电石干湿法生产乙炔水平衡研究

宁春波，韩云峰，梁 锋

（陕西北元化工集团有限公司，陕西 榆林 719319）

陕西北元化工集团有限公司化工二分公司设计为100万t/a聚氯乙烯，分为2种乙炔生产工艺，其中一期乙炔生产工艺为湿法发生，可生产50万t/a聚氯乙烯，设计乙炔流量为25 000 Nm3/h；二期乙炔生产工艺为干法发生，可生产50万t/a聚氯乙烯，设计乙炔流量为25 000 Nm3/h。

干法乙炔开车后，水平衡问题成为影响乙炔分厂生产的瓶颈，在干湿法的用水和排水问题上要保持一个循环平衡，否则水量过大，会造成渣浆和上清液溢流，产生环保事故。该公司电石干湿法生产乙炔水平衡主要有湿法发生用水，干法排至湿法渣浆处理的渣浆水，循环水排污及其他废水，湿法和干法电石泥带走水分，湿法清净水洗冷却塔、碱洗冷却塔蒸汽冷凝水，干法发生用水，清净机封冷却水，上清液系统蒸发的水等，现通过定量的方法来计算水消耗和补水情况，研究水平衡。现拟电石的发气量为300 L/kg来计算乙炔分厂水平衡。

1 湿法发生热量计算

设湿法乙炔流量为20 000 Nm3/h，乙炔气收率为90%，在破碎过程中损失的电石，除尘器除去的电石灰，散落的电石，设其损失率5%，发气量为300L/kg的电石CaC2含量为80.6%，并假设电石中含CaO为10%，其余杂质为9.4%。则要达到湿法乙炔流量为20 000 Nm3/h，每小时所需发气量为300 L/kg的电石质量为：

m电石=20 000/（300×90%×95%）

=77 972.7 kg=78（t）

现以1 t发气量为300 L/kg电石在发生器温度为85℃（恒定）时水解计算热量平衡（不计发生器及附属设备散热损失和电石加料，排渣过程带走的热量）。

CaC2水解化学反应方程式为：

1.1 进入发生器的热量Q

1.1.1 水解反应热Q1

CaC2水解放出的热量为：

1 000×80.6%×95%×1 000×130/64

=1 555 328.12（kJ）；

CaO水解放出的热量为：

1 000×10%×1 000×63.4/56=113 214.29（kJ）；

电石与水总反应放出的热量为：

Q1=1 555 328.12+113 214.29=1 668 542.41（kJ）。

1.1.2 进入发生器水带入的热量Q2

假设发生器中加入上清液的温度为45℃，参与反应水量为462.71 kg，则加入参与反应水所带入的热量（其中，水的比热为 4.182 kJ/（kg·℃））如下。

上清液带入发生器的热量为：

Q2=4.182×462.71×（45-20）=48 376.33（kJ）。

1.1.3 进入发生器中电石带入的热量Q3

假设加入发生器的电石温度约为40℃，电石比热为 59.246 kJ/（kmol·℃）

Q3=59.246×1 000×（40-20）/64=18 514.38（kJ）；进入发生器的热量为：

1.2 乙炔气、水蒸气和电石渣带走的热量Q4

（1）乙炔气带走的热量为Q5，由于在温度为20℃，压力为101.325 kPa，1 kg纯度为80.6%的电石与水反应，可得到干乙炔气体为300 L，则1 t电石所产生乙炔气体的质量为：

m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔气带走的热量 Q5=311.07×1.848×（85-20）=37 365.73（kJ）。

注：1.848为乙炔在85℃时的比热；85℃为湿法发生器的乙炔气平均温度；20℃为常温。

（2）反应产生的水蒸气带走的热量为Q6（假设乙炔气与水蒸气比例为1︰1）

1 t电石反应所产生的水蒸气质量为：

m水蒸气=311.07×18/26=215.36（kg）；

注：18为水的分子量；26为乙炔的分子量。

在85℃时，水的汽化潜热为2 260 kJ/kg，则水蒸气带走的热量Q6=m水蒸气×水的汽化潜热=215.36×2 260=486 713.60（kJ）。

（3）电石渣浆带走的热量为Q7

由反应方程式可以看出，1 t电石水解产生电石渣质量为：

m电石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 为 Ca（OH）2分子量；64 为 CaC2分子量；56为CaO的分子量；94%为电石中除CaC2和CaO以外的物质含量。

电石渣的比热容为 0.963 kJ/（kg·℃），电石渣的平均温度为85℃，则电石渣浆中电石渣带走的热量为：0.963×1 111.48×（85-20）=69 573.09（kJ）；

发生器溢流的电石渣浆含固量为20%，则1 t电石反应产生的电石渣浆中水分为：4 445.92 kg，渣浆中水带走的热量为（加入发生器中水温为48℃）：

4 445.92×4.182×（85-48）=687 934.99（kJ）；

那么1 t电石水解产生电石渣浆带走的热量为：

Q7=69 573.09+687 934.99=757 508.08（kJ）；

所以，乙炔气、水蒸气和电石渣带走的热量总和为：

Q4=Q5+Q6+Q7=37 365.73+486 713.60+757 508.08=1 281 587.41（kJ）。

1.3 湿法反应用水量

由反应方程式可以得出1 t电石中CaC2和CaO 与水反应所需水量为：1 000×0.806×0.95×36/64+1 000×0.1×18/56=462.71（kg）

需要用水移去的反应热为：

Q-Q4=1735433.12-1281587.41=453845.71（kJ）；

假设发生器中加入上清液的温度为48℃，则需加入参与反应与移走反应热所需水量为：其中水的比热为 4.182 kJ/（kg·℃）

m上清液=1 141 780.7/[4.182×（85-48）]+462.71=3 395.78（kg）；

因此，当乙炔流量为20 000 m3/h时，电石发气量300 L/kg，乙炔气收率为90%，0.95为电石利用率，则1 h所需要的电石量为：20 000/（300×90%×95%）=77.97（t）

当乙炔流量为20 000 m3/h时，每小时湿法发生器中需要加入的水量V1为：3 184.39×77.97/1 000=264.77（m3）。

2 干法排至湿法渣浆水量

干法排至湿法的水量V2主要由洗涤冷却塔顶部喷水V3和蒸汽冷凝水V4组成。

2.1 洗涤冷却塔喷水量

干法乙炔流量为20 000 m3/h时，假设每台发生器乙炔回收率均为99%，电石利用率为95%，则电石用量为 20 000/（300×0.99×0.95）=70.88（t/h）；

假设干法用12台发生器，每台电石进料量为5.91 t，即可达到71 t/h，生产水压力为0.3 MPa，流速约为2 m/s，塔顶喷水周期为每隔300 s喷20 s，每小时喷水12次，正水封和洗涤冷却塔远传液位计喷水周期为每隔600 s喷20 s，每小时喷水6次，则每小时每台发生洗涤冷却塔塔顶喷水量为 （喷水管道为DN50）；（12×20×2×0.025 2 ×3.14）=0.942（m3）；

每小时每台洗涤塔和正水封远传液位计喷水量为（喷水管道为 DN50）（6×20×2×0.025 2×3.14）=0.471（m3）

则12台发生器每小时的喷水总量为

V3=（0.942+0.471）×12=16.96（m3）。

2.2 洗涤冷凝塔冷却水量V4

由于干渣所带水分较少，气相管喷水的冷凝水也较少，二者可以忽略不计，下面以热量衡量计算冷却水量V4。

（1）进入干法发生器的热量为Q8，分为反应产生的热量、电石带入的热量、加入生产水带入的热量

a.反应产生的热量为 1 668 542.42 kJ，与湿法发生相同；

b.电石带入的热量为18 514.38 kg，与湿法发生相同；

c.生产水带入的热量Q8=1668542.42+18 514.38+0=1 687 056.8（kJ）。

（2）乙炔气、水蒸气和电石渣带走的热量Q9

a.由于在温度为20℃，压力为101.325 kPa，1 kg纯度为80.6%的电石与水反应，可得到干乙炔气体为300L，则1t电石所产生乙炔气体的质量为：m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔气带走的热量 Q10=311.07×1.848×（88-20）=39 090.30（kJ）；

注：1.848为乙炔在90℃时的比热；88℃为干法发生器的乙炔气平均温度；20℃为常温。

b.水蒸气带走的热量Q11（假设乙炔气与水蒸气比例为1∶3）；1 t电石反应所产生的水蒸气质量为：

m水蒸气=311.07×18×3/26=646.07（kg）；

注：18为水的分子量；26为乙炔的分子量。

在90℃时，水的汽化潜热为2 260 kJ/kg，则水蒸气带走的热量Q11=m水蒸气×水的汽化潜=646.07×2 260=1 460 118.2（kJ）；

c.电石渣带走的热量Q12。由反应方程式可以看出，1 t电石水解产生电石渣质量为：m电石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 为 Ca（OH）2分子量；64 为 CaC2分子量；56为CaO的分子量；94%为电石中除CaC2和CaO以外的物质含量。

电石渣的比热容为 0.963 kJ/（kg·℃），电石渣的平均温度为93℃，则电石干渣带走的热量为1111.48×0.963×（93-20）=78 135.93（kJ）；

干法发生器排出的电石干渣含水为8%，则1 t电石反应产生的电石干渣中水分为：96.65 kg，干渣中水带走的热量为：96.65×4.182×（93-20）=29 505.89（kg），1 t电石水解产生电石渣浆带走的热量为：

Q12=78 135.93+29 505.89=107 641.82（kg），乙炔气、水蒸气和电石渣带走的热量为：

需要用水移去反应热为：

Q8-Q9=1 687 056.8-1 606 850.32=80 206.48（kJ）

假设发生器中加入生产水的温度为20℃，则需加水量为：mH2O=80 206.48/[4.182×（90-20）]+462.71=736.69（kg）；

注：4.182为水的比热容；水的温度加至90℃。

则洗涤冷凝塔冷却水量为：V4=0.736 69×70.88=52.22（m3）；

所以每小时干法排至湿法水量为：V2=V3+V4=16.96+52.22=69.18（m3）。

3 湿法清净水洗冷却塔，碱洗冷却塔冷却水量为

清净水洗冷却塔，碱洗冷却塔冷却水主要为蒸汽冷凝水，蒸汽冷凝水为湿法发生器产生的蒸汽冷凝水（正逆水封及管道损失的蒸汽忽略不计）。

冷凝水量 V5为：486 713.60/[4.182×（80-10）]=1.66（m3）；

注：水的比热为 4.182 kJ/（kg·℃）；80 ℃为水洗冷却塔乙炔气出口温度；10℃为碱洗冷却塔的乙炔气出口温度。

当乙炔流量为20000m3/h时，每小时冷凝水量为：

1.66×78=129.48（m3）。

所以，水洗冷却塔，碱洗冷却塔每小时冷却水量V5为 129.48 m3。

4 电石泥带走水量

由化学反应方程式可以得出1 t电石反应可产生电石泥为：m电石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1111.48（kg）；

注：74 为 Ca（OH）2分子量；64 为 CaC2分子量；56为CaO的分子量；94%为电石中除CaC2和CaO以外的物质含量。

当电石泥含水为36%时，1 t电石所产生的电石泥带走水量为0.63 m3，当流量为20000m3/h时，每小时所产生的电石泥带走的水量V6=49.14（m3）

清净机封冷却水、水洗冷却塔、碱洗冷却塔、除雾器、正逆水封排水等水量较小，与每天蒸发量可以抵消，不计入排水量中。

5 结论

当乙炔流量湿法20 000 Nm3/h，干法流量20 000 Nm3/h，干法发生用水目前为生产水，循环水排污全部排至污水井，不影响水平衡，见表1。

a.当 0≤VO＜115.25 m3时，将会导致（湿法发生用水）+（电石泥带走水）＞（干法排至湿法渣浆水）+（湿法清净冷却水）+VO，因此，上清液池液位将会下降，只要保持压滤电石泥进料量不变，干湿法生产负荷不发生变化，将不会发生溢流，一段时间后，上清液池将需要补大量的生产水以满足生产需求。

b.当VO=115.25 m3时，将会导致（湿法发生用水）+（电石泥带走水）=（干法排至湿法渣浆水）+（湿法清净冷却水）+VO，因此，上清液液位将保持在一定的液位不变，乙炔分厂干湿法水量达到平衡，不会发生上清液溢流，同时也不需要补入生产水。

表1 干法乙炔用水情况表

c.当 VO＞115.25 m3时，将会导致（湿法发生用水）+（电石泥带走水）＜（干法排至湿法渣浆水）+（湿法清净冷却水）+VO，因此，上清液池液位会发生上涨趋势，如果不加以控制将发生溢流。如果要保持总乙炔流量不变，可以通过调节干湿法电石用量、排入的其他废水量、压滤加大电石泥进料量来控制水平衡。

所以，乙炔分厂要保持水平衡，必须保证干法排至湿法水与湿法清净冷却水和其他废水量，其他废水排至上清液小于湿法发生用水和电石泥带走水之和，要严格控制湿法清净冷却水量，保证压滤的电石泥进料量，浓缩池不发生返浑现象。

［1］吴里云.井巷硐室工程.北京：冶金工业出版社，2001.

［2］王国兴，王进述.浅谈PVC厂乙炔生产中水平衡问题，陕西煤炭，2011，5.

［3］郑石子，颜才南，胡志宏，曾建华.聚氯乙烯生产与操作，2008.