CN102066248A - 生产电石的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生产电石的方法及系统。该方法包括将粉末状含碳原料和粉末状含钙原料混合；通过含碳原料在含氧气氛中部分燃烧直接加热混合物生产电石。含碳原料可以是煤、半焦或焦炭，含钙原料可以是碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙或电石渣。本发明所提供的电石生产系统包括原料预热单元和反应单元。原料预热单元中的预热器可为流化床或气流床，反应单元的反应器为气流床。本发明可克服现有生产电石过程中存在的高能耗、高污染等缺陷，具有原料选择范围宽、能量利用率高、连续性操作、生产能力大等优点。利用生产电石过程中的副产物CO或辅助燃料的空气燃烧将原料预热至500-1500℃，可降低生产电石的耗碳量和耗氧量，进一步降低工艺能耗。
Description
生产电石的方法及系统 相关申请的交叉引用
本申请要求享有于 2008 年 8 月 1 日提交的中国发明专利申请 200810117540.2 和 2008 年 12 月 12 日提交的中国发明专利申请 200810239805.6的优先权。 上述申请所披露的内容作为参考引入本申请中。 技术领域
本发明涉及一种电石 {即， 碳化钙， （CaC2 ) }的生产方法及系统， 具体 地说， 涉及通过粉末状含碳原料和粉末状含麪原料在含氧气氛中部分燃烧直 接供热生产电石的方法和系统。 背景技术
电石、 即碳化钙是有机合成化学工业的基本原料之一。 利用电石为原料 可以合成一系列有机化合物， 为工业、 农业、 医药等行业提供原料， 上世纪 中叶之前被誉为有机合成之母。 电石加水分解成乙炔和氢氧化钙， 与氮气作 用生成氰氨化钙。 目前乙炔主要用于生产氯乙烯基、 醋酸乙烯基和丙烯酸基 等系列产品， 如我国 70%左右的 PVC (聚氯乙稀）生产源于电石乙炔。 近年 来， 石油价格的高涨刺激了电石工业的发展， 我国电石产量由 2002年的 425 万吨增加到 2006年的 1177万吨。
通常， 电石生产基于以下反应式， 即 CaO + 3C→CaC2 + CO, 此反应为 吸热反应。
现有的生产电石的方法之一为固定床-电弧法，利用电弧产生的高温将固 定床（也称移动床或电弧炉）中的大颗粒氧化钙和大颗粒焦炭加热至 2000 °C 以上， 停留一定时间而生成熔融态电石。 生产过程中氧化钙和焦炭的混合物 由电炉上端加入， 二者反应生成的 CO通过块状物料缝隙从炉体上部排出， 熔融的产物电石由炉底排出， 经冷却、 破碎后得到产品。
固定床-电弧法生产电石的最大弊端是耗电量大。 据报道， 我国生产 1吨 纯度为 85%的电石的平均电耗为 3250 kW'h。 除此以外， 电弧炉构造复杂、 炉内容积受限、 电极消耗量大， 设备和运行成本很高。
据才艮道， 电石也可由固定床-氧热法制备。 日本专利 （昭 61-178412 ) 和
德国的有关资料公开了竖炉全焦氧热法。 CN 85107784 A披露了一种碳化钙 的制备方法及设备， 其利用煤在氧气中燃烧加热原料。 CN 1843907A公开了 一种竖炉氧燃喷吹生产碳化钙的方法及装置， 其中采用煤、 天然气、 重油等 相对廉价的燃料通过氧和富氧喷吹技术生产碳化钙， 并将副产气体 CO用于 生产煤气。 但所述氧热法仍然采用大颗粒原料、 间歇反应的方式， 反应时间 长、 焦炭消耗量倍增， 而且单炉产量不高， 生产成本高于电弧法， 至今难以 替代电弧法。
总之， 现有的电弧法和氧热法均釆用固定床反应器， 使用大颗粒原料 ( 3-40 mm ) 及间歇的操作方式， 反应速率慢， 物料在炉内的停留时间长、 生产能力小， 单位产品能耗 高。 另外， 大颗粒原料在备料中的损失 大， 一般约 20 %以上的原料由于粉碎粒度过小而不能使用。
这些方法存在的"高投入、 高能耗、 高污染，，弊病的主要原因在于采用大 颗粒原料和间歇操作的方式， 导致 溪小、 副产物 CO气体难以利用。 发明内容
本发明旨在克服生产电石中存在的 "高投入、 高能耗、 高污染"等缺陷， 提供一种工艺简单、 能耗小、 原料来源广泛、 连续生产、 生产能力大、 成本 低的生产电石方法及系统。
根据本发明的一方面， 提供一种基于氧热法的生产电石方法。 该方法包 括以下步骤： （ 1 ) 制备合适粒度的粉末状含碳原料和粉末状含麪原料； （2 ) 将所述粉末状含碳原料和粉末状含 原料以不低于 0.5: 1 的重量比进行混 合； （3 )通过所述含碳原料在含氧气氛中部分燃烧直接加热所述混合物， 其 中含氧气氛中的 02与含碳原料中 C的摩尔比不低于 0.1,致使所述混合物的 反应温度不低于 1700°C。 混合物的反应温度可以在 1700-195CTC的范围。
优选含碳原料与含钙原料的重量比为 0.5-3: 1,更优选的是，含碳原料与 含 原料的重量比为 0.7-2:1。
优选含氧气氛中的 02与含碳原料中 C的摩尔比为 0.1-0.6。
优选粉末状含碳原料和粉末状含 原料的粒度均小于 1 mm。 更优选的 是， 粉末状含碳原料和粉末状含弓原料的粒度均小于 0.3 mm。
含碳原料可以为煤、 半焦 （即兰炭）、 焦炭之一或它们的混合。 含钙原 料可以为碳酸钙、 氧化钙、 氢氧化钙或电石渣之一或它们的混合。
还可考虑在步驟 （2 )之后加入对混合后的粉末状含碳原料和粉末状含 钙原料进行预热的步骤， 其中预热温度不低于 500°C。 该预热温度优选为 500-1500°C范围。 预热步骤中所用的燃料可以采用粉末状含碳原料、 所述生 产过程中获得的气体产物 CO或辅助燃料。 辅助燃料包括气体燃料和液体燃 料。 预热中所用的含氧气体可为氧气、 富氧空气或空气， 优选空气。 若预热 燃料采用生产电石过程中获得的气体产物 CO时， CO与空气的体积比优选为
电石含量， 而且可以降低反应的耗氧量。 CO作为生产电石过程中的副产物 若被直接排放到大气中必然导致空气污染。本发明将 CO作为预热燃料之一， 既防止了空气污染， 又能有效利用能量。
根据本发明的另一方面， 提供一种实现所述方法的系统， 该系统包括配 料单元、 原料预热单元和反应单元。 配料单元可以是任何计量装置。 原料预 热单元包括原料混合进料装置、 预热装置、 气体压缩装置和第一换热器； 原 料混合进料装置包括固体原料混合器和进料器， 固体原料混合器的出口与进 料器的进口连通； 预热装置设有原料入口、 气体进口、 第一气体出口和固体 物料出口； 原料混合进料装置的出口与预热装置的原料入口连通， 预热装置 通过气体进口与气体压缩装置连通； 预热装置通过第一气体出口与第一换热 器连通。 反应单元包括进料装置、 反应器和第二换热器。 反应器上设有原料 喷口、 第二气体出口和产物排出口； 原料喷口上设有含氧气体入口； 进料装 置的固体物料入口与预热装置的固体物料出口连通； 进料装置的固体物料出 口与反应器上的原料喷口连通； 反应器上的第二气体出口与第二换热器的气 体入口连通， 换热后部分气体进入预热单元的气体压缩装置， 部分进入其他 单元。
优选， 进料器上设有气体吹扫口， 以防止固体物料堵塞进料器。
优选， 预热装置包括预热器。 预热器可以为流化床或气流床。 若预热器 为气流床， 预热装置还包括气固分离器， 预热装置的第一气体出口和固体物 料出口设于气固分离器上。从第一气体出口流出的气体通过第一换热器排出。
所述气固分离器优选为旋风分离器。
此外， 反应单元的进料装置上也可设有气体吹扫口， 以防止物料堵塞进 料装置。
可根据物料温度选择进料器和进料装置， 进料器和进料装置可以为螺旋 进料器或 U型气动阀进料器。 考虑到进料器的物料温度低， 优选进料器为螺 旋进料器。 考虑进料装置的物料温度高， 优选其为 U型气动阀进料器。
反应器的原料喷口可以是单喷口、 对喷口或多喷口之一。
还可考虑在气体压缩装置和第二换热器连通管道上设有辅助燃料入口。 在预热装置和反应单元的进料装置之间还可设有储存装置。
与现有的生产电石方法相比， 本发明釆用粉末状原料， 原料来源广、 利 用率高、 反应速率快、 反应温度低、 生产能力大。 釆用含碳原料部分燃烧直 接供热取代电弧供热， 反应器简单、 造价低， 反应能耗低。
利用副产品气体 CO预热原料，使炼焦、烧石灰和原料预热集成为一体， 整个系统可节能。 附图说明
图 1为本发明的不包括预热步骤的方法步骤框图；
图 2为本发明的包括预热步骤的方法步骤框图；
图 3为本发明系统的示意图， 图中示出的预热装置为流化床；
图 4为本发明系统的示意图， 图中示出的预热装置为气流床。
此处描绘的附图仅用于说明目的， 而不是以任意方式限制本发明的范 围。 具体实施方式
下文参考附图对本发明进行详细描述， 全部附图中相同或类似的部件用 相同的附图标记表示。
图 1和 2为本发明方法的步骤框图， 其中， 图 1不包括预热步骤， 图 2 包括预热步骤。 如图 1所示， 将经配料单元（未示出） 配比成合适的重量比 的合适粒度的粉末状含碳原料 A和粉末状含钙原料 B输入原料混合进料装置 1中， 在原料混合进料装置 1中均匀混合， 之后将经混合的原料和适当量的 含氧气体 C喷入反应器 5内， 借助 02使含碳原料 A中的一部分燃烧直接加 热剩余混合物， 使混合物温度达到 1700-1950 °C而发生高温反应， 产生电石 D和副产物 CO气体 E, 电石 D排出反应器后冷却至常温。
如图 2所示， 可利用生产电石过程中的副产物 CO气体 E和含氧气体 F
在预热器 14中燃烧， 将原料混合物预热至 500-150CTC , 然后将经预热的原 料混合物与含氧气体 C喷入反应器 5中， 部分含碳原料在含氧气氛中燃烧使 原料混合物温度达到 1700°C以上， 产生的电石 D排出反应器后冷却至常温。
表 1示出了根据本发明的方法采用不同粒径和不同配比的原料和不同的 氧气量通过预热或不经预热所获得的固体产物情况。
表 1
从表 1中可以看出： 采用本发明提供的方法可将反应温度降至 1700°C , 而且原料粒度越小、 反应温度越高， 则反应时间越短， 反应时间大都可缩短 至 10分钟之内。 此外， 通过预热可减少焦炭耗费量和耗氧量。
图 3和 4为本发明系统的示意图， 其中， 图 3所示的预热器为流^ ^床， 图 4所示的预热器为气流床。
参见图 3 , 本发明的系统总体用 S表示， 其包括配料单元 （未示出）、 原 料预热单元和反应单元。原料预热单元包括原料混合进料装置 1、预热装置 2、 气体压缩装置 3和第一换热器 11。原料混合进料装置 1包括固体原料混合器 12和进料器 13 , 固体原料混合器 12的出口与进料器 13的进口连通。预热装 置 2设有原料入口 16、 气体进口 17、 第一气体出口 18和第一固体物料出口 19。 原料混合进料装置 1的出口 1-1与预热装置 2的原料入口 16连通， 预热
装置 2通过气体进口 17与气体压缩装置 3连通。预热装置 2通过第一气体出 口 18与第一换热器 11连通。
反应单元包括进料装置 4、 反应器 5和第二换热器 9。 反应器 5上设有原 料喷口 6、第二气体出口 7和产物排出口 8。原料喷口 6上设有含氧气体入口 6-1。 进料装置 4的固体物料入口 4-1与预热装置 2的第一固体物料出口 19 连通， 进料装置 4的固体物料出口 4-2与反应器 5上的原料喷口 6连通。 反 应器 5上的第二气体出口 7与第二换热器 9的气体入口连通， 换热后部分气 体进入预热单元的气体压缩装置 3 , 部分气体进入其他单元。
优选进料器 13上设有气体吹扫口， 以防止固体物料堵塞进料器。
预热装置 2包括的预热器 14为流化床。
参见图 4, 预热器 14为气流床， 预热装置 2还包括气固分离器 15 , 预热 装置 2的第一气体出口 18和第一固体物料出口 19设于气固分离器 15上。从 第一气体出口 18出来的气体通过第一换热器 11排出。
气固分离器 15优选为旋风分离器。
优选反应单元的进料装置 4 上设有气体吹扫口， 以防止物料堵塞进料装 置。
可根据物料温度选择进料器和进料装置， 进料器 13和进料装置 4可以为 螺旋进料器或 U型气动阀进料器。 考虑到进料器 13的物料温度低， 优选为 螺旋进料器。 考虑到进料装置 4的物料温度高， 优选为 U型气动阀进料器。
此外， 反应器 5的原料喷口 6可以为单喷口、 对喷口或多喷口。
还可考虑在气体压缩装置 3和第二换热器 9的连通管道上设有辅助燃料入 口。
还可考虑在预热装置 2和反应单元的进料装置 4之间设有储存装置。 下文将对本发明提供的系统 S的运行状况进行描述。
粉末状含碳原料 A和粉末状含钙原料 B在原料混合装置 1中混合后，通 过进料器 13送入预热装置 2, 含氧气体和经换热后的副产物 CO气体由气体 压缩装置 3送至预热装置 2的气体进口 17。部分含碳原料及换热后的副产物 CO 气体在含氧气体的作用下在预热装置 2 中燃烧， 将混合原料加热至 500-1500°C, 使含碳原料 A热解为焦粉， 含 原料 B热解为氧化钙粉。 产生 的高温气体通过第一换热器 11换热后排出，形成的高温固体混合物通过进料
装置 4送至反应器 5的原料喷口 6, 由喷口 6喷入反应器 5 , 含氧气体 C从 喷口 6上的含氧气体入口 6-1喷入反应器 5 , 部分焦粉与含氧气体中的 02在 反应器 5 中混合燃烧， 将物料加热至 1700-1950°C, 形成电石。 电石由反应 器 5底部的产物排出口 8排出， 副产物 CO气体由反应器 5的第二气体出口 7排出进入第二换热器 9,换热后部分气体通过气体压缩装置 3喷入预热装置 2, 作为预热装置 2的燃料。
在预热装置 2包括气固分离器 15的情况下， 被加热至 500-1500°C的原 料混合物中的含碳原料热解为焦粉， 含钙原料热解为氧化钙粉。 形成的高温 产物进入气固分离器 15 , 分离出来的气体产物经第二换热器 9降温后排出， 分离出来的固体产物通过进料装置 4送至反应器 5的原料喷口 6 , 由喷口 6 喷入反应器 5，含氧气体 C从喷口 6上的含氧气体入口 6-1喷入反应器 5 ,部 分焦粉与含氧气体在反应器 5中混合燃烧， 将物料加热至 1700-1950°C形成 电石。 电石由反应器 5底部的产物排出口 8排出； 副产物 CO气体由反应器 5的第二气体出口 7进入换热器 9 ,换热后部分气体通过气体压縮装置 3喷入 预热装置 2 , 作为预热装置 2的燃料。
虽然上面参照附图对本发明进行了描述， 显然， 上面的描述实质上仅是 示例性的， 而不是对本发明及其应用的限制。 工业实用性
本发明采用含碳粉末原料直接燃烧供热方式生产电石， 其生产温度与现 代气流床煤气化的温度类似， 与电弧加热生产电石技术相比， 避免了煤→热 →电→热过程中的能量损失， 节省能耗达 50%左右。 与目前的大颗粒原料、 电弧加热制备电石技术相比， 由于采用粉末状原料， 提高了反应炉的生产能 力， 还可进一步节能。
与当前的通过单独炼焦和单独烧石灰制备原料相比， 本发明将原料制备 和电石生产过程结合， 充分利用了焦炭和氧化钙的显热， 可进一步节能。
Claims (23)
- 权利要求书1. 一种生产电石的方法， 包括以下步骤：( 1 ) 制备合适粒度的粉末状含碳原料和粉末状含 4弓原料；( 2 )将所述粉末状含碳原料和粉末状含 原料以不低于 0.5: 1的重量比 进行混合；( 3 )通过所述含碳原料在含氧气氛中部分燃烧直接加热所述混合物， 其中含氧气氛中的 02与含碳原料中 C的摩尔比不低于 0.1，致使所述混合物 的反应温度不低于 1700°C。
- 2.根据权利要求 1所述的生产电石方法， 其中， 所述含碳原料与含 4丐原 料的重量比为 0.5-3: 1。
- 3.根据权利要求 2所述的生产电石方法， 其中， 所述含碳原料与含 4丐原 料的重量比为 0.7-2: 1。
- 4.根据权利要求 1所述的生产电石方法， 其中， 所述含氧气氛包括纯氧 和富氧空气。
- 5.根据上面任一项权利要求所述的生产电石方法， 其中， 所述含氧气氛 中的 0<sub>2</sub>与含碳原料中 C的摩尔比为 0.1-0.6。
- 6.根据上面任一项权利要求所述的生产电石方法， 其中， 所述粉末状含 碳原料的粒度和所述粉末状含钙原料的粒度均小于 1 mm。
- 7.根据权利要求 6所述的生产电石方法， 其中， 所述粉末状含碳原料和 粉末状含 原料的粒度均小于 0.3 mm。
- 8. 根据权利要求 1所述的生产电石方法， 其中， 所述步骤 （3 ) 中的反 应温度为 1700-1950°C。
- 9.根据上面任一项权利要求所述的生产电石方法， 其中， 所述含碳原料 为煤、 半焦、 焦炭之一或它们的混合， 所述含钙原料为碳酸钙、 氧化钙、 氢 氧化钙或电石渣之一或它们的混合。
- 10. 根据权利要求 1 所述的生产电石方法， 其中， 在所述步骤（2 )之 预热温度不低于 500 °C。
- 11. 根据权利要求 10 所述的生产电石方法， 其中， 所述预热温度为500-1500 °C。
- 12. 根据权利要求 10或 11所述的生产电石方法， 其中， 所述预热步骤 中所用的燃料为粉末状含碳原料、 所述生产过程中获得的气体产物 CO或辅 助燃料， 预热中所用的含氧气体为氧气、 富氧空气或空气。
- 13. 根据权利要求 10-12所述的生产电石方法， 其中， 所述预热燃料为 生产电石过程中获得的气体产物 CO时， CO与空气的体积比为 1:2.5-4。
- 14. 一种电石生产系统（S), 包括配料单元、原料预热单元和反应单元， 其中， 所述原料预热单元包括原料混合进料装置 （1)、 预热装置 （2)、 气体 压缩装置 （3) 和第一换热器 （11); 所述原料混合进料装置 （1) 包括固体 原料混合器 （12) 和进料器 （13), 固体原料混合器 （12) 的出口与进料器 (13) 的进口连通； 预热装置 （2)设有原料入口 （16)、 气体进口 （17)、 第一气体出口 （18)和第一固体物料出口 （19); 原料混合进料装置（1) 的 出口 （1-1) 与预热装置 （2) 的原料入口 （16) 连通， 气体压缩装置 （3) 通过气体进口 （17) 与预热装置 （2) 连通； 第一换热器 （11)通过第一气 体出口 （18) 与预热装置 （2)连通；所述反应单元包括进料装置 （4)、 反应器 （5)和第二换热器 （9); 反 应器（5)上设有原料喷口 （6)、 第二气体出口 （7)和产物排出口 （8); 原 料喷口（6)上设有含氧气体入口（6-1 );进料装置（4)的固体物料入口（4-1) 与预热装置（2) 的第一固体物料出口 （19)连通； 进料装置 （4) 的固体物 料出口 （4-2)与反应器（5)上的原料喷口 （6)连通； 反应器 （5) 上的第 二气体出口 （7) 与第二换热器 （9) 的气体入口连通， 第二换热器 （9) 的 气体出口连接预热单元的气体压缩装置 （ 3 )。
- 15. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述进料器 （13) 上和 /或所述反应单元的进料装置 （4) 上设有气体吹扫口。
- 16. 根据权利要求 14或 15所述的电石生产系统， 其中， 所述预热装置 (2) 包括预热器 （ 14 ), 该预热器为流化床或气流床。
- 17. 根据权利要求 16所述的电石生产系统， 其中， 若所述预热器 （14) 为气流床， 所述预热装置 （2)还包括气固分离器 （15), 该预热装置 （2) 的第一固体物料出口 （19)和第一气体出口 （18)设于所述气固分离器（15) 上。
- 18.根据权利要求 17所述的电石生产系统，其中，所述气固分离器（15) 为旋风分离器。
- 19. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述进料器 （13) 和进料装置 （4)为螺旋给料器或 U型气动阔给料器。
- 20. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述第二换热器（9) 和第一换热器 （11)为管束换热器、 板式换热器或者废热锅炉。
- 21. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述反应器（5)的 原料喷口 （6)为单喷口、 对喷口或多喷口。
- 22. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述气体压缩装置 (3)和第二换热器 （9)的连通管道上设有辅助燃料入口。
- 23. 根据权利要求 14所述的电石生产系统， 其中， 所述预热装置 （2) 和反应单元的进料装置 （4)之间设有储存装置。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20140430 Termination date: 20210715 |