CN205023865U - 一种生产电石的联合反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种生产电石的联合反应器，反应器包括上炉和下炉，所述上炉的底部设置有落料筒，该落料筒深入到下炉炉膛内，所述上炉的顶部设置有多通道喷口以供原料煤和氧气进入到上炉内进行反应；所述下炉安装有电极，该电极的安装位置保证三相电极的电弧区与上炉的落料区相切。该装置中煤粉和氧化钙经气流床反应器和电弧反应器两段反应生成电石，气流床反应器内的粉煤燃烧热提供反应所需的大部分热量，较现行的电弧炉大大减少了电能消耗，降低了生产成本。电弧反应器提供2200℃左右的高温稳定热源，使气流床反应器中未反应的原料反应完全，并对所得电石产品升温调质，如此可使产品品质高于常规氧热法产品，又回避了氧热法装置中高温段耐火材料易被氧化侵蚀的难题，使装置的投资降低寿命延长。

Description

一种生产电石的联合反应器

【技术领域】

本实用新型涉及一种制备电石的工艺及其专用反应器，具体涉及一种由气流床反应器与电弧反应器构成的联合反应器。

【背景技术】

碳化钙(CaC₂)俗称电石，是有机合成工业重要的基础原料，在化学工业中占有重要的地位。工业上电石主要用来生产乙炔、氰胺化钙和钢铁脱硫剂等，其中由乙炔生产的PVC是其最主要的终端产品。我国电石产能长期位居世界第一，2014年底我国的电石产量达到2580万吨，同比增长12.9％。目前电石的工业生产全部采用电热法，其基本原理是块状含碳原料和块状氧化钙(粒度严格控制在3～20mm)在高温密闭电弧炉中(炉温超过2000℃)吸热反应生成熔融态的电石产品。

电热法发展至今已经有了一百多年的历史，其间技术经过了多次重大改进，比如密闭型电石炉的实用新型、空心电极技术的引入以及自动控制技术的广泛应用等，使整个电热法工艺过程日趋成熟。但目前该工艺的产品吨电耗仍在3500kWh左右，电力成本接近总成本的50％，同时电弧炉法只能使用块状的氧化钙和焦炭原料，造成占比近20％的粉状原料的浪费。另外电弧炉还存在结构复杂、难以放大等问题，导致了该技术的建设投入和运行成本都非常高。在石油价格下降后，电石法PVC路线相对石油乙烯PVC路线的经济性将大大降低。但我国“富煤少油”的资源秉赋以及煤炭与水资源逆向分布的现实情况，又使得石油和煤制烯烃PVC路线难以完全替代电石法PVC，因此我国对提升电石工艺经济性具有很强烈的需求。

要解决现有电石行业“高成本、高能耗、高污染”的问题，就需要对现有的电热法电石工艺进行技术创新。氧热法电石工艺一直是国内外的研究热点，希望通过煤炭燃烧产生的热量取代电弧放出的热量供给电石合成反应。早在六七十年代德国和朝鲜就已经开展了全焦竖炉氧热法生产电石的中试试验，但因为反应速率低及焦炭耗量太大等原因，其成本还高于电弧法，在原油价格下降后便停止了生产。国内对氧热法电石工艺和装备的研究也多有报道。CN201210569784.0和CN201220723905.8公布了一种粉状原料在气流床中氧热法生产电石和合成气的方法与装置，其所述电石反应器由上部的预热室、中部的气化室和下部的反应室构成。其具体流程是将经磨煤和干燥的含碳原料与含钙原料由进料口送入，在预热室中含碳原料和含钙原料充分预热，进入气化室后被煤粉和富氧空气混合燃烧的热量进一步加热升温，最后在反应室中煤粉进一步与氧气混合燃烧产生2000℃左右的高温，使剩余部分的含碳原料与氧化钙在高温下反应完全。从已知的文献分析可知，氧热法电石工艺开发中有很多难点，包括如何提供温度达到2000℃的稳定可靠热源及相应的耐火材料，如何让粉状含碳、含钙原料充分接触反应等。

为了解决传统电热法粉状原料无法利用与生产电耗大的缺点，以及回避氧热法需要寻求高温热源与耐火材料的困难，实有必要提供一种可以解决以上技术问题的技术方案。

【实用新型内容】

为解决以上技术问题，本实用新型提供了一种生产电石的联合反应器及生产方法，通过上炉实现利用粉状原料生产电石，同时提供绝大部分的反应热量，大大降低了电弧炉中电热的供给量。利用下炉将反应物料进一步加热使物料反应完全，保证了产品质量。

一种生产电石的联合反应器，包括上炉和下炉，所述上炉的底部设置有落料筒，物料自上炉顶部落入到落料筒内进而进入到下炉炉膛内，并在下炉炉膛内形成落料区；所述下炉安装有三相电极，电极产生的电弧所形成的高温区延伸到物料落下时形成的落料区中心。

所述上炉炉顶设置有多通道喷口，粉状物料和氧气通过该多通道喷口进入到上炉炉膛内。

所述多通道喷口为多层套管结构，中心管是煤粉与粉状含钙原料的进料通道，最外层是冷却水通道形成的水冷套筒，进料通道和水冷套筒之间的环形腔是助燃氧气通道。

所述多通道喷口的底部安装有气体旋转叶片，用于强化氧气与中心套管中粉体的混合，使燃烧更充分。

所述上炉与下炉的中心轴线重合，通过上炉的落料筒相连；所述上炉的炉膛采用热壁形式以减少煤粉燃烧的热量损耗，其内壁结构依次为耐火层和保温层，该耐火层和保温层固定在钢制的上炉外壳内。

所述上炉的上部和下部外径均小于炉膛中部位置的外径，呈两头小中间大的结构，所述落料筒设置在上炉的底部，且落料筒的底部设置有喇叭形扩口，以扩大液态落料的分布面积。

所述下炉为圆形结构，包括炉盖和炉膛，所述炉盖的主体是纵横交叉的水冷却的冷却水钢梁，在冷却水钢梁间预留有电极插孔和加料孔；三个所述电极插孔的位置为以炉盖中心为圆心的圆周上，在每个电极的周围还开设有多个加料口，用于在开工时颗粒煤和氧化钙等的添加和调节。

所述电极插孔和加料口周边分别配有密封用的电极密封圈和加料管密封圈，所述下炉盖与上炉的落料筒的连接处通过石墨密封圈密封。

所述下炉的主体是保温层包裹的耐火砖层，在下炉的炉底铺有一层碳素砖层，以承受高温液态电石的侵蚀。

所述下炉整体通过底座工字钢支撑在耐火混凝土上，在下炉的炉体侧壁上部开有电石尾气排出口，侧壁下部开有液态电石流出口。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：现有电石工业生产装置都是电弧供热，而目前提出的氧化热电石装置都是煤粉燃烧供热，本实用新型首次提出了煤粉气流床燃烧和电弧联合供热的方式，实现了两种技术的嫁接整合。该装置中煤粉和氧化钙经气流床反应器和电弧反应器两段反应生成电石，气流床反应器内的粉煤燃烧热提供反应所需的大部分热量，如此较现行的电弧炉大大减少了电能消耗，降低了生产成本。电弧反应器提供高达2200℃的高温稳定热源，使气流床反应器中未反应的原料反应完全，并对所得电石产品升温调质，如此可使产品品质高于常规氧热法产品，又回避了氧热法装置中高温段耐火材料易被氧化侵蚀的难题，使装置的投资降低寿命延长。

【附图说明】

图1为本实用新型的联合电石反应器的结构示意图；

图2为本实用新型的联合电石反应器的俯视图；

图3为图1所示本实用新型的联合电石反应器的局部放大示意图。

附图标记说明：1-进料通道，2-氧气通道，3-水冷套管，4-点火装置，5-炉顶法兰盖，6-多通道喷口，7-上炉炉膛，8-上炉耐火层，9-上炉保温层，10-上炉外壳，11-落料筒，12-上炉支座，13-下炉炉盖，14-下炉炉膛，15-空心钢梁，16-碳素电极，17-块料加料口，18-石墨密封圈，19-电极密封圈，20-加料管密封圈，21-下炉保温层，22-下炉耐火砖层，23-碳素砖层，24-下炉外壳，25-底座工字钢，26-耐火混凝土，27-电石气出口，28-电石出口。

【具体实施方式】

为解决电石生产中电热法电耗高与氧热法装备制造难度大的问题，借鉴目前成熟运行的煤气化和电石生产工业装置，本实用新型首次提出了一种气流床反应器和电弧反应器联合生产电石的反应器及方法。该方案可有效利用粉状原料，实现电石的粉煤燃烧供热，具有开发和建造难度小、投资和运行成本低、使用寿命长的优点。

如图1至图3所示，本实用新型所涉及的联合电石反应器含有上炉(气流床反应器)和下炉(电弧反应器)两个主要部件。上炉是圆柱形筒体结构，高径比大于3。上炉顶部是进料用的多通道喷口6，多通道喷口6是多层套管结构，中心管是煤粉与粉状氧化钙的进料通道1，中心管与外层套管之间的环腔是助燃氧气通道2，环腔底部内还装有气体旋转叶片，用于强化氧气与中心套管中粉体的混合使燃烧更充分。多通道喷口的最外层是冷却水通道形成的水冷套筒3，在多通道喷口6的外侧还配有控制燃烧的点火装置4，在开工等燃烧不稳定工况下做备用。顶部多通道喷口6通过炉顶法兰盖5与炉膛主体7连接。炉膛采用热壁形式以减少煤粉燃烧的热量损耗，其内壁结构依次为高温耐火层8和保温层9，两者固定在钢制外壳10内。炉膛下部以圆锥面收口后与落料筒11相连，落料筒的底部有个喇叭形扩口，该设计的目的是为了扩大液态落料的分布面积。上炉配有四个支座12，将上炉的重量支撑在预配的承重梁上。

下炉的结构类似于常规的电石电弧炉。下炉是鼓形结构，主要包含炉盖13和炉膛14两部分。炉盖13的主体是纵横交叉的水冷却的空心钢梁15，在钢梁间预留有电极插孔、加料孔等空间。为了能和上炉有效配合，对下炉炉盖上的电极位置进行了特别布置，以便留出上炉的落料空间。三个电极插孔在下炉盖上远距离同心均布(具体地说，三个电极插孔均匀布置在以炉盖中心为圆心的圆周上)，当发生电弧时，三相电极16的电弧作用区(电弧发出的高温所能作用到的区域)能基本覆盖下炉的落料区(落料区就是下炉可以承接原料的区域，当原料落下，会落在下炉的落料区)。另外在每个电极周围还有若干个加料口17，用于在开工等特殊工况时颗粒煤和氧化钙等的添加和调节。电极插口和加料口周边分别配有密封用的电极密封圈19和加料管密封圈20。下炉炉盖13与上炉落料筒的连接处通过石墨密封圈18密封。

下炉的主体是保温层21包裹的耐火砖层22，下炉炉底要承受高温液态电石的侵蚀，故在下炉炉底的耐火内壁上还铺有一层碳素砖层23。下炉的保温层外包裹有钢制外壳24，下炉整体通过底座工字钢25支撑在耐火混凝土26上。在炉体的侧壁上部开有电石尾气排出口27，侧壁下部开有液态电石流出口28。

所述上炉处于下炉的中心轴线上(即上炉和下炉的中心轴线重合)，通过上炉的落料筒相连，两者的布置特点在于熔池中上炉的落料区能与下炉三根电极的电弧区形成相切关系，如此可有效地利用电弧热量形成均态共融区，提高电能利用率。

本实用新型的工艺流程如下：

1.来料原煤和氧化钙首先干燥至水含量0.6－1.2％，然后进行破碎筛分，预留小部分粒度在10－25mm的原料作为下炉的原料(在开车等特殊工况时使用)，大部分煤粉和氧化钙颗粒在磨煤机中细磨至100微米以下(150目标准筛过筛率95％)，粒度合格粉料作为上炉的进料；

2.在开车阶段将10－25mm的煤料和氧化钙原料通过下炉的加料口加入下炉炉膛，在电极电弧热的作用下反应形成最初的电石液熔池；

3.将细磨至100微米以下的煤粉和氧化钙混合物使用氮气做载气充分流化，然后在多通道喷口中与富氧空气进一步混合后喷入上炉炉膛中燃烧。通过煤粉的燃烧使上炉炉膛温度维持在1700－1900℃左右，剩余的煤粉与氧化钙吸热并大部分反应生成碳化钙和电石气；

4.上炉中的液态碳化钙与未完全反应的煤粉、氧化钙通过上炉的落料筒落入下炉熔池中，通过电极的电弧热炉料进一步升温到2100－2300℃左右，当剩余的煤粉反应完全后，然后由电石出口将生成的电石液排入电石锅中去后续的冷却破碎工段；

5.上炉燃烧和反应产生的热烟气通过上炉的落料筒与下炉反应产生的电石气在炉膛中汇合，然后一起通过侧壁上的电石气出口排出至除尘冷却工段。

所述含碳原料可以是半焦、焦炭、贫煤或无烟煤等。对含碳原料的质量指标与传统电热法电石工艺对焦炭和半焦的指标接近，在水分含量上可放宽至1.0－2.0％；

所述含钙原料可以是氧化钙、氢氧化钙、电石渣及碳酸钙。对含钙原料得要求接近电热法电石工艺对氧化钙的指标要求。

所述粉状(100微米以下)含碳原料和含钙原料的质量比为1-3:1，优选的质量比为1.5:1；块状(10－25毫米)含碳原料和含钙原料的质量比为0.4-1.0:1，优选的质量比为0.6:1。

所述的富氧空气指标是氧气含量高于80％，氧气与粉状含碳原料中碳的质量比为0.6－2.0:1。

所述上炉反应过程中生成的热烟气与熔融反应物同向通过落料筒流入下炉，然后由下炉导出反应器。如此有效促进了熔融物的流动，并避免了逆向流动时粉状原料被电石气带出的难题。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步地详细说明。

本实用新型的基本思想是利用气流床反应器和电弧反应器的联合实现利用粉状原料完成电石的高效节能生产。

实施例1：

将干燥的原煤和氧化钙进行破碎筛分。将其中少量粒度位于10－25毫米的块状原料通过炭素电极周围的加料口预先加入下炉。下炉中通过炭素电极的电弧放热产生2200℃左右的高温，使加入的块状原料受热反应，形成电石熔池。粒度小于10毫米的原料进一步磨粉至100微米以下，然后按照原煤：氧化钙＝0.9：1的重量比混合。粉状原料与富氧空气充分混合流化后，浓相输送到上炉的多通道喷口。同时按照1.2:1的重量比在多通道喷口中配入纯度达80％的氧气。通过多通道喷口喷入上炉的煤粉与氧气混合后燃烧产生1700℃左右的高温。在此高温下喷入的部分氧化钙粉料与煤粉接触反应生成碳化钙,新生成的碳化钙进一步与未反应的氧化钙和煤粉在高温条件下形成液态混合物。燃烧和反应产生的热烟气与液态混合物并流通过上炉排渣口落入下炉的中心部位。

从上炉中落入的电石熔池的液态混合物进一步被电弧加热至2100－2300℃后完全反应及调质。生成的电石产品通过下炉的电石出口流入电石锅中去后续的冷却破碎工段。平均下来，每一吨原料煤可产0.4吨左右的电石，其纯度为65％以上，电石产气量约为270L/kg。

实施例2：

将干燥的热解半焦和氧化钙进行筛分，将粒度大于10毫米的块状半焦和氧化钙原料按0.7:1的重量比，通过炭素电极周围的块状原料加料口直接加入下炉。下炉中通过炭素电极的电弧放热产生2200℃左右的高温，使加入的块状原料受热反应，形成电石熔池。

将磨粉至100微米以下的煤粉和氧化钙原料按照1.5:1的重量比混合。然后使用二氧化碳气体充分混合流化，密相输送到上炉的多通道喷口。同时按照1.35:1的重量比在多通道喷口中配入纯度为95％的氧气。喷入上炉内的煤粉与氧气激烈混合燃烧，使炉膛温度升高到1800－2000℃左右。在此高温下喷入的部分氧化钙粉料与煤粉接触反应生成碳化钙,新生成的碳化钙与未反应的氧化钙和煤粉在高温条件下进一步形成液态混合物。燃烧和反应产生的热烟气与液态混合物并流通过上炉排渣口落入下炉的中心部位。在液态熔池中进一步升温反应后通过电石出口排入电石锅中，然后输送去后续的冷却工段。平均下来，每一吨原料煤可产0.55吨左右的电石，其纯度为80％左右，电石产气量约为300L/kg。

实施例3：

下炉中通过炭素电极的电弧放热产生2200℃左右的高温，使预先加入的块状半焦和氧化钙原料受热反应，形成电石熔池。在熔池稳定后，继续向下炉炉膛中按0.65:1的重量比加入10毫米以上的块状半焦和氧化钙原料。其加入的重量比与上炉中粉状原料的重量比维持在0.8:1左右。

维持上炉进料中煤粉和氧化钙1.5：1的重量比不变，将其加料量调整为额定加入量的60％。使用氮气将粉状原料密相输送到上炉的多通道喷口，喷口中同时按照1.2:1的重量比配入纯度为80％的氧气。上炉内煤粉燃烧维持其炉膛温度在1800－2000℃。上炉中燃烧反应后的液态渣流入下炉中进一步升温反应，并延长下炉的出料时间到2h。上下炉同时进料反应时，每一吨原料煤可产0.45吨左右的电石，其纯度为75％左右，电石产气量约为280L/kg。

本工艺相对现有的工艺和装置具有如下创新点：

1.现有电石工业生产装置都是电弧供热，而目前提出的氧化热电石装置都是煤粉燃烧供热，本实用新型首次提出了煤粉气流床燃烧和电弧联合供热的方式，实现了两种技术的嫁接整合。该装置中煤粉和氧化钙经气流床反应器和电弧反应器两段反应生成电石，气流床反应器内的粉煤燃烧热提供反应所需的大部分热量，如此较现行的电弧炉大大减少了电能消耗，降低了生产成本。电弧反应器提供高达2200℃的高温稳定热源，使气流床反应器中未反应的原料反应完全，并对所得电石产品升温调质，如此可使产品品质高于常规氧热法产品，又回避了氧热法装置中高温段耐火材料易被氧化侵蚀的难题，使装置的投资降低寿命延长。

2.氧热法电石炉使用粉状原料时的加料问题一直都解决不好，比如专利CN201210569784.0中因粉状原料与电石气逆向流动而出现了粉状原料在反应器上部打旋及被电石气带出反应器的问题。借鉴目前成熟的气流床煤气化炉，本实用新型采用了上炉中生成的热烟气与熔融产物通过落料筒同向流入下炉的方案。这样既避免了粉状原料加料不畅的问题，又促进了熔融物的流动。

本工艺及装置相对于现有工艺和装置的优势如下：

1.上炉和下炉都有成熟的工业装置可供借鉴，因此该电石联合反应器相较氧热法电石炉的开发与建造难度都大大降低。

2.目前密闭电弧炉生产电石工艺只能使用5mm以上的块状原料，造成了大量粉状原料的浪费，本装置使用粉状原料进料可实现含碳原料和含钙原料的全部有效利用。另外降低固体原料的粒度有利于物料间的接触传质，有利于增大反应器中的反应强度，并降低碳化钙的起始反应温度，可有效降低电石生产的能耗。

3.要得到碳化钙纯度在70％以上的电石就需要使反应器内达到近1900－2200℃的高温，此高温条件下使用的耐火材料主要是碳素砖，但碳素砖难以承受氧热工艺下炉内氧气的高温侵蚀，这是氧热法电石炉开发的最大难题，而且目前难以有效解决。本实用新型将氧热法电石炉的高温反应段(2000－2300℃)使用成熟的电弧反应器代替，有效回避了耐火材料的问题，从而大大降低开发难度和投资费用。

Claims (10)

1.一种生产电石的联合反应器，其特征在于：包括上炉和下炉，所述上炉的底部设置有落料筒(11)，物料自上炉顶部落入到落料筒(11)内进而进入到下炉炉膛(14)内，并在下炉炉膛(14)内形成落料区；所述下炉安装有三相电极，当发生电弧时，所述下炉安装有三相电极，电极产生的电弧所形成的高温区延伸到物料落下时形成的落料区中心。

2.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述上炉炉顶设置有多通道喷口(6)，粉状物料和氧气通过该多通道喷口(6)进入到上炉炉膛(7)内。

3.根据权利要求2所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述多通道喷口为多层套管结构，中心管是煤粉与粉状含钙原料的进料通道(1)，最外层是冷却水通道形成的水冷套筒(3)，进料通道和水冷套筒之间的环形腔是助燃氧气通道(2)。

4.根据权利要求2或3所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述多通道喷口的底部安装有气体旋转叶片，用于强化氧气与中心套管中粉体的混合，使燃烧更充分。

5.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述上炉与下炉的中心轴线重合，通过上炉的落料筒相连；所述上炉的炉膛采用热壁形式以减少煤粉燃烧的热量损耗，其内壁结构依次为耐火层(8)和保温层(9)，该耐火层和保温层固定在钢制的上炉外壳(10)内。

6.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述上炉的上部和下部外径均小于炉膛中部位置的外径，呈两头小中间大的结构，所述落料筒设置在上炉的下部，且落料筒的底部设置有喇叭形扩口，以扩大液态落料的分布面积。

7.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述下炉为圆形结构，包括炉盖(13)和炉膛(14)，所述炉盖(13)的主体是纵横交叉的水冷却的空心钢梁(15)，在冷却水钢梁间预留有电极插孔和加料孔；三个所述电极插孔的位置为以炉盖中心为圆心的圆周上，在每个电极的周围还开设有多个加料口(17)，用于在开工时颗粒煤和氧化钙等的添加和调节。

8.根据权利要求7所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述电极插孔和加料口周边分别配有密封用的电极密封圈(19)和加料管密封圈(20)，所述下炉炉盖与上炉的落料筒的连接处通过石墨密封圈(18)密封。

9.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述下炉的主体是保温层(21)包裹的耐火砖层(22)，在下炉的炉底铺有一层碳素砖层(23)，以承受高温液态电石的侵蚀。

10.根据权利要求1所述的一种生产电石的联合反应器，其特征在于：所述下炉整体通过底座工字钢(25)支撑在耐火混凝土(26)上，在下炉的炉体侧壁上部开有电石尾气排出口(27)，侧壁下部开有液态电石流出口(28)。