电石生产的主要炉型介绍及电石炉平台的配置表

我国电石工业生产电石的电炉主要有开放式、内燃式、密闭式三大类，而密闭式电石炉按供电方式又分为交流电石炉和直流电石炉两种，国内交流电石炉根据其电极把持器的结构形式的不同主要分为引进挪威埃肯公司的组合式把持器电石炉和导电铜瓦式电石炉两种主要炉型。开放式电石炉主要为我国早期发展电石产业时期的炉型，其容量大多小于5000kVA，这种炉型在电炉二层平台料面层为敞开式，只有一个炉体和变压器，电极控制有卷扬机实现，加料从二层平台楼面加入，没有环保装置，生产操作完全靠人为经验，环保效果很差，污染严重，能耗指标较高，已经全部被淘汰。内燃式电石炉又称半密闭式电石炉(矮烟罩电石炉)，其容量主要在25500kVA以下，主要分为两种，一种是在敞开式电石炉的基础上做出改进，增加了炉盖、加料系统及除尘系统，这种改造的装置较为简单，无原料烘干装置及炉气余热利用装置，生产仍以人工经验为主;一种是在相关设计单位的综合设计计算下，结合实力较强的设备加工制作安装单位，全新设计并制造安装的新型内燃式电石炉，这种电石炉在自动化控制、环保措施及余热利用上都做了相应的更新和改进，比之前一种炉型要更为先进，目前我国电石行业尚有40%的炉型为此种炉型，为我国的电石工业发展做出了巨大的贡献。大型密闭式电石炉采用全密闭的密封式炉盖系统，使得电石炉尾气得以充分回收并加以利用，因电石炉尾气的主要成分为CO气体，其热值较高，约为2400千卡，既可作为燃料去生产电石生产原料必不可少的石灰或者发电，又可作为生产氮肥的原料，增强了炉气回收利用的价值，提高了产品的附加值。大型密闭式电石炉因电极把持器的结构型式不同主要分为组合式把持器电石炉及导电铜瓦式电石炉两种。(1)组合式把持器电石炉技术特点引进的埃肯密闭电石炉技术其核心技术是组合式把持器技术[10]，此技术作为铁合金生产领域内的先进技术，早已广泛的应用于铁合金炉，但是在我国引进应用以前国外没有电石炉应用过此项技术。此项技术是否符合密闭电石炉生产工艺的要求，值得论证。1)组合式把持器的导电装置为接触元件，接触元件夹持电极外导电筋板的导电方式决定了电极焙烧程度的不可控性。在实际应用中，经常会出现由于电极烧成高度上移造成接触元件夹持的筋板以内区域和其周边电极筒烧损并且连电烧损接触元件的事故。此种电极事故处理极其麻烦，由于电极筒的烧损部分不能起到夹持导电的作用，所以必须先将受损元件拆下勘查烧损高度后，用在电极上打孔爆破的方法将多余的电极炸掉，再将电极压下至电极筒完好处重新安装新接触元件。根据埃肯公司的技术要求，为保证导电均衡，需将事故相电极的所有元件全部更换。接触元件通过夹紧电极筒的导电筋板向电极传输电流，由于其导电接触面积有限，导致接触面的电流密度达到25A/平方厘米左右。一般情况下，铜与铜的压接面允许电流密度在空气冷却的条件下为15A/平方厘米,在有良好的水冷条件时允许负荷为50A/平方厘米,变压器大电流接线端子接触面的电流密度选择一般都留有足够的安全裕度为20A/平方厘米。接触元件导电接触面为有水冷的铜与钢压接面，允许负荷取铜与铜压接面的0.5倍值25A/平方厘米。接触元件导电接触面的实际负荷刚刚处于允许负荷的临界状态，没有留有适当的裕度，给安全运行留下了隐患。导电接触面的允许负荷受接触面接触电阻的制约，接触电阻又受接触面温度的影响。接触元件导电接触面的冷却条件不同于普通压接面的冷却，其压接面的温升不仅来自于接触电阻的电热效应，并且有来自电极通过导电筋板传导到压接面的热量，由于接触元件特殊的导电方式决定了电极烧成高度的不可控性，接触元件区域的温度经常会超过电极烧结的温度，达到700℃以上，所以来自电极传导到压接面的热量会很大，接触元件压接面的实际温升必然高于普通压接面正常冷却条件下的温升，从而导致接触电阻增大。再加上接触元件压接面由于压放电极的缘故经常发生相对位移，细小的颗粒不可避免的会进入压接面，也导致了压接面接触电阻的增大[12]。以上两项因素造成接触元件导电压接面接触电阻增大，必然导致压接面负荷能力大幅度降低，使本就处在允许负荷临界状态的压接面温度大幅度升高，因此烧损事故发生就成为必然的结果。另外，在埃肯炉上普遍采用了低压(二次侧)无功补偿技术，这种无功补偿的方式虽然可以提高变压器的有功功率输出，但是这种补偿方式会造成变压器二次侧电流测量值与补偿装置接入点以后的电极实际运行电流值不符的现象，也就是电极实际运行电流值远远大于测量值。这就造成了一种假象，二次电流监测值虽然在允许范围内，但电极实际运行电流值已经大大超出了接触元件的负荷能力。

2)由于接触元件不能进入炉盖内工作，导致电极运行长度大幅度增加，在保证端底距离的前提下25500KVA电石炉电极长度需控制在2.2米左右，这超长的电极运行长度势必影响电极的安全运行，并且增加了电能损耗和无功负载。和同容量的导电铜瓦炉相比单相电极增长约900mm、增重1500kg以上，增长的电极造成每吨电石多消耗电能100度以上。为弥补这一缺陷并提高热效率采用了提高料面高度的布料装置。但这一措施的采用恰恰违背了矿热炉料层高度应有额定值的原则。其害有二：料面位置过高导致炉子的操作电阻大幅度减小，电极难以深入炉内操作，电炉不能高负荷运行。实际操作中，即使放弃了高质量、高功率因数这两项电石炉操作中必须遵循的工艺控制原则，仍然不能达到理想的效果。料层过厚而且将马蹄形布料器布置于吃料口的正上方，这种料面布置方式直接抑制了反应气体的顺利排出，使反应区内的压力增大，严重阻碍了化学反应的正常进行，增加了电石炉能耗。反应区内的压力增大，必然导致塌料、喷料现象发生，严重破坏炉内反应次序，并且威胁设备安全。炉内料层预热主要依靠熔池内逸出的高温炉气对流传热，且预热程度不得过高，否则将造成支路电流过大、电极难下、功率分配不当的不良后果。而人为的增加料层厚度正是减小了三角形回路电阻，使料层中得到了更多的功率分配，从而促使炉料过度预热、炉面温度过高。炉料上层温度过高产生粘接红料和熔池内部压力过高正是炉内产生熔洞、料层结壳的主要原因。针对埃肯原设计中极心圆直径过大、反应区内功率密度不足、三相熔池经常不通、电极难以深入炉内操作、电石炉不能高负荷运行等现象，以内蒙古海吉化工为首的第一轮增容改造工作开始进行。此种改造是在不改变电石炉参数的情况下将变压器容量由25500kVA增至27000kVA—30000kVA。前面已经分析过，电极难下，电石炉运行不佳主要是因为料面布置不合理，导致操作电阻大幅度减小造成的，而增加变压器容量实际上是人为的提高电流电压比用以满足大幅度减小的操作电阻。这种增容方式无异于小型开放式电石炉中普遍采用的超负荷运行方式，是以超电流运行的方式达到高负荷运行的目的。在小型开放式电石炉上采用这种方法，由于其短网结构、熔池结构的特点决定了无功负载所占比例较小;再加上灵活的炉面操作手段，实践证明可以增加炉内有功输入，从而达到高产、低耗的效果。然而，大型密闭式电石炉由于其短网结构、熔池结构的特点决定了无功负载所占比例较大，只有高电压运行才是高功率因数、高电效率、低能耗的保证，而这种超电流运行的方式虽然在一定程度上可以提高运行负荷，但是必然会导致运行功率因数低、电效率低、能耗高的不良效果。3)全国电石会上新疆天业厂最新型40500kVA组合式把持器密闭电石炉生产实效为证，有功功率：29000kW，功率因数：0.71，定时处理料面，防止产生熔洞和料层结壳。由于技术封锁，虽然无法得知改造的具体措施，但凭借以上数据和存在的问题就可得出效果不佳的结论。电石炉视在功率虽然已达到满负荷，但是由于功率因数低只达到0.71，所以电效率必然也低，29000kW的有功功率中有大量的电能消耗在变压器和短网中，其极心圆直径为3950mm，29000kW的有功输入远远不能满足反应区的功率密度要求。这样的运行状况只能导致高能耗，大量的浪费电力资源。需要定时处理料面，防止产生熔洞和料层结壳。说明料面温度高、支路电流大、有效功率在熔池和料层中分配不当，熔洞和料层结壳现象的存在会破坏炉内正常的反应秩序，严重时极大地威胁炉内设备和炉衬的安全。(2)导电铜瓦式电石炉技术特点导电铜瓦炉型采用的在德国西马克技术的基础上我国相关业界专业技术人员自主创新的新型技术[13]，主体设备采用全密闭固定式炉型，主要由以下几部分组成：炉体、密闭炉盖、烟囱、短网、电极系统、液压系统、出炉系统设备等。此技术核心是电极柱系统采用锥形环形式抱紧铜瓦，其组成部分有锥形环、水套、弹簧、松紧油缸、电极把持筒、集电环、导电铜瓦、铜瓦吊架及铜瓦等，锥形环的内锥面紧靠导电铜瓦的外锥形面，通过锥形环的上升或者下降使锥形环与电极之间产生径向压力来实现压紧和放松电极，根据电极密封结构的不同，分为固定水套式即锥形环与导向水套可做成整体式和活动水套式即锥形环与导向水套分开两种。锥形环采用空心通水冷却，材质尽量选用用1Cr18Ni9Ti。锥形角一般为10°-18°,最小为6°。组合式把持器炉型与导电铜瓦炉型技术特点相比，组合式把持器的导电装置为接触元件，接触元件夹持电极外导电筋板的导电方式决定了电极焙烧程度的不可控性;由于接触元件不能进入炉盖内工作，导致电极运行长度大幅度增加，导致运行功率因数低、电效率低、能耗高的不良效果，而铜瓦炉则很好的解决了这些问题，运行自然功率因数提高，电热效应很好的传输到冶炼熔池中，有效地提升了电炉冶炼的电热效率，降低了电炉电耗，提升了电炉产量。(3)直流电石炉技术直流电石炉技术在我国电石行业尚处于技术研发阶段，还未有较为成功的案例运用于电石生产中，直流电石炉技术顾名思义，就是在供电方式上采用直流电形式，直流电在通过感性负载时不会生产感生电流与电压，对直流电而言感性负载只相当于负载本身的电阻，也就是对直流电来说感性负载本身的电感等于零，即不存在，直流电只通过感性负载本身的电阻做有用功。交流电不仅需要通过感性负载本身的电阻做有用功，还要通过感性负载本身的电感做无用功(即无用功输出)，因此那些大型用电设备(如电弧炉等)采用交流电供电不仅电能利用效率低，损耗大，还会在其系统中形成极为复杂的损耗关系，给节能、降耗带来较大困难及高额的资金投入。直流电石炉技术会是以后电石工业的技术发展方向，但是目前仍未能够与工业生产有效地结合起来，在试验的过程中仍有很多问题未能得到有效地解决，因此，直流炉技术仍需要业界同仁继续努力研究，找到实际生产中产生问题的解决办法，完善其从试验装置到工业化生产的转变过程，早日运用到电石生产中去，将为电石工业的节能、降耗带来不可估量的变革。大型密闭电石炉其构造型式大同小异，其核心部件主要有炉体、炉盖、电极把持器、液压系统、下料系统等，本次课题主要以导电铜瓦式电石炉为主要研究模型。电石炉各平台的配置见下表：

表1 电石炉各平台配置表

图1 电石炉立面布置图

导电铜瓦电石炉主要包括：1)炉壳炉壳是炉体的主要组成部分，为采用δ=20mm钢板焊接而成的圆筒体，炉底板采用δ=20mm钢板，炉体采用工字钢支撑，自然通风冷却炉底[14]。炉壳设有3个出炉口，炉衬采用高铝砖和自焙碳砖新工艺砌筑。2)电炉密闭炉盖炉盖侧盖是碳钢制作的水冷箱体，上平面由π字形三角梁和盖在其上的覆板构成，上平面π字形三角梁和覆板全部采用1Cr18Ni9无磁不锈钢材质制作，并且通水冷却。上平面共设有3个电极孔和13个下料孔，侧面设有一个炉气抽出孔、11个防爆孔和3个检修门。3)密闭电石炉衬电石炉的炉衬包括炉底自焙碳砖、粘土砖、高铝砖等耐火材料。其中炉底自焙碳砖为我国某耐火材料厂自主研发的炉衬绝热技术。炉底自焙碳砖炉衬绝热技术，可改善密闭电石炉内电石生成反应的环境，使热能容易集中稳定在炉膛内，改变了炉膛内部温度场，并增加了炉底的温度，增强了炉底整体导电性能，使电极运行趋于稳定，炉内电能分布更加合理，使得三相间的熔池得以贯通，电石的质量得到提升。自焙碳砖炉衬绝热技术帮助我们解决了电石炉生产工艺过程中的电极控制问题，这样电石生产过程就会更加顺行，工况更为稳定，更容易生成高质量的电石，且电石熔液在炉底上粘度变小，更容易排出。4)短网短网包括水冷补偿器、水冷铜管、水冷电缆、集电环、导电铜管及导电铜瓦等装置。适当的改变土建结构使三台变压器尽可能的靠近电石炉且距离相等，结构的合理简化大幅度降低了短网部分的有效阻抗，为节能运行打下良好的基础。5)出炉口排烟系统由出炉口集烟罩、烟管、风机、电动蝶阀等组成。三个出炉口共用一台风机，开炉时由风机将烟尘抽到车间外专用除尘器除尘。6)电极把持器电极由三部分组成：带有压紧装置和铜瓦供电系统的电极柱下部分;电极压放系统部分;电极升降系统部分。导电铜瓦对电极的压紧由4个抱紧油缸通过锥形套实现，调整油缸的油压可改变导电铜瓦对电极的压紧程度。压放装置由两组碟形弹簧抱紧装置和4个压放油缸组成，装在把持筒上法兰的框架上。上下抱紧装置均由4个弹簧箱和4块摩擦片组成，摩擦片通过弹簧箱提供的压力抱紧电极，压放电极时，上抱闸弹簧箱在油压作用下松开电极，压放油缸将上抱闸升起后重新抱紧电极，下抱闸松开后压放油缸通过上抱闸装置将电极压下。把持器上部由台架与两个升降油缸联接，油缸的支座固定在三层平台的钢平台上。7)水冷烟道荒煤气直排水冷烟道，Ø1000mm，高42m，5.2m、24.5m以上分别安装气动蝶阀，5.2m以下设置Ø1600mm积灰罐。炉气利用水冷烟道，Ø550mm，接于直排烟道24.5m平台以上，放空蝶阀下部，其上安装气动蝶阀。8)电石炉气间接空冷降温装置500-700℃的电石炉气先将温度降至高温煤气鼓风机所能承受的温度300℃以下再由高温煤气鼓风机直接送入回转石灰窑的烧嘴，间接空冷器由箱体和热风管组成，高温炉气走管程、冷却空气走壳程，换热面积80平方米，冷却空气风机55kw，风机采用变频控制，转速与冷却器出品温度连锁。9)下料系统(炉内布料系统)四楼平台设置13个加料仓，共13根下料管。分别为1根中心料管、3根相间料管和9根外围料管，料仓固定在四楼平台上，每个容积8m3，所有下料管在端部装有1Cr18Ni9Ti材质的水冷保护套，料管在炉盖以上1.5—2.0m部分的材质为1Cr18Ni9Ti。10)出炉系统出炉轨道采用单轨道系统，既简化了工作程序，还避免了由于道岔变换不当而引发的安全事故。