CN103435041A - 一种生物质燃料生产电石的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物质燃料生产电石的方法及系统，该方法采用长条状的生物质燃料和粉末状含钙原料，通过含碳原料焦化后产生的挥发分与含氧气体燃烧为含钙原料供热，再由焦化生成的焦炭和含钙原料在1700～2100℃生产电石。所涉及的生产系统包括原料预热单元、固体混合单元和反应单元。反应单元中的反应器为循环流化床反应器，将未反应的固体原料重新收集，送入反应器中再次反应，提高了原料的利用率。与传统电石生产相比，本发明使用的生物质燃料，原料来源广、可再生、无污染、焦化温度低、生产能力大。本系统采用等离子点火温控装置，使反应器温度保持稳定，确保了反应的平稳进行。

Description

一种生物质燃料生产电石的方法及系统

技术领域：

本发明属于电石生产领域。具体地说，涉及通过带有等离子点火温控装置的预热器将长条状生物质燃料焦化，产生的挥发分和电石生产的副产物CO作为预热燃料，与辅助燃料含氧气体燃烧用于预热粉末状含钙原料，再将生物质燃料焦化后的固态碳和粉末状含钙原料混合，在带有等离子点火温控装置的循环流化床中反应生产电石的方法和系统。

背景技术：

碳化钙俗称电石（CaC₂），有“有机合成之母”之称。目前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。近年来由于石油价格高速上涨更加刺激了电石工业的发展，我国电石产量从2002年的425万吨增加到了2011年的1737.67万吨。

现代工业生产一般多采用电热法生产电石。电炉熔炼法是将焦炭与氧化钙（分子式CaO）置于2200℃左右的电炉中熔炼，生成碳化钙（分子式CaC₂）。生石灰和含碳原料(焦炭、无烟煤或石油焦)在电石炉内，依靠电弧高温熔化反应而生成电石。通过电炉上端的入口或管道将混合料加入电炉内，在开放或密闭的电炉中加热至2000℃左右，根据下式反应生成电石：CaO+3C→CaC₂+CO。熔化了的碳化钙从炉底取出后，经冷却、破碎后作为成品包装。但该生产方法的致命弱点是能耗非常高，而且污染严重。为了节约能源、降低成本并减轻对环境的污染，利用废物来降低原料成本是提高电热法电石生产效率的重要手段之一。2000年，中国专利（CNl313243A）提出采用褐煤、长焰煤和原煤来代替货源紧缺、价格昂贵的冶金焦炭为原料。

后来兴起的氧热法是集高炉富氧氧热法熔炼CaC₂（电石）、石灰石中提取炭、高温低压煤气发生炉于一体。此一炉三用工艺技术，使CaC₂生产综合利用了煤气化过程中的余热和煤灰，煤灰加配料熔融后生成CaC₂和提纯CaC₂时得到硅铁；“高温低压”煤气发生炉，使煤气产（发）生CaC₂，从石灰石中提取纯炭168kg左右，产生煤气（CO在55%～95%）6000～2600m³，可生产4.5吨左右的甲醇。富氧既提高炉温又提高了煤气的CO含量，氧气尤为一举两用，煤热能利用后的煤气，用于煤化工或清洁发电。此工艺为低能源消和低污染型的CaC2与煤气生产工艺。近年来，随着世界经济的快速发展，石油资源日益稀缺，电石乙炔法路线再次表现出价格优势。但是生产电石所用的含碳原料主要是煤之类的矿石，现今也出现了匮乏。故寻找一种替代煤的低能耗、可再生资源已经迫在眉睫。

此外，传统的生产电石的反应器为固定床，只能用于块状原料的反应，传热效果差，存在热点，热点处反应效率较低。并且传统固定床生产电石时能耗较大，原料利用率低。同时，电炉构造比较复杂，耗电量比较大，成本较高。传统大型工业锅炉采用的等离子点火装置只在装置启动时使用，当锅炉内温度降低时，点火装置不能二次点火使锅炉内温度恢复到正常。

电石的生产技术在世界范围内发展也是不平衡的。美国是最早工业化生产电石的国家.德国是世界上电石生产技术较为发达的国家。拥有世界上容量最大的电石炉；而对于大多数发展中国家来讲，电石生产技术还相当落后，就我国而言，虽然近年来有了很大的改善，但是电石产业依然表现出“高能耗、高投入、高污染、低综合产出”的状况。电石产业要健康发展必需进行技术革新，达到节能、降耗、减排的目标，实现资源的循环、高效、环保利用。

发明内容：

本发明旨在解决电石生产“高投入、高能耗、高污染”的问题，发明人将生物质燃料作为含碳原料生产电石，并将循环流化床反应器和等离子点火温控装置引入生产系统中，研制出了一种工艺简单、能耗小、原料来源广泛、成本低的电石生产方法及系统。

根据本发明的一方面，所述生物质燃料生产电石的方法就是将长条状生物质燃料焦化，产生的挥发分和电石生产的副产物CO作为预热燃料，与辅助燃料含氧气体燃烧用于预热粉末状含钙原料，再将生物质燃料焦化后的固态碳和粉末状含钙原料混合生产电石。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，所使用的生物质燃料长度为2～10mm，粉末状含钙原料的粒度小于1mm。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，步骤包括：（1）将长度为2～10mm的生物质燃料和粒度在1mm以下的含钙原料1:（0.9～1.1）的质量比分别置于两进料器中。长条状生物质燃料在280～500℃下进行焦化，焦化所得的挥发分和电石生产的副产物CO燃烧给含钙原料的预热供热。所述生物质燃料生产电石方法，长条状生物质燃料焦化后挥发分和电石生产副产物CO的燃烧可以使反应温度达到1750～1950℃，从而给含钙原料的预热供热；（2）将焦化所得的固态碳和含钙原料混合。混合后，通微量氧气或富氧气体使混合物温度达到1700～2100℃，反应0.1～10分钟，生成电石。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，生物质燃料为秸秆、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳及“三剩物”经过加工产生的生物质燃料，含钙原料为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙或电石渣或几种的混合。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，，生物质燃料与含钙原料的质量比为1:（0.9～1.1），最佳质量比1：0.92。

所述生物质燃料生产电石的方法，含氧气体为氧气、富氧空气或空气。

所述的生物质燃料生产电石的方法，焦化后固态碳和粉末状含钙原料混合后，预热至500～1500℃。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，，预热中所用预热燃料为生物质燃料焦化的挥发分和电石生产的副产物CO以及辅助燃料的燃烧，预热中所用的氧化剂为氧气或空气。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法，，预热燃料与空气的体积比例为1:（4～5）。预热不仅可以减少后续反应中生物质燃料的消耗，提高产物中的电石纯度，还可以降低反应的氧耗。预热中所用预热燃料包括生物质燃料焦化的挥发分和电石生产的副产物CO，辅助燃料包括气体燃料。生物质燃料的焦化产生的挥发性气体中含有部分可燃性物质，直接排空造成了能源的浪费。CO作为电石生产的副产物，其排空会导致空气污染，其化工利用设计深度脱硫和输送问题的成本高。本发明将这两部分气体作为预热燃料，既防止了空气的污染，又有效利用了能量，一举两得。

采用本发明一种生物质燃料生产电石的方法的系统，该系统包括原料预热单元、固体混合单元和反应单元，其中原料预热单元包含带有等离子点火温控装置的预热器，反应单元包含带有等离子点火温控系统的循环流化床反应器。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，原料预热单元包括两大部分：碳酸钙预热单元及生物质预热单元，其中碳酸钙预热单元包括：进料器一、带有等离子点火温控装置的碳酸钙预热器、换热器一和气体压缩装置一；生物质燃料预热单元包括：进料器二、带有等离子点火温控装置的生物质燃料预热器和换热器二；碳酸钙预热器设有固体物料入口一、固体物料出口一、气体入口一和气体出口一，进料器一的出口通过固体物料入口一与碳酸钙预热器相通，进料器六的出口通过固体物料入口六与碳酸钙预热器相通，换热器一通过气体出口一与碳酸钙预热器相通，气体压缩装置一通过气体入口一与碳酸钙预热器相通；生物质燃料预热器包括固体物料入口二、气体出口二和固体物料出口二，进料器二通过固体物料入口二与生物质燃料预热器相通，换热器二通过气体出口二与生物质预热器相通。固体混合单元包括进料器三、进料器四和固体物料混合器；固体物料混合器上设有固体物料入口三、固体物料入口四和固体物料出口三；进料器三的入口通过固体物料出口一与碳酸钙预热器相通，进料器四的入口通过固体物料出口二与生物质燃料预热器相通，固体物料入口三与进料器三的出口相通，固体物料入口四与进料器四的出口相通。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，反应单元包括进料器五、反应器、换热器三和气体压缩装置二；反应器上设有固体物料入口五、气体入口三、气体出口三和固体物料出口四；进料器五的入口与固体物料出口三相通，进料器五的出口通过固体物料入口五与反应器的相通，换热器三通过气体出口三与反应器相通，气体压缩装置二通过气体入口三与反应器相通；换热器一和换热器三的气体出口连接预热单元的气体压缩装置二。所述生物质燃料生产电石的系统，反应单元中的反应器为循环流化床反应器。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，循环流化床反应器和预热器均用等离子点火温控装置作为点火装置；当循环流化床反应器或预热器的温度降低时，点火装置会自动二次点火，使循环流化床反应器和预热器温度恢复正常。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，预热单元中的气体压缩装置一和反应单元中的气体压缩装置二上装有含氧气体入口。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，进料器为螺旋推料器、星型给料器、电磁振动进料器、内置生物质螺旋进料器、U型气动阀给料器或耐高温进料器。

本发明一种生物质燃料生产电石的系统，换热器为管式换热器、板式换热器或换热锅炉。

本发明一种生物质燃料生产电石的方法及系统，具有的优点：1、与传统电石生产方法相比，本发明的含碳原料选择了新型环保可再生能源——生物质燃料，原料来源广、无污染、利用率高、反应速率快、焦化温度低、生产能力大；生物质燃料不含硫磷，不腐蚀锅炉，可延长锅炉的使用寿命，企业将受益匪浅。由于生物质燃料不含硫磷，燃烧时不产生二氧化硫和五氧化二磷，因而不会导致酸雨产生，不污染大气，不污染环境。另外，生物质燃料清洁卫生，投料方便，减少工人的劳动强度，极大地改善了劳动环境，企业将减少用于劳动力方面的成本；2、生物质燃料焦化的挥发分和电石生产副产物CO燃烧供热，使得反应能耗降低，并提高了原料的利用率；3、本系统采用循环流化床反应器，可以将未反应的被气体带出反应器的固体原料重新收集，送入反应器中再次反应，提高了原料的利用率；4、本系统采用等离子点火温控装置代替传统点火方式，点火装置中附带温控装置，当反应器温度降低时，点火装置会自动二次点火，再次加热反应器，使反应器温度保持稳定，确保了反应的平稳进行。

附图说明：

图1是本发明一种生物质燃料生产电石的方法的示意图。

图2是本发明一种生物质燃料生产电石的系统的示意图——碳酸钙预热器与生物质燃料预热器并联连接。

图3是本发明一种生物质燃料生产电石的系统的示意图——碳酸钙预热器与生物质燃料预热器串联连接。

图中：11-进料器一，12-碳酸钙预热器，13-换热器一，14-气体压缩装置一，15-固体物料入口一，16-固体物料出口一，17-气体入口一，18-气体出口一，19-进料器六，10-固体物料入口六，21-进料器二，22-生物质燃料预热器，23-换热器二，24-固体物料入口二，25-气体出口二，26-固体物料出口二，27-固体物料出口三，31-进料器三，32-进料器四，33-固体物料混合器，34-固体物料入口三，35-固体物料入口四，36-固体物料出口四，41-进料器五，42-反应器，43-换热器三，44-气体压缩装置二，45-固体物料入口五，46-气体入口三，47-气体出口三，48-固体物料出口五。

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为本发明方法的步骤框图。将长度为2～10mm的生物质燃料和粒度在1mm以下的含钙原料1:（0.9～1.1）的质量比分别置于两进料器中。长条状生物质燃料在280～500℃下进行焦化，焦化所得的挥发分和电石生产的副产物CO燃烧给含钙原料的预热供热。将长度为2～10mm的生物质燃料A和粒度在1mm以下的含钙原料B，以1:（0.9～1.1）的质量比分别置于预热器1和预热器2中。长条状生物质燃料在预热器1中进行焦化，含钙原料在预热器2中进行预热。然后将焦化所得的固态碳和含钙原料在反应器3中混合反应，生成电石。

图2和图3为本发明一种生物质燃料生产电石的系统的步骤框图。

如图2所示，预计算出合适粒度下含钙原料和含碳原料的合适重量比，并以最佳质量比分别将其置于两进料器中。粉状碳酸钙通过进料器一11经固体物料入口一15送入碳酸钙预热器12，生物质燃料通过进料器二21经固体物料入口二24送入生物质燃料预热器22；含氧气体、预热单元中生物质燃料预热器22排出的气体和反应单元中循环流化床反应器42排出的气体由气体压缩装置一14送至预热单元中碳酸钙预热器12底部的气体入口；将碳酸钙加热至500-1500℃，使粉状碳酸钙热解为氧化钙；将生物质燃料加热至280～500℃，使生物质燃料热解为焦粉。生物质燃料预热后产生的高温气体从气体出口二25排出，通过换热器二23后通过体压缩装置一14送入碳酸钙预热器12底部的气体入口一，生物质和碳酸钙预热后形成的高温固体分别从固体物料出口二26和固体物料出口一16排出，经进料器三31，进料器四32送入固体物料混合器33，通过固体物料混合器33混合，经固体物料出口四36排出，并通过进料器五41经固体物料入口五45送至循环流化床反应器42，气体压缩装置二44将含氧气体通过气体入口三46通入循环流化床反应器42，部分焦粉和含氧气体在反应器42中混合燃烧，将物料加热至1700～2100℃形成电石。电石由反应器42底部的固体物料出口五48排出，气体产物由反应器42的气体出口三47排出进入换热器三43，换热后部分气体通过碳酸钙预热单元的气体压缩装置一14送至碳酸钙预热器12的底部，作为碳酸钙预热器12的燃料。

如图3所示，与图2所示的系统相比，将一小部分焦炭用于含钙原料的预热，可以减少燃料费用。预计算出合适粒度下含钙原料和含碳原料的合适重量比，并以最佳质量比分别将其置于两进料器中。

通过进料器二21将生物质燃料通过固体物料入口二24送入生物质燃料预热器22中，将生物质燃料加热至280～500℃，使其分解为焦炭；一部分焦炭从固体物料出口二26排出，通过进料器一11经固体物料入口一15送至碳酸钙预热器12中，另外一部分焦炭从固体物料出口三27排出，通过进料器四32送至固体物料混合器33中，生物质燃料预热器22产生的气体从气体出口二25排出，通过换热器二23后，和含氧气体一起通过气体压缩装置一14送至碳酸钙预热器12底部的气体入口一17；石灰石通过进料器六19经固体物料入口六10送至碳酸钙预热器12中，焦粉在碳酸钙预热器12中燃烧，将石灰石加热至500～1500℃，使石灰石分解为氧化钙；氧化钙从固体物料出口一16排出，通过进料器三31送至固体物料混合器33中，与焦炭充分混合后，通过进料器五41经固体物料入口五45送入循环流化床反应器42中；少量氧气通过气体压缩装置二44经气体入口三46送入循环流化床反应器42；部分焦炭燃烧将物料加热至1700～2100℃，生成的电石通过固体物料出口五48排出；产生的气体从气体出口三47排出，通过换热器三43后，通过气体压缩装置一14送至碳酸钙预热器12的底部，作为碳酸钙预热器12的燃料。

Claims (10)

1.一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：将长条状生物质燃料焦化，产生的挥发分和电石生产的副产物CO作为预热燃料，与辅助燃料含氧气体燃烧用于预热粉末状含钙原料，再将生物质燃料焦化后的固态碳和粉末状含钙原料混合生产电石。

2.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：将长度在2～10mm的生物质燃料和粒度在1mm以下的含钙原料，以1:（0.9～1.1）的质量比分别置于两进料器中；长条状生物质燃料在280～500℃下进行焦化，焦化所得的挥发分和电石生产的副产物CO燃烧可以使反应温度达到1750～1950℃，从而给含钙原料的预热供热；然后，将焦化所得的固态碳和含钙原料混合；混合后，通微量氧气或富氧气体使混合物温度达到1700～2100℃，反应0.1～10分钟，生成电石。

3.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：所述的生物质燃料为秸秆、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳及“三剩物”经过加工产生的生物质燃料，所述的粉末状含钙原料为碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙或电石渣或几种的混合。

4.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：所述辅助燃料含氧气体为氧气、富氧空气或空气。

5.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：所述焦化后固态碳和粉末含钙原料混合后，预热至500-1500℃。

6.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：所述的预热燃料为生物质燃料焦化的挥发分和电石生产的副产物CO以及辅助燃料，预热中所用的氧化剂为氧气或空气。

7.根据权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法，其特征在于：所述的预热燃料与空气的体积比例为1:（4～5）。

8.采用权利要求1所述的一种生物质燃料生产电石的方法的系统，其特征在于：包括原料预热单元、固体混合单元和反应单元，其中原料预热单元包含带有等离子点火温控装置的预热器，反应单元包含带有等离子点火温控系统的循环流化床反应器；原料预热单元包括两大部分：碳酸钙预热单元及生物质预热单元，其中碳酸钙预热单元包括：进料器一、带有等离子点火温控装置的碳酸钙预热器、换热器一和气体压缩装置一；生物质燃料预热单元包括：进料器二、带有等离子点火温控装置的生物质燃料预热器和换热器二；碳酸钙预热器设有固体物料入口一、固体物料出口一、气体入口一和气体出口一，进料器一的出口通过固体物料入口一与碳酸钙预热器相通，进料器六的出口通过固体物料入口六与碳酸钙预热器相通，换热器一通过气体出口一与碳酸钙预热器相通，气体压缩装置一通过气体入口一与碳酸钙预热器相通；生物质燃料预热器包括固体物料入口二、气体出口二和固体物料出口二，进料器二通过固体物料入口二与生物质燃料预热器相通，换热器二通过气体出口二与生物质预热器相通；固体混合单元包括进料器三、进料器四和固体物料混合器；固体物料混合器上设有固体物料入口三、固体物料入口四和固体物料出口三；进料器三的入口通过固体物料出口一与碳酸钙预热器相通，进料器四的入口通过固体物料出口二与生物质燃料预热器相通，固体物料入口三与进料器三的出口相通，固体物料入口四与进料器四的出口相通；反应单元包括：进料器五、反应器、换热器三和气体压缩装置二；反应器上设有固体物料入口五、气体入口三、气体出口三和固体物料出口四；进料器五的入口与固体物料出口三相通，进料器五的出口通过固体物料入口五与反应器的相通，换热器三通过气体出口三与反应器相通，气体压缩装置二通过气体入口三与反应器相通；换热器一和换热器三的气体出口连接预热单元的气体压缩装置二。

9.根据权利要求8所述的生物质燃料生产电石的系统，其特征在于：所述的反应单元中的反应器为循环流化床反应器。

10.根据权利要求8所述的生物质燃料生产电石的系统，其特征在于：所述的循环流化床反应器和预热器均用等离子点火温控装置作为点火装置，当循环流化床反应器或预热器的温度降低时，点火装置会自动二次点火。

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