（化学工程专业论文）电石生产节能降耗研究及工程应用.pdf

四川大学工程硕士学位论文 电石生产节能降耗研究及工程应用 化学工程领域 研究生顾明聪指导老师冯立成姚成抹 电石生产中能耗居高不下，一直是困扰电石工业的。道难题。在理论上生 产1 吨电石只需1 6 3 0 度电，而在实际生产中，电耗远远超过理论值。在电石工 业较发达的国家电石电耗也在2 9 0 0 度吨口】以上，而我国电石生产厂的电耗大多 在3 2 0 0 度用屯【2 以上，可见大量的热能在生产过程中损失掉了。 在电石生产成本中，电力消耗成本约占总成本的6 5 左右。因此，如何降 低电石生产的热损失，并有效地利用这些能量成为电石工业生产中一项重要的 研究课题。 本课题针对四川省金路树脂有限公司8 0 0 0 k v a 电石炉生产现状，对各项操 作参数的基础数据进行了全面系统的测试，并进行了相应的热电平衡计算，找 到了降低电石炉热损失的一些主要途径，为节能降耗改进设计提供了重要依据。 针对电石炉冷却水大量带走热能的现状，为降低热损失，提出将一次加料法改 为多次加料方式并在工业生产现场付诸实践。生产实践表明，加料方式的改变 使热损失大大降低，效益明显。 焦炭湿含量高低直接影响到电石炉热效率。传统工艺中，焦炭的干燥大多 采用露天干燥，系统占地面积大，干燥效率低，为电石生产节能降耗埋下隐患。 为有效降低电石炉用焦炭的湿含量，对焦炭干燥系统进行了重新设计。充分利 用电石炉尾气余热，将电石炉烟气回收用于焦炭干燥，收到了明显的节能效果。 电石炉多次加料工艺及焦炭干燥系统设计方案己在圆f 省金路树脂有限公 司电石分厂进行了半年以上的现场生产试验。生产试验的运行结果表明，投料 工艺改进和焦炭干燥系统设计是成功的，在节能降耗和降低物耗方面都取得了 显著的社会、经济效益。 关缝词：电石电耗热损失热同收 l 四川大学工程硕士学位论文 e n e r g y c o n s e r v a t i o no fc a l c i u mc a r b i d ep r o d u c e a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n m a j o r ：c h e m i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g um i n g c o n g s u p e r v i s i o n ：f e n gl i c h e n gy a oc h e n g l i n t h a te n e r g yc o n s u m p t i o nr e m a i n sh i g hi nt h ep r o d u c t i o no ft h ec a l c i u mc a r b i d e i sad i f f c u l tp r o b l e mw h i c hp e r p l e x e st h ei n d u s t r yo fc a l c i u mc a r b i d ea l lt h et i m e t h e o r e t i c a l l y ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o n i so n l y1 6 3 0k w h p e r t o no f c a l c i u mc a r b i d e i na c t u a lp r o d u c t i o n ，h o w e v e r ，t h a ti sh e a da n ds h o u l d e r sa b o v et h ea c a d e m i c v a l u e i nt h ec o u n t r i e sw h o s ec a l c i u mc a r b i d ei n d u s t r i e sa l er e l a t i v e l yd e v e l o p e d ， t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni su p w a r d s2 9 0 0k w hp e rt o no fc a l c i u mc a r b i d e ，a n dt h a ti s a b o v e3 2 0 0k w hp e rt o ni n0 1 1 1 c o u n t r y i tc a nb es e e nt h a tp l e n t yo fh e a te n e r g yh a s b e e nl o s ti nt h ep r o d u c e p r o c e s s 1 1 1 ec o s to fp o w e rc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o ra b o u t6 5 o ft h et o t a lc o s to f c a l c i u mc a r b i d ep r o d u c e h e n c e ，h o wt or e d u c et h eh e a t1 0 s so fc a l c i u mc a r b i d e p r o d u c ta n dt ou t i l i z ei t e f f e c t i v e l yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c to ft h e i n d u s t r yo f c a l c i u mc a r b i d e a i m i n ga tt h ep r o d u c t i o ns t a t u so f8 0 0 0 k v a c a l c i u mc a r b i d ef l l i n a c e i nj i n l u r e s i nc o ，l t d ，s i c h u a np r o v i n c e ，w eh a sc a r r i e do u to v e r a l la n ds y s t e m a t i ct e s t t oe v e r yb a s i cd a t ao fo p e r a t i n gp a r a m e t e ra n da c c o m p l i s h e dt h ec o r r e s p o n d i n g t h e r m o e l e c t r i cb a l a n c ec a l c u l a t i n g t h em a i nw a y st or e d u c eh e a tl o s so f t h ec a l c i u m c a r b i d ef u m a c ew e r ef o u n d ，w h i c hh a v eo f f e r e da ni m p o r t a n tb a s i sf o rt 1 1 e i m p r o v i n gd e s i g no fe n e r g y - c o n s e r v a t i o n d i r e c t i n ga g a i n s tt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a t t h ec o o l i n gw a t e ro f c a l c i u mc a r b i d ef u m a c et a k e sh e a ta w a yi nal a r g e ，t h i sp a p e r p r o p o s e sas o l u t i o nt or e d u c et h eh e a tl o s s t h a ti s t oc h a n g et h ec h a r g et h ef e e d t t 四川大学工程硕士学位论文 m e t h o df r o mo n c ef o ra l lt om u l t i p l e t h i sf e e dm o d eh a sb e e np u ti n t op r a c t i c e t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh e a tl o s si sr e d u c e dg r e a t l y ， a n dt h eb e n e f i ti so b v i o u s t h el e v e lo fw e tc o n t e n to fc o k ei n f l u e n c e st h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h e c a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ed i r e c t l yi nt h et r a d i t i o n a lc r a f t ，t h ed r y n e s so fc o k ei s m o s t l yn a t u r a le v a p o r a t i o ni nt h eo p e na i r ，n e e d sl a r g es p a c e ，a n dt h ee f f i c i e n c yi s l o w i no r d e rt or e d u c et h ew e tc o n t e n to fc o k ee f f e c t i v e l y ，t h i sp a p e rr e d e s i g n e dt h e d r ys y s t e mo fc o k e t h es o l u t i o ni st or e t r i e v et h er e m a i n i n ge n e r g yo fe x h a u s tg a s p r o d u c e db yc a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ef o rd r y i n gc o k e t h ep r o d u c t i o np r a c t i c es h o w s t h ee n e r g y c o n s e r v i n ge f f e c ti so b v i o u s t h et e c h n o l o g yo f m u l t i p l ef e e df o rc a l c i u mc a r b i d ef u r n a c ea n dt h ed e s i g np l a n f o rt h ed r ys y s t e mo fc o k eh a v eb e e ne x e c u t e df o rm o r et h a nh a l fay e a ri nc a l c i u m c a r b i d es u b s i d i a r yf a c t o r yo f j i n l ur e s i nc o ，l t d t h er e s u l to f t r i a lr u ni n d i c a t et h e r e n o v a t i o no ff e e dc r a f ta n dt h ed r ys y s t e md e s i g no fc o k ea r et r i u m p h a n t t h e r e m a r k a b l es o c i e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t sh a v eb e e no b t a i n e di nt h ea s p e c to f e n e r g y c o n s e r v a t i o na n dm a t e r i a ls a v i n g k e y w o r d ：c a l c i u mc a r b i d e ；p o w e rc o n s u m p t i o n ；h e a tl o s s ；h e a tr e c o v e r y 1 1 1 四川大学工程硕士学位论文 第一章概述 1 1电石生产节能降耗研究的意义 电石的化学名称为碳化钙，纯净的碳化钙为无色透明晶体。电石是指工业 碳化钙而言，它是焦炭和石灰在高温条件下冶炼得到的。 电石生产的主要设备是电石炉，在生产过程中大量消耗电能。在化工生产 中电石生产消耗电能最大，有人把电石行业称为“电老虎”。 电石的主要用途是生产乙炔，乙炔最初主要用于照明和金属切割，随着工 业生产的发展和科学技术的进步，乙炔广泛用于有机工业。 随着工业现代化进程的不断加快，科学技术的不断进步，有机工业在国民 经济发展中的作用越来越大。由于国家森林资源的目益减少，我们发现有大量 的塑料制品在工业生产和日常生活中已经取代了钢铁和木材。 随着塑料广泛应用于各行各业，国民经济发展对p v c 的需求量也目益增大。 例如：1 9 9 5 年全国p v c 的需求量为1 0 0 万吨【i j ，到2 0 0 0 年其需求量已达到3 0 0 多万吨，到2 0 0 4 年p v c 需求量已增加到6 0 0 多万吨【l j 。 乙炔是生产p v c 的主要原料，目前国内乙炔的来源主要有两个途径，一是 由天然气或石油裂解制乙烯时的副产品，二是电石制乙炔。由于天然气或石油 裂解制乙烯碍到乙炔时必须采用多种大型设备，投资较大，因此国内大多数p v c 生产都采用电石法制乙炔，由此对电石的需求量也日益扩大。 电石工业是一个高能耗的行业，且生产过程中热损失严重，谁能在节能降 耗方面领先一步，谁就能在行业竞争中处于优势地位。 中国大约有五百多座电石炉，年产量居世界首位，这些电石炉生产不仅每 年消耗大量的能源，而且白白浪费掉许多能源。虽然近年来一些电石生产厂家 不断从国# 1 - 弓1 起先进技术和先进设备，使能耗有所下降，但是生产过程中热能 损失严重的局面，并没有得到根本改变。 四川省金路树脂有限公司是一个化工企业，主要从事p v c 和烧碱生产。每 年需要大量的电石。四川省金路树脂有限公司有8 0 0 0 k v a 和5 0 0 0 k v a 两座电 石炉，这两座电石炉设备老化。与国内其它电石炉相比，电耗和物耗都较高。 为了能增强企业的竞争能力，提高经济效益。最有效的途径便是设法降低 四川大学工程硕士学位论文 电石生产过程中的能耗和热损失。电石炉是电石生产的主要设备，要降低能耗 和热损失，就必须对现有工业电石炉的生产工况进行全面的科学分析，在对电 石炉现场工况实测的基础上，找出能耗高和热损失严重的原因。提出切实可行 的改进措施，在节能降耗的同时，尽可能回收余热，并提高余热回收的效率。 本文正是从生产实际出发，对四川省金路树脂有限公司现有8 0 0 0 k v a 电石 炉进行全面的工况测定，对电石炉的热损失途经和相关数据加以分析和研究， 寻求一些能减少热损失的途径，从工艺上加以改进，从而达到节能降耗的目的， 不仅能为企业带来较好的经济效益，而且能为国家节约大量的能源。 1 2 电石生产概况 电石工业诞生于1 9 世纪末期。当时的电炉容量很小，只有1 0 0 - 3 0 0 k v a ， 而且都是单相炉，馈电线路既长又笨重采用间歇操作，生产技术还处于萌芽 时期。其用途也较单一，多用于金属的切割与焊接。 本世纪初，生产石灰氮( 氰氨化钙) 的方法问世后，电石生产向前迈进了 一步。以后，由于相继发明了自动烧结电极和半密闭电石炉，电炉容量得以扩 大。随后出现了电石生产乙炔合成有机产品的新兴工业，促使电石生产的快速 发展。2 0 世纪三十年代中期，世界电石总产量为年产2 1 0 万吨。此时用于生产 石灰氮的电石约为1 0 5 万吨，几乎占电石总产量的一半，用于有机合成只占1 5 左右 2 1 。 随着有机合成工业的迅速发展，使电石工业逐步兴旺起来。第二次世界大 战爆发后，挪威和联邦德国先后发明了埃肯( e l e k n a ) 型和德马格( d e r n a g ) 型 密闭电石炉，接着世界上许多国家均采用这两种型式设计建设密闭电石炉。六 十年代初，世界上建成密闭炉2 8 座。世界电石总产量达到1 0 0 0 万吨年。用于 有机合成工业的电石占到电石总产量7 0 ，丽用于石灰氮的则下降到1 0 左右 【2 】，这一时期是世界电石生产的极盛时期。 此后，由于生产醋酸、醋酸乙烯和聚氯乙烯等产品的原料路线由乙炔转为 乙烯，使电石韵生产的发展势头迅速下降。七十年代初期出现了世界电石生产 的低潮。 近年来的生产实践表明，乙烯与乙炔相比，反应活性较差，且乙烯生产必 须采用大型设备，投资较大，所以人们对乙炔化学及电石生产又开始重新认识。 2 四川大学工程硕士学位论文 二十世纪末期，美国成功研制出了空心电极和全自动化操作电石炉的新技术， 同时联邦德国也建成了容量为7 5 0 0 0 k v a 的巨型密闭电石炉，世界电石工业又 重新出现复苏的势头。 乙炔的来源有两条主要途径：一是由天然气制乙炔及石油裂解制乙烯时的 副产物乙炔；二是电石制乙炔。而电石生产乙炔的发展前途，主要取决于廉价 的电力和高技术生产，以充分利用废物和热能，从而大大降低电石生产的成本。 121 国外电石生产情况 日本、美国、德国等都是世界上电石工业较发达的国家。这些国家在电石 工业极盛时期的年生产量都超过1 0 0 万吨，技术装备和技术经济指标处于世界 领先地位。 1 、日本电石生产情况 日本电石工业始于1 9 0 1 年，当时只有一座容量5 0 千瓦的小型电炉。最初 生产的电石用于金属的切割与焊接。1 9 0 8 年日本开始生产石灰氮，因而电石工 业迅速发展。1 9 1 2 年日本电石年产量只有1 0 0 0 吨。而1 9 2 5 年已超过1 0 万吨。 以电石乙炔为原料合成乙醛和醋酸的生产工艺出现后，又为电石生产的发展带 来了机遇。1 9 4 1 年日本电石年产量达到3 6 万吨【2 。 第二次世界大战( 1 9 4 1 年) 爆发咀后，1 9 4 5 年日本电石年产量下降到1 4 万吨。此后，随着乙炔化学工业的发展，电石生产又得到迅速恢复，日本电石 生产年产量每年增长5 l o 万吨。1 9 5 0 年日本年产电石4 8 万吨。1 9 5 6 年为1 0 0 万吨。1 9 6 7 年达到1 8 3 万吨，占世界第一位。这也是日本电石工业史上的最高 水平。其后，由于生产醋酸、醋酸乙烯和聚氯乙烯等的原料工艺路线由乙炔转 变到乙烯，使电石的产量迅速下降 2 1 。 日本所生产的电石主要用于有机合成工业，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚 氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩醛、聚丙烯膪、丁醇、辛醇、三氯乙烯等。其 次是用于生产石灰氮。自从有机合成工业的原料工艺路线由乙炔转到乙烯以后， 用于生产有机合成工业产品的电石减少到最低程度，以电石乙炔为原料的有机 合成工厂大都转产。而电石需要量减少得较多的是肥料生产。 在日本电石的一个新用途是用于钢铁生产的脱硫，随着钢铁产量的增长， 这方面的需要量也大幅度的增长。由于每吨电石需要消耗3 0 0 0 多度电，所以电 四川大学工程硕士学垃论文 二十世纪末期，美国成功研制出了空心电极和全自动化操作电石炉的新技术， 同时联邦德国也建成了容量为7 5 0 0 0 k v a 的巨型密闭电石炉，世界电石工业又 重新出现复苏的势头。 乙炔的来源有两条主要途径：一是由天然气制乙炔及石油裂解制乙烯时的 副产物乙炔；二是电石制己炔。而电石生产乙炔的发展前途，主要取决于廉价 的电力和高技术生产，以充分利j j 废物和热能，从向大大降低电石生产的成本。 12 1 国外电石生产情况 日本、美国、德国等都是世界上电右工业较发达的国家。这些国家在电石 孙l k 极盛时期的年生产量都超过1 0 0 万吨，技术装备和技术经济指标处于世界 领先地位。 1 、日本电石生产情况 日本电石工业始于】9 0 1 年，当时只有座容量5 0 千瓦的小型电炉。最初 生产的电石用于金属的切割与焊接。1 9 0 8 年日本开始生产石灰氮，因而电石工 业迅速发展。1 9 1 2 年日本电石年产量只有1 0 0 0 吨。而1 9 2 5 年已超过1 0 万吨。 以电石乙炔为原料合成乙醛和醋酸的生产工艺出现后又为电石生产的发展带 来了机遇。1 9 4 1 年日本电石年产量达到3 6 万吨。 第二次世界大战( 1 9 4 1 年) 爆发队后，1 9 4 5 年日本电石年产量下降到1 4 万吨。此后，随着乙炔化学工业的发展，电石生产又得到迅速恢复，日本电石 生产年产量每年增长5 l o 万吨。t 9 5 0 年日本年产电石4 8 万吨。1 9 5 6 年为1 0 0 万吨。1 9 6 7 年达到1 8 3 万吨，占世界第一位。这也是日本电石工业史上的最高 水平。其后，由于生产醋酸、醋酸乙烯和聚氯乙烯等的原料工艺路线由乙炔转 变到乙烯，使电石的产量迅速下降o 。 日本所生产的电石主要用于有机合成工业，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚 氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇缩醛、聚丙烯腈、丁醇、辛酵、三氯乙烯等。其 次是用于生产石灰氮。自从有机合成工业的原料工兰路线由乙炔转到乙烯以后， 用于生产有机合成工业产品的电石减少到最低程度，以电石乙炔为原料的有机 合成工厂大都转产。而电石需要量减少得较多的是肥料生产。 在同本电石的一个新用途是用于钢铁生产的脱硫，随着钢铁产量的增长， 这方面的需要量也犬幅度的增长。由于每吨电石需要消耗3 0 0 0 多度电，所以电 这方面的需要量也大幅度的增长。由于每吨电石需要消耗3 0 0 0 多度电，所以电 3 四川大学工程硕士学位论文 力涨价对电石成本有很大的影响。主要原料碳材和石灰石的涨价也有很大的影 响，不可忽视。 日本的电石生产技术比较先进。日本电石工业株式会社渔津工场最早从圜 外引进一座容量为2 8 3 0 0 千瓦的德马格型密闭炉。以后，新日本窒素和电气化 学等公司又相继；1 进四座密闭炉，其中一座为德马格型，三座为埃肯型，以新 臼本窒素公司引进的一座4 2 0 0 0 千瓦的密闭炉容量最大。后来三菱，化成等四 家公司结合德马格型与埃肯型密闭炉的优点，经过改良设计，又建成日本改良 型密闭炉4 座。1 9 6 4 年日本电石工业极盛时期，全世界共有密闭电石炉2 8 座， 而日本就拥有9 座，占世界总数的3 2 1 2 】。 最近日本电气化学公司与大同制钢公司共同研制成功电石出料机，使电石 的出料实现机械化操作。过去出料都靠人工操作，而且是在高温下繁重的体力 劳动。实现机械化后，只需要一个人就能操作，而且操作室有冷气设备，使操 作条件有了很大的改善。 为了利用原料加工所产生的粉末，日本电石工业界还研究出空心电极新技 术，使电石生产成本再度下降。 日本电石生产有着各项先进的技术经济指标。例如日本电石工业公司某厂 1 9 9 1 年的主要技术经济指标为： 电石发气量 3 0 0 升，公斤 电能单耗3 0 5 0 度吨 焦炭单耗5 5 0 公斤吨 为了生产优质的电石，日本各企业对原料的质量要求较高。例如石灰石中 的碳酸钙含量商达9 7 以上，石灰中的氧化钙含量在9 5 以上，焦炭的固定碳 含量在9 0 以上，给电石生产提供了优良的条件。 2 、美国电石生产情况 美国是世界上第一个生产电石的国家。早在1 9 世纪末期，就建成了世界上 第一座容量为3 0 0 k v a 的电石炉。最初生产的电石也只用于金属的切割与焊接。 随着有机合成工业的发展，美国电石工业也褥到迅速的发展。1 9 6 5 年美国电石 年产量达到1 0 0 万吨以上，与日本、联邦德国和民主德国同时居世界前列。 石油化学工业兴起以后，美国将有机合成工业的原料，由乙炔转为乙烯， 且以石油化学工业为主，致使电石的生产量明显下降。1 9 7 5 年电石年产量曾下 四川大学工程硕士学位论文 降到2 3 5 万吨。美国不但拥有丰富的石油资源，而且也有丰富的水利资源。所 以美国在发展石油化学工业的同时，对电石工业也稍有照顾。近年来美国的电 石年产量又回升到3 4 万吨。 目前美国生产电石的企业有联合碳化物公司、太平洋电石公司等4 家。在 美国虽然电石产量下降了，但生产技术还在不断改进。1 9 7 6 年联合碳化物公司 将电子计算机控制技术和空心电极技术用于电石生产过程，又为世界电石生产 发展史写下了新的一页。 生产实践表明，在一座容量为2 3 5 0 0 k v a 的密闭电石炉上，采用这种空心 电极技术和过程电子计算机技术，能够通过过程电子计算机寻求生产最佳值， 可达到提高生产能力、提高电石质量和降低消耗的效果。 ( 1 ) 通过过程电子计算机和控制配料在短时间内能简单准确地确定各种 不同质地原料的配比。 ( 2 ) 从原料配备到成品包装经过几道工序，间隔时间较长，用计算机可及 时地克服人为调节的误差，使电炉按工艺规定的程序操作。 ( 3 ) 通过过程电子计算机控制空心电极加料，保证操作顺利进行。 ( 4 ) 通过电子计算机监控所有冷却水的变化。 ( 5 )通过电子计算机监视和预测电极糊软化烧结情况。 ( 6 ) 通过电子计算机可以测量，控制电极工作长度，并保持电石炉在恒定 功率下运行。 运用电子计算机不但能控制上述生产过程，而且能撮告运行过程中韵数据 变化和操作情况，并将这些过程中最佳值记录、贮存起来。 因地制宣地按原料和动力来决定生产路线，在化工生产中是较为重要的一 环。美国五大湖地区电力充沛，煤也丰富，适宜于发展电石工业，而在石油丰 富地区，石油化学工业应得以发展，据估计今后美国的电石工业和石油化学工 业可以并存。 3 、德国电石生产情况 德国也是世界上生产电石较早的国家之一。1 9 6 0 年的电石年产量为1 1 0 万 吨，目前已下降到7 9 万吨。电石的用途与日本相同，主要用于有机合成工业， 制造石灰氮，金属的切割与焊接以及钢铁生产脱硫等。 自从德国德马格公司于1 9 5 2 年建成第一座容量为2 0 0 0 0 k v a 的密闭炉和另 四川大学工程硕士学位论文 一座容量为4 2 0 0 0 k v a 的密闭炉以后，世界上许多国家均采用了联邦德国德马 格公司和挪威埃肯公司设计的密闭电石炉。 在德国一家大电石公司克纳普沙克一格雷斯基姆( k n a p s a c kg r i a s c h e i m ) 的一家电石厂中有两座德马格型密闭电石炉，其容量为4 7 7 0 0 k v a 。其中一座 于1 9 5 5 年建成，另一座于1 9 5 8 年建成。该公司采用自动加料，合理的抽气系 统及相关技术，可使电炉的维护管理费用降低2 0 ，电能单耗降低2 0 ，焦炭 单耗降低8 ，电极糊降低5 0 t “。 德国第二大电石公司是巴登苯胺纯碱( b a d i e k ea n i l i ns o d af a d r i k ) 公司。 这家公司也改进了电石生产技术。该公司早于1 9 3 9 年投产，并于1 9 4 8 年恢复 了生产乙炔的半工业装置，采用甲烷氧热裂解法。该公司在改进了电热法电石 生产的同时，在实验装置上实现了氧热法电石生产。该半工业化的竖式炉的生 产能力为日产电石7 0 1 0 0 吨( 含c a c 2 8 0 ) 。关于氧热法电石的改进，已有大 量的专利文献，但至目前为止，在世界电石生产中还未得到推广。主要原因是 用竖式炉生产电石时，除大量消耗氧气外，还消耗比电热法高三倍的焦炭，其 中7 0 用以供给氧热法生成电石的热源。在生产每吨电石的同时，还产生一氧 化碳2 3 0 0 立方米。这些一氧化碳如不能充分乖j 用，不仅没有什么经济价值，而 且污染环境。 近年来，德国伍德( u h d e ) 公司为某厂建成世界上最大的电石炉，其主 要参数如下【2 】： 容量7 5 0 0 0 k v a ( - - 台单相变压器) 型式密闭型 电极直径1 5 0 0 毫米 一次电压2 2 万伏 二次电压2 6 0 - 一2 8 0 伏 二次电流1 4 5 万安 功率因数 8 0 日产电石4 3 5 吨 德国为了降低电石成本，对粉末原料加以利用，还从美国引进了空心电极 技术，并加以发展。伍德公司利用的粉料已占总炉料的2 5 。这样既合理利用 原料，又降低电石成本。通过空心电极采用特定办法，还能在一分钟内测量出 6 四川大学工程硕士学位论文 电极工作长度，误差士5 0 毫米，每天测定一次。为了提高操作水平，还从美国 联合碳化物公司引进了电石生产过程计算机自动控制技术。 据德国报道，近几年来石油供应不稳定，价格变化较大，他们将致力于煤 的气化，煤的液化和电石制取乙炔的科学研究，以提高工艺技术水平。 1 2 2 我国电石生产情况 我国在解放前几乎没有电石工业，只是在某些采矿场建有几座小型电石炉， 容量为3 0 0 k v a 左右，生产电石产生的乙炔主要用于点灯，与国外电石工业相 比，落后约半个世纪。 解放后，1 9 5 0 年在吉林建成了第一座容量为1 7 5 0 k v a 的开放电石炉，年 生产能力为3 0 0 0 吨。朝鲜战争爆发后，1 9 5 1 年在吉林建成第二座电石炉，容量 与第一座相同。两年后，为适应国家经济建设的需要，又将这两座电石炉由 1 7 5 0 k v a 改成3 0 0 0 k v a 和6 0 0 0 k v a 。1 9 5 6 年河北省下花园建成一座容量为 3 0 0 0 k v a 的电石炉，19 5 7 年又从苏联引进一座容量为4 0 0 0 0 k v a 的长方形三相 半密闭炉，在吉林建成投产。这时候全国电石总产量接近1 0 万吨，年。 1 9 5 8 年以电石乙炔为原料的有机合成工业在我国兴起以后，电石工业才在 全国各地普遍开花，许多城市纷纷建设电石厂。1 9 6 0 年全国共建成容量为 1 0 0 0 0 k v a 的三相圆形开放电石炉1 3 座，全国生产能力超过3 5 万吨年。 根据电石通讯1 9 9 3 年的统计，全国共有电石厂3 0 4 家，共有各种类型 的电石炉6 3 3 座，设备总容量为2 3 2 4 0 0 0 k v a ，年生产能力约为4 3 8 万吨侔。 近几年由于塑料工业的兴旺，电石工业在我国又得到很大的发展。到2 0 0 2 年我 国电石的生产能力己达到8 0 0 万吨年，居世界第一位。 虽然我国电石工业近几年发展很快，但电石生产的技术水平并不高，只是 规模扩展得较快，在工艺技术和设备优化上还未能有所突破。因此如何将粗放 型的电石工业通过技术更新、设备优化，逐步改造成集约型工业是电石工业改 变落后面貌、提高技术经济效益的关键。 1 3电石生产节能技术的发展 1 3 1 国外电石生产节能技术的发展 电石工业起于1 9 世纪末叶，当时电石炉容量较小，大多只有1 0 0 - - 3 0 0 k v a ， 四川大学工程硕士学位论文 都是单相炉，传输线路长，全是采用间歇式操作，所以生产电耗相当高，大多 在6 0 0 0 k w h t 左右。 随着有机工业的迅速发展及电石生产技术的进步，电石生产在节能技术方 面也得到了相应的发展。在上世纪初，挪威和德国先后发明了埃肯( e l e k m ) 和德马格( d e m c g ) 两种类型的电石炉，这两种炉型基本上解决了间隙操作问题， 保证了生产的连续性，不仅提高了产量，而且炉温较稳定，从而使电耗大为降 低。 上个世纪四十年代，为解决电石炉因过度热辐射造成的大量热能损失，臼 本、美国先后使用半密闭技术，并增大电石炉的功率，使电石炉热损耗进一步 降低。 上世纪7 0 年代，随着电子计算机技术的发展，美国成功研制成功了空心电 极和全自动化操作的全密闭电石炉，使电石炉热损耗也进一步降低，电石炉的 密闭技术进步提高。 1 3 2 我国电石生产节能技术的发展 我国电石工业起步较晚，在解放前几乎没有电石工业，1 9 5 1 年，在吉林建 成了第一座小功率电石炉，且属于开放炉，不但操作条件恶劣，而且能耗相当 高，到1 9 5 7 年引进前苏联技术，河北省建成了我国第一座大功率的长方形，三 相半密闭电石炉，通过这次密闭技术引进，使我国电石工业节能技术上向前迈 进了一大步。 到上世纪九十年代，随着我国计量机技术的酱及和发展，吉化总厂先后自 行研究设计了两座大功率全密闭电石炉，它不仅采用全密闭技术，而且操作采 用自动化，配料也更加合理，不仅节约了大量人力，而且也节约了大量能源。 我国对电石工业节能技术的改进，大多通过引进国外先进电石炉炉型，或 者从设备的更新入手。从工艺入手较少。1 9 9 6 年8 月，由合肥水泥研究设计院、 中国船舶工业总公司第七研究院、三明化工厂等单位共同设计了电石炉余熟利 用系统在三明化工厂4 # 电石炉投入运行，使我国的电石节能技术上了一个新的 台阶。 四川大学工程硕士学位论文 1 3 3 电石生产节能技术的发展趋势 随着社会经济的高速发展，人类资源已经出现短缺的趋势，特别是中国， 人口众多，人均资源占有率比世界发达国家低出好几倍。为了能维持中国经济 可持续高速发展，中国政府特别提出了构建节约型社会的1 3 号。电石工业是个 高能耗行业，节能降耗显得尤为重要。我国电石行业传统的节能手段是通过引 进先进设备来实现的，现在看来仅此是远远不够的，更何况进1 3 设备也有萁自 身的缺陷。节能降耗的根本措施应是：从工艺入手，设法有效地控制付反应， 有效地回收余热，不断优化电石生产工艺。虽然电石炉余热回收利用已在个别 企业实施并取得一些成效，但其回收效率相对较低，因此，如何设法提高余热 回收效率，实现高效的节能降耗便是电石生产行业面i 临的重要课题。 四川大学工程硕士学位论文 第二章电石生产基础数据的测定及计算 2 1金路树脂有限公司8 0 0 0 k 电石炉的生产工艺及现状 2 1 1 金路树脂公司8 0 0 0 k v a 电石炉的生产工艺 1 、电石生产原理 电石生产是以焦炭和石灰为原料，炉料凭借电弧热和电阻热在1 8 0 0 - 2 2 0 0 的高温下反应而制得碳化钙。其反应式如下： c a o + 3 c _c a c 2 + c o 一4 6 7 4 6 k 一( 2 1 ) 该反应是一个吸热反应。为完成反应，必须供给大量的热能。当生成一吨 发气量为3 0 0 升k g 的电石，消耗的电能通过下式计算： ( 1 0 0 0 x 0 8 0 6 x 4 6 7 4 6 ) ( 3 6 1 2 6 4 ) = 1 6 3 0 ( k w h ) 式中 o 8 0 6 发气量为3 0 0 升k g 的实物电石中碳化钙的含量； 3 6 1 2 电热，即1 k w h 电能完全转化为热能的值( k 】艉w h ) ； 6 4 碳化钙的分子量。 实际上，工业电石炉生产1 吨电石所消耗的电能远远超过该计算值，电石 工业较发达的国家生产电耗的平均水平为3 0 0 0 k w h r ，我国的电石生产电耗更 高一些，一般在3 2 0 0 k w h t 左右，可见大量的热能在生产过程中损失掉了。 2 、四川金路公司8 0 0 0 k v a 电石炉生产工艺 四川金路树脂公司8 0 k v a 电石炉基本上属于三相半密闭电石炉，电石 生产工艺流程如图2 一l 所示。满足工艺要求的焦炭和石灰从料仓l 放出，经过 自动秤2 称量配成炉料，送至炉体料斗3 、4 ，加料器定时将炉料投入电石炉5 内。3 5 0 0 0 伏高压电经过电石炉变压器6 降成低压后，经铜排7 导入电极9 。炉 内的炉料经电极强电弧热的作用生成电石。生成的电石经出炉口1 1 流入冷却电 石盆1 2 。装满热电石的电石盆由行车1 3 吊入冷却库，冷却后的电石由提升机送 到破碎机1 5 破碎后，破碎后的电石由斗式提升机1 6 送至电石储藏仓1 7 。 四川大学工程硕士学位论文 吁h忖 ，i f 叨 酶 3 j 煦瓢 目日 丌t 佃一 叮 l 土1 i f ，y 雌撬n y 1 5 卜n n f 、 1 4j 赳f f 订门订j l lf i l 7 丌丌盯n 芋! ! 等ll l 圈2 - l8 0 0 0 k v a 半密闭电石妒生产工艺流程图 l 料仓2 自动秤3 、4 一炉体料斗 5 一电石炉6 一变压器 7 一铜排8 抱紧系统9 一电极 l o 一升降系统1 l 一出炉1 2 1 1 2 一电石冷却盆1 3 行车1 4 提升机 1 5 一破碎机1 6 一斗式提升机 1 7 一电石储藏仓 2 1 2 四川金路树脂公司电石炉的生产现状 四川省金路树脂有限公司现有8 0 0 0 k v a 和5 0 0 0 k v a 两座电石炉，本公司 两座电石炉功率相对偏小，国内同行业的电石炉的功率普遍在1 0 0 0 0 k v a 以上， 设备都较先进。 还有，本公司两座电石炉的炉型基本上都属于半密闭电石炉，8 0 0 0 k v a 电 石炉建于1 9 9 0 年，电石炉设备较老化，生产工艺也比较落后，操作自动化程度 低。与同行业相比，各种能耗指标较高。其生产工艺和设备问题主要体现在以 下几个方面： 扎生产原材料焦炭含水量较高，未进行干燥预处理，严重影响到电石生产 的电耗和操作，原材料石灰的生烧较重。 b 加料工艺采用次投料法，冶炼过程中，热辐射严重，从而导致料面温 度偏高，致使电石生产电耗增加，影响设备使用寿命。 c 设备老化，炉体的密闭性较差。 l l 四川大学工程硕士学位论文 金路公司的电石炉与同行业在设备和工艺方面的差距，从而导致了其工艺 经济指标的落后。通过表2 - 】金路公司8 0 0 0 k v a 电石炉与什方电化公司 8 0 0 0 k v a 电石炉2 0 0 2 年度的工艺经济指标比较可以看出这一点。 表2 - 1金路公司8 0 0 0 k v a 电石炉与什方电化公司8 0 0 0 k v a 电石炉2 0 0 2 年度工艺经济指标对比 四川省金路树脂有限公司目前的现状是：对p v c 生产的扩产和技改投入 较大，而对电石生产的投入较少，要想大规模改造这两座电石炉不太可能的。 还有四川省金路树脂有限公司，由于场地限制，电石生产的原材料焦炭一直是 露天堆放，因而焦炭的含水量很高，不仅严重影响电石生产的电耗和物耗，而 且影响电石生产操作效率。针对目前这种现状，本课题拟从节麓降耗的思路入 手，测定电石生产热消耗的各种指标，通过相应的热平衡计算、分析，找出热 损失的主要途径，并做出相应的工艺改进，再针对焦炭的含水量较高的情况， 进行相应的工艺及设备改造，从而达到节能降耗的目的。 2 2 测定体系的建立 2 2 1 影响电石炉生产能耗和物耗的主要因素 电石生产是一个离能耗的行业，其主要能源是电能。为了能有效地实现节 能降耗，首先必须明确影响电石生产电耗的因素，主要包括以下几个方面( 2 l ： 1 、电石炉的电气热损失。 2 、电石生产过程中的辐射热和传导热。 四川大学工程硕士学位论文 3 、电石炉烟气带走的热量。 4 、出炉热电石带走的热量。 5 、电石炉生产中副反应消耗的热量。 6 、焦炭的水分。 除以上几个影响电石生产电耗的因素以外，还有焦炭中的挥发份、石灰中 的生烧石灰( 碳酸钙矿石未完全分解的部分) 、操作水平等因素。 22 2 测定对象的确定 测定对象主要依据影响电石生产电耗的几个主要因素和本公司的现有条件 来确定。 电石炉的电气热损失主要包括电石炉输电线路损失和变压器本身的耗损。 由于本公司8 0 0 0 k v a 电石炉离变压器很近，因此只须考虑变压器本身的耗损和 铜排的耗损。变压器和铜排的耗损可以根据它们的铭牌上的数据计算。 电石炉的传导热主要是通过电极传导到电极附属设备及炉体的热。而电极 附属设各和炉体都有冷却装置。电石炉的辐射热损失大部分由冷却水带走，因 此测定冷却水的进出口温差和冷却水的流量，就可基本计算出电石炉的传导热 和辐射热损失。 电石炉烟气带走的热量，与烟气的流量和烟气的温度有关，因此可以通过 测定烟气的流量和温度计算出电石炉的烟气热损失。 电石生产中出炉的热电石的温度高达2 0 0 0 c 左右，而在它冷却到环境温度 的过程中会释放出大量的热量。所以可通过测定出炉电石的质量和温度，从而 计算出出炉电石带走的热量。 电石生产的原材料为焦炭和石灰，焦炭中往往带有一些水分，焦炭中的水 分不仅影响电石生产的电耗，还影响电石生产的物耗【2 】。它对电石生产电耗和 物耗的影响，可通过测定焦炭的含水量来计算。 电石生产的主要能量来源是电能，对于半密闭电石炉，还有电石生产反应 过程中产生的c o 气体在炉内燃烧生成c 0 2 气体释放的热量。对这部分热量可 通过测定烟气中c 0 2 的含量来计算。 烟气带走的热量，出炉热电石带走的热量及焦炭中水分的耗热都与电石生 产的环境温度有关，因此计算以上热损失时需要测定环境温度。 四川大学工程硕士学位论文 对电石生产反应中的副反应耗热、焦炭中挥发份带走的热及石灰中生烧损 失热的影响，由于条件有限，不作测定。 综上所述，本课题的测定对象如下： ( 1 ) 出炉电石量。 ( 2 ) 出炉电石温度。 ( 3 ) 环境温度。 ( 4 ) 炉料水分含量。 ( 5 ) 冷却水流量。 ( 6 ) 冷却水温差。 ( 7 ) 烟气流量。 ( 8 ) 烟气温度。 ( 9 ) 烟气中c 0 2 的含量。 2 2 3 测定方法 ( 1 ) 对所有的测定对象都以一个生产日为周期，每两小时检测一次。 ( 2 ) 同时测定冷却水的进口温度和出口温度，取其差值作为冷却水温差。 对其流量的测定，则在流量保持稳定时测定。 ( 3 ) 出炉热电石的温度在出炉口测定。对其质量的测定以冷却后入库检测 为准。 ( 4 ) 焦炭中的水分在加料时测定。 ( 5 ) 烟气的温度、流量和烟气中c 0 2 含量在烟道入口处测定。 2 2 4 测定体系的建立 从8 0 0 0 k v a 电石炉的生产工艺流程可以看出，电石炉生产的主要供入能量 有电能q d 和炉内c o 气体燃烧释放的能量q c o 。电石炉生产所消耗的能量包括： 电石生成热q 生、电石相变热q l 、炉料水分耗热q