节能环保型电石装置的建设

(中国平煤神马集团汝州电化有限公司，河南汝州 467500)

1 前言

中国平煤神马集团汝州电化有限公司承建的45万t/a电石项目是中国平煤神马集团30万t/a聚氯乙烯项目的配套工程(同时配套有年产25万t烧碱、年产120万t真空制盐、年产80万t电石渣制水泥等项目)，是中国平煤神马集团发展煤盐化工循环经济产业链条中的重要基础，也是河南省重点建设项目。该项目采用8台3×10 000 kVA密闭式电石炉、空心电极、组合式把持器、炉气干法净化、气烧石灰窑等国家“十一五”电石行业节能减排重点推广的先进技术，总投资为10.17亿元，于2009年5月8日正式开工建设。2011年2月19日，1#电石炉送电成功，之后 2#、5#、6#、4#、3#电石炉相继送电点火，目前已有6台电石炉投入试运行。

2 主要节能环保技术

2.1 优化电石炉设计参数

采用引进挪威ELKEM技术国产化的组合式把持器电极柱，其与中国传统的锥形环把持器相比有以下优点:有互换性和通用性;组合把持器接触元件与电极筋片之间是平面接触，接触电阻小，寿命长;电极电流分布较为均匀，电极不易变形、下滑;由于它具有14个内伸钢板翅片，电极电流分布均匀，电极强度高，电极事故率低，对电炉的连续运转、降低电耗具有一定的保证作用。

在进一步总结国内电石炉生产实际的基础上，根据石灰、焦炭原材料的条件，进一步改进电石炉的电气、几何参数，二次电压为140～240V、二次电流为93621A、电极直径为1280mm、同心圆直径为3 650 mm、炉膛内径为8 240 mm，炉衬耐火砖组成及结构亦进行了改进，使厚度减小为380 mm，减少了耐火砖用量。

2.2 优化变压器、短网的设计

变压器损失主要有铜损和铁损，是变压器本身结构上的损失，本次采用低损耗、低阻抗变压器，降低损耗。电力通过短网到电极，由于线路存在阻抗和感抗，电石炉内有功功率一般只有78% ～88%，短网是影响电效率的主要因素，占7% ～11%，优化设计对于节能降耗非常重要。

在本项目中，我们采取的优化措施:①改变传统电石厂房结构，为了满足厂房要求我们改进了变压器的结构，使变压器实现了真正的正三角布置，使得三相短网长度相同，保证了三相平衡，并进一步缩短短网长度约600 mm。②变压器出线端子增加为7组，降低短网的电流密度，增大导电铜管的直径和截面积，减少集肤效应的影响。③采用短网的跳相设计，实现相邻导电铜管的电流相位相反，交错排列，使互感补充自感，达到减少电抗的目的。④变压器和电石炉循环冷却水各成系统，改进短网的冷却水路，加强冷却效果，尽可能的降低变压器及短网的运行温度，提高变压器及短网的电效率。⑤采用金属非磁性材料作为短网的加固件和吊固件，避免形成磁环路，防止涡流和磁滞损失，保证的固定可靠。

2.3 变压器的无功补偿

为提高电石炉功率因数、降低短网损耗、抑制和滤除电石炉冶炼过程中产生的特征谐波，达到节约电能、提高设备利用率、降低成本和提高产量的目的，在提高相同功率因数的情况下，中压补偿的设备安装成本较低，从投资成本上考虑我们采用中压补偿装置。实际运行功率因数可以达到0.9～0.95。

2.4 电石炉气净化技术

2.4.1 电石炉气特点

电石炉气量及温度波动大、不平稳，温度一般在600～800℃，瞬间可以达到1 100℃;炉气中含有微量焦油，温度＞225℃时呈气态，温度≤225℃时就凝析出来，使除尘器布袋黏结堵塞;炉气中含尘量50～200 g/Nm3，炉尘具有轻、细、黏、不易扑集的特点。

2.4.2 国内外电石炉气净化的几种工艺

2.4.2.1 陶瓷过滤器干法净化工艺

德国72 000 kVA密闭炉采用陶瓷过滤器干法净化技术，工作温度＜500℃，瞬时可以达到800～1000℃，炉气中的含尘量由140g/Nm3降至5～10 mg/Nm3。陶瓷过滤器具有使用寿命长、维修方便、除尘效率高、占地小等优点。

2.4.2.2 ELKEM公司的干法净化工艺及其改进

20世纪90年代从挪威ELKEM公司引进技术和成套设备中包括炉气干法净化技术，但经实际运行，生产操作困难，多年来国内电石行业一直没有成功采用此技术。近年来，青海东胜、宁夏三友、合肥合意、安徽威达等单位在ELKEM公司干法净化技术的基础上通过改进，成功将其转化为自己的技术，分别在国内多家电石企业中应用，效果良好。

2.4.2.3 湿法净化技术

国内原吉林电石厂、贵州有机厂采用湿法净化技术，工艺与德国泰森湿法净化工艺相似，但由于设备易堵，操作管理困难，且污水量大并含有CN－，要将污水集中处理，污泥送至水泥厂做原料，新建的电石项目基本不采用此技术。

2.4.2.4 直接燃烧法炉气利用技术

直接燃烧法是将高温炉气直接送入燃气锅炉燃烧，充分利用炉气潜热和显热，产生蒸汽加以利用。炉气在锅炉内燃烧时温度高达1 500℃，炉气中的粉尘经燃烧后变为粗、重的不黏微粒，不再含焦油，这样可以通过常规的旋风、布袋除尘器使之达到除尘效果。浙江巨化、云维、内蒙古海吉采用本方法。

2.4.2.5 湿法+气柜缓冲净化技术

湿法+气柜缓冲净化技术是天辰工程公司为适应电石企业规模化、大型化发展需要，以国内化肥造气工艺为技术依托，对电石炉气进行净化后综合利用的一种方法，称为炉气后处理技术。

该方法与以上几种技术比较主要存在如下优点:①干法净化无法实现多台电石炉炉气汇集和远距离输送，不能稳定的提供净化炉气，无法适应电石装置规模化、大型化发展。②产生的废水循环量和需要补充的水量很少，节水效果好，有利于水资源匮乏地区使用。③该技术进一步通过水洗塔水洗、降温后送气柜储存，同时除去炉气中的微量焦油和粉尘，净化后的炉气不仅可以作为燃料，而且为今后炉气用于化工原料奠定了基础。经比较，我公司选择国内宁夏三友和合肥合意改进的干法炉气净化技术，各4套，分别与8台电石炉相配套，同时配套4台水洗塔和10 000 Nm3湿式气柜。目前已运行5个月，干法净化系统可长期稳定运行，净化后炉气含尘量可达到10～20 mg/Nm3，水洗塔没有出现堵塞现象，水洗用循环水轻度混浊，效果良好。

2.5 气烧石灰窑

2.5.1 选择配套石灰窑的原因

①电石炉的副产炉气量约为23 000 Nm3/h，炉气中CO的含量在75% ～90%，热值在10800～11 340 kJ/Nm3，可以送石灰窑作燃料。②气烧石灰窑煅烧的石灰活性好，生烧率低，可以有效降低电耗。

2.5.2 窑型的选择

世界上先进的气烧石灰窑有双蓄热式(双膛式)、双套筒式和双梁式气烧石灰窑。

①双蓄热式气烧石灰窑为瑞士麦尔兹公司技术，其热效率高，为3 696～3 780 kJ/kg石灰，结构和维修简单，但是因涉及专利费，价格相当高，两台600 t/d石灰窑投资约1.4亿元。

②双套筒式气烧石灰窑原为德国维马斯特公司技术，现已被消化吸收实现了国产化，该窑型热效率也比较高，为3 780～3 990 kJ/kg石灰，操作容易，控制简单，生产中故障率低，但窑本体复杂，耐火材料品种多，建造和日后维修较为困难，2台600 t/d石灰窑投资大约1.1亿元。

③双梁式气烧石灰窑原为意大利UCC公司技术，国内石家庄新华工业炉公司已成功国产化，产能为300 t/d的石灰窑已在多家企业正常运行，其窑体结构和耐火材料比较简单，使用维护简单，但与其它两种窑型相比热耗较高，约为1 050 kJ/kg石灰。

我公司每天需要石灰8 720 t左右，综合上述几种窑型的特点，注重投资比较，我们选择4台双梁式气烧石灰窑，通过优化改进窑体参数把产能扩大到400 t/d，4台400 t/d石灰窑投资约9 000多万元。2011年3月22日1#石灰窑点火成功，4月30日2#石灰窑点火，经过3个月的调整，产量已经达到设计要求，生烧率基本控制在8%左右。

2.6 空心电极技术

空心电极在我国管理比较好的电石企业有成功运行的经验，实践证明是利用焦炭和石灰粉料、降低生产成本、减轻对环境的污染、迅速调整炉况和电石质量、稳定生产、减少电极糊消耗、降低电极事故、提高电石炉运转率和经济效益的有力措施，但在生产和安全管理上需要细心操作，精心管理。空心电极是密闭式电石炉技术发展的方向，是现代化电石生产中不可缺少的重要组成部分。

2.7 贯彻“三同时”的原则，注重环保和安全卫生

电石炉尾气和炭材干燥尾气以及原料、成品加工、运输过程的扬尘均经过集中扑集，经除尘处理后达标排放。对于输送物料、生产过程中尽可能减少扬尘点，尽可能密闭吸尘点，选用适用、先进的除尘设备，单点或近点组成系统，注意收尘后的粉尘外运，避免和减少二次扬尘污染。针对出炉口操作环境恶劣的现状，本次特别改进电石炉出炉口排烟点的设计，实现出炉和排烟系统联锁控制，在实际运行中取得了良好的效果。我公司的环保投资共达到6 924万元，安全防护设施投资达到3 070万元。

3 节能效果的分析预测

3.1 吨电石电耗

由于设计中体现对于原料的精心管理和精确配比，本设计采用进一步改进技术的大型3×10 000 kVA密闭式电石炉，优化短网设计，改进变压器功率补偿技术，采用空心电极、气烧石灰窑和110 kV高压供电系统等各项节能措施以及生产过程DCS自动控制等，本装置预计在国内通用标准原料下:电耗将达到低于3 200 kW·h/t电石，比较一般状况(3400 kW·h/t电石)，每吨电石降低了电耗200 kW·h，达到和超过电石准入条件的要求。45万t电石全年节约电能9 000万kW·h，每年节约折标准煤约为11 070 t。

3.2 炉气净化回收利用

按照每吨电石回收炉气(吨电石产生炉气量为400 Nm3，热值按10 080 kJ/Nm3)折标准煤137 kg，每年节约折标准煤约为61 650 t。

3.3 空心电极技术的采用

每年节约(按粉料5%)石灰粉20 700 t/a(不计能耗)、焦炭粉13 050 t/a、电极糊6 750 t/a(采用空心电极技术时，电极糊消耗定额为0.02 t/t电石，相对于无空心电极时节省0.015 t/t电石)，每年节约折标准煤约为14 605 t。

3.4 节能效果合计

本项目全年节约折标准煤约87 325 t。

3.5 综合能耗分析

电石生产主要耗能包括水、电、压缩空气、仪表空气、氮气、焦炭(含焦炭粉)、电极糊等。按综合能耗折算要求，压缩空气、仪表空气、氮气为界区内部消耗，以电消耗计，石灰生产采用电石炉气为燃料，回收利用的电石炉气为界区内能耗，综合能耗不计算在内，以电消耗计。汝州电化公司45万t/a电石项目标准电石综合能耗为1.054 t标准煤/t电石。接近国家发布的清洁生产标准中一级的要求(一级1.0，二级1.265)。

表1 装置能耗表(成品电石计)