CN111874908A - 加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，包括电石气化炉，电石气化炉炉体炉体腰部以上为第一炉体，腰部以下为第二炉体，第一炉体顶部为锥台体结构，锥台体结构中部纵向设置截面为双曲线型的布料筒，布料筒与所述锥台体结构内壁之间的空腔形成环形集气室，集气室底部与第一炉体的炉腔相连通，集气室顶部设置有用于向炉体外部输出电石炉煤气的集气室出口；若干个氧气喷嘴环绕布置于炉体腰部，第二炉体内部为用于容置液态电石的炉缸，第二炉体中部设置电石出口，第二炉体底部设置重质电石出口。本发明可实现电石生产的全密闭安全操作、降低原材料和动力消耗、降低碳排放改善环境的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电石生产技术领域，具体而言，是一种加压移动床电石煤气一体化生产设备。
背景技术
电石的主要成分是碳化钙（CaC2），其后续工艺很多，被称为“有机合成之母”。电石乙炔化工是煤化工最重要的一个分支，主要下游产品有聚氯乙烯、聚乙烯、BDO、醋酸乙烯等。
根据中国氯碱工业协会的统计资料，2019年我国电石产品产量为2795万吨。聚氯乙烯产量为2011万吨，其中电石乙炔法占比为81.3%，消费电石约2150万吨,占电石总消费量的83%。
工业上采用电弧法生产电石已经有至少120年的历史。近年来，虽然有多所大学、科研机构和工业企业探索采用氧热法生产电石的工艺技术，但迄今为止都没有取得真正突破，电弧法仍然是目前唯一的工业化电石生产路线。
电弧法电石生产炉型的缺点是明显的。首先，工艺能耗水平高，能源利用效率非常低。一般来讲，目前比较先进的密闭电石炉工艺电耗约为3150kwh，热能利用率约为20%。其次，本质安全性能较低。目前广泛使用的密闭电石炉实际上并不完全密闭，常压操作经常发生炉气外漏或是空气吸入、电极冷却水泄漏、物料表面结盖、电极软硬断等异常工况，处理过程中稍有不慎就可引起爆炸、喷炉、中毒、烧伤事故，且一般是大面积事故。第三，产品质量不宜控制。电弧法电石生产由于采用三点加热炉温不均，电石产品中一般未反应氧化钙在12%以上，导致电石产品CaC2含量只能达到80%左右，不仅阻碍了电石产品质量提升，也导致氧化钙原料的浪费。第四，生产作业环境差。由于电石炉不密封，大量的粉尘外泄，和电石炉煤气泄漏导致作业环境污染严重。
因此，研究开发一种全新的、革命性的电石冶炼炉成为广大科研工作者和工程技术人员的共同愿望。
上世纪50年代后期，美国、德国、荷兰、朝鲜等国家先后做过氧热法制电石的试验研究和中试。如前联邦德国的巴登苯胺纯碱公司（现在的巴斯夫公司）在 1950～1958 年间开发了以焦炭为燃料的氧热法电石工艺并进行了中试，此后，美国、荷兰和朝鲜等国家也进行了氧热法电石生产技术的中试，取得了一定进展，但都没有实现正真的产业化。近年来，随着石油价格的攀升及高温煤气化技术（氧热、熔融态排渣）的发展，氧热法电石生产技术重新得到了国内外的关注。
目前国内外试验研究的结果尽管都认为节能效果显著，但是，由于炉型设计和工程化过程存在的问题非常严重，至今都没有得到工业推广应用。主要问题表现在，第一，装置能量利用不合理，原料消耗（主要是碳材）过大。第二，电石产品质量达不到工业品等级要求。第三，试验装置安全性差，个别国内外试验装置试车过程发生了严重的事故。第四，电石炉尾气产品未能很好利用。因此，这些试验研究成果仅取得阶段性结论，从产品质量、综合成本和系统安全性角度评价，试验结果还不能应用于工业生产，这也是国内外氧热法电石生产技术研究60余年仍得不到规模应用的原因。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，至少达到电石生产的全密闭安全操作、降低原材料和动力消耗、降低碳排放改善环境的目的。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，包括电石气化炉，所述电石气化炉包括炉体，炉体为具有内腔体的立式压力容器，炉体腰部以上为第一炉体，腰部以下为第二炉体；
所述第一炉体顶部为锥台体结构，锥台体结构中部纵向设置截面为双曲线型的布料筒，布料筒顶部开口为进料端，布料筒底部与第一炉体的炉腔相通；布料筒与所述锥台体结构内壁之间的空腔形成环形集气室，集气室底部与第一炉体的炉腔相连通，集气室顶部设置有用于向炉体外部输出电石炉煤气的集气室出口；
若干个氧气喷嘴环绕布置于炉体腰部，第二炉体内部为用于容置液态电石的炉缸，第二炉体中部设置电石出口，第二炉体底部设置重质电石出口。
进一步地，所述第一炉体的炉壁外侧设置有水冷夹套。
进一步地，所述锥台体结构的腰部向外侧凸出、两端向内收缩，集气室内设置有倾斜折流隔板。
进一步地，所述氧气喷嘴的喷射端外围设置有双程水冷通道。
进一步地，所述的氧气喷嘴呈四角切圆形态布置于炉体腰部。
进一步地，所述的电石出口和重质电石出口均采用装配式结构，包括中心套管结构、中间结构和外层结构；所述中心套管结构采用氧化锆耐火材料制成且中部开设有出料通道，中心套管结构前段设置于第二炉体内壁处，中心套管结构中后段贯穿中间结构和外层结构；所述中间结构采用水冷壁，中间结构设置于中心套管前段与外层结构之间；外层结构采用隔热材料制成，外层设置于第二炉体外壁上。
进一步地，电石气化炉顶部进料端连接料仓，集气室出口端连接旋风除尘装置，旋风除尘装置连接洗涤热回收装置。
进一步地，料仓与电石气化炉之间设置有通过液压程控装置控制的双进口定量料锁。
进一步地，还包括用于向料仓输入反应原料的斗提机。
进一步地，布料筒与炉体容积比0.1-0.25；集气室与炉体容积比0.10-0.35。
本发明中，电石气化炉炉内过程主要包括物料的进料、干燥、热解、反应、熔融、出料等工序，是实现集成氧热法电石煤气联合生产技术中的主体设备。电石气化炉采用特殊炉型设计，使得传质更顺畅、传热更合理，布料筒和集气室设计保证了布料均匀、出炉煤气含尘量大幅度下降。加压设计使得出料更为顺畅、操作更为安全、作业场所环境大幅改善。炉底排杂结构设计大幅降低电石产品杂质含量，保证了电石品质。冷壁设计和能量梯级回收系统使得系统能效更高。氧气烧嘴冷却和进气方式设计使得烧嘴使用寿命更长、炉内温度场更均匀、炉内等温线分布更合理。组合式出料口设计延长了使用寿命。
本发明的结构和工作原理完全不同于现有的密闭电石炉，采用本发明提供的设备可降低电石生产成本，改善装置的本质安全性和作业环境，提高系统热能利用效率，降低系统碳排放，有效保证电石产品品质。与传统“电弧法电石+煤气化”工艺相比，该设备与化工合成系统耦合总体能量利用率达到55%以上和物料消耗下降20%，系统碳排放降低30%，固废排放降低70%，废水排放降低60%以上。
附图说明
此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明提供的电石气化炉的结构示意图。
图2为氧气喷嘴的结构示意图。
图3为氧气喷嘴在炉体上的布置示意图。
图4为电石出口的的结构示意图。
图5为重质电石出口的结构示意图。
图6为本发明提供的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备的立面布置示意图。
图中，1-第一炉体，2-第二炉体，3-布料筒，4-集气室，5-集气室出口，6-氧气喷嘴，7-炉缸，8-电石出口，9-重质电石出口，10-水冷夹套，11-倾斜折流隔板，12-料仓，13-旋风除尘装置，14-洗涤热回收装置，15-中心套管结构，16-中间结构，17-外层结构，18-定量料锁，19-双程水冷通道，20-视镜结构，21-中间结构水冷管，22-电石出炉机，23-电石锅，24-膨胀节。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1，本发明一种典型的实施方式提供的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，包括电石气化炉，所述电石气化炉包括炉体，炉体为具有内腔体的立式压力容器，炉体腰部以上为第一炉体1，腰部以下为第二炉体2。
所述第一炉体1顶部为锥台体结构，锥台体结构中部纵向设置截面为双曲线型的布料筒3，布料筒3顶部开口为进料端，进料端与料仓直接或间接相连，布料筒3底部与第一炉体1的炉腔相通；布料筒3与所述锥台体结构内壁之间的空腔形成环形集气室4，集气室4底部与第一炉体1的炉腔相连通，集气室4顶部设置有用于向炉体1外部输出电石炉煤气的集气室出口5。
若干个氧气喷嘴6环绕布置于炉体腰部，第二炉体2内部为用于容置液态电石的炉缸7，第二炉体2中部设置电石出口8，电石出口向上倾斜5-10°；第二炉体2底部设置重质电石出口9。
在以上实施方式中，所述炉体选用瘦高型压力容器，炉体采用绝热耐火内衬设计，满料、加压（≧0.2MPa）、纯氧（99.6%）操作，运行压力为0.15-0.35MPa，炉内最高运行温度1800-2200℃。顶部降尘（出炉煤气尘含量≦70g/m3），底部排杂保证产品质量（CaC2含量≧80%），具有充分的碳减排和热回收等技术。
炉体采用绝热耐火内衬设计，炉体外部结构为立式圆柱型，底部支撑在钢制裙座上面，顶部设置膨胀节24。炉体内部采用隔热涂层和多层复合隔热保温材料，内部结构综合了高炉和固定床气化炉结构，高径比3.5-4.5、炉缸7深径比1.0-1.5，炉缸7物料下落速度小于0.7m/s，以适应物料反应后生成电石液体体积缩小，电石出炉周期1小时、排杂出炉周期8小时。生成的气体随着向上不断溢出，随炉体高度上升气体流速成线性下降进入集气室4，集气室4用于集气降尘，集气室入口气体流速≦2.0m/s、集气室气体流速≦0.5m/s。
炉体喉肩部设置双曲线型布料筒3，优选地，布料筒与炉体容积比0.1-0.25，加入炉体的物料通过双曲线型布料筒3使物料流动顺畅，能够均匀缓慢连续给炉体加料，保证炉体满料操作，布料筒出口物料下落速度≦4.5m/h。同时在布料筒3外侧为电石炉煤气出炉前留出集气室4，兼顾均匀布料和煤气集气降尘。
炉缸7部位采用重质分层排杂提质设计，将电石炉体设计成双出口，合格电石液（CaC2含量82%以上）从上部电石出口8向上倾斜5-10°排出，保证了电石发气量稳定在280L/kg（国标GB10665-2004一等品）以上。杂质含量高的重质电石（约占电石产品的5-10%）从下部重质电石出口9排出形成另一种产品（高硅电石）。
来自备料单元的兰炭、石灰混合料从炉体进入布料筒3，进入炉体的物料与设置在炉腰部位的氧气烧嘴6高速喷入的预热氧气与高温兰炭发生反应生成的高热气体发生逆流反应和换热，经干燥、热解、还原、反应逐步升高温度到1800-2200 ℃熔融落入液态电石炉缸7内，熔融的液态电石通过设置在炉缸7下部的重质电石出口9周期性排出约5-10%的重质电石，以保证炉缸中部电石出口8排出90-95%的电石产品含CaC2保持在82%以上。进入炉体的兰炭原料含水量在10%以下时，不需要单独的外设烘干，可直接采用炉内干燥，节省了炉外烘干的设备和能量输入。
在一种优选的实施方式中，第一炉体采用冷壁设计，所述第一炉体1的炉壁外侧设置有水冷夹套10。本实施方式中，采用水冷夹套10进行降温是除炉体绝热耐火设计外，另加炉外水冷夹套10副产低压蒸汽，一方面保护炉体外壁避免高温，另一方面副产低压蒸汽回收热量。进一步地，水冷夹套底部可设置风冷。
炉体下部采用蝶形封头结构内设多层整体成型耐火料加多层隔热层，优化了炉底等温线分布。
在一种优选的实施方式中，所述锥台体结构的腰部向外侧凸出、两端向内收缩，集气室4内设置有倾斜折流隔板11。如图1所示，所述集气室4类似葫芦形设计，集气室4与炉体容积比0.10-0.35，内部设置倾斜折流隔板11，使得电石炉煤气在集气室4流速下降到0.25m/s以下，200μm以上的微尘被分离下来返回炉内，出炉煤气含尘量降到70g/m3以下，减少了炉外除尘的负担，降低了物料的损失。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述氧气喷嘴6的喷射端外围设置有双程水冷通道19，相对具体地，氧气烧嘴6采用纯铜双回程水冷却结构，保证了冷却效果和烧嘴使用寿命，氧气烧嘴端部法兰设计成视镜结构20便于观察炉内燃烧状况。
在一种优选的实施方式中，所述的氧气喷嘴6呈四角切圆形态布置于炉体腰部。如图3所示，共设置四个氧气喷嘴6，四个氧气烧嘴6设计成四角切圆进气，氧气进炉方位设置为向下7-15°，侧向10-20°、氧气流速30-60m/s（对应70-110%生产负荷），任意一个氧气喷嘴的喷射方向如图3中A处所示，呈四角形态布置的四个氧气喷嘴形成的火焰为图3中B处所示的环形，火焰中心气体流速≦3.5m/s，保证了炉内流场和温度场的均匀，同时优化了炉缸内部等温线的分布。
在一种优选的实施方式中，如图4和图5所示，所述的电石出口8和重质电石出口9均采用水冷、装配式结构，包括中心套管结构15、中间结构16和外层结构17；所述中心套管结构采用氧化锆耐火材料制成且中部开设有出料通道，中心套管结构15前段设置于第二炉体2的炉缸7内壁处，中心套管结构15中后段贯穿中间结构16和外层结构17；所述中间结构16采用水冷壁，内设中间结构水冷管21，中间结构16设置于中心套管结构15前段与外层结构17之间；外层结构17采用隔热材料制成，外层结构17设置于第二炉体外壁上。
在该实施方式中，出炉口采用装配式出料口结构及冷却技术。出料口中心套管部件与电石液直接接触，采用耐超高温（2700℃）的氧化锆耐火材料一次成型，保证了抗热震性能和耐腐蚀性能，增加了使用寿命。中间结构16采用水冷铜壁设计，有效降低了热传导强度。外层结构17采用导热系数较小的隔热材料，保护炉体外壳温度不大于150℃。
综上所述，本发明提供的电石气化炉，其炉体满料、均布、加压、纯氧操作，顶部集气降尘，底部排杂提质，装配式出料口结构及冷却技术，充分碳减排，能量回收，安全操作等特征来实现氧热法电石和煤气安全、清洁、低耗、优质、连续的联合生产。同时大幅度降低电石煤气联合生产成本，有效减轻生产工人劳动强度，是一种全新的电石和煤气生产炉型工艺技术。
本发明另一种典型的实施方式提供一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，参考图6，电石气化炉顶部进料端连接料仓12，集气室4出口端连接旋风除尘装置13，旋风除尘装置13连接洗涤热回收装置14。所述的洗涤热回收装置包括洗涤塔、过滤器和洗涤水氧气换热器。
优选地，料仓12与电石气化炉的布料筒3之间设置有通过液压程控装置控制的双进口定量料锁18，相对具体地，电石气化炉上部通过法兰与所述料锁连接。
来自备料单元的兰炭、石灰混合料采用斗提机提升至电石气化炉顶部的料仓12，经液压程序控制的定量料锁18，定期定量给加压的炉体加料，实现了炉体的完全密封加压操作。出炉后的电石炉煤气先进入旋风除尘执照13除尘至含尘10 g/m3以下，再进入洗涤热回收装置14进一步水洗降温除尘至5 mg/m3送出界区。电石和重质电石在电石出炉机22作用下输出炉外，分别存储于电石锅23。洗涤塔出口的洗涤水吸热后温度升高，通过设置在流程中的精密过滤器除去泥灰后进入洗涤水氧气换热器加热供氧单元来的氧气回收热量，使氧气的入炉温度提高到110℃以上，节省了能源消耗。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：包括电石气化炉，所述电石气化炉包括炉体，炉体为具有内腔体的立式压力容器，炉体腰部以上为第一炉体，腰部以下为第二炉体；
所述第一炉体顶部为锥台体结构，锥台体结构中部纵向设置截面为双曲线型的布料筒，布料筒顶部开口为进料端，布料筒底部与第一炉体的炉腔相通；布料筒与所述锥台体结构内壁之间的空腔形成环形集气室，集气室底部与第一炉体的炉腔相连通，集气室顶部设置有用于向炉体外部输出电石炉煤气的集气室出口；
若干个氧气喷嘴环绕布置于炉体腰部，第二炉体内部为用于容置液态电石的炉缸，第二炉体中部设置电石出口，第二炉体底部设置重质电石出口。
2.根据权利要求1所述的电石气化炉，其特征在于：所述第一炉体的炉壁外侧设置有水冷夹套。
3.根据权利要求1或2所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：所述锥台体结构的腰部向外侧凸出、两端向内收缩，集气室内设置有倾斜折流隔板。
4.根据权利要求3所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：所述氧气喷嘴的喷射端外围设置有双程水冷通道。
5.根据权利要求4所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：所述的氧气喷嘴呈四角切圆形态布置于炉体腰部。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：所述的电石出口和重质电石出口均采用装配式结构，包括中心套管结构、中间结构和外层结构；所述中心套管结构采用氧化锆耐火材料制成且中部开设有出料通道，中心套管结构前段设置于第二炉体内壁处，中心套管结构中后段贯穿中间结构和外层结构；所述中间结构采用水冷壁，中间结构设置于中心套管前段与外层结构之间；外层结构采用隔热材料制成，外层设置于第二炉体外壁上。
7.根据权利要求6所述的一种加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：电石气化炉顶部进料端连接料仓，集气室出口端连接旋风除尘装置，旋风除尘装置连接洗涤热回收装置。
8.根据权利要求7加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：料仓与电石气化炉之间设置有通过液压程控装置控制的双进口定量料锁。
9.根据权利要求8所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：还包括用于向料仓输入反应原料的斗提机。
10.根据权利要求9所述的加压移动床氧热法电石煤气一体化生产设备，其特征在于：布料筒与炉体容积比0.1-0.25；集气室与炉体容积比0.10-0.35。
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