入的純氧或富氧氣體在熱源環境下與焦炭快速反應，提供熱量促進電石的生成，同時生成含一氧化碳的熱煤氣。此氣體在爐內上升過程中對下行的原料不斷加熱，通過爐頂煤氣導出管排出，再經過煤氣凈化系統處理，最后得到高純度煤氣。爐內反應生成的熔化電石的焦炭與氧氣反應所提供的高熱源下繼續反應生成液態電石，進入爐缸電石液池儲熱。當液面達到一定高度，從爐底側面組織開口排液。達到液面控制要求后封口進入下一個冶煉周期。

本研究涉及的配料系統設備組成如下：配料倉門由多個礦倉組成，放料閥模由液壓鄂式閘閥組成，配料系統自動配料；爐頂系統由大料鐘、小料斗、料罐、均壓閥等組成，通過大小鐘的先后開閉實現爐內爐外隔絕密封，通過全液壓自控系統向爐內裝料；爐前設備由液壓泥炮和開口機組成。

5 小結

通過技術分析和試驗研究，初步掌握了利用高爐采用氧熱法工藝生產電石的設備改造方案和工藝技術參數，并申請了發明專利（申請號20151007244 1.7，為保密起見，暫未公開）。

［1］熊謨遠.電石生產及其深加工產品.北京：中國化工出版社，1989.233-234.

［2］唐旭博.不同含鈣化合物制備電石的影響因素分析.碩士學位論文，2009.

［3］唐旭博，馬彩霞，劉清雅，等.電石制備過程中不同含鈣化合物與焦炭的反應行為研究.燃料化學學報，2010，38（5）：539-543.

［4］李國棟.粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣新工藝的基礎研究.博士學位論文，2011.

［5］劉 陸，楊鵬遠，劉 輝，等.氧熱法電石合成的反應平衡和熱匹配分析.北京化工大學學報（自然科學版），2012，39（2）：1-6.

［6］楊鵬遠，劉 陸，劉 輝，等.氧熱法電石合成淤漿鼓泡床反應器的流動特性.北京化工大學學報（自然科學版），2012，39（3）：1-6.

［7］于 洋，李文濤，竇雅玲，等.氧熱法電石生產氣流床反應器性能的數值模擬.北京化工大學學報（自然科學版），2013，40（3）：27-31.

［8］岳書才.氣化煤氣、熔融熔煉電石排放的循環經濟技術研究.中國石油和化工經濟分析，2006，14：38-41.