CN108249440A - 一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺 - Google Patents

一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺 Download PDF

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李勇
刘振宇
刘清雅
屈新
屈一新
马立全
杨琦武
孙高奎
王振华
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Abstract

本发明提供了一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺，包括炉体，炉体内分为气相区、密相区、稀相区和反应区；炉体的顶部设有进料口，炉体侧壁上设有出气口，出气口连接焦油分离器；密相区内设有搅拌装置和物料分布装置，搅拌装置包括搅拌杆和搅拌器，搅拌器的上端与搅拌杆固定连接，搅拌杆的上端转动设置在炉体的顶部；反应区的炉体底部设有出料口，炉体侧壁上设有若干个氧气喷枪；密相区、稀相区和反应区所在的炉体侧壁上均设置有耐火层。本发明将块状原料改为粉料成球后进料，由于碳素原料与氧气、碳素原料与钙质原料接触充分，大大缩短了反应时间，提高反应效率，加快传质传热的同时，也有利于提高电石炉的综合热效率，达到节能目的。

Description

一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺
技术领域
本发明属于电石生产技术领域，尤其是涉及一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺。
背景技术
根据供热方式的不同，电石的生产方法可划分为两大类：一类是使用电能供热的传统工艺电弧炉熔炼法，另一类是通过燃烧供热的新工艺氧热法。电弧炉熔炼法电石早在六十年代初期便广泛应用于工业生产，工艺非常成熟，而氧热法则是人们近些年来提出的新思路新工艺，尚未成熟，目前还未能在工业推广应用。
传统的电弧法电石生产工艺是采用固定床电弧法，利用电弧产生的热能使焦炭与氧化钙在约2000℃温度条件下停留一段时间而生产熔融态电石。电弧法采用高品位的电能加热，存在“高能耗、高投入、高污染、低产能”的弊端，关键原因是块状原料间的反应主要受热能传递过程控制，电能有效利用率仅为40％～60％，能量损耗严重。而且电弧法生产电石受电极布置、电极极间热量分布，以及把持器导电元件布置等方面的制约，其单台炉生产规模不会很大，对大型电石装置的占地和投资都存在局限性。基于上述电弧法工艺存在的缺陷和不足，借鉴煤燃烧和煤气化技术的发展理念，从强化原料间的传递和提高过程的热效率角度出发，提出了用粉状原料取代块状原料、用氧热法替代电弧法生产电石的新思路。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种新型密闭电石炉及生产电石的工艺，与传统电石炉相比，从原料形态、供热方式、产品分布等均有重大改变，块状原料改为粉料成球后进料，由于碳素原料与氧气、碳素原料与钙质原料接触充分，大大缩短了反应时间，提高反应效率，加快传质传热的同时，也有利于提高电石炉的综合热效率，达到节能目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种新型密闭电石炉，包括炉体，炉体内从上到下依次分为气相区、密相区、稀相区和反应区；
位于气相区的炉体的顶部设有进料口，炉体侧壁上设有出气口，出气口通过管道与焦油分离器连接；
密相区内设有搅拌装置和物料分布装置，搅拌装置的下端与物料分布装置之间有间隔，搅拌装置包括搅拌杆和搅拌器，搅拌器为锥形且开口向下，搅拌器的上端与搅拌杆固定连接，搅拌杆的上端转动设置在炉体的顶部；
反应区的炉体底部设有出料口，炉体侧壁上设有若干个氧气喷枪；
密相区、稀相区和反应区所在的炉体侧壁上均设置有耐火层。
进一步的，所述物料分布装置为水平固定设置在密相区的分布板，分布板上设置有若干下料孔。
进一步的，所述搅拌杆的上端与安装轴转动连接，搅拌杆上端周向上设有齿，炉体的顶部还设有驱动电机，驱动电机的转动轴上连接有齿轮，齿轮与搅拌杆上的齿啮合。
进一步的，所述搅拌器的下端直径小于密相区所在炉体的内径。
进一步的，所述密相区的高度为2-4m。
进一步的，所述稀相区高度为10-15m。
进一步的，所述氧气喷枪为3个，沿炉体侧壁周向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°。
本发明还提供了新型密闭电石炉生产电石的工艺，包括如下工艺：
气相区：将5～25mm粒度的碳素原料和30～50mm钙质原料按照质量比为3-6：1混合，加入粘结剂，粘结剂与钙质原料的质量比为0.2-1：1，
将含有碳素原料、钙质原料和粘结剂混合后压制成10～60mm直径的球状原料，从进料口通入炉体；
密相区：
球状原料经过气相区进入密相区进行缓存，在密相区球状原料与反应区电石反应生成的高温电石炉气进行热交换，球状原料中的大部分水分在密相区经电石炉气加热后蒸发至气相区；碳素原料的轻组分将被蒸出产焦油；球状原料温度预热至约500-600℃，电石炉气降温至300-500℃，然后经过搅拌装置和物料分布装置后输送至稀相区；
稀相区：
球状原料在稀相区下落过程中与高温的电石炉气再次进行热交换，球状原料中剩余水分发生水煤气反应，产生CO及H2；碳素原料中的挥发组分发生裂解反应，产生不凝气及焦油组分；钙质原料发生分解反应产生电石反应的原料氧化钙；球状原料预热至1000-1200℃，电石炉气降温至900-1000℃；
反应区：
经过稀相区再次预热后的球状原料在氧气环境中发生燃烧反应及电石反应，碳素原料与氧气接触发生燃烧反应放出大量热量，在燃烧反应的高温氛围下碳素原料与钙质原料发生电石反应，反应温度为2000-2200℃，产生的电石从出料口排出炉体，燃烧反应产生的高温炉气及电石反应产生的高温电石炉气随即进入稀相区，经稀相区降温至800-1000℃进入密相区预热原料，最后温度降至300-500℃从出气口进入焦油分离器。
进一步的，所述粘结剂为水。
碳素原料：焦炭、无烟煤或煤粉；钙质原料：石灰石、石灰或电石渣。
相对于现有技术，本发明所述的新型密闭电石炉及生产电石的工艺具有以下优势：
本发明所述的新型密闭电石炉及生产电石的工艺，
(1)本发明利用碳素原料燃烧反应的热量使电石反应和球状原料预热集成为一体，工艺优化致使热量充分利用、热损失小，系统节能；
(2)进料原料为球状原料，球状原料是由压球机将混合均匀的碳素粉料及钙质粉料压球而成，本发明将碳素粉料和钙质粉料预混造粒，强化了二者的接触和扩散，显著加快反应速率、提高生产效率；
(3)本发明电石炉副产的CO量大，CO既包括碳素原料燃烧产生的CO，又包括电石反应生成的CO，便于规模化利用；
(4)本发明电石炉设置了密相区，密相区功能包括球状原料预热及控制反应区进料速率，密相区的设置可以最大程度地利用炉气热量、降低炉气出炉温度，达到节能目的，密相区的搅拌装置和物料分布装置的设置可以很好地控制反应区进料速率，对维持反应区稳定起到至关重要的作用。
附图说明
图1为本发明实施例所述的新型密闭电石炉的简单结构示意图。
附图标记说明：
1-气相区；2-密相区；3-稀相区；4-反应区；5-进料口；6-出气口；7-焦油分离器；8-搅拌杆；9-搅拌器；10-出料口；11-氧气喷枪；12-耐火层；13-分布板；14-下料孔；15-安装轴；16-驱动电机；17-球状原料。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图1来详细说明本发明。
一种新型密闭电石炉，包括炉体，炉体内从上到下依次分为气相区1、密相区2、稀相区3和反应区4；
位于气相区1的炉体的顶部设有进料口5，炉体侧壁上设有出气口6，出气口6通过管道与焦油分离器7连接；
密相区2内设有搅拌装置和物料分布装置，搅拌装置的下端与物料分布装置之间有间隔，搅拌装置包括搅拌杆8和搅拌器9，搅拌器9为锥形且开口向下，搅拌器9的上端与搅拌杆8固定连接，搅拌杆8的上端转动设置在炉体的顶部；
反应区4的炉体底部设有出料口10，炉体侧壁上设有若干个氧气喷枪11；
密相区2、稀相区3和反应区4所在的炉体侧壁上均设置有耐火层12。
上述物料分布装置为水平固定设置在密相区2的分布板13，分布板13上设置有若干下料孔14。
上述搅拌杆8的上端与安装轴15转动连接，搅拌杆8上端周向上设有齿，炉体的顶部还设有驱动电机16，驱动电机16的转动轴上连接有齿轮，齿轮与搅拌杆8上的齿啮合。
上述搅拌器9的下端直径小于密相区2所在炉体的内径。
上述密相区2的高度为2-4m。
上述稀相区3高度为10-15m。
上述氧气喷枪11为3个，沿炉体侧壁周向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°。
碳素原料：焦炭、无烟煤或煤粉；钙质原料：石灰石、石灰或电石渣。
实施例1：
将粒度为25mm的碳素原料及粒度为40mm的钙质原料(氧化钙的质量分数为90％)经磨粉机制成1mm原料粉末，两种粉末按质量比5:1进料，并加入粘结剂水，水与钙质原料的比例为0.5：1，含有碳素原料、钙质原料及水的原料经压球机压制成35mm直径的球状原料，从进料口5通入炉体。
气相区1、密相区2、稀相区3和反应区4有效高度可以分别控制在3.5m、3m、13m和5m，其目的主要保证以下几个方面：(1)反应生成的气体与原料充分换热，控制气相区1出口气体温度小于500℃；(2)稀相区3入炉物料与反应区4上升气体充分换热，控制稀相区3出口气体温度小于1000℃；(3)保证反应区4有足够的反应空间和产品停留时间，以满足每隔30-60分钟出炉一次。
经采用分布板13，不仅可以利用电石反应生产的高温气体预热球状原料，起到干燥原料，达到球状原料预处理的作用，可以节能10-15％；而且通过搅拌装置在驱动电机16的转速控制下料量，使物料在稀相区3与部分氧气充分接触燃烧升温，当达到反应区4时，短时间内可以生产产品电石，与直接堆积反应相比，其优点在于提高了反应速度和电石炉的透气性，更加有利用电石生成，也有利于电石产品的出料。
实施例2
将粒度为25mm的碳素原料及粒度为40mm的钙质原料(氧化钙的质量分数为90％)经磨粉机制成1mm的原料粉末，两种粉末按质量比5:1进料，并加入粘结剂水，水与钙质原料的比例为0.2：1，含有碳素原料、钙质原料及水的原料经压球机压制成35mm直径的球状原料，从进料口5通入炉体。
气相区1、密相区2、稀相区3和反应区4有效高度可以分别控制在3m、3.8m、14m和5m，其目的主要保证以下几个方面：(1)反应生成的气体与原料充分换热，控制气相区1出口气体温度小于500℃；(2)稀相区3入炉物料与反应区4上升气体充分换热，控制稀相区3出口气体温度小于1000℃；(3)保证反应区4有足够的反应空间和产品停留时间，以满足每隔30-60分钟出炉一次。
经采用分布板13，不仅可以利用电石反应生产的高温气体预热球状原料，起到干燥原料或将Ca(OH)2分解为CaO和H2O，达到球状原料预处理的作用，可以节能15-20％；而且通过搅拌装置在驱动电机16的转速控制下料量，使物料在稀相区3与部分氧气充分接触燃烧升温，当达到反应区4时，短时间内可以生产产品电石，与直接堆积反应相比，其优点在于提高了反应速度和电石炉的透气性，更加有利用电石生成，也有利于电石产品的出料。
实施例3
将粒度为25mm的碳素原料及粒度为40mm的钙质原料(氧化钙的质量分数为90％)经磨粉机制成1mm的原料粉末，两种粉末按质量比3.5:1进料，并加入粘结剂水，水与钙质原料的比例为1：1，含有碳素原料、钙质原料及水的原料经压球机压制成35mm直径的球状原料，从进料口5通入炉体。
气相区1、密相区2、稀相区3和反应区4有效高度可以分别控制在3.5m、5m、14m和5m，其目的主要保证以下几个方面：(1)反应生成的气体与原料充分换热，控制气相区1出口气体温度小于500℃；(2)稀相区3入炉物料与反应区4上升气体充分换热，控制稀相区3出口气体温度小于1000℃；(3)保证反应区4有足够的反应空间和产品停留时间，以满足每隔30-60分钟出炉一次。
经采用分布板13，不仅可以利用电石反应生产的高温气体预热球状原料，起到干燥原料，或将Ca(OH)2分解为CaO和H2O，达到球状原料预处理的作用，可以节能15-20％；而且通过搅拌装置在驱动电机16的转速控制下料量，使物料在稀相区3与部分氧气充分接触燃烧升温，当达到反应区4时，短时间内可以生产产品电石，与直接堆积反应相比，其优点在于提高了反应速度和电石炉的透气性，更加有利用电石生成，也有利于电石产品的出料。
综上所述，本发明的密闭电石炉与传统电石炉相比，从原料形态、供热方式、产品分布等均有重大改变。
块状原料改为粉料成球后进料，由于碳素原料与氧气、碳素原料与钙质原料接触充分，大大缩短了反应时间，提高反应效率；加快传质传热的同时，也有利于提高电石炉的综合热效率，达到节能目的。
我国电石生产的电能基本全部为煤电，由煤到电的效率不到40％，因此电石生产总体能耗基本是电耗的2.5倍以上。传统电热法与氧热法制备电石的工艺主要差异在于电热法消耗大量电能，而氧热法消耗相对多的煤以自热方式进行化学反应，另外氧热法要消耗大量富氧气体。相同煤处理量，电热法较氧热法可以得到更多的电石产品；但氧热法炉气量大，主要是纯度较高的CO，也可以作为产品。进行综合能耗评价，氧热法较电热法能耗低50％以上。
另外，本发明的电石炉富产炉气，为传统电石炉的10倍以上，便于规模化利用。本发明是将电石生产与煤气化整合为一体的全新生产工艺。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型密闭电石炉，其特征在于：包括炉体，炉体内从上到下依次分为气相区(1)、密相区(2)、稀相区(3)和反应区(4)；
位于气相区(1)的炉体的顶部设有进料口(5)，炉体侧壁上设有出气口(6)，出气口(6)通过管道与焦油分离器(7)连接；
密相区(2)内设有搅拌装置和物料分布装置，搅拌装置的下端与物料分布装置之间有间隔，搅拌装置包括搅拌杆(8)和搅拌器(9)，搅拌器(9)为锥形且开口向下，搅拌器(9)的上端与搅拌杆(8)固定连接，搅拌杆(8)的上端转动设置在炉体的顶部；
反应区(4)的炉体底部设有出料口(10)，炉体侧壁上设有若干个氧气喷枪(11)；
密相区(2)、稀相区(3)和反应区(4)所在的炉体侧壁上均设置有耐火层(12)。
2.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：物料分布装置为水平固定设置在密相区(2)的分布板(13)，分布板(13)上设置有若干下料孔(14)。
3.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：搅拌杆(8)的上端与安装轴(15)转动连接，搅拌杆(8)上端周向上设有齿，炉体的顶部还设有驱动电机(16)，驱动电机(16)的转动轴上连接有齿轮，齿轮与搅拌杆(8)上的齿啮合。
4.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：搅拌器(9)的下端直径小于密相区(2)所在炉体的内径。
5.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：密相区(2)的高度为2-4m。
6.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：稀相区(3)高度为10-15m。
7.根据权利要求1所述的新型密闭电石炉，其特征在于：氧气喷枪(11)为3个，沿炉体侧壁周向均匀分布且径向正对，向下倾角为10-30°。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的新型密闭电石炉生产电石的工艺，其特征在于：包括如下工艺：
气相区(1)：将5～25mm粒度的碳素原料和30～50mm钙质原料按照质量比为3-6：1混合，加入粘结剂，粘结剂与钙质原料的质量比为0.2-1：1，
将含有碳素原料、钙质原料和粘结剂混合后压制成10～60mm直径的球状原料(17)，从进料口(5)通入炉体；
密相区(2)：
球状原料(17)经过气相区(1)进入密相区(2)进行缓存，在密相区(2)球状原料(17)与反应区(4)电石反应生成的高温电石炉气进行热交换，球状原料(17)中的大部分水分在密相区(2)经电石炉气加热后蒸发至气相区(1)；碳素原料的轻组分将被蒸出产焦油；球状原料(17)温度预热至约500-600℃，电石炉气降温至300-500℃，然后经过搅拌装置和物料分布装置后输送至稀相区(3)；
稀相区(3)：
球状原料(17)在稀相区(3)下落过程中与高温的电石炉气再次进行热交换，球状原料(17)中剩余水分发生水煤气反应，产生CO及H2；碳素原料中的挥发组分发生裂解反应，产生不凝气及焦油组分；钙质原料发生分解反应产生电石反应的原料氧化钙；球状原料(17)预热至1000-1200℃，电石炉气降温至900-1000℃；
反应区(4)：
经过稀相区(3)再次预热后的球状原料(17)在氧气环境中发生燃烧反应及电石反应，碳素原料与氧气接触发生燃烧反应放出大量热量，在燃烧反应的高温氛围下碳素原料与钙质原料发生电石反应，反应温度为2000-2200℃，产生的电石从出料口(10)排出炉体，燃烧反应产生的高温炉气及电石反应产生的高温电石炉气随即进入稀相区(3)，经稀相区(3)降温至800-1000℃进入密相区(2)预热原料，最后温度降至300-500℃从出气口(6)进入焦油分离器(7)。
9.根据权利要求8所述的新型密闭电石炉生产电石的工艺，其特征在于：粘结剂为水。
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