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高爐氧熱法電石生產(chǎn)技術研究

文檔作者：蔡建利鄧勇陳仁宏楊紅軍文檔來源：四川省川威集團有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月17日
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第37卷第5期
2015年1O月
四川冶金
Sichuan Metallurgy
V01．37 No．5
0ct．，2Ol5
文章編號：1001-5108(2015)O5一o083一O4
高爐氧熱法電石生產(chǎn)技術研究
蔡建利，鄧 勇，陳仁宏，楊紅軍
(四川省川威集團有限公司，四川成都610095)
摘 要：簡介了生產(chǎn)電石的兩種工藝路線和氧熱法工藝的技術進展，分析了在煉鐵高爐上應用氧
熱法生產(chǎn)電石的技術難點并開展了試驗研究。
關鍵詞：高爐；氧熱法；電石；試驗
中圖分類號：TQ132．3 文獻標識碼：A
The Technology Research of Production of Calcium Carbide
by Oxygen Thermal Method in Blast Furnace
CAI Jian-li，DENG Yong，CHEN Ren-hong，YANG Hong-j un
(Sichuan Tranvic Group Co．，Ltd．Chengdu 610095，Sichuan，China)
Abstract：Introduce two process routes of production of calcium carbide an
．
d technical progress of
oxygen thermal method，analyze the technical difficulties of production of calcium carbide by OX—
ygen thermal method in blast furnace which was used to smelt iron，and conduct experimental
study．
Key words：blast furnace；oxygen thermal method；calcium carbide；experiment
1 引言 2 電石生產(chǎn)技術概述
根據(jù)國家工信部《鋼鐵行業(yè)規(guī)范條件》
(2012年修訂)和國家發(fā)改委《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整
指導目錄(2011年本)(修正)》，鋼鐵行業(yè)有
效容積400立方米以下的煉鐵高爐自2012
年1O月1日起全部淘汰。同時，根據(jù)國家工
信部《電石行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《電石
行業(yè)準人條件(2013年修訂)》，鼓勵實現(xiàn)氧
熱法電石工藝技術的突破和產(chǎn)業(yè)化。為此，
我們對在煉鐵小高爐上采用氧熱法生產(chǎn)電石
的工藝和設備進行了分析、探索和研究。
電石生產(chǎn)方法主要有電熱法和氧熱法。
目前，工業(yè)上仍以電爐電熱法生產(chǎn)電石為主，
該法發(fā)展歷史已有110多年。
2．1 電熱法
電熱法(也稱為電弧法)即生石灰和含碳
原料(焦炭、無煙煤或石油焦)在電石爐內(nèi)，依
靠電弧高溫熔化反應而生成電石。其生產(chǎn)過
程是：原料加工、配料、通過電爐上端的人口
或管道將混合料加入電爐內(nèi)，在開放或密閉
的電爐中加熱至2 000℃左右，熔化了的電石
作者簡介：蔡建利，高級工程師，主要從事科技管理、發(fā)展規(guī)劃和科研開發(fā)等工作。
四川冶金 第37卷
從爐底取出后，經(jīng)冷卻、破碎后作為成品包
裝。反應中生成的一氧化碳則依電石爐的類
型以不同方式排出：在開放爐中，一氧化碳在
料面上燃燒，產(chǎn)生的火焰隨同粉塵一起向外
四散；在半密閉爐中，一氧化碳的一部分被安
置于爐上的吸氣罩抽出，剩余的部分仍在料
面燃燒；在密閉爐中，全部一氧化碳被抽出。
電熱法生產(chǎn)電石，單位產(chǎn)品的電耗高達3
500kWh／t～ 4 000kWh／t，電費成本高達
2 000元／t以上。
2．2 氧熱法
氧熱法是在有氧環(huán)境(在爐內(nèi)吹氧氣或
富氧空氣)下使部分粉煤燃燒(提高爐溫)生
成合成氣，發(fā)出的熱量同時使剩余粉煤和粉
狀氧化鈣發(fā)生反應生成電石。該法利用非電
石爐富氧熔煉焦炭和石灰石，從石灰石中提
取碳，生產(chǎn)電石并副產(chǎn)煤氣、硅鐵。此“一爐
三用”的新技術，使CaC 生產(chǎn)綜合利用了煤
氣化過程中的余熱和煤灰，煤灰加配料熔融
后生成CaC 和硅鐵(提純CaC 時)，同時在
高溫低壓下自然生成煤氣。每生產(chǎn)1t電石
(80 CaC2)，從石灰石中提取純炭168kg左
右，產(chǎn)生煤氣6 000m。(CO含量在55 )～
2600m。(CO含量在95％)，可生產(chǎn)約4．5t的
甲醇。氧氣一舉兩用：富氧既提高爐溫又提
高了煤氣的CO質(zhì)量；煤的熱能利用后產(chǎn)生
的煤氣，用于煤化工或清潔發(fā)電。
此工藝為無能源消耗型和無污染型的電
石和煤氣聯(lián)合生產(chǎn)新工藝。它利用富氧或純
氧使碳在非電石爐中氣化加熱熔融，代替電
加熱熔融生產(chǎn)電石，綜合利用了煤氣化過程
中的熱能和化學能，省去了外供電的消耗，減
少工業(yè)廢渣排放。此技術創(chuàng)新了CaC。生產(chǎn)
工藝、煤氣化工藝，還開創(chuàng)了從石灰石
(CaCO。)中提取碳能源的技術，使煤氣化工
藝不排渣，還可生產(chǎn)硅鐵，有望成為煤炭綜合
利用的新工藝技術。
3 國內(nèi)外氧熱法技術研究進展
3．1 國外情況
美國、德國、荷蘭等國家在19世紀60年
代初期和中期，做過氧熱法制電石的中試。
19世紀9O年代初已建立25kt／a的氧熱法生
產(chǎn)裝置，生產(chǎn)1t電石，需消耗1t生石灰、2t
焦炭、1 160Nm。氧氣和600kWh電。
近幾年，日本和德國已開始進行豎式爐
全焦、純氧氧熱法的試驗。日本公開專利昭
61—178412提出：以豎爐全焦、純氧或富氧
熱法實驗生產(chǎn)電石，在豎爐內(nèi)的填充層是分
層填充炭素和含氧化鈣材料，經(jīng)風口噴吹氧
氣或富氧空氣生產(chǎn)電石產(chǎn)品；實驗獲得的產(chǎn)
品中，5O 9／6的產(chǎn)品含6O 9／6CaC。，其余的產(chǎn)品
含40 以上CaCz，氧化鈣的回收率僅為
6O 。中國化工出版社的《電石生產(chǎn)及其深
加工產(chǎn)品》一書中，介紹了德國采用豎式爐甲
烷熱裂解法的半工業(yè)裝置，該豎爐日產(chǎn)70t～
100t的電石(含80 的CaC2)，但至今尚未得
以推廣應用。
3．2 北京化工大學研究情況
國內(nèi)的科研單位主要是北京化工大學，
以劉振宇、劉輝和劉清雅教授為主的科研團
隊從2009年至今開展了一系列的基礎研究，
公開發(fā)表的論文有《不同含鈣化合物制備電
石的影響因素分析》(2009，碩士論文)、《電石
制備過程中不同含鈣化合物與焦炭的反應行
為研究》(燃料化學學報，2010，05：539—
543)、《粉狀焦炭和粉狀氧化鈣制備碳化鈣新
工藝的基礎研究》(2011，博士論文)、《氧熱法
電石合成的反應平衡和熱匹配分析》(北京化
工大學學報(自然科學版)，2012，02：1—6)、
《氧熱法電石合成淤漿鼓泡床反應器的流動
特性》(北京化工大學學報(自然科學版)，
2012，03：1—6)、《氧熱法電石生產(chǎn)氣流床反
應器性能的數(shù)值模擬》(北京化工大學學報
(自然科學版)，2013，03：27—31)。
2011年9月10日，北京化工大學與河南
煤化集團研究院、中國五環(huán)工程有限公司合
第5期
作開發(fā)的2400t／a氧熱法電石生產(chǎn)新技術中
試裝置可行性研究報告及反應器基礎設計通
過了專家審查，但因故沒有建設中試裝置。
近兩年，北京化工大學已完成該新技術的基
礎理論研究，實驗室模擬生產(chǎn)已完成。目前
已申請國內(nèi)發(fā)明專利2項，提交國際專利1
項，正在開展中試裝置的方案設計。
3．3 國內(nèi)其他單位研究情況
河北省峰峰集團非煤產(chǎn)業(yè)部的退休專家
岳書才在2006年發(fā)表過論文《氣化煤氣、熔
融熔煉電石排放的循環(huán)經(jīng)濟技術研究》(中國
石油和化工經(jīng)濟分析，2006年14：38—41)，
并于2005年4月7 Et申請專利《豎爐氧燃噴
吹生產(chǎn)碳化鈣方法及裝置》(申請?zhí)?
CN200510O63216．3，至今未見獲得專利權)。
太原理工天成科技股份有限公司(杜文
廣等5人)于2008年8月27日申請了專利
《一種同時生產(chǎn)電石、硅鐵和高純度CO氣體
的方法》(申請?zhí)朇N2O081O079309．9，至今未
見獲得專利權)。
4 高爐氧熱法生產(chǎn)電石的技術分析
4．1 技術難點分析
4．1．1 如何高溫生成電石
在電石的生產(chǎn)過程中，碳與生石灰需在
2 000℃的高溫條件下發(fā)生反應才能生產(chǎn)液
態(tài)的電石。但在目前高爐冶煉的模式下，爐
內(nèi)的溫度達不到電石冶煉所需的溫度。要滿
足電石生產(chǎn)過程中所需的溫度，必須改變現(xiàn)
有高爐的燃燒反應過程，其最有效的途徑就
是提高燃燒反應中氧氣的濃度，以大幅度提
高理論燃燒溫度。
4．1．2 電石爐爐型的設計
氧熱法生產(chǎn)電石的過程與高爐煉鐵的過
程，在不同的溫度下原料的體積、狀態(tài)均不
同。為保證氧熱法生產(chǎn)電石在大工業(yè)生產(chǎn)時
的連續(xù)性和穩(wěn)定性，其電石爐的爐型與高爐
相比會在包括高徑比、爐身角、爐腹角、爐缸
直徑、爐腰直徑等參數(shù)上存在差異，需要通過
試驗研究，不斷調(diào)整優(yōu)化爐型參數(shù)，找到適合
高爐冶煉電石的最佳參數(shù)。
4．1．3 如何解決料柱透氣性
高爐煉鐵所用的原料具有較好的強度，
而電石冶煉中石灰的強度較低，在承受較大
壓力的情況下會粉化，將嚴重影響料柱的透
氣性，進而對冶煉過程中煤氣的運動及傳熱
和傳質(zhì)產(chǎn)生影響，可能會導致冶煉行程的連
續(xù)性中斷，需要研究解決料柱透氣性的辦法。
4．1．4 如何對爐體進行冷卻
目前高爐冶煉采取的爐體冷卻方式是冷
卻壁水冷，但生產(chǎn)過程中特別是爐役后期常
出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。高爐煉鐵冷卻壁漏水只會對
高爐的順行和指標產(chǎn)生影響，不會造成大的
安全事故。結合電石的特殊性能，一旦漏水
可能會造成大的安全事故，需要研究并解決
在高爐上進行氧熱法電石生產(chǎn)試驗過程中的
爐體冷卻問題。
4．1．5 如何對爐體進行嚴實密封
高爐煉鐵過程中，爐頂及送風裝置均存
在煤氣泄漏的現(xiàn)象，但高爐產(chǎn)生的CO濃度
較低，實際生產(chǎn)中不易出現(xiàn)安全事故。電石
生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO濃度較高，非常容易
出現(xiàn)安全事故，需要研究并解決爐體密封
問題。
4．1．6 如何確保研究試驗的安全
根據(jù)電石、煤氣的物性，需要研究試驗全
過程的安全問題并制訂妥善的安全、環(huán)保措
施以及相應的應急救援預案。
4．2 設備及材質(zhì)分析
氧熱法電石生產(chǎn)根據(jù)其汽化爐工藝原理
可借用高爐冶煉生產(chǎn)裝置，但國內(nèi)均無實例，
在設備設施上無借鑒題材。上配料系統(tǒng)使用
高爐原有配料系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)自動化操
作，冶煉過程采用高爐本體經(jīng)過內(nèi)部改造及
增設相應監(jiān)測設備也可以實現(xiàn)自動化控制。
但氧熱法反應區(qū)的溫度高達2 300℃ 、儲
四川冶金 第37卷
液區(qū)的溫度高達2 000℃ ，與冶煉鐵礦相比高
出許多，故選用爐內(nèi)高溫區(qū)的耐材材質(zhì)是一
大難題；進氧系統(tǒng)，需在試驗研究基礎上進行
設計改造，充分考慮其安全性；爐氣處理系
統(tǒng)，需考慮現(xiàn)有高爐爐頂設備的密封安全性，
爐氣的溫度如果同電熱法密閉爐的爐氣溫度
一樣達500℃ ～1 000℃ ，則需考慮改進高溫
爐氣的處理工藝；電石出料爐口，還需根據(jù)液
態(tài)電石性質(zhì)進行改造，液態(tài)電石的固化和冷
卻還需借鑒電熱法電石生產(chǎn)的相關技術進行
改進；此外，還需修建干燥的電石儲存場地。
4．3 公用工程及配套設施分析
高爐氧熱法電石生產(chǎn)在水、電、輔助氣體
上均可借用原高爐生產(chǎn)配置的動能系統(tǒng)，氧
氣需修建專用輸氧管道及減壓站，爐氣輸送
可借用原高爐的煤氣管網(wǎng)，其它配套設施也
可基本滿足試驗研究需要。
5 高爐氧熱法生產(chǎn)電石試驗研究
通過以上分析，我們利用淘汰的煉鐵小
高爐系統(tǒng)，組織開展了相關設備改造、試驗方
案設計及相關研究，并申請了發(fā)明專利(申請
號201510072441．7，為保密起見，暫未公開)。
總體思路是：在有氧環(huán)境(在高爐內(nèi)吹氧氣或
富氧空氣)下使部分小粒級焦炭燃燒(提高爐
溫)生成合成氣，發(fā)出的熱量同時使剩余焦炭
和粉狀氧化鈣發(fā)生反應生成液態(tài)碳化鈣，并
在1 900℃～2 400℃下將液態(tài)電石從爐底不
完全連續(xù)排出，同時，從爐頂取出高純度煤
氣，用于余熱發(fā)電。
具體的技術方案如下：
(1)生石灰石塊直接人爐或經(jīng)石灰窯鍛
燒后以熟石灰石塊人爐，同時伴以焦炭作為
燃料和冶煉骨架，在有氧環(huán)境下發(fā)生還原反
應生成液態(tài)碳化鈣。石灰石塊和焦炭從中轉
倉裝入，由運輸皮帶運至高爐配料倉，經(jīng)配料
罐稱重計量按實際需要進行準確配料，利用
原高爐配料系統(tǒng)可實現(xiàn)自動配料。
(2)配好的原料成批次由配料倉下的皮
帶運輸線自動運至爐頂，從爐頂大小料鐘裝
人高爐。原料先裝人高爐爐頂受料斗，此時
爐內(nèi)與爐外處于密封狀態(tài)。待料罐壓力放散
后，打開小鐘，將原料從受料斗放人料罐，再
關閉小鐘及放散閥；同時使用爐頂氣壓對料
罐進行充壓做好向爐內(nèi)裝料的準備，待爐內(nèi)
需裝料時，打開大鐘將原料從料罐直接裝入
爐內(nèi)完成整個裝料過程。如此往復，對高爐
可進行自動連續(xù)循環(huán)裝料。
(3)原料按一定配比裝入高爐后，從爐喉
下降到爐底是一個逐步升溫的過程，物態(tài)形
式是一個從固態(tài)到液態(tài)的過程。在爐內(nèi)垂直
方向大致可分為預熱帶、加熱帶、滴落帶等幾
個溫度帶，是一個從預熱、加熱、軟化、熔化反
應的過程。此反應過程的熱量來源于原料中
配人的焦炭在富氧環(huán)境燃燒反應所產(chǎn)生，而
富氧環(huán)境來源于將純氧或富氧空氣從爐底進
風系統(tǒng)支管均勻吹人。吹人的純氧或富氧氣
體在熱源環(huán)境下與焦炭快速反應，提供熱量
促進電石的生成，同時生成含一氧化碳的熱
煤氣。此氣體在爐內(nèi)上升過程中對下行的原
料不斷加熱，通過爐頂煤氣導出管排出，再經(jīng)
過煤氣凈化系統(tǒng)處理，最后得到高純度煤氣。
爐內(nèi)反應生成的熔化電石的焦炭與氧氣反應
所提供的高熱源下繼續(xù)反應生成液態(tài)電石，
進入爐缸電石液池儲熱。當液面達到一定高
度，從爐底側面組織開口排液。達到液面控
制要求后封口進入下一個冶煉周期。
本研究涉及的配料系統(tǒng)設備組成如下：
配料倉門由多個礦倉組成，放料閥模由液壓
鄂式閘閥組成，配料系統(tǒng)自動配料；爐頂系統(tǒng)
由大料鐘、小料斗、料罐、均壓閥等組成，通過
大小鐘的先后開閉實現(xiàn)爐內(nèi)爐外隔絕密封，
通過全液壓自控系統(tǒng)向爐內(nèi)裝料；爐前設備
由液壓泥炮和開口機組成。

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