CN103011164B - 无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法及电石反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法及电石反应器，解决了现有氧化加热法制备电石和合成气热量分布不均匀，进入反应室物料颗粒大小不均，影响电石反应的时间和效果的问题。本发明方法包括通入控制反应室内通入混合气的氧含量实现反应室内的无焰燃烧；通过设计两个进料口进料粒度解决反应室物料颗粒大小不均的问题。本发明反应器通过对反应室和气化室氧烧嘴的改进使室内热分布更为均匀。本发明工艺简单、安全可靠、热分布更为均匀、电石反应效率高、电石纯度高，对壁炉的损耗小、生成的合成气的量是现有电热法的七倍以上，同时原料和燃料的消耗率低。

Description

无焰氧化加热法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，具体的说是采用无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法及电石反应器。

背景技术

电石的生产方法有氧热法和电热法两种，关于氧热法的电石生产中，中国五环工程有限公司和河南煤业化工集团研究院有限责任公司共同申请的申请号为201010581701.0，公开号为102153085A，发明名称为“氧热法反应制备电石和合成气的方法及电石反应器”的发明专利申请中介绍了一种电石反应器以及氧热法反应制备电石和合成气的方法，其中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。氧热法反应制备电石和合成气的方法是在上述反应器中进行的，将经磨煤和干燥的含碳原料和含钙原料由进料口送入，依次经过预热室（又称急冷室）、气化室至反应室（其底部相当于电石池），含碳原料和含钙原料在预热室中预热，在气化室中被气化室4的煤烧咀16喷入的煤粉和富氧混合物有焰燃烧热量进一步预热，在气化室中含碳原料的一部分与由氧烧咀喷入的纯氧有焰燃烧产生1700^oC以上的高温使剩余部分煤粉在高温下与氧化钙发生反应生成电石和CO。

发明人在进一步研发过程中发现上述技术方案有以下几个技术问题：

1．由于反应室为有焰氧化燃烧反应，见图8这种有焰氧化燃烧存在热量分布不均匀的问题，使反应室内靠近炉体轴心的部分温度较高，而靠近壁面的温度则较低，导致部分行经壁面附近的原料无法充分预热，不能达到电石反应的温度条件，从而严重影响电石反应效果。

2．生成电石反应时间和温度与物料粒度有关，物料粒度越小生成电石反应时间越短，生成电石反应峰值温度越低。但是物料粒度过小则易被上升的气流阻挡在预热室内，难以进入反应室。虽然封闭式反应炉内设计了两个进料口希望解决物料顺利下行至反应室的问题，但由于第一进料口和第二进料口进入的物料粒度相同，这样或者会导致第一进料口通入的物料由于粒度过小无法穿越上升气流进入反应室；或者第一进料口和第二进料口通入的物料由于粒度较大，第一进料口通入的物料克服气流到达反应室时被部分消耗,粒度变小，而第二进料口通入的物料沿壁面行走消耗较小，粒度仍较大，最终使得反应室内进行电石反应的物料存在颗粒大小不均的问题，也同样影响电石反应的时间和效果。

3．第二进料口的角度不佳，上述技术方案中，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°，实际研发中发现，这种角度下，物料的顺利下行效果仍然不够理想，若物料的粒度减小，则下行效果更差，所以希望得到进一步改进，以保证更多的物料能够顺利下降预热并参与电石反应，而不会被上升气流带出反应器。

4．为了满足电石反应的温度要求，气化室、反应室内均通过有焰燃烧使其处于高温状态，炉壁耐温要求最高应达到2000℃以上，由于炉内通入大量氧气燃烧以维持高温，作为常用的高温耐火材料（一般耐火砖仅能耐1850℃左右的高温）不能满足使用要求，而能满足耐高温的耐火材料如碳砖等在上述高温状态下，碳砖中的碳会与氧发生反应导致炉壁损耗，无法实现耐高温长寿命的要求。

由于上述技术问题的存在，申请号为201010581701.0的技术方案在实际运行时，实际生产的电石纯度、产气量、反应速度较设计的理论值有20-30%的差距。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种无焰氧化加热法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、安全可靠、热分布更为均匀、电石反应效率高、电石纯度高，对壁炉的损耗小、生成的合成气的量是现有电热法的七倍以上，同时原料和燃料的消耗率低。

本发明还提供一种用于上述方法的电石反应器，该反应器结构简单、可同时进行燃料预热和电石反应，涉及设备少、投资和运行成本低、耐高温效果好、使用寿命长。

本发明电石反应器，包括封闭式反应炉，由上部的急冷室、中部的气化室、下部的反应室和底部的电石池构成，所述急冷室顶部设有出气口、第一进料口，侧壁设多个第二进料口，所述气化室内设开工点火组合烧嘴和氧烧嘴，所述反应室设有氧烧嘴，所述电石池底部设有出料口，所述气化室内有多个氧烧嘴，所述多个氧烧嘴沿圆周方向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°。

所述反应室内沿圆周方向均匀设有多个氧烧嘴，所述多个氧烧嘴径向对称布置，水平切向角为10-20°，向下倾角为10-30°。

所述第二进料口的向下倾角为45-60°，多个第二个进料口在同一截面正对均匀布置。

所述，反应室侧壁壁面从热面到冷面依次为：氮化硅-碳化硅砖层、铜冷却壁层、填充物层和金属外壳层。

所述电石池侧壁壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层、高铝砖层、粘土耐火砖层和金属外壳层；电石池底部壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层、自焙炭砖层、轻质炭砖层、高铝砖层、耐热混凝土层和金属外壳层。

本发明无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法，将经研磨和干燥的含碳原料和含钙原料形成的混合物由进料口送入急冷室，同时部分含碳原料中的碳与急冷室内的CO₂发生吸热反应生成CO由出气口排出，剩余的含碳原料和含钙原料一起下降经气化室进一步预热后进入反应室，在反应室内碳、一氧化碳和纯氧反应的高温热量使剩余含碳原料和含钙原料温度达到电石反应温度，含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙在电石池内反应生成电石和CO，电石经出料口出料，CO经出气口排出，采用上述的电石反应器，控制通入反应室内的混合气体含氧体积浓度为10～15%，使氧与经过反应室的部分含碳原料发生无焰氧化反应使反应室温度达到1700-2000℃，含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙在电石池和反应室内反应生成电石和CO。

所述气化室的高温为1350-1450℃，由气化室的氧烧嘴喷入的氧含量为体积浓度85%以上混合气在气化室内与部分含碳原料进行有焰氧化燃烧维持，燃烧生成CO₂进入急冷室，所述混合气中除含有氧气外，还含有CO₂和/或惰性气体。

所述反应室的高温由反应室的氧烧嘴喷入的氧与CO的混合气在反应室内与部分含碳原料进行无焰氧化燃烧维持，燃烧生成CO₂进入急冷室，所述混合气中的氧含量为体积浓度10-15%。

通过氧烧嘴喷出的混合气进入反应室的速度为30-50m/s，无焰氧化燃烧反应后形成含固体颗粒物的气体沿反应室壁面的流动速度小于等于6m/s,形成的液态物质沿反应室向下流动的速度小于等于0.2m/s。

所述含钙粉料和含碳粉料的混合物通过载气以7-10m/s的速度喷射进入急冷室，其中，由第一进料口5喷入的混合物粒度为100-500μm，由第二进料口7喷入的的混合物粒度为0.1-100μm，且第一进料口5喷入的混合物粒度应大于第二进料口7喷入的的混合物粒度。

本发明是基于申请号为201010581701.0的技术方案的进一步发明创造，对气化室和反应室的氧烧嘴的角度进行了重新设计，经实验发现，通过上述设计可以有效解决过去对气化室气固混合物以及反应室内对电石池搅拌效果不佳的问题。反应室中多个氧烧嘴的水平切向角应为10-20°，角度过小会使氧与CO和含碳原料只在反应室中部进行，温度分布不均匀；过大会使含碳原料在离心力的作用下向器壁聚集，使C和CaO的分布在反应器横截面不均匀，不利于电石的生成。

进一步的，第二进料口向下倾角为45-60°，多个第二个进料口在同一截面正对布置。向下倾角为45-60°是为了保证小颗粒含碳原料能进入反应室。向下倾角过大会使颗粒沿壁降低；过小会使颗粒物不能落入反应室。

由于电石生产是高温反应，急冷室温度可达950-1000 ℃，气化室温度可达1350-1450℃，反应室和电石池温度可达1700-2000℃，这对封闭式反应炉炉壁特别是反应室和电石池炉壁的耐火耐高温性能是一个极大的考验，发明人对炉壁进行了重新设计以适应各室耐热温度要求。

急冷室和气化室耐温要求在1500℃以内，采用高铝砖和粘土耐火砖作为耐火衬里即可。急冷室和气化室侧壁壁面从热面到冷面依次为高铝砖层、粘土耐火砖层和金属外壳层。

反应室和电石池的耐温要求达2000℃以上，室内均为氧化反应，大量氧在高温下极易和作为耐火材料的碳砖上的碳发生反应形成渣而损耗炉壁，因此这种高温下几乎没有可供选择的耐火材料，发明人改变思维对工艺进行了改进，通过控制向反应室内喷入气体的氧含量，使反应室内的有焰燃烧变为无焰燃烧，使室内温度分布更为均匀的同时，由于氧含量的下降，喷入的氧几乎全部都能参与氧化反应，大大减少了氧与碳砖上的碳发生反应的量，从而解决了碳砖不能用于有氧燃烧条件下的耐高温问题。并且，反应室侧壁壁面从热面到冷面依次为：氮化硅-碳化硅砖层、铜冷却壁层、填充物层和金属外壳层，是为了防止高温氧化磨蚀，降低冷却壁本体温度并形成能保护冷却壁自身的渣皮层；所述电石池侧壁壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层（刚玉-莫来石砖或棕刚玉砖）、高铝砖、粘土耐火砖层和金属外壳层；电石池底部壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层（刚玉-莫来石砖或棕刚玉砖）、自焙炭砖层、轻质炭砖层、高铝砖层耐热混凝土层和金属外壳层。这种耐火结构能够很好地防止熔融电石的冲刷侵蚀和碳砖的龟裂脆化以及氧化损坏。

经过研究分析表明，在反应室内进行无焰氧化燃烧较有焰氧化燃烧热量分布更为均匀，从而避免原料升温不均从而影响电石反应效果的问题，即使是沿壁炉下行的原料也能均匀充分预热。因此本发明中气化室仍然通入大量氧气维持有焰氧化反应，而在反应室中控制氧气通入量，同时配合通入CO与氧和含碳原料反应快速升温实现无焰氧化反应，保证最终进入电石池反应的含碳原料和含钙原料均能充分升温至电石反应的条件温度。

进一步的，发明人对原料的粒度也进行了研究，由于第一进料口位于反应炉顶部，其下落时与上升的气流方向相对，受气流影响，其在各室的停留时间更长，在下落过程中与CO₂反应使原料颗粒分解消耗更多，更易分解成细小颗粒，因此应使第一进料口的进料粒度控制较大（100-500μm，），从而更易利用重力对抗上升的气流阻力，且保证部分分解后仍有颗粒能顺利到达电石池；而第二进料口位于炉侧壁，原料经可沿壁面行走，阻力更小，到达电石池的时间更短，颗粒分解消耗较少，因此应使第二进料口的进料粒度控制较小（0.1-100μm），从而保证其到达电石池时的原料粒度能与从第一进料口通入的原料料度达到基本一致细小程度，提高电石反应速率及可靠性。

反应室内的氧和CO及部分含碳原料发生无焰氧化燃烧，形成含固体颗粒物的气体（CO₂气体）和液态物质（熔渣），通过控制上升的气体含固体颗粒物的气体沿壁面上行的速度小于6m/s，熔渣沿反应室向下流动的速度小于等于0.2m/s，使熔融的渣在固态渣的表面流动，实现以渣抗渣的目的，在炉壁上形成稳定厚度的固态渣层起到保护炉壁的作用。

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。

本发明电石反应器集多种功能于一体，较原有的电石反应器预热效果更好、耐热性能更高、对炉壁损耗小、使用寿命更长、可有效提高电石反应速率。

本发明方法与原有的氧热法反应制备电石和合成气的方法相比，采用无焰氧化燃烧热量分布均匀，沿截面的平均性提高，如图10所示，反应室炉膛温度高于电石反应所需的问题，且由于炉膛温度越高电石反应速度越快，单位时间单位容积的电石产量提高，有利于电石大规模生产，从而解决了过去工艺方法中热量分布不均、炉壁不耐高温磨蚀的问题，提高了电石反应速率，电石反应更为充分，保证了工艺运行的可靠性，更具有大规模工业应用的实际意义。

附图说明

图1为本发明电石反应器的结构示意图。

图2为图1的A-A示意图。

图3为图1的B-B示意图。

图4为图1的C-C示意图。

图5为反应室炉壁的局部结构示意图。

图6为电池石侧壁的局部结构示意图。

图7为电池石底部壁面的局部结构示意图。

图8为现有反应室有焰燃烧状态热量分布图。

图9为本发明反应室无焰燃烧状态热量分布图。

图10为反应室内有焰燃烧和无焰燃烧的截面平均温度分布图。

其中，1-急冷室、2-气化室、3-反应室、4-电石池5-第一进料口、6-出气口、7-第二进料口、8-氧烧嘴、9-开工点火烧嘴、10-氧烧嘴、11-出料口、12-金属外壳。

具体实施方式

电石反应器实施例：

参见图1-4，本发明电石反应器包括封闭式反应炉，所述封闭式反应炉由上部的急冷室1、中部的气化室2、下部的反应室3和底部的电石池4构成，所述急冷室1顶部设有出气口6、第一进料口5，侧壁设多个第二进料口7，所述第二进料口7的向下倾角为45-60°，多个第二个进料口7在同一截面正对均匀布置；所述气化室2内设开工点火组合烧嘴9和多个氧烧嘴8，所述多个氧烧嘴8沿圆周方向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°；所述反应室3内沿圆周方向均匀设有多个氧烧嘴10，所述多个氧烧嘴10径向对称布置，水平切向角为10-20°，向下倾角为10-30°，所述电石池4底部设有出料口11。

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，所述急冷室1和气化室2采用高铝砖和粘土耐火砖作为耐火衬里。急冷室和气化室侧壁壁面从热面到冷面依次为高铝砖层、粘土耐火砖层和金属外壳层；参见图5，反应室3侧壁壁面从热面到冷面依次为：氮化硅-碳化硅砖层3.1、铜冷却壁层3.2、填充物层3.3和金属外壳层12。

参见图6，所述电石池4侧壁壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层4.1（刚玉-莫来石砖或棕刚玉砖）、高铝砖4.2、粘土耐火砖层4.3和金属外壳层12；参见图7，电石池4底部壁面从热面到冷面依次为：陶瓷耐火材料层4.1（刚玉-莫来石砖或棕刚玉砖）、自焙炭砖层4.4、轻质炭砖层4.5、高铝砖层4.6、、耐热混凝土层4.7和金属外壳层12。

方法实施例：

原料重量比：煤粉：碳酸钙为2.2-3:1，第一进料口原料粒径为100-500μm，第二进料口原料粒径为0.1-100μm，且第一进料口的原料粒径为第二进料口原料粒径1-10倍。

将上述原料重量的的1/2-1/4由第一进料口5投入封闭式反应炉内，其余原料由第二进料口7投入封闭式反应炉内并沿壁面下行（该部分物料的载气温度为200-220 ^oC，为CO气体），控制进料速度为7-10m/s，碳酸钙在急冷室1内高温（900-1000^oC）下分解为氧化钙和CO₂，同时部分煤粉也与急冷室1内的CO₂发生吸热反应生成CO，避免在急冷室1内产生熔融的渣，堵塞气体通道。剩余部分煤粉和氧化钙在预热室1中与来自气化室2和反应室3的高温CO 和CO₂进行接触换热后一起下降进入气化室2（通过热交换原料被预热，CO被降温）；气化室2的氧烧嘴8喷入的氧和CO₂的混合气（控制混合气中含氧体积浓度大于85%，并且，还可加入少量惰性气体以达到调节室温的目的）与部分煤粉有焰氧化燃烧使气化室2温度达到1350-1450℃继续预热原料；经气化室2后的剩余部分煤粉和氧化钙继续下降至反应室3，在反应室3内剩余部分煤粉的一部分与由氧烧嘴10喷入氧和CO的混合气 (混合气中含氧体积浓度为10-15%，满足无焰氧化燃烧的条件）无焰氧化反应（即无焰燃烧）产生高温将原料进一步充分加热到1700-2000℃，通过控制氧烧嘴10的切向角度和向下倾角，以及混合气进入反应室3的速度为30-50m/s，使喷出的气体在反应室3内均匀混合，切向倾斜喷入的混合气还会对底部的电石池4产生搅拌效果，气化室3内无焰燃烧后产生的含固体颗粒物的气体沿壁面的上行速度小于等于6m/s, 避免对壁面严重磨损，产生的液态物质沿反应室向下流动的速度小于等于0.2m/s，实现熔融的渣在固态渣的表面流动，实现以渣抗渣的目的。加热至1700-2000℃余下部分的剩余部分煤粉则落入电石池4在高温下与氧化钙发生反应生成电石和CO，电石由出料口11出料，电石反应生成的CO和氧气与煤粉燃烧生成的CO₂一起上升至急冷室1，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6排出进入下游工序。由于反应室3为无焰氧化反应过程，反应室3及电石池4内氧几乎全部参于了无焰氧化燃烧反应，从而避免氧与炉壁碳砖中的碳发生反应，提高了电石反应器的使用寿命。

每1吨原料煤可生成的0.376吨电石，其纯度为65wt%，合成气量为1448升/kg。(煤的工业分析按水分M 1wt%， 挥发分V 4wt%，固定碳FC 85wt%，灰分A 10wt% 计算）

本发明反应器较现有反应器的反应室温度场分布更均匀合理，（见图8）保证了电石生成反应所需的起始反应温度，反应速率和电石纯度均得到了提高。

Claims (5)

1.一种无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法，将经研磨和干燥的含碳原料和含钙原料形成的混合物由进料口送入急冷室，同时部分含碳原料中的碳与急冷室内的CO₂发生吸热反应生成CO由出气口排出，剩余的含碳原料和含钙原料一起下降经气化室进一步预热后进入反应室，在反应室内碳、一氧化碳和纯氧反应的高温热量使剩余含碳原料和含钙原料温度达到电石反应温度，含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙在电石池内反应生成电石和CO，电石经出料口出料，CO经出气口排出，其特征在于，采用电石反应器，所述电石反应器包括封闭式反应炉，由上部的急冷室、中部的气化室、下部的反应室和底部的电石池构成，所述急冷室顶部设有出气口、第一进料口，侧壁设多个第二进料口，所述气化室内设开工点火组合烧嘴和氧烧嘴，所述反应室设有氧烧嘴，所述电石池底部设有出料口，所述气化室内有多个氧烧嘴，所述多个氧烧嘴沿圆周方向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°；控制通入反应室内的混合气体含氧体积浓度为10～15％，使氧与经过反应室的部分含碳原料发生无焰氧化反应使反应室温度达到1700-2000℃，含碳原料中的碳和含钙原料中的氧化钙在电石池和反应室内反应生成电石和CO。 

2.如权利要求1所述的无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述气化室的高温为1350-1450℃，由气化室的氧烧嘴喷入的氧含量为体积浓度85％以上混合气在气化室内与部分含碳原料进行有焰氧化燃烧维持，燃烧生成CO₂进入急冷室，所述混合气中除含有氧气外，还含有CO₂和/或惰性气体。 

3.如权利要求1所述的无焰氧化加热法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反应室的氧烧嘴喷入的氧与CO的混合气在反应室内与部分含碳原料进行无焰氧化燃烧维持，燃烧生成CO₂进入急冷室，所述混合气中的氧含量为体积浓度10-15％。 

4.如权利要求3所述的无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法，其特征在于，通过氧烧嘴喷出的混合气进入反应室的速度为30-50m/s，无焰氧化燃烧反应后形成含固体颗粒物的气体沿反应室壁面的流动速度小于等于6m/s,形成的液态物质沿反应室向下流动的速度小于等于0.2m/s。 

5.如权利要求1-4任一项所述的无焰氧化加热法制备电石和合成气的方法，其特征在于，所述含钙原料和含碳原料的混合物通过载气以7-10m/s的速度喷射进入急冷室，其中，由第一进料口喷入的混合物粒度为100-500μm，由第二进料口喷入的的混合物粒度为0.1-100μm，且第一进料口喷入的混合物粒度应大于第二进料口喷入的混合物粒度。 

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