一种电石生产节能措施

＊王 琳

（中国天辰工程有限公司 天津 300400）

电石作为生产乙炔进而生产聚氯乙烯（PVC）、合成橡胶、人造树脂等重要有机化工产品的重要原料，是化工领域的一种重要基础化工产品。我国是世界上最大的电石生产和消费国，但是随着社会的不断发展、全球气候变暖，低碳环保已经成为了主要的发展趋势。电石生产作为高耗能产业，发展逐步放缓。随着《电石行业准入条件（2014年修订）》的出台，我国开始对电石产能进行总量控制，对电石生产企业进行兼并重组和布局优化，进一步淘汰落后产能。2016年，我国电石生产企业220家，产能达到4500万吨/年。到2018年，我国的电石企业数量下降到170家，全国电石产能在4100万吨/年，但是整体产能依旧面临过剩的问题。在淘汰落后产能的过程中，节能降耗是一项重要的指标。作为高能耗行业，电石生产过程中热损失严重，谁能在节能降耗方面领先一步，谁就能在行业竞争中处于优势地位。

1.电石生产过程的能耗和热损失

电石生产过程中的能耗和热损失主要来自以下几个方面：（1）高压电流在电石炉内的电热能转换；（2）电石炉炉盖的热能散失；（3）电石炉气排放携带的能量；（4）电石炉出料及电石砣冷却过程散失的热量。

理论上生产1吨电石只需要1630度电，而在实际生产中，电耗远远高于理论值。在电石工业较为发达的国家，电石电耗也在2900度/吨以上，而我国电石生产厂的电耗大多在3200度/吨以上。因此对上述的能量损失环节进行深入研究，探索相应的节能降耗措施是非常有意义的。

2.电石生产节能措施

随着国家产业政策的调整，电石行业内也在不断的从以上四个方面入手，探索和研究节能降耗的措施，并且取得了一定的成果。目前得到工业化应用的节能降耗措施，主要是以下几项：

(1)优化电石炉电气运行参数的节能措施

通过使用PLC计算机自控技术，能够有效地符合相关工艺指标，同时能够集中的对电器参数以及设备自动化操作、原料输送以及紧急状况处理等方面进行整合，并有效地结合巡检和集中控制，从而能够更好地确保整体的工作效率，确保其能够平稳生产。从而稳定电热能的转换，有效避免非稳定生产状态下的效率损失。

(2)改进电石炉结构，回收炉盖热能

采用水冷壁结构炉盖，在炉盖内通入锅炉给水，可以有效的回收电石炉的辐射热能，副产蒸汽，充分利用以前散失到环境中的辐射热能。但是采用这种节能措施时，要严格控制锅炉给水的质量，避免水冷壁内结垢，导致水冷壁局部过热，最终烧坏炉盖，导致生产事故。

(3)改善电石炉的密闭效果

电石炉的密闭性也是能量损失的重要因素。目前电石炉炉型大多采用全封闭炉，开放式炉和半封闭炉都属于淘汰炉型。对于全封闭炉，进料口处的密封依然是能量损失的重要环节。最初企业使用石灰对进料口做简单密封处理，能够有效地提高炉内一氧化碳浓度。但是因为电石炉盖板温度非常高，使得石灰容易发生脱落，导致密封时间非常短，散失的电石炉气带走大量的热量。之后经研究发现利用废旧电池电极筒边角料将下料嘴与料管之间进行密封，能够进一步增加一氧化碳的浓度。同时通过改善电极的操作规程，使电石炉处于负压状态，能够进一步避免炉气泄露，降低能源的消耗。

(4)电石炉炉气的回收利用

电石炉炉气的利用主要是以下几种情况：

①用于电石炭材烘干

电石炉气经过净化后送入空气加热炉作为燃料。加热炉的热空气送入回转干燥器用于炭材的干燥热源和载体。

②用于余热锅炉燃料

电石炉气不需要净化和除尘，直接送入余热锅炉作为燃料，充分利用电石炉气的显热、可燃气体（CO+H2）及气体夹带的可燃颗粒物的燃烧热生产蒸汽，达到回收能量的目的。燃烧后的烟气，经过重力沉降和烟气除尘器除去颗粒物后达标排放。在回收电石炉气能量的同时，达到炉气干法除尘的目的。

③用于化工原料

电石炉气的主要成分是一氧化碳，可以用于生产甲醇、甲酸、醋酸、醋酸酐、二甲基甲酰胺、甲酸甲酯、碳酸二甲酯、聚碳酸酯、光气、金属羰基化合物等多种高附加值的化工产品。但是电石炉气用于上述化工原料，必须先经过净化和提纯才可以，否则电石炉气中的各种颗粒物和气体杂质会严重影响产品品质甚至导致生产工艺无法实现。例如需要使用催化剂的生产工艺，即便是微量的杂质也可能导致催化剂中毒。因此电石炉气的净化提纯是电石炉气用于化工原料首先要攻克的技术难关。目前国内成功将电石炉气用于化工原料的案例非常少。

④用于烧制石灰

生石灰是生产电石的主要原料之一，制备方法是将主要成分为碳酸钙的天然岩石在煅烧窑内煅烧。将电石炉气作为气烧窑的燃料是目前电石企业的普遍做法。气烧窑的结构比煤烧窑简单，并且烧制的生石灰不含炉渣等杂质，燃料气的适应性强，可以燃烧作为废气排放的有害气体。电石炉气用来烧石灰窑完全是变废为宝，既节能又环保。

(5)熔融电石显热回收

电石生产的出炉环节和电石砣冷却过程也是热量损失的另一重要环节。电石出炉的温度高达1800-1900℃，因电石热焓高，熔融电石的显热热量巨大。目前电石生产厂中，熔融电石出炉后，通常是放置在空气中自然冷却或采用鼓风强制冷却固化，大量热能散失到环境中。并且采用鼓风机强制冷却需要额外消耗电能。

为了回收熔融电石固化、冷却时放出的热量，降低能耗，在国外，尤其是在能源匮乏的日本，进行了多年的研究和实践，提出了多种回收热量的工艺和设备，大多是采用直接换热方式，制取蒸汽用于发电、采暖等用，该方式换热效率高，但对设备加工、生产过程控制要求较高，任意点出现泄漏都将造成重大事故。

熔融电石余热回收在国内属于刚起步阶段，目前也出现了多种思路，一种是采用风淬粒化，利用流化床回收其部分余热；一种是改变电石冷却器具结构，利用间壁换热方式回收部分电石热量；一种是改变电石锅结构利用隧道窑概念回收电石高品位部分热能。

3.一种熔融电石热量回收的新方法

根据四川大学对四川金路树脂有限公司8000KVA电石炉运行参数的测试及热点平衡计算，电石炉气带走的热量约占总热损失的12.7%，而出炉熔融电石带走的热量约占总热损失的25.3%。该电石炉的热损失详细情况如表1。

表1 电石炉热损

从表1的热损失对比来看，除了冷却水带走的热量之外，占比最大的热损失是出炉热电石带走热量。但是国内实现工业化应用的电石炉热量回收措施主要是针对电石炉气。热损失占比更大的熔融电石余热在国内才开始受到重视，对此余热的回收利用大多处于探索阶段，鲜有成功的工业化应用案例。究其原因主要有以下几个方面：

首先，电石炉出料并非连续出料，熔融电石的辐射热释放不连续。这种不连续的能量释放，即便回收也难以有效利用；其次，电石炉出料一般是排入电石锅内，很难实现密闭，辐射热散失到空气中后迅速通过空气流动被带走。辐射热的散失很难避免；最后，电石产品本身的性质导致直接换热的介质难以选取。

传统的熔融电石出料是排放到电石锅内，然后通过卷扬机将电石锅拖拽至冷却车间自然冷却或者机械通风冷却。这个过程中散失的热量非常难以回收。虽然通过研制带散热翅片的电石锅，采用机械通风并回收热风可以回收部分显热，但是显然这种回收方法的效率是较低的。并且由于回收的热风温度较低，回收能量的利用也很困难。风淬粒化是另外一种熔融电石余热回收的方向，但是由于气体的比热容较小，换热需要大量的气体，气体压缩输送的能量消耗较大，并且处理气体的设备和输送管道体积庞大，投资较高。

采用隧道窑概念可以实现熔融电石余热回收，但是隧道窑本身无法实现密封，辐射到空气中的热量依然会流失，热量的回收率也不会太高。通过改变电石冷却器具的结构，通过间壁换热回收电石热量是一个可行的思路，但是电石锅需要从电石炉厂房运输到冷却车间，在此运动过程中，如何实现热载体在电石锅间的流动是难题。

通过对熔融电石出料及电石锅输送至冷却车间过程的研究，笔者提出一种全新的熔融电石余热回收方法的构想。该方法是将接收熔融电石的电石锅布置在充满导热油的链板输送机的沟槽内。排入电石锅的熔融电石迅速的与导热油直接换热，提高导热油的温度。链板输送机将电石向导热油槽的一端输送，与此同时，导热油槽内的导热油以一定的速度与链板输送机逆向流动，最终从导热油槽的另一端用泵抽出。抽出的导热油温度控制在325℃，送至蒸汽发生器生产3.9MPaG的中压蒸汽，送至蒸汽用户。经锅炉换热后的导热油温度降至260℃，送回导热油槽再次与熔融电石换热。以下为该余热回收方法的流程简图：

图1 余热回收流程

通常电石生产厂会有多个电石炉同时运行，对于多个电石炉的工厂，上述余热回收方法的导热油槽应由多个电石炉共用，采用串联的方式布置。因为电石炉的出料为间歇出料，多个电石炉串联，可以将出料时间错开，能够实现始终有电石出料进入导热油槽，保证热量的连续回收，使导热油的抽出温度和流量更加稳定，保证蒸汽发生器的稳定运行，产生的蒸汽量更加稳定。

该余热回收方法的关键是导热油的选取。导热油必须要在325℃的条件下保证性能稳定。目前市场上的矿物型导热油的最高使用温度不超过320℃。但是一些品牌的全合成导热油最高使用温度可以达到400℃。所以从导热介质的选择上来看，本方法是可行的。

在导热油与电石炉出料换热的过程中，电石的碎屑、粉尘会进入导热油内，随着装置的运行，导热油的性能会逐渐变差。为此需要考虑导热油的过滤设施，在导热油泵的出口设置精密过滤器，将导热油中的颗粒物过滤下来。

表2

采用这种方法，可以回收熔融电石1800℃至290℃的显热，理论上回收率可以达到70%以上。并且电石移出导热油槽时，温度已经降低至290℃，进一步冷却所需的时间大幅缩短，减少了电石砣在冷却厂房的停留时间，可以大幅的减少冷却厂房的建筑面积，进而降低建设投资。

由于导热油的使用温度较高，并且在熔融电石落入导热油槽的时有可能发生局部过热，在空气存在的情况下导热油可能会着火。因此导热油槽及电石的落料管必须封闭，并通入氮气进行保护。

与前述的其他熔融电石余热回收方法进行对比，优缺点情况如下：

虽然本方法处于理论研究阶段，但是从上述优缺点对比来看，本方法具有明显的优势：

（1）由于熔融电石直接与导热介质接触，换热效率高，热损失小，能冷回收效率高。

（2）采用导热油为导热介质，热容量大，导热油的循环量相比于空气小很多，导热介质的输送机械能消耗低。

（3）导热油的出口温度高，可以用于制备蒸汽，回收的热量便于利用。

（4）采用的设备除链板输送机在特殊的环境运行外，其余的设备都是常用的化工设备，投资容易控制。

但是本方法也是在理论上具备了可行性，真正用于工业化实践需要经过小试、中试进行验证。根据对本方法的分析研究，可以初步判断需要解决的工程问题如下：

（1）导热油槽的布置需要与电石炉的布置相匹配，使多个电石炉的出料能够排入同一个导热油槽内，保证热量的集中回收，使导热油的出口温度相对稳定。

（2）导热油槽的盖板与熔融电石的出料管连接处必须封闭，避免保护氮气散失到环境中，造成氮气积聚引发安全事故。

（3）导热油的进出口温差只有35℃，因此蒸汽发生器的设计必须有针对性的考虑。

（4）链板输送机在导热油槽内运行，设备的设计必须考虑高温环境。

（5）链板输送机带动电石锅出导热油槽时，要考虑带出的导热油回收的问题，避免导热油的损耗。

4.总结

电石生产过程的热损失是电石生产企业非常关注的问题，研究开发相应的节能措施有非常重要的意义。随着国家产业政策的调整，电石生产的节能降耗迫在眉睫，刻不容缓。可以说谁攻克了节能降耗的难题，谁就会在电石生产领域居于领先地位。本文从理论方面探讨了一种回收熔融电石余热的方法，但付诸于实践的道路长远，需要解决的工程问题还很多。希望本文可以起到抛砖引玉的作用，引导电石生产企业从多个方向综合考虑电石生产节能降耗的措施，努力改善电石生产高耗能的形象，提升企业的经济效益。