蔡建利,邓 勇,陈仁宏,杨红军
(四川省川威集团有限公司,四川成都610095)
摘 要：简介了生产电石的两种工艺路线和氧热法工艺的技术进展,分析了在炼铁高炉上应用氧热法生产电石的技术难点并开展了试验研究。
关键词：高炉;氧热法;电石;试验
根据国家工信部《钢铁行业规范条件》(2012年修订)和国家发改委《产业结构调整指导目录(2011年本)(修正)》,钢铁行业有效容积400立方米以下的炼铁高炉自2012年10月1日起全部淘汰。同时,根据国家工信部《电石行业“十二五”发展规划》和《电石行业准入条件(2013年修订)》,鼓励实现氧热法电石工艺技术的突破和产业化。为此,我们对在炼铁小高炉上采用氧热法生产电石的工艺和设备进行了分析、探索和研究。
电石生产方法主要有电热法和氧热法。目前,工业上仍以电炉电热法生产电石为主,该法发展历史已有110多年。
2.1 电热法
电热法(也称为电弧法)即生石灰和含碳原料(焦炭、无烟煤或石油焦)在电石炉内,依靠电弧高温熔化反应而生成电石。其生产过程是:原料加工、配料、通过电炉上端的入口或管道将混合料加入电炉内,在开放或密闭的电炉中加热至2 000℃左右,熔化了的电石从炉底取出后,经冷却、破碎后作为成品包装。反应中生成的一氧化碳则依电石炉的类型以不同方式排出:在开放炉中,一氧化碳在料面上燃烧,产生的火焰随同粉尘—起向外四散;在半密闭炉中,一氧化碳的一部分被安置于炉上的吸气罩抽出,剩余的部分仍在料面燃烧;在密闭炉中,全部一氧化碳被抽出。电热法生产电石,单位产品的电耗高达3 500k Wh/t～4 000k Wh/t,电费成本高达2 000元/t以上。
2.2 氧热法
氧热法是在有氧环境(在炉内吹氧气或富氧空气)下使部分粉煤燃烧(提高炉温)生成合成气,发出的热量同时使剩余粉煤和粉状氧化钙发生反应生成电石。该法利用非电石炉富氧熔炼焦炭和石灰石,从石灰石中提取碳,生产电石并副产煤气、硅铁。此“一炉三用”的新技术,使CaC2生产综合利用了煤气化过程中的余热和煤灰,煤灰加配料熔融后生成CaC2和硅铁(提纯CaC2时),同时在高温低压下自然生成煤气。每生产1t电石(80%CaC2),从石灰石中提取纯炭168kg左右,产生煤气6 000m3(CO含量在55%)～2600m3(CO含量在95%),可生产约4.5t的甲醇。氧气一举两用:富氧既提高炉温又提高了煤气的CO质量;煤的热能利用后产生的煤气,用于煤化工或清洁发电。
此工艺为无能源消耗型和无污染型的电石和煤气联合生产新工艺。它利用富氧或纯氧使碳在非电石炉中气化加热熔融,代替电加热熔融生产电石,综合利用了煤气化过程中的热能和化学能,省去了外供电的消耗,减少工业废渣排放。此技术创新了CaC2生产工艺、煤气化工艺,还开创了从石灰石(CaCO3)中提取碳能源的技术,使煤气化工艺不排渣,还可生产硅铁,有望成为煤炭综合利用的新工艺技术。
3.1 国外情况
美国、德国、荷兰等国家在19世纪60年代初期和中期,做过氧热法制电石的中试。19世纪90年代初已建立25kt/a的氧热法生产装置,生产1t电石,需消耗1t生石灰、2t焦炭、1 160Nm3氧气和600k Wh电。
近几年,日本和德国已开始进行竖式炉全焦、纯氧氧热法的试验。日本公开专利昭61-178412提出:以竖炉全焦、纯氧或富氧热法实验生产电石,在竖炉内的填充层是分层填充炭素和含氧化钙材料,经风口喷吹氧气或富氧空气生产电石产品;实验获得的产品中,50%的产品含60%CaC2,其余的产品含40%以上CaC2,氧化钙的回收率仅为60%。中国化工出版社的《电石生产及其深加工产品》一书中,介绍了德国采用竖式炉甲烷热裂解法的半工业装置,该竖炉日产70t～100t的电石(含80%的CaC2),但至今尚未得以推广应用。
3.2 北京化工大学研究情况
国内的科研单位主要是北京化工大学,以刘振宇、刘辉和刘清雅教授为主的科研团队从2009年至今开展了一系列的基础研究,公开发表的论文有《不同含钙化合物制备电石的影响因素分析》(2009,硕士论文)、《电石制备过程中不同含钙化合物与焦炭的反应行为研究》(燃料化学学报,2010,05:539-543)、《粉状焦炭和粉状氧化钙制备碳化钙新工艺的基础研究》(2011,博士论文)、《氧热法电石合成的反应平衡和热匹配分析》(北京化工大学学报(自然科学版),2012,02:1-6)、《氧热法电石合成淤浆鼓泡床反应器的流动特性》(北京化工大学学报(自然科学版), 2012,03:1-6)、《氧热法电石生产气流床反应器性能的数值模拟》(北京化工大学学报(自然科学版),2013,03:27-31)。
2011年9月10日,北京化工大学与河南煤化集团研究院、中国五环工程有限公司合作开发的2400t/a氧热法电石生产新技术中试装置可行性研究报告及反应器基础设计通过了专家审查,但因故没有建设中试装置。近两年,北京化工大学已完成该新技术的基础理论研究,实验室模拟生产已完成。目前已申请国内发明专利2项,提交国际专利1项,正在开展中试装置的方案设计。
3.3 国内其他单位研究情况
河北省峰峰集团非煤产业部的退休专家岳书才在2006年发表过论文《气化煤气、熔融熔炼电石排放的循环经济技术研究》(中国石油和化工经济分析,2006年14:38-41),并于2005年4月7日申请专利《竖炉氧燃喷吹生产碳化钙方法及装置》(申请号CN200510063216.3,至今未见获得专利权)。
太原理工天成科技股份有限公司(杜文广等5人)于2008年8月27日申请了专利《一种同时生产电石、硅铁和高纯度CO气体的方法》(申请号CN200810079309.9,至今未见获得专利权)。
4.1 技术难点分析
4.1.1 如何高温生成电石
在电石的生产过程中,碳与生石灰需在2 000℃的高温条件下发生反应才能生产液态的电石。但在目前高炉冶炼的模式下,炉内的温度达不到电石冶炼所需的温度。要满足电石生产过程中所需的温度,必须改变现有高炉的燃烧反应过程,其最有效的途径就是提高燃烧反应中氧气的浓度,以大幅度提高理论燃烧温度。
4.1.2 电石炉炉型的设计
氧热法生产电石的过程与高炉炼铁的过程,在不同的温度下原料的体积、状态均不同。为保证氧热法生产电石在大工业生产时的连续性和稳定性,其电石炉的炉型与高炉相比会在包括高径比、炉身角、炉腹角、炉缸直径、炉腰直径等参数上存在差异,需要通过试验研究,不断调整优化炉型参数,找到适合高炉冶炼电石的最佳参数。
4.1.3 如何解决料柱透气性
高炉炼铁所用的原料具有较好的强度,而电石冶炼中石灰的强度较低,在承受较大压力的情况下会粉化,将严重影响料柱的透气性,进而对冶炼过程中煤气的运动及传热和传质产生影响,可能会导致冶炼行程的连续性中断,需要研究解决料柱透气性的办法。
4.1.4 如何对炉体进行冷却
目前高炉冶炼采取的炉体冷却方式是冷却壁水冷,但生产过程中特别是炉役后期常出现漏水现象。高炉炼铁冷却壁漏水只会对高炉的顺行和指标产生影响,不会造成大的安全事故。结合电石的特殊性能,一旦漏水可能会造成大的安全事故,需要研究并解决在高炉上进行氧热法电石生产试验过程中的炉体冷却问题。
4.1.5 如何对炉体进行严实密封
高炉炼铁过程中,炉顶及送风装置均存在煤气泄漏的现象,但高炉产生的CO浓度较低,实际生产中不易出现安全事故。电石生产过程中产生的CO浓度较高,非常容易出现安全事故,需要研究并解决炉体密封问题。
4.1.6 如何确保研究试验的安全
根据电石、煤气的物性,需要研究试验全过程的安全问题并制订妥善的安全、环保措施以及相应的应急救援预案。
4.2 设备及材质分析
氧热法电石生产根据其汽化炉工艺原理可借用高炉冶炼生产装置,但国内均无实例,在设备设施上无借鉴题材。上配料系统使用高炉原有配料系统完全可以实现自动化操作,冶炼过程采用高炉本体经过内部改造及增设相应监测设备也可以实现自动化控制。
但氧热法反应区的温度高达2 300℃、储液区的温度高达2 000℃,与冶炼铁矿相比高出许多,故选用炉内高温区的耐材材质是一大难题;进氧系统,需在试验研究基础上进行设计改造,充分考虑其安全性;炉气处理系统,需考虑现有高炉炉顶设备的密封安全性,炉气的温度如果同电热法密闭炉的炉气温度一样达500℃～1 000℃,则需考虑改进高温炉气的处理工艺;电石出料炉口,还需根据液态电石性质进行改造,液态电石的固化和冷却还需借鉴电热法电石生产的相关技术进行改进;此外,还需修建干燥的电石储存场地。
4.3 公用工程及配套设施分析
高炉氧热法电石生产在水、电、辅助气体上均可借用原高炉生产配置的动能系统,氧气需修建专用输氧管道及减压站,炉气输送可借用原高炉的煤气管网,其它配套设施也可基本满足试验研究需要。
通过以上分析,我们利用淘汰的炼铁小高炉系统,组织开展了相关设备改造、试验方案设计及相关研究,并申请了发明专利(申请号201510072441.7,为保密起见,暂未公开)。总体思路是:在有氧环境(在高炉内吹氧气或富氧空气)下使部分小粒级焦炭燃烧(提高炉温)生成合成气,发出的热量同时使剩余焦炭和粉状氧化钙发生反应生成液态碳化钙,并在1 900℃～2 400℃下将液态电石从炉底不完全连续排出,同时,从炉顶取出高纯度煤气,用于余热发电。
具体的技术方案如下:
(1)生石灰石块直接入炉或经石灰窑锻烧后以熟石灰石块入炉,同时伴以焦炭作为燃料和冶炼骨架,在有氧环境下发生还原反应生成液态碳化钙。石灰石块和焦炭从中转仓装入,由运输皮带运至高炉配料仓,经配料罐称重计量按实际需要进行准确配料,利用原高炉配料系统可实现自动配料。
(2)配好的原料成批次由配料仓下的皮带运输线自动运至炉顶,从炉顶大小料钟装入高炉。原料先装入高炉炉顶受料斗,此时炉内与炉外处于密封状态。待料罐压力放散后,打开小钟,将原料从受料斗放入料罐,再关闭小钟及放散阀;同时使用炉顶气压对料罐进行充压做好向炉内装料的准备,待炉内需装料时,打开大钟将原料从料罐直接装入炉内完成整个装料过程。如此往复,对高炉可进行自动连续循环装料。
(3)原料按一定配比装入高炉后,从炉喉下降到炉底是一个逐步升温的过程,物态形式是一个从固态到液态的过程。在炉内垂直方向大致可分为预热带、加热带、滴落带等几个温度带,是一个从预热、加热、软化、熔化反应的过程。此反应过程的热量来源于原料中配入的焦炭在富氧环境燃烧反应所产生,而富氧环境来源于将纯氧或富氧空气从炉底进风系统支管均匀吹入。吹入的纯氧或富氧气体在热源环境下与焦炭快速反应,提供热量促进电石的生成,同时生成含一氧化碳的热煤气。此气体在炉内上升过程中对下行的原料不断加热,通过炉顶煤气导出管排出,再经过煤气净化系统处理,最后得到高纯度煤气。炉内反应生成的熔化电石的焦炭与氧气反应所提供的高热源下继续反应生成液态电石,进入炉缸电石液池储热。当液面达到一定高度,从炉底侧面组织开口排液。达到液面控制要求后封口进入下一个冶炼周期。
本研究涉及的配料系统设备组成如下:配料仓门由多个矿仓组成,放料阀模由液压鄂式闸阀组成,配料系统自动配料;炉顶系统由大料钟、小料斗、料罐、均压阀等组成,通过大小钟的先后开闭实现炉内炉外隔绝密封,通过全液压自控系统向炉内装料;炉前设备由液压泥炮和开口机组成。
The Technology Research of Production of Calcium Carbide by Oxygen Thermal Method in Blast Furnace
CAI Jian-li,DENG Yong,CHEN Ren-hong,YANG Hong-jun
(Sichuan Tranvic Group Co.,Ltd.Chengdu 610095,Sichuan,China)
Abstract：Introduce two process routes of production of calcium carbide and technical progress of oxygen thermal method,analyze the technical difficulties of production of calcium carbide by oxygen thermal method in blast furnace which was used to smelt iron,and conduct experimental study.
Key words：blast furnace;oxygen thermal method;calcium carbide;experiment
中图分类号：TQ132.3
文献标识码：:A
文章编号：1001-5108(2015)05-0083-04
作者简介：蔡建利,高级工程师,主要从事科技管理、发展规划和科研开发等工作。
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