CN102066248B

CN102066248B - 生产电石的方法及系统

Info

Publication number: CN102066248B
Application number: CN200980123693.0A
Authority: CN
Inventors: 刘振宇; 刘清雅; 李国栋
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: CA2730754A1; US20110123428A1; JP5498494B2; CN102066248A; JP2011529840A; WO2010012193A1; CA2730754C

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钙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(聚氯乙烯)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℃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3250kW·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。

据报道，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。CN85107784A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。CN1843907A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采用固定床反应器，使用大颗粒原料(3-40mm)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，单位产品能耗很高。另外，大颗粒原料在备料中的损失很大，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，导致规模小、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钙原料；(2)将所述粉末状含碳原料和粉末状含钙原料以不低于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O₂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℃。混合物的反应温度可以在1700-1950℃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，含碳原料与含钙原料的重量比为0.7-2∶1。

优选含氧气氛中的O₂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钙原料的粒度均小于1mm。更优选的是，粉末状含碳原料和粉末状含钙原料的粒度均小于0.3mm。

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。

还可考虑在步骤(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℃。该预热温度优选为500-1500℃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1∶2.5-4。

加入预热步骤不仅可以减少后续反应中含碳原料的消耗，提高产物中的电石含量，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，本发明采用粉末状原料，原料来源广、利用率高、反应速率快、反应温度低、生产能力大。采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O₂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℃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500-1500℃，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℃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℃，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所示的预热器为流化床，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℃，使含碳原料A热解为焦粉，含钙原料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O₂在反应器5中混合燃烧，将物料加热至1700-1950℃，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℃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℃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缩装置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

1.一种生产电石的方法，包括以下步骤：

(1)制备粒度小于1mm的粉末状含碳原料和粒度小于1mm的粉末状含钙原料；

(2)将所述粉末状含碳原料和粉末状含钙原料以0.5-3：1的重量比进行混合；

(3)将混合后的原料预热至500℃-1500℃；

(4)将经预热的原料混合物与含氧气体喷入反应器中，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O₂与含碳原料中C的摩尔比为0.1-0.6，致使所述混合物的反应温度为1700℃-1950℃，

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。

2.根据权利要求1所述的生产电石方法，其中，所述含碳原料与含钙原料的重量比为0.7-2：1。

3.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。

4.根据权利要求1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钙原料的粒度均小于0.3mm。

5.根据权利要求1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。

6.根据权利要求1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。