一種煤氣供熱多段電石反應(yīng)器及其工藝的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧熱法制備電石的工藝及其反應(yīng)器，具體涉及粉狀含碳原料和粉狀含鈣原料成型、原煤部分燃燒制煤氣、煤氣燃燒供熱、原料經(jīng)兩段反應(yīng)生成電石及電石尾氣預(yù)熱反應(yīng)原料的工藝和裝置。
【【背景技術(shù)】】
[0002]碳化鈣(CaC2)俗稱(chēng)電石，是有機(jī)合成工業(yè)重要的基礎(chǔ)原料，在化學(xué)工業(yè)中占有重要的地位。工業(yè)上電石主要用來(lái)生產(chǎn)乙炔、氰胺化鈣和鋼鐵脫硫劑等，目前PVC行業(yè)是電石乙炔氣的主要消費(fèi)領(lǐng)域。我國(guó)電石產(chǎn)能長(zhǎng)期位居世界第一，2014年底我國(guó)的電石產(chǎn)量達(dá)到2580萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)12.9%。目前電石的工業(yè)生產(chǎn)全部采用電熱法，其基本原理是塊狀含碳原料和塊狀生石灰(粒度嚴(yán)格控制在3?20mm)在高溫電弧爐中(爐溫超過(guò)2000°C)吸熱反應(yīng)生成熔融態(tài)的電石產(chǎn)品。
[0003]電熱法發(fā)展至今已經(jīng)有了一百多年的歷史，其間技術(shù)經(jīng)過(guò)了多次重大改進(jìn)，比如密閉型電石爐的發(fā)明、空心電極技術(shù)的引入以及自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用等，使整個(gè)工藝過(guò)程日趨成熟。但目前該工藝的產(chǎn)品噸電耗仍在3500kWh左右，電力成本接近總成本的50%。另外電弧爐所固有的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以放大等問(wèn)題也一直無(wú)法解決，導(dǎo)致該技術(shù)的建設(shè)投入和運(yùn)行成本都非常高。在石油價(jià)格下降后，電石法PVC路線(xiàn)相對(duì)石油乙烯PVC路線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性將降低。但我國(guó)“富煤少油”的資源秉賦以及煤炭和水資源逆向分布的現(xiàn)實(shí)情況，又使得石油和煤制烯烴PVC路線(xiàn)難以替代電石法PVC，因此國(guó)內(nèi)對(duì)提升電石工藝經(jīng)濟(jì)性具有很強(qiáng)烈的需求。
[0004]國(guó)內(nèi)大部分的電石產(chǎn)能都分布在煤炭資源豐富的西部地區(qū)，電石生產(chǎn)中電弧爐所消耗的大量電能都是當(dāng)?shù)責(zé)犭姀S(chǎng)供應(yīng)。目前煤燃燒發(fā)電的效率大多在40%左右，在電弧爐中電能再轉(zhuǎn)化為熱能，造成了巨大的能源轉(zhuǎn)化損失。因此國(guó)內(nèi)外很早就開(kāi)始了對(duì)使用煤炭直接燃燒供熱的氧熱法電石工藝的研究。前聯(lián)邦德國(guó)的巴登苯胺公司在1939年就建成了氧熱法半工業(yè)化電石生產(chǎn)裝置，電石產(chǎn)能為70?100噸/天。該工藝使用塊狀焦炭、氧化鈣和富氧空氣在豎爐中完成燃燒反應(yīng)過(guò)程。由于反應(yīng)原料均為固體塊狀，使得固體反應(yīng)物之間的接觸傳質(zhì)速率低，原料在豎爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)而熱利用率低。該工藝的焦炭耗量達(dá)到了電爐法的四倍，成本還高于電熱法工藝，故當(dāng)60年代石油價(jià)格下降后便停止了生產(chǎn)。
[0005]國(guó)內(nèi)對(duì)氧熱法電石工藝和裝備的研究也多有報(bào)道。中國(guó)專(zhuān)利第201210569784.0號(hào)和第201220723905.8號(hào)公布了一種粉狀原料在氣流床中氧熱法生產(chǎn)電石和合成氣的方法與裝置，所述電石反應(yīng)器由上部的預(yù)熱室、中部的氣化室和下部的反應(yīng)室構(gòu)成。其具體流程是:將經(jīng)磨粉與干燥的含碳原料和含鈣原料由進(jìn)料口送入預(yù)熱室內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，在氣化室中煤粉和富氧空氣混合燃燒的熱量將原料進(jìn)一步加熱，在反應(yīng)室中一部分煤粉與氧氣混合燃燒產(chǎn)生1700°C以上的高溫，使剩余的含碳原料與氧化鈣在高溫下反應(yīng)生成電石和一氧化碳。
[0006]該工藝的反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜，包含石灰石受熱分解、煤粉燃燒氣化和電石生成三個(gè)反應(yīng)過(guò)程，這些反應(yīng)相互間會(huì)造成影響。比如電石的生成反應(yīng)需要穩(wěn)定可靠的強(qiáng)熱源，而當(dāng)爐內(nèi)的煤粉氣化燃燒過(guò)程發(fā)生波動(dòng)時(shí)就會(huì)影響電石反應(yīng)的速率，由此造成爐內(nèi)狀態(tài)調(diào)控困難。另外煤的燃燒及電石的生成反應(yīng)都在爐內(nèi)進(jìn)行，增加了爐內(nèi)的灰分含量，灰分含量的增加本身不利于電石的生成反應(yīng)，更重要的是影響了電石產(chǎn)品的品質(zhì)。粉狀含碳和含鈣原料由爐頂進(jìn)料口加入與上升的電石氣逆向換熱，不可避免地會(huì)被上升氣流夾帶離開(kāi)反應(yīng)器，造成原料利用率低。顆粒進(jìn)料所用的載氣速度達(dá)到7m/s以上，這也造成了原料預(yù)熱效果差的問(wèn)題。底部的高溫反應(yīng)室需要承受整個(gè)爐身的重負(fù)荷，要求耐火材料在耐高溫腐蝕的同時(shí)還要有好的抗壓強(qiáng)度。
[0007]要實(shí)現(xiàn)對(duì)電石產(chǎn)業(yè)顯著的節(jié)能降耗，就必須對(duì)現(xiàn)有的高電耗電弧加熱方式進(jìn)行革新，發(fā)展氧熱法電石工藝。本發(fā)明提出了一種煤氣供熱的多段式電石反應(yīng)器及其工藝，通過(guò)煤氣為電石反應(yīng)供熱能大大消減電石生產(chǎn)過(guò)程中的能耗及提高電石產(chǎn)品的品質(zhì)，而反應(yīng)器中前爐的引入也降低電石反應(yīng)裝置的建設(shè)難度與成本，具有很好的發(fā)展前景。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008]本發(fā)明為解決傳統(tǒng)電熱法電石工藝電耗高及氧熱法電石產(chǎn)品雜質(zhì)含量高的問(wèn)題，提供了一種煤氣供熱兩段反應(yīng)生產(chǎn)電石的新工藝和相關(guān)裝置。將原料煤部分燃燒后的高溫?zé)煔庠诜磻?yīng)器中進(jìn)一步燃燒，為反應(yīng)器內(nèi)的電石反應(yīng)供熱，既利用了煤的燃燒熱量代替電弧熱，又避免了煤中灰分摻入電石產(chǎn)品。而裝置中前爐的引入減少了高溫耐火材料的耗量，又有利于對(duì)反應(yīng)過(guò)程的調(diào)節(jié)控制。
[0009]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0010]一種煤氣供熱多段電石反應(yīng)器，以含碳原料和含鈣原料為原料生產(chǎn)電石，包括主爐、為主爐提供高溫煤氣的煤氣發(fā)生爐，以及為原料繼續(xù)反應(yīng)提供高溫?zé)嵩吹那盃t；所述煤氣發(fā)生爐與前爐分布在主爐底部的周?chē)⑴c主爐連通，煤氣發(fā)生爐提供的高溫煤氣進(jìn)入到主爐內(nèi)，含碳原料和含鈣原料通過(guò)吸熱該高溫煤氣的熱量而生成液態(tài)的碳化鈣，未反應(yīng)完的含鈣原料和液態(tài)的碳化鈣在前爐內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)生成電石。
[0011]所述主爐的頂部設(shè)置有預(yù)熱系統(tǒng)，包括原料倉(cāng)以及多個(gè)加料斗，所述加料斗與主爐連通，保證主爐內(nèi)生成的電石尾氣進(jìn)入到加料斗內(nèi)，以預(yù)熱原料并脫除揮發(fā)成分；所述原料倉(cāng)通過(guò)多通道閥門(mén)與多個(gè)加料斗連接，多個(gè)加料斗通過(guò)匯合支管與主爐的入口連通。
[0012]所述主爐為平底錐頂筒狀結(jié)構(gòu)，連通主爐和前爐的通路自與主爐連通的一端向另一端向下傾斜設(shè)置，中間布有淺槽，以促進(jìn)液態(tài)反應(yīng)物的流動(dòng)，傾斜的角度為5?9°。
[0013]所述主爐為平底錐頂筒狀結(jié)構(gòu)，所述主爐的爐膛內(nèi)壁結(jié)構(gòu)依次為耐火層和保溫層，該耐火層和保溫層固定在鋼制的外殼內(nèi)；所述主爐的爐膛上部壁面上設(shè)置有煙氣出口，該煙氣出口與旋風(fēng)分離器相連。
[0014]所述煤氣發(fā)生爐為燃燒室，該燃燒室的煤粉噴嘴和氧氣噴嘴以一定角度交錯(cuò)布置，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的爐渣通過(guò)爐底的渣口排出，燃燒室產(chǎn)生的煤氣通過(guò)煤氣通道與主爐連通。
[0015]所述前爐設(shè)置有熱煙氣通道，以加快氣體在主爐和前爐中的流通并利于主爐中液體混合物向前爐中的流動(dòng)，前爐產(chǎn)生的電石尾氣和燃燒產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w通過(guò)該熱煙氣通道進(jìn)入到主爐內(nèi)，與主爐內(nèi)產(chǎn)生的燃燒煙氣混合后一并通過(guò)主爐側(cè)壁的煙氣出口排出；所述前爐的爐膛由內(nèi)向外依次為陶瓷耐火層、碳磚耐火層、前爐保溫層和前爐外殼。
[0016]一種煤氣供熱多段電石反應(yīng)工藝，包括以下步驟:(1)煤氣發(fā)生爐內(nèi)通過(guò)不完全燃燒，產(chǎn)生高溫煤氣，該高溫煤氣進(jìn)入到主爐內(nèi)，為主爐提供所需熱量；(2)含碳原料和含鈣原料經(jīng)預(yù)熱后，進(jìn)入到主爐內(nèi)；(3)在主爐內(nèi)，步驟(I)的高溫煤氣配富氧空氣燃燒，產(chǎn)生熱量，步驟(2)的物料吸收該熱量，反應(yīng)生成碳化鈣，未反應(yīng)完全的含鈣原料與生成的碳化鈣形成液態(tài)熔融物；(4)步驟(3)形成的液態(tài)熔融物在前爐內(nèi)與噴入的煤粉進(jìn)一步反應(yīng)，生成液態(tài)的碳化鈣產(chǎn)品，待所得碳化鈣熔融物在爐膛內(nèi)停留一段時(shí)間質(zhì)量穩(wěn)定后，經(jīng)出料口排出。
[0017]步驟(2)的含碳原料和含鈣原料在主爐產(chǎn)生的電石尾氣的作用下進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)以脫除煤中的揮發(fā)成分，增加原料的強(qiáng)度；
[0018]步驟(4)中，液態(tài)熔融物在前爐內(nèi)與噴入的煤粉進(jìn)一步反應(yīng)時(shí)，所述煤粉以一氧化碳為載氣流化后噴入前爐，液態(tài)熔融物與噴入的煤粉反應(yīng)所需要的熱量來(lái)自于一氧化碳配氧燃燒所產(chǎn)生的熱量。
[0019]所述主爐中上升的煙氣與主爐上端落下的原料換熱升溫，使落到主爐內(nèi)的原料吸收該熱量。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:國(guó)內(nèi)外申報(bào)的各類(lèi)氧熱法電石專(zhuān)利中均將煤的燃燒氣化反應(yīng)與電石反應(yīng)耦合在同一個(gè)爐中，雖然增大了熱量的利用率，但是對(duì)煤的燃燒控制以及電石產(chǎn)品的純度都不利。本專(zhuān)利首次將煤的燃燒氣化與電石反應(yīng)分離，先在燃燒室或煤氣發(fā)生爐中使煤部分燃燒生成高溫煤氣，然后再將高溫的煤氣引入電石爐中燃燒為電石反應(yīng)供熱。如此可將煤中的灰分排除在電石爐外而極大地提高電石產(chǎn)品的品質(zhì)。
【【附圖說(shuō)明】】
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