CN111874909B - 集成氧热法电石煤气联合生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成氧热法电石煤气联合生产方法，以电石气化炉作为主体设备，来自备料单元的兰炭、石灰混合料输入至电石气化炉，炉体密封加压，加入炉体的物料通过布料筒均匀连续给炉体加料并保持炉体满料操作；炉腰部位的氧气喷嘴喷入的预热氧气与物料中的高温兰炭发生反应生成的高热气体发生逆流反应和换热；物料反应温度逐步升高至1800‑2200℃熔融后落入液态电石炉缸内，熔融的液态电石通过重质电石出口周期性排出重质电石，电石出口排出电石产品；生成的电石炉煤气，温度降低到300℃以下进入集气室，并从集气室出口输出电石气化炉。本发明具有密闭安全操作、降低原材料和动力消耗、降低碳排放改善环境的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及电石生产技术领域，具体而言，是一种集成氧热法电石煤气联合生产方法。
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2450万吨。
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。
电弧法生产电石的缺点是明显的。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电石冶炼炉成为广大科研工作者和工程技术人员的迫切愿望。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种集成氧热法电石煤气联合生产方法，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：一种集成氧热法电石煤气联合生产方法，
以电石气化炉作为主体设备，所述电石气化炉包括炉体，炉体进料端连接料仓，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；
来自备料单元的兰炭、石灰混合料输入至电石气化炉，炉体密封加压，加入炉体的物料通过布料筒均匀连续给炉体加料并保持炉体满料操作；
炉腰部位的氧气喷嘴喷入的预热氧气与物料中的高温兰炭发生反应生成的高热气体发生逆流反应和换热；物料经干燥、热解和还原，反应温度逐步升高至1800-2200℃熔融后落入液态电石炉缸内，熔融的液态电石通过重质电石出口周期性排出重质电石，电石出口排出电石产品；氧气与兰炭反应生成的含CO2的高热气体在上升过程中，与下落的兰炭固态物料逐步发生还原反应生成CO，物料中的剩余挥发份和水分发生热解和蒸发，汇集成电石炉煤气，电石炉煤气温度降低到300 ℃以下进入集气室， 并从集气室出口输出电石气化炉。
进一步地，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；出炉后的电石炉煤气先进入旋风除尘器除尘至含尘10 g/m3以下，再进入洗涤热回收装置进一步水洗降温除尘至5 mg/m3送出界区。
进一步地，洗涤热回收装置包括洗涤塔、过滤器和洗涤水氧气换热器；洗涤热回收装置出口的洗涤水吸热后温度升高，通过设置在流程中的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以回收热量，使氧气的入炉温度提高到110℃以上。
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，集气室气流速度控制在0.25 m/s以下，使得出炉尾气含尘量不超过70g/m3、含尘粒度不超过200 μm。
进一步地，所述电石气化炉运行压力是0.25-0.35Mp，运行热点温度是2100-2300℃。
进一步地，所述氧气烧嘴采用四角切圆进气，氧气流速是30-60 m/s。
进一步地，CaC2≧82%（质量分数)的液态电石产品从电石出口排出，CaC2≦63%（质量分数）的含杂重质电石由重质电石出口排出。
进一步地，所述第一炉体的炉壁外侧设置有水冷夹套，由水冷夹套产生低压蒸汽以实现热量回收。
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，以实现定期定量给加压的炉体加料。
本发明以采用特殊炉型设计的电石气化炉作为主体设备，使得传质更顺畅、传热更合理，床层温度合理分布，不需要使用特殊干燥的原料，节省了原料干燥的能量。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为本发明集成氧热法电石煤气联合生产方法主要设备的立面布置示意图。
图7是采用本发明集成氧热法电石煤气联合生产工艺的年产3万吨中试装置的系统构成示意图。
图8是本发明集成氧热法电石煤气联合生产工艺推荐规模建设年产100万吨PVC联产70万吨MTO大型联合生产装置的方块流程示意图。
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，25-斗提机，26-洗涤塔，27-过滤器，28-洗涤水氧气换热器。
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。
本发明一种典型的实施方式提供的一种集成氧热法电石煤气联合生产方法，是以电石气化炉作为主体设备。如图1所示，所述电石气化炉包括炉体，炉体进料端连接料仓12，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，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，第二炉体2底部设置重质电石出口9。
步骤一，来自备料单元的兰炭、石灰混合料输入至电石气化炉，炉体密封加压，加入炉体的物料通过布料筒均匀连续给炉体加料并保持炉体满料操作。
相对具体地，以上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1800-2300℃。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。顶部降尘（出炉煤气尘含量≦70g/m3），底部排杂保证电石产品质量（CaC2含量≧80%），电石炉煤气有效成分≧92%（CO+H2），充分实现碳减排和热回收。
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。
电石气化炉炉体喉肩部设置双曲线型布料筒3，优选地，布料筒3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3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。布料筒、集气室设计保证了布料均匀，出炉气含尘量大幅度下降。
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，以实现定期定量给加压的炉体加料。
步骤二，炉腰部位的氧气喷嘴6喷入的预热氧气与物料中的高温兰炭发生反应生成的高热气体发生逆流反应和换热。
在该步骤中，物料经干燥、热解和还原，反应温度逐步升高至1800-2200℃熔融后落入液态电石炉缸7内，熔融的液态电石通过重质电石出口9周期性排出重质电石，电石出口8排出电石产品。相对具体地，炉缸7深径比1.0-1.5，炉缸7物料下落速度小于0.7m/h，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。90-95%的CaC2≧82%（质量分数)的液态电石产品从电石出口排出，5-10%的CaC2≦63%（质量分数）的含杂重质电石由重质电石出口排出。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。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。
在该步骤中，氧气与兰炭反应生成的含CO2的高热气体在上升过程中，与下落的兰炭固态物料逐步发生还原反应生成CO，物料中的剩余挥发份和水分发生热解、蒸发等化学和物理现象，汇集成有效气成分≧92%的电石炉煤气，电石炉煤气温度降低到300 ℃以下进入集气室4， 并从集气室4出口输出电石气化炉。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，直接采用炉内干燥，节省了炉外烘干的设备和能量，同时回收热量降低了出炉气体温度，提高了系统能量利用效率。
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。如图1所示，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11。生成的电石炉煤气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4入口气体流速≦2.0m/s、集气室气体流速≦0.5m/s。优选地，集气室4气流速度控制在0.25 m/s以下，使得出炉尾气含尘量不超过70 g/m3、含尘粒度不超过200μm，减少了炉外除尘的负担，降低了物料的损失。
如图2所示，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，延长了运行周期。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。所述氧气烧嘴采用四角切圆进气，氧气流速是30-60 m/s。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。
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采用水冷铜壁，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。
优选地，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。
在一种优选的实施方式中，如图6所示，集气室出口5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；出炉后的电石炉煤气先进入旋风除尘器13除尘至含尘10g/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。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。
洗涤热回收装置包括洗涤塔26、过滤器27和洗涤水氧气换热器28；洗涤热回收装置出口的洗涤水吸热后温度升高，通过设置在流程中的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以回收热量，使氧气的入炉温度提高到110℃以上。
参考图7，本发明一个实施例提供的是一种利用本发明所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法的日产100吨电石联产26.8万m3有效合成气的中试装置，包括采用集成氧热法电石煤气联合生产方法建设氧热法电石炉及配套框架结构工艺厂房、兰炭和石灰原料备料及给料系统、液氧储存及氧气制备及压力调节系统、电石出料及冷却系统、氧气烧嘴及出料口冷却系统、电石炉尾气除尘热回收系统、原料制备、电石出料等装置除尘系统、配套建设的中央控制室、供配电室、分析化验室等设施。
经测算，与传统电弧法电石+煤气化工艺相比，采用本发明方法，系统耦合总体热能利用率达到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。
参考图8，本发明另一实施例提供的是一种利用本发明集成氧热法电石煤气联合生产方法推荐规模建设年产70万吨烯烃（MTO）和100万吨聚氯乙烯（PVC）大型联合生产装置，包括：建设六套标准化（年产25万吨）电石气化炉及配套设施，总规模为6x25万吨/年。在此基础上，对所产电石（150万吨/年）和煤气（53万m3/h）全部加工利用，形成年产70万吨烯烃（MTO）和100万吨聚氯乙烯（PVC）的大型联合生产装置。
按2019年平均物价测算，与同等传统PVC+MTO生产规模相比，此联合装置节约基础投资30%，销售收入相等前提下（按133亿元测算），总成本费用节省26.4亿元/年，资本金利润率提高23%，总投资内部收益率提高8%，装置系统碳排放减少30%。
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 (9)
1.一种集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：
以电石气化炉作为主体设备，所述电石气化炉包括炉体，炉体进料端连接料仓，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；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；
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；
来自备料单元的兰炭、石灰混合料输入至电石气化炉，炉体密封加压，加入炉体的物料通过布料筒均匀连续给炉体加料并保持炉体满料操作；
炉腰部位的氧气喷嘴喷入的预热氧气与物料中的高温兰炭发生反应生成的高热气体发生逆流反应和换热；物料经干燥、热解和还原，反应温度逐步升高至1800-2200℃熔融后落入液态电石炉缸内，熔融的液态电石通过重质电石出口周期性排出重质电石，电石出口排出电石产品；氧气与兰炭反应生成的含CO2的高热气体在上升过程中，与下落的兰炭固态物料逐步发生还原反应生成CO，物料中的剩余挥发份和水分发生热解和蒸发，汇集成电石炉煤气，电石炉煤气温度降低到300 ℃以下进入集气室， 并从集气室出口输出电石气化炉。
2.根据权利要求1所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：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；出炉后的电石炉煤气先进入旋风除尘器除尘至含尘10 g/m3以下，再进入洗涤热回收装置进一步水洗降温除尘至5 mg/m3送出界区。
3.根据权利要求2所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：洗涤热回收装置包括洗涤塔、过滤器和洗涤水氧气换热器；洗涤热回收装置出口的洗涤水吸热后温度升高，通过设置在流程中的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以回收热量，使氧气的入炉温度提高到110℃以上。
4.根据权利要求3所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：集气室气流速度控制在0.25 m/s以下，使得出炉尾气含尘量不超过70 g/m3、含尘粒度不超过200 μm。
5.根据权利要求4所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：所述电石气化炉运行压力是0.25-0.35Mpa，运行温度是2100-2300℃。
6.根据权利要求5所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：所述氧气烧嘴采用四角切圆进气，氧气流速是30-60 m/s。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：CaC2质量分数≧82%的液态电石产品从电石出口排出，CaC2质量分数≦63%的含杂重质电石由重质电石出口排出。
8.根据权利要求7所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，其特征在于：所述第一炉体的炉壁外侧设置有水冷夹套，由水冷夹套产生低压蒸汽以实现热量回收。
9.根据权利要求8所述的集成氧热法电石煤气联合生产方法，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，以实现定期定量给加压的炉体加料。
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