CN102153085B - 氧热法反应制备电石和合成气的方法及电石反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧热法反应制备电石和合成气的方法及电石反应器，解决了现有电石制备原料消耗大、设备多、投资大、工艺较为复杂、副产的CO量较少且难以工业化使用的问题。电石反应器包括气固分离器，气固分离器的下方设有封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应室构成。本发明方法采用专用的电石反应器，合成电石的同时，产生大量的CO可作为工业应用，生产及运行成本低、能耗低，副产气量大、具有广阔的市场前景。

Description

氧热法反应制备电石和合成气的方法及电石反应器

技术领域

本发明涉及一种制备电石和合成气的方法及其专用设备，具体的说是采用氧热法反应制备电石和合成气的方法及电石反应器。 

背景技术

电石是基本的有机化工原料，由它制得的乙炔气可代替石油制品生产醋酸、聚氯乙烯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、乙炔基醚、乙炔炭黑等等上千种有机产品。因此其有广阔的用途，可以预见，市场对电石的需求量将不断上涨。 

电石的生产方法有氧热法和电热法两种，目前工业上一般采用电热法生产电石，即焦炭(C)和氧化钙(CaO)在电石炉内，采用固定床依靠电弧高温(＞2000℃)熔化反应而生成电石，电热法制备电石的特点是采用块状原料进料和利用电能生产电石，它存在反应速率慢、反应时间长、反应温度高，耗电量大，电石产量低、粉尘和尾气治理困难的问题。正是由于传统电石生产技术存在“高投入、高污染、高能耗”的缺点，不符合节能减排和可持续发展的要求，因此国家发改委多次发文限制其发展。 

氧热法是在氧的存在下使部分碳发生燃烧，产生的高温热量使剩余碳和钙发生反应生成电石，该法由于具有反应时间短、反应温度低、污染小的优点逐渐被重视，如专利申请号200810117540.2公开了一种电石生产方法，将粉状的含碳原料和含钙原料混合后部分燃烧直接加热混合物生产电石，并利用电石产生的CO对原料进行预热。其主要特点是1)利用氧和碳燃烧产生的高温热量代替传统电弧高温使C和CaO反应生成电石，其反应温度要求较低(1700℃以上即可)，供热成本也较电力供热要低；2)采用粉状原料替代块状原料，达到提高能源利用率、加快反应速率、降低反应温度，提高生产能力目的， 3)对原料进行预热，预热采用电石副产的CO和辅助燃料燃烧供热，以减少后续反应中炭含量的消耗，提高电石纯度。该发明方法是在热氧法理论基础上对该技术方案的进一步具体化。又如200810239805.6公开了一种电石生产系统，包括预热单元和反应单元，预热单元包括混合进料装置、预热装置、气体压缩装置和换热器；反应单元包括进料装置、反应器和换热器。在反应器内为达到要求的1700℃以上高温，消耗的氧气、碳量仍然较多；由该生产系统各装置的设置看来，利用氧热法生产电石其涉及的设备多、投资大、工艺较为复杂、副产的CO量较少。由于副产的CO量少，因此不适用于作为化工装置原料气使用；且CO回输和氧气燃烧预热原料的工艺思路表面看来似乎达到的产物循环利用的目的，实际却存在增加了工艺步骤、提高了运行成本的问题。 

发明内容

本发明的目的为了提供一种氧热法反应制备电石和合成气的方法，该方法在本发明专用的电石反应器内进行，工艺简单、占地面积小、操作简便、反应效率高、电石纯度高，生成的合成气的量是现有热氧法的七倍以上，同时原料和燃料(氧气)的消耗率低。 

本发明还提供一种用于上述方法的电石反应器，该反应器可同时进行燃料预热、电石反应和气固分离，涉及设备少、投资和运行成低。 

本发明技术方案包括气固分离器，气固分离器下方设有封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应室构成，所述预热室顶部设有第一进料口及对称均匀排列的经管道与气固分离器进气口连接的至少两个出气口，预热室侧壁均匀设多个第二进料口，及对称均匀设置至少两个灰返回进口，所述灰返回进口经管道与气固分离器的出灰口连接；所述气化室内还设有煤烧嘴、开工点火烧嘴；所述反应室设有氧烧咀，底部还设有出料口。 

所述预热室由顶部球拱形段，中部直边段和下部变径段构成。 

所述下部变径段的变径角度为5-30°。 

所述预热室顶部的第一进料口向下的扩张角度为5-8°。 

所述预热室侧壁的第二进料口向下的倾角为5-20°，切向角度为3-10°。 

所述反应室的氧烧咀切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°。 

本发明氧热法气化制备电石和合成气的方法，将经磨煤和干燥的含碳原料和含钙原料由进料口送入预热室预热，同时部分含碳原料中的碳与预热室内的CO₂发生吸热反应生成CO，CO进入气固分离器分离出含碳和氧化钙的灰粉后排出，分离出的灰粉送回预热室，和剩余的含碳原料、含钙原料一起下降经气化室进一步预热后进入反应室底部，在反应室内碳和纯氧燃烧的高温热量使剩余含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙反应生成电石和CO，电石经出料口出料，CO上升至预热室对原料接触换热，然后经气固分离器分离出含碳和氧化钙的灰粉后排出。 

所述含碳原料和含钙原料中的C∶Ca的重量比为2.2～3∶1，所述含钙原料和含碳原料分两部分进入预热室，总重量的1\2-1\4从顶部喷射进入，余下部分从预热室侧壁呈切圆旋流向下进入，该部分物料的载气温度为200-220℃，优选使用气固分离器分离出的部分经冷却的CO气体。 

所述含钙原料为碳酸钙，碳酸钙在进入预热室后高温下分解为氧化钙和CO₂，氧化钙和含碳原料一起下降经气化室进入反应室底部。 

所述进料采用加压进料，压力控制在0.5～4.0MPa。 

所述反应室的高温由位于反应室的氧烧咀喷入的纯氧与反应室内的部分含碳原料燃烧维持，或由氧烧咀喷入的含碳原料和纯氧混合物燃烧维持，燃烧生成CO₂进入预热室。 

通过控制氧烧咀的切向角度3-8°和向下倾角10-30°，控制喷射速度200-300m/s，使喷出的气流形成向下倾斜角度以冲击搅拌反 应室内的电石池，加速电石反应。 

所述气化室的高温由煤烧咀喷入的含碳原料与含氧气体混合物燃烧维持，燃烧生成CO₂进入预热室；所述预热室的高温由电石反应生成的CO所携带的热量及气化室和反应室内的高温辐射维持。 

本发明电石反应器通过在封闭式反应炉内划分的预热区、气化区和反应区，以及与封闭式反应炉连接的气固分离器将燃料预热、电石生产和气固分离步骤整合在一个设备中进行，设计极为巧妙。 

实验中发现，单从预热室顶部进料，虽然能够生成CO降低预热室室温，但由于煤粉颗粒较细(大部分煤粉颗粒小于20μm)，颗粒物在上升气流的作用下在顶部打旋，可能存在原料难以进入反应室参与反应的问题，可能存在原料难以进入反应室的问题，因此考虑在预热室侧壁增加一个第二进料口，使部分原料沿侧壁向下进入气化室和反应室，为保证该部分原料在预热室内得到充分预热，通过设计第二进料口向下的倾角为5-20°和切向角度为3-10°使原料沿侧壁呈切圆旋流向下进入反应室，切圆旋流向下的方式可增加原料在预热室内的停留时间，使其得到充分预热。 

球形封头下部直边段和变径段的设置是为了保证CO₂与原料在收缩口充分接触，使CO₂与C充分反应生成CO，同时为了避免气流将原料大量带出反应室，变径段的角度最好控制在5-30°。 

变径段形成渐缩的结构配合进料口向下的扩张角使物料在预热室内被充分预热至500℃以上。特别设计增加气化室，利用气化室的煤烧咀喷入的含氧气体与煤的混合物燃烧可使气化室产生1000℃以上的高温。 

反应室的氧烧咀可同向设置多个，通过对其切向角度和向下倾角的控制，可使由烧咀高速喷出的气体对反应室内电石池产生搅拌作用，使电石反应更为充分，减少反应时间、提高反应效率和电石纯度。 

所述气固反应器优选采用旋风分离器。电石反应器内可根据工况 的要求进行合适的耐高温、耐磨蚀处理。 

本发明方法在上述电石反应器内进行，在原料采用含碳原料和含钙原料的混合物，所述含碳原料可以为煤粉或兰碳，所述含钙原料可以为氧化钙或碳酸钙，粒径不大于0.45mm为好。当含钙原料采用碳酸钙时，可在预热室内高温下分解成氧化钙和CO₂，氧化钙可作为电石反应的原料，CO₂则可与煤粉发生吸热反应生成CO，提高合成气的产量。在本发明中，含碳原料在四处被消耗：1)在预热室内与CO₂反应生成CO被部分消耗；2)在气化室内与含氧气体燃烧供给气化室热量时被部分消耗；3)在反应室内与氧化钙在高温下进行电石反应被部分消耗；4)在反应室内与纯氧燃烧供给反应室热量被部分消耗。因此含碳原料和含钙原料的量应充分考虑上述原因，将碳的含量大量过量，为C∶Ca的重量比为2.2～3∶1，本发明中，CO₂在三处被生成：1)在预热室内碳酸钙(若含钙原料为碳酸钙时)在高温下分解得到CO₂；2)反应室内纯氧和碳燃烧生成CO₂；3)气化室内含氧气体与含碳原料燃烧生成CO₂。发明人充分利用大量生成的CO₂，使其在预热室内与煤粉接触生成CO，加之电石反应本身也可生成CO，两种反应生成的CO气体量可达现有工艺的7倍以上，能源利用率高、特别适合作为化工产业的原料气使用。由于反应炉内生成的CO气体均含有灰粉(即含尘CO气体)，因此必须经管道汇总后送入气固分离器中除尘后才可排出供后续使用，分离后的灰粉可返回反应炉中被循环利用，整个工艺的所有反应产物均可合理利用或回收再利用。 

作为本发明工艺的另一发明点，通过加压进料，控制达到如下目的：1)加压进料可使原料在预热室分散更为均匀，充分预热；2)使炉内产生一定的压力，向下压缩反应室内电石反应区的高度，在尽可能小的高温区域进行电石反应可有效节能降耗。3)使炉内保持一定的压力，可防止由于磨蚀导致部件中带有的水冷夹套中的水漏出，由此引起炉内的安全事故；4)生成的电石由于炉内压力作用可自动由 出料口出料，减少设备投入。考虑到反应后上升的CO气体中含有熔渣，上升至预热室下部时易在器壁结渣，由于温度降低，熔渣的流动性不好，容易结块导致大块渣的脱落或阻塞气体通道，使气流速度增大，磨损器壁，因此控制预热室侧壁的第二进料口进料的载气温度为200-220℃，使熔渣的温度在气化室上方迅速下降至900℃以下，形成固体颗粒随CO继续上升至气固分离器。 

在气化室内，通过煤烧咀喷出的含氧气体与煤粉混合物的燃烧生成CO₂，并使气化室形成1000℃以上的高温，由于气化室位于预热室和反应室之间，该高温区域成为一个保温带，具有四个作用：1.和反应室一起产生炉热和高温气体为预热室提供热量，保证预热室内反应的正常进行；2.增加物料进入反应室前的停留时间，使物料在此被加热至1000℃以上；3.该保温带可将预热室与反应室隔离开，减少反应室向预热室的热辐射量，避免为保持反应室高温而导致的碳和氧气消耗过多的问题，有利于反应室高温区的形成和稳定。4.气化反应形成的部分熔渣在此沿器壁向下流入反应室，在反应室内进一步升温生成电石。 

控制氧烧咀切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°，喷射速度在200-300m/s，保证反应时对电石池有一定的搅动，并与碳燃烧提供大量热量维持反应室温度在1700℃以上，使含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙反应生成电石。所述含氧气体可以为纯氧、氧含量大于体积百分比30％的富氧或普通空气。 

本发明电石反应器集多种功能于一体，原料利用反应室、气化室燃烧的高温辐射及电石反应后上升的高温气体(包括电石反应生成的CO和燃烧产生CO₂)的接触换热在预热室内被充分预热，无需另外消耗燃料，无需单独的预热设备，同时预热室内含碳原料与CO₂的吸热反应，及上升的高温气体与原料之间进行接触换热，使原料被预热，同时含尘CO气体在进入气固分离器时被降温，这样也无需另外设置 换热器等装置，所有的反应及热交换均在反应器内进行，无需另外配置预热器或其它预处理装置，设备简单、结构紧凑、投资小、便于安装和维护。 

电石反应生成电石出料，副产物为CO，该部分副产的CO与预热室内含碳原料与CO₂吸热反应产生的CO一起(炉内生成的CO₂可全部与碳反应生成CO)，经管道送入气固分离器中除尘后(反应炉内所有生成的CO均含有灰粉，即含尘CO气体，因此必须除尘)排出供后续使用，而分离出的灰粉又返回反应炉中被循环利用。整个工艺的所有反应产物均被合理利用，基本没有外排，对环境任何没有污染，其反应速率高、时间短，生成的电石各项指标满足要求，副产气体量极大且纯度高。本发明工艺简单、操作简便、生产及运行成本低、能耗低，具有广阔的市场前景。 

附图说明

图1为本发明结构示意图。 

图2为图1的A-A示意图。 

图3为图1的B-B示意图。 

图4为第二进料口的局部结构示意图。 

其中，1-旋风分离器、2-封闭式反应炉、3-预热室、3.1-球拱形段、3.2-直边段、3.3-变径段、4-气化室、5-反应室、6-第-进料口、7-出气口、8-进气口、9-灰返回进口、10-管道、11-出灰口、12-管道、13-开工点火烧咀、14-氧烧咀、15-出料口、16-煤烧咀、17-排气口、18-第二进料口。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明反应器作进一步解释说明： 

电石反应器包括位于旋风分离器1下方的封闭式反应炉2，所述封闭式反应炉2由上部的预热室3、中部的气化室4和下部的反应室5构成，所述预热室3由顶部球拱形段3.1，中部直边段3.2和下部 变径段3.3构成，变径段的变径角度为5-30°，预热室3顶部设有第一进料口6，所述进料口6的向下的扩张角度为5-8°，预热室3侧壁均匀设有多个第二进料口18，其切向角度为3-10°，向下的倾角为10-30°。所述预热室3顶部还对称排列有分别经管道12与旋风分离器1的两个进气口8连接的两个出气口7，所述进气口8为切向进气口，可使含尘CO气体沿切向进入旋风分离器1，提高分离效率。所述预热室3侧壁还对称设有两个灰返回进口9，所述灰返回进口9经管道10与旋风分离器1的出灰口11连接，可使由CO中分离出来的含碳和氧化钙的灰粉由灰返回进口9返回封闭式反应炉2中循环利用，所述旋风分器1顶部设有用于排出CO的排气口17；所述气化室4设开工点火烧咀13以及对称均匀排列的4个煤烧咀16，所述反应室5设有对称均匀排列的4个氧烧咀14，其切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°，可使纯氧喷入时，由于其高喷速度和角度的控制，可对反应室5内的电石反应池产生搅拌作用。反应室5底部还设有出料口15。由于电石反应器为高温反应器，因此其内部各部分应根据相应工况温度作好耐高温及磨蚀的各项处理，如封闭式反应炉2顶部由碳钢板和耐火高铬浇注料组成，底部可由低温层炭捣料、自焙烧炭砖，轻质炭砖、高铝耐火砖、轻质耐火浇注料组成，侧壁采用低温层炭捣料、自焙烧炭砖，轻质炭砖和螺旋膜式水冷壁组成，旋风分离器1中心筒采用圆筒型耐热耐磨钢板制成，内表面喷涂耐磨浇注料。本发明不限于上述耐高温及磨蚀的处理方法，其它满足本发明高温工况的处理均可采用。 

工艺方法：实施例1： 

原料重量比：煤粉∶碳酸钙为2.2∶1，粒径为0.15mm。 

将上述原料重量的的三分之一通过螺旋加压给料机由第一进料口6投入封闭式反应炉2内，其余三分之二由加压给料机由第二进料口18投入封闭式反应炉2内(该部分物料的载气温度为200℃，为 气固分离器分离出的部分经激冷的CO气体)，控制进料速度为7m/s、压力为2.0MPa，碳酸钙在预热室3内高温(600℃以上)下分解为氧化钙和CO₂，同时部分煤粉也与预热室3内的CO₂发生吸热反应生成CO，剩余部分煤粉和氧化钙在预热室3中与来自气化室4和反应室5的高温CO和CO₂进行接触换热后一起下降进入气化室4(通过热交换原料被预热，CO被降温)；气化室4的煤烧咀16喷入的煤粉和富氧混合物(喷入速度为85m/s，氧煤重量比为0.5∶1)燃烧使气化室4温度达到1000℃以上继续预热原料；经气化室4后的剩余部分煤粉和氧化钙继续下降至反应室5，在反应室5内剩余部分煤粉的一部分与由氧烧咀14喷入的纯氧(喷入速度为200m/s)燃烧产生1700℃以上的高温，切向倾斜喷入的纯氧还会对电石反应池产生搅拌效果，余下部分的剩余部分煤粉则在高温下与氧化钙发生反应生成电石和CO，电石由出料口出料，电石反应生成的CO和氧气与煤粉燃烧生成的CO₂一起上升至预热室3，CO₂与原料中的部分煤粉反应生成CO，所有的CO均通过封闭式反应炉2的出气口7经管道12进入旋风分离器1内，使CO气体中含有灰粉分离，分离灰粉后的CO由排气口17排出进入下游工序，分离出的灰粉由旋风分离器1底部的出灰口11经管道10、灰返回进口9进入预热室3和预热后的剩余部分煤粉和氧化钙混合下降。每1吨原料煤可生成的0.2444吨电石，其纯度为60wt％，合成气量为950升/kg。(煤的工业分析按M 5wt％，V 25wt％，C 55wt％，A 15wt％计算) 

实施例2 

原料重量比：兰碳∶氧化钙为2.5∶1，粒径为0.25mm。 

将上述原料通过螺旋加压给料机由分别经第一进料口6和第二进料口18投入封闭式反应炉2内，原料总重量的二分之一由第一进料口6加入，余下由第二进料口18加入，(该部分物料的载气温度为 220℃)，控制进料速度为10m/s、压力为4.0MPa，部分兰碳与预热室3内的CO₂发生吸热反应生成CO，剩余部分兰碳和氧化钙在预热室中与来自气化室4和反应室5的高温CO和CO₂进行接触换热后一起下降进入气化室；氧烧咀14喷入的纯氧的喷入速度为300m/s，其余同实施例1。每1吨兰碳生成0.378吨电石，其纯度为63wt％，合成气气量为1300升/kg。 

实施例3 

原料重量比：煤粉∶氧化钙为3∶1，粒径不大于0.45mm。 

将上述原料通过螺旋加压给料机由第一进料口6和第二进料口18投入封闭式反应炉2内，原料总重量的四分之一由第一进料口6加入，余下部分由第二进料口18加入(该部分物料的载气温度为210℃)，控制进料速度为10m/s、压力为1.5MPa，氧烧咀喷入的为纯氧和煤粉的重量比为0.5∶1的混合物，喷入速度为250m/s，其余同实施例1。每1吨原料煤生成的0.348吨电石，其纯度为56％，合成气量为1500升/kg。 

Claims (9)

1.一种电石反应器，包括气固分离器，其特征在于，气固分离器的下方设有封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的预热室、中部的气化室、下部的反应室构成，所述预热室由顶部球拱形段，中部直边段和下部变径段构成，所述下部变径段的变径角度为5-30°，所述预热室顶部设有第一进料口及对称排列的经管道与气固分离器进气口连接的至少两个出气口，预热室侧壁均匀设置多个第二进料口，及对称设置至少两个灰返回进口，所述预热室侧壁的第二进料口向下的倾角为10-30°，切向角度为3-10°，所述灰返回进口经管道与气固分离器的出灰口连接；所述气化室内还设有煤烧嘴、开工点火烧嘴；所述反应室设有氧烧咀，底部还设有出料口。

2.如权利要求1所述的电石反应器，其特征在于，所述预热室顶部的第一进料口向下的扩张角度为5-8°。

3.如权利要求1所述的电石反应器，其特征在于，所述反应室的氧烧咀切向角度为3-8°，向下倾角为10-30°。

4.一种氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的电石反应器，将经磨煤和干燥的含碳原料和含钙原料由进料口送入预热室预热，同时部分含碳原料中的碳与预热室内的CO₂发生吸热反应生成CO，CO进入气固分离器分离出含碳和氧化钙的灰粉后排出，分离出的灰粉送回预热室，和剩余的含碳原料、含钙原料一起下降经气化室进一步预热后进入反应室底部，在反应室内碳和纯氧燃烧的高温热量使剩余含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙反应生成电石和CO，电石经出料口出料，CO上升至预热室对原料接触换热，然后经气固分离器分离出含碳和氧化钙的灰粉后排出。

5.如权利要求4所述的氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述含碳原料和含钙原料中的C：Ca的重量比为2.2-3：1，所述含钙原料和含碳原料分两部分进入预热室，总重量的1\2～1\4从顶部喷射进入；余下部分从预热室侧壁呈切圆旋流向下进入，该部分物料的载气温度为200-220 ^oC，所述含钙原料和含碳原料的进料采用加压进料，压力控制在0 .5～4.０MPa。

6.如权利要求4或5所述的氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述含钙原料为碳酸钙，碳酸钙在进入预热室后高温下分解为氧化钙和CO₂，氧化钙和含碳原料一起下降经气化室进入反应室底部。

7.如权利要求4所述的氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述反应室的高温由位于反应室的氧烧咀喷入的纯氧与反应室内的部分含碳原料燃烧维持，或由氧烧咀同时喷入的含碳原料和纯氧混合物燃烧维持，燃烧生成CO₂进入预热室。

8.如权利要求7所述的氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，通过控制氧烧咀的切向角度3-8°和向下倾角10-30°，控制喷射速度200-300m/s，使喷出的气流形成向下倾斜角度以冲击搅拌反应室内的电石池，加速电石反应。

9.如权利要求4所述的氧热法反应制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述气化室的高温由煤烧咀喷入的含碳原料与含氧气体混合物燃烧维持，燃烧生成CO₂进入预热室；所述预热室的高温由电石反应生成的CO所携带的热量及气化室和反应室内的高温辐射维持。

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