电石炉生产工艺.docx

电石炉生产工艺.docx

《电石炉生产工艺.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电石炉生产工艺.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电石炉生产工艺

1绪论

1.1引言

1862年Hare和Wohler在实验室中首次利用

、

与

等原料制得

，三十年后Moisson和Willson用

和煤在电炉中制成了

[1]。

由于这种碳化钙是在电炉中反应生成，于是我们俗称它为电石。

电石工业品是灰色、黄褐色或黑色的固体，它是有机合成工业的重要基本原料，利用电石与水反应生成的乙炔可进一步合成有关系列产品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纤维、合成橡胶、合成树脂及有机溶剂等，还可用于金属的切割和焊接。

电石炉内利用三相电极间短路电弧所产生的高温热能将生石灰、焦碳等原料熔融后反应生成

，即工业电石。

在电弧高温生产电石过程中，电石炉内温度值的改变是通过调节电极碳棒插入炉料的深度来控制的，并且其温度值一般是利用三相原边电流的大小来间接测算的，当电极下降时电流值增加，反之则电流值减少，因此电极升降控制系统是电石生产的重要部位，电极电流值的大小和稳定性是影响电石生产质量及能耗大小的关键因素。

在电石生产过程中如果仅依赖人工进行手动操作，这不仅使得人工劳动强度加大，而且会使三相电极平衡难以调节、三相电流值不稳定，甚至容易造成断弧或跳闸现象。

由于目前国内电石生产的自动化水平仍然较低，使得电石生产的电能损耗增加，生产效率和质量难以提高，从而导致产品缺乏国内外市场竞争力，因此提高现有设备的自动化水平、完善电石炉系统控制机制、加强生产的安全性能是改善当前比较落后的技术现状的有效途径之一。

1.2电石工业的现状和发展前景

随着国际原油价格的上涨，有机合成工业的重要原料——乙炔的生产由石油提炼法转为电石生产法，这就使得电石的需求量与日俱增，给国内外电石行业提供了极大的市场空间。

以下就国内外的电石工业现状和发展前景分别加以介绍和说明。

1.国内外的生产现状

日本、美国、德国等都是世界上电石工业较发达的国家，这些国家在电石工业极盛时期的年生产量都超过100万吨。

日本电石工业创始于1901年，当时只有一座容量50千瓦的小型电炉，但在20世纪50年代末已使用密闭电石炉，80年代初期日本电石生产电耗已降至3050kWh/t以下，1976年其电石年产量达到了56万吨[1]。

1895年，美国建成了第一座工业化电石炉，1904年，又建成一座功率为7500kW的三相电石炉，在恒定功率运行，电石电耗到3034kWh/t，发气量也稳定在优级品。

德国拥有世界最大的电石炉，容量为75000KVA，日产电石为435吨，净化后炉气为1万m3/h，运用空心电极技术，可利用粉料占总炉料的1/4以上，电石电耗已降至2940kWh/t，质量稳定在304L/kg左右，最大生产厂可年产电石60万吨以上[1]。

我国在解放前几乎没有电石工业，只是在某些采矿场建有几座小型电石炉，容量为300KVA左右，生产电石产生的乙炔主要用于点灯，与国外电石工业相比，落后约半个世纪。

解放后，1950年在吉林建成了第一座容量为1750KVA的开放电石炉，之后在上世纪六十年代由上海吴淞化工厂与化工部第一设计院合作首先自主开发16500KVA全密闭电石炉，1958年以电石乙炔为原料的有机合成工业在我国兴起以后，电石工业才在全国各地发展兴起，许多城市纷纷建设电石厂。

1960年全国共建成容量为10000KVA的三相圆形开放电石炉13座，年生产能力超过35万吨[2]。

目前我国约有大、小电石生产厂家500余家，2006年为3.35万吨[3]。

统计数据显示，2006年我国电石产量突破1000万吨，2007年产量达到了1500万吨以上[4]。

2.国内外的研究现状

目前国外的性能较好的电石炉大部分采用了空心电极加料，并采用计算机控制系统实现电极压放控制、电极升降控制以及工艺参数的检测等功能。

早在上世纪60年代初，美国在大型密闭电石炉已首先将电子计算机应用于电石生产过程中，通过过程计算机寻求生产最佳参数值使生产能力和电石质量得到很大提高[5]。

电石生产过程是一个比较复杂化合反应过程，电石炉的操作受到炉料配比、水分、粒度、气孔率粒度以及电气参数的设定等诸多因素的影响，并且原料状态参数、电极升降位置以及电石炉内温度值难以直接准确的测量得到，这使得建立电石炉系统的数学模型成为主要技术问题，目前尚无电石炉控制模型的国内外文献资料可供参考。

针对电石炉控制系统的设计，国内出现了一些相关的工程设计文献[6][7][8]，但这些研究文献有一定的局限性，或缺少计算机监控系统的设计或缺少三相电极难以调节平衡的问题解决方法。

电石炉系统中三相电极升降控制的好坏直接影响到炉温和三相电流或电压的不平衡程度，并且电石炉电流本身存在灵敏度高、耦合性强、参数时变等因素，使电石炉系统中电极的升降调节成为控制的重点和难点。

针对电石炉电流所存在的问题，目前国内外对电弧冶炼的三相电极控制做过很多相关研究并提出多种控制算法，如文献[9]提出PID控制算法；文献[10][11][12]提出模糊控制算法；文献[13]提出智能PID控制算法；文献[14][15][16]提出神经网络控制算法以及文献[17][18][19]提出其他控制方案等。

目前针对电石炉电极升降系统虽然存在多种控制算法和文献参考，但较多方案存在缺少控制器结构和算法论述或没有系统仿真、应用结果等问题，因此难以达到理想的理论研究和工程应用参考价值，如上述文献[10]中提出的三输入单输出结构模糊控制算法、文献[11][12]中所提自适应模糊算法，对电石炉对象的模糊控制器结构和模糊规则等均缺少论述和说明以及实际工程应用，如[13][15][16]等参考文献中所提智能控制以及神经网络等控制算法均缺少研究仿真或应用结果。

由于国内外的电石炉系统早期主要以单片机、继电器控制为主或以理论研究为主，很多先进算法在电石炉工业现场没有得到具体的应用或实施，而常规控制方案难以达到理想控制效果，并且因电石炉系统无具体控制模型，各种算法在实际的应用中控制参数的选取以实验法为主。

本文针对电石炉控制系统参考文献中所研究的算法和结果，结合实际工程项目分别采用改进型PID控制和模糊控制策略，此外在电极模糊控制系统中本文提出将模糊控制算法与PLC相结合，设计和编程实现离线创建模糊控制表和在线查表控制功能，最终将控制系统投入实际应用，并获得理想控制效果。

3.电石工业的发展前景

70年代后期到90年代初，随着石油化工的发展，西方国家的有机合成工业原料路线由电石乙炔转变到石油乙炔，国际电石行业处于低谷，技术和设备的研究也处于停滞和萎缩状态。

但90年代后期，由于国际原油价格的上涨，乙炔的生产转向以电石为原料，使得电石行业得到迅速发展。

目前，国际上电石市场看好，电石的需求量与日俱增，国内PVC产品应用领域在逐渐拓展，这就给国内外电石行业提供了极大的市场空间[5]。

目前我国电石行业产能过剩、技术装备水平低、结构不合理、污染严重等问题仍然没有得到根本解决，如何将粗放型的电石工业通过技术更新、设备优化，逐步改造成集约型工业是我国现有电石工业改变落后面貌、提高技术经济效益的关键。

改善目前落后生产技术的根本措施应从工艺入手，改善电石生产设备、提高自动化水平以及淘汰高污染高能耗的电石生产企业和设备。

2电石炉生产工艺及设备

电石俗称卡石，其化学名称叫碳化钙。

碳化钙的分子式是

，分子量为64.10。

其工业品是灰色、黄褐色或黑色固体，含碳化钙较高的呈紫色。

通常所说的电石是指工业碳化钙，它是由生石灰和焦碳放在电炉中加热到2000

生成的。

电石中除含大部分碳化钙外，还含有少部分其它杂质。

电石是有机合成工业的重要基本原料，利用电石为原料可以合成一系列的有机化合物，为工业、农业、医药提供原料。

以电石乙炔为原料可制取乙烯、氯丁橡胶、氰氨化钙、乙酸、三氯乙烯等，电石也可做钢铁的脱硫剂和用于金属的切割和焊接[1]。

2.1电石炉生产原理[20]

2.1.1碳化钙的反应机理

电石是石灰与碳素材料在电阻电弧炉中制成的，在工业生产过程中，石灰与碳素材料冶炼生成碳化钙是通过两种方式完成的：

第一种方式：

氧化钙与碳在高温下首先发生下列反应：

（2.1.1）

钙蒸汽同固态碳又发生如下反应：

（2.1.2）

反应为双变量系统，气体中存在有气态

和

两种气体，反应状态不仅决定于温度，同时决定于气体中

或

二者间任意一个压力值。

只有在

蒸汽压力较高，而

压力较低的情况下，

才可能在较低温度下生成。

第二种方式：

随着物料不断下移，温度增高，当达到与其成份相适应的温度时，石灰表层生成的碳化钙与石灰物料迅速共熔成含石灰成份较高的

和

熔融物，当

含量约为20%，温度在2000

左右时，发生如下反应：

（2.1.3）

伴随沸腾现象的发生，反应急剧进行，熔融体中

成份迅速增加，形成电炉中电极下端的反应区，在此区域内，根据原料配比完成其最终反应，

流至炉底而被释放。

整个反应阶段生成电石所需的热量，由电极产生的电弧与电流通过炉料产生的电阻供给。

2.1.2电石炉电气特性

电石炉的电能是由变压器通过炉子的短网向电炉输送的，因此在整个网络中存在有变压器及短网的阻抗，影响着电石炉的特性。

如图2.1.1表示电石炉的等效电路图：

图2.1.1电石炉等效电路图

其中：

──原边电压；

──原边电流；

──副边电压；

──副边电流；

──总感抗；

──设备的电阻；

──炉料和熔体的电阻。

副边电流：

副边视在功率：

炉料和熔体总功率：

电路电阻总功率：

效率：

2.1.3电石炉中的电热过程

由于电石炉中炉料及熔体的高电阻性，电极的工作部分深入到料层中，在电极端头与熔体间形成气体空间的电弧区，使电石炉具有电阻电弧炉的特性。

电能在电石炉内根据焦耳楞次定律转化为热能，当电流

通过电弧，炉料及熔体，且其电阻为

时，则在一定时间

内，供给电石炉的电能为：

（2.1.4）

电热当量为：

，则：

（2.1.5）

根据欧姆定律：

又可表示为：

（2.1.6）

一般情况下，释放于电弧中的能量约为释放于电石炉中总能量的40%，释放于炉料中的能量较多，而释放于融体中的能量则为释放于电石炉中总能量的20%。

2.2电石炉生产工艺及设备

电石炉型式主要分为三种：

开放型、半密闭型和全密闭型。

开放型电石炉只有用于电石反应用的炉体而没有炉盖，这种电石炉的炉料表面温度高、灰尘多且环境恶劣。

半密闭炉是在开放型炉的基础上加上一个集气罩，把炉内产生的一氧化碳抽出一部分，另一部分仍在料面燃烧。

而密闭型炉是二十一世纪内很多国家推广的环保型电石炉，它诞生于上世纪四十年代末期，是在开放式电石炉基础上加上一个炉盖，将炉内产生的一氧化碳炉气用抽气设备抽出，并将炉气加以净化处理。

由于炉子的构造结构不同，往往工艺流程和相关设备也各有差异，图2.2.1所示为山西某半密闭型电石炉电石生产流程。

图2.2.1山西某电石炉生产流程图

在该电石生产系统中，首先将符合电石生产要求的生石灰和焦碳经破碎后送入贮斗，当配料系统自动完成两种原料的称重及配比后，炉料由链斗输送机送入炉顶料斗向电石炉内投料。

35KV高压经电石炉变压器给三相石墨电极供电，电极压放和升降控制均由中控室电控系统完成。

电石生成后经冷却和破碎后进行贮藏或销售处理。

2.2.1电石炉生产工艺流程[21]

图2.2.2电石炉生产工艺流程图

如图所示，电石炉的工艺流程一般为：

首先把符合电石生产需求的石灰和焦碳按规定的配比进行配料，然后用斗式提升机将炉料送至电石炉炉顶料仓，经过料管向电炉内加料，炉料在电炉内经过电极电弧垫和炉料的电阻热反应生成电石，当电石定时出炉，放至电石锅内，经冷却后，破碎成一定规格要求的粒度，即得到成品电石。

1．配料、上料和炉顶布料

合格的原料（石灰石、焦碳）经加工车间经计量、配料后，由斗式提升机送入电炉车间料仓内，通过炉顶布料设施、固定胶带输送机和环形布料机将料送入炉顶环形料仓。

炉顶布料设施按需要把炉料布入料仓，由电炉加料管分批加入电炉内。

2．电石生产

半封闭电石炉是由炉体、炉盖、电极把持器、电极压放和电极升降装置等组成的，是生产电石的主体设备。

电能由变压器和导电系统经石墨电极输入炉内，石灰和碳素原料在电阻电弧产生的高温（2000

~2200

）下转变成电石，并放出一氧化碳气体，生成的电石由出炉口排出，用烧穿器打开炉口，熔融电石流到冷却小车上的电石锅内。

出口炉设有挡屏和电弧打眼架，出炉口的上方设有排烟罩，用通风机抽出出炉时产生的烟气。

3．电石冷却、破碎及包装

熔融电石在电石锅内用顶车机拉至走廊或包装间进行冷却，电石凝固后，用桥式吊车和单抱钳将电石砣吊出，放在铸铁地面上冷却，冷却到适当程度后将电石破碎到合格粒度，然后分等极进行包装，送入成品库。

2.2.2电石炉的主要设备[1][22][23]

电石炉设备主要分为两大部分，炉体设备和热发生设备。

炉体设备包括炉壁、炉膛、炉盖以及冷却系统等。

热发生设备包括变压器、短网、把持器、导电板、电极等。

1．电石炉体

电石炉体是生产电石的主要设备。

在电石炉内由于电弧发出的高温使炉料熔化相互反应而生成电石。

由于反应温度高达2000

以上，这样高的温度，一般耐火材料是难以承受的，所以炉体的容积必须大于反应的空间，也就是说反应区与电石炉体之间留存一层炉料，用以保护炉体。

炉体的形状很多，有圆形的、椭圆形的、方形的和长方形的。

由热力学的观点来看，以圆形较为有利。

实际上，炉体形状的选择取决于电极位置的布置和一氧化碳抽取设备的安装位置。

现今的电石炉大多数都采用圆形炉，采用其它形状的是极少数。

图2.2.3电石炉体实物图

上图为山西某12000KVA半密闭型电石炉炉体实物图，炉壳采用圆柱造型。

目前国内所用炉壳的结构形式有两种：

一种是圆柱形壳，大多数工厂都采用这种结构；另一种是倒圆锥形炉壳，锥角为7度。

这种形式的炉壳在最近几年我国才开始在大容量密闭电石炉上采用。

铁壳侧有竖的加强钢筋24个，横的加强钢筋4个，这样有利于增加电石炉壳的强度，使其保持圆形，不致有大的变形。

在距中心1米的两个对称点上有一个铜棒和一个钢管，钢管是测量电极到炉底电压用的电线保护管，铜棒是使炉壳与大地接通，为测定电极对地电压用的。

在炉体侧壁上有三个出炉口，在每两个出炉口之间有一个烧穿接点，与炉底碳砖接触，烧穿接点的铜管穿过炉侧壁各处，均有消磁和绝缘材料，防止漏电和电能损失。

在炉子内部，炉底有6层耐火砖，可使炉内生成的密度大的熔融物不易渗入碳砖层，延长炉底寿命。

在炉壁自炉壳向里铺有一层耐火粘土，作为保温缓冲层，分别砌普通耐火砖和大异形耐火砖。

2．电极

电极也是电石炉的重要设备之一。

它既能把强大的电流导入电极端头，在炉内进行电弧燃烧而把电能变换成热能，又能延续电极和调节电极的烧结速度，使电极连续不断地进行工作。

中小型电石炉电极由把持筒、电极把持器、升降装置、压放装置以及水冷系统组成。

图2.2.4所示为电极实物图。

图2.2.4电石炉电极实物图

把持筒又称电极外筒，用来悬挂电极及电极把持器，并能在操作时使电极升降。

电极把持器是由两个半环顶紧的螺栓及螺帽和导电颚板所组成。

有的密闭炉的把持器是采用油压装置，导电铜颚板不采用顶紧环，而是一个呈锥形内圆的套。

电极升降装置包括机动式和液压式电极升降装置，对于中大型电石炉系统一般采用较高压力的液体作为电极升降装置的动力，该电极液压升降系统包括泵系统、阀系统以及升降液压油缸等，油缸的进油、出油由继电器和电磁阀控制。

由于自烧电极在生产过程中不断地消耗，因此要定时压放电极满足电极工作长度。

电极压放装置包括上摩擦环、上摩擦片、升降油缸活塞、下摩擦环、下摩擦片、锥环、下摩擦环油缸活塞、上摩擦环油缸活塞等，该压放装置一般由液压系统控制动作。

电极把持器所工作的地区平均温度在500

左右，在强烈高温情况下，也可达到900

-1000

以上，因此电极把持器部分必须采用冷却系统。

3．电石炉变压器及短网

变压器是保证电石生产的关键因素，它将很高的电压改变为适应电石生产工艺要求的工作电压，如可将6600V~35000V的高压降到65V~250V的低压，甚至可将110KV一次电压变成电石炉二次电压，以满足电石生产需要。

电石炉变压器的功率是根据炉子容量的大小来决定的，必须保证电石炉使用低电压时，变压器二次线圈产生相当大的电流，因此它是一种特殊的变压器。

由于变压器转换装置不同，因此改变二次电压的方式（单相或三相模式）也有所不同。

各种炉子根据电压调节需要，变压器的可调级有多有少，如16500KV全密闭炉变压器为25级，每级压差2.5V，但三相间级数不得超过10级。

一次侧可方便地改变走线方式，根据需要决定采用“Δ”或“Y”连接。

电石炉短网是变压器二次侧（低压侧）联结电极把持器的导电母线，它由固定部分与移动部分组成，移动部分用以保证电极的上升和下降。

图2.2.5所示为电石炉短网线路图。

图2.2.5电石炉短网线路图

从变压器到电石炉之间电流的输送依靠铜或铝质母线来完成。

因输送是大电流，所以需要截面积很大的母线。

如短网由铜管组成，当电流通过时产生的热量和炉子的辐射热的正常温度不超过80

，可以用水冷却带走热量。

如果短网布置不当，将会影响电石炉的功率因数及降低电石炉的电效率，同时亦会产生静相的功率转移现象。

4．炉气净化除尘系统

电石炉在生产电石时，伴随有大量一氧化碳气体生成，对高浓度一氧化碳的炉气必须加以回收利用，但由于电石炉气含有大量的烟尘和刺激性气味，因此对其循环利用前要加以净化处理。

炉气除尘系统的主要设备就是除尘器，根据工艺要求选择一些附属设备如：

除尘风机、风机入口调节挡板、脉冲布袋除尘器、百叶式预除尘器、高温烟气冷却器、振动器、脉冲控制仪、离线阀、贮气罐和烟囱等。

图2.2.6电石炉除尘系统实物图

图2.2.6所示为电石炉除尘系统，该系统利用除尘风机产生的吸力将高温烟气送入管式冷却器进行冷却。

来自振动给料器、旋转密封阀、皮带转运点以及电石仓等的低温烟气进入百叶式预除尘器，除去大颗粒的粉尘。

这两股烟气会合后进入脉冲布袋除尘器，除尘完毕后经由风机从烟囱进行排放。

从外界送来的压缩空气经储气罐后，依次提供给布袋除尘器反吹和仪表用风。

在管式冷却器、百叶式预除尘器以及脉冲布袋除尘器沉积下来的粉尘，经过格式排灰阀到刮板机会合后外送。

2.3本章小结

本章介绍了电石基本用途及电石炉相关生产原理，同时根据现有电石炉工艺对电石生产的主要设备（如电石炉体、电极、变压器和短网以及净化系统等）进行详细描述和说明。

参考文献

[1]熊谟远,岳宏亮.电石生产加工与产品开发利用及污染治理[M].北京:

化学工业出版社出版,2005

[2]顾明聪.电石生产节能降耗研究及工程应用[D].四川大学,2005,11:

7

[3]吴樟生.我国电石行业现状分析与未来展望[J].化工管理,2007,9:

67-71

[4]王炳盛,刘亚奎.电石生产的发展方向[J].中国氯碱,2007（5）:

43-44

[5]刘炳宇.内蒙古电石行业的调查报告[D].内蒙古大学,2006,5:

4-10

[6]李淑雪,张秀玲,刘金胜.电石炉电流微机自动控制装置[J].河北大学学报（自然科学版）,1992

（1）:

27-34

[7]蔡胜年,王强.智能控制策略在矿热炉微机控制系统中的应用[J].工业控制计算机,1995（4）:

12-15

[8]刘兆飞,任庆昌,张巍.基于模糊解耦算法的电石炉控制系统设计[J].工业加热，2006，35（6）:

32-3346

[9]付丽君,李宗纲.电石炉单片机控制系统[J].节能,1990（l0）:

45-47

[10]李建兴,蒋新华.基于PLC的电石炉模糊控制系统研究与应用[J].福建工程学院学报,2007,5（6）:

555-557585

[11]A.R.Sadeghm,J.D.Lavers.ApplicationofAdaptiveFuzzyLogicSystemstoModelElectricArcFurnaces[J].1999,6:

854-858

[12]Rangaswamy.T.R,Shanmugam.J,Mohammed.K.P.Fuzzybasedautomaticcontrolsystemforanelectricarcfurnace[J].ISATECH/EXPOTechnologyUpdateConferenceProceedings,2001:

347-357

[13]陈龙，马泊渊，张雪峰.智能PID控制在电石炉电极调节系统中的应用研究[J].系统仿真学报,2007,19（7）:

1544-1547

[14]ZhangShao-de.DecouplingControlforElectrodeSysteminElectricArcFurnacebasedonNeuralNetworkInverseIdentification[J].2006,10:

112–116

[15]郝晓弘,强明辉,李占明.电石电弧炉节能型智能控制系统[J].甘肃工业大学学报.1997,23

（1）:

30-35

[16]FenghuaWang,ZhijianJin,ZishuZhu,XushengWang.ModelingtheDCElectricArcFurnaceBasedonChaosTheoryandNeuralNetWork[J].2007,6:

1-6

[17]Q.P.Wang,D.L.Tarn,Y.C.WANG.Event-basedIntelligentControlSystemofCarbideElectricArcFurnace（CEAF）[J].Proceedingsofthe3ndWorldCongressonIntelligentControlandAutomation,2000,6-7:

471-476

[18]谢更柱,王德志.模糊控制与PID结合控制在电石炉上的应用[J].化工自动表,2004,31（5）:

82～83

[19]王庆鹏,郝晓弘.电石生产复合FUZZY-PI控制的研究[J].甘肃工业大学学报,1998,24

（2）:

54-58

[20]府谷县新龙化工有限责任公司编印.12000KVA电石炉生产规程[M].2001.1:

8-18

[21]海川化工论坛，

[22]上海吴淞化工厂业余写作组.电石生产[M].北京:

燃料化学工业出版社,1972

[23]Л.А.库兹涅佐夫.电石生产[M].北京:

化学工业出版社,1957

[24]郑晟,巩建平,张学.现代可编程序控制器原理与应用[M].科学出版社,1999

[25]中国设备网，

[26]