電石生產的主要爐型介紹及電石爐平臺的配置表

我國電石工業生產電石的電爐主要有開放式、內燃式、密閉式三大類，而密閉式電石爐按供電方式又分為交流電石爐和直流電石爐兩種，國內交流電石爐根據其電極把持器的結構形式的不同主要分為引進挪威?？瞎镜慕M合式把持器電石爐和導電銅瓦式電石爐兩種主要爐型。開放式電石爐主要為我國早期發展電石產業時期的爐型，其容量大多小于5000kVA，這種爐型在電爐二層平臺料面層為敞開式，只有一個爐體和變壓器，電極控制有卷揚機實現，加料從二層平臺樓面加入，沒有環保裝置，生產操作完全靠人為經驗，環保效果很差，污染嚴重，能耗指標較高，已經全部被淘汰。內燃式電石爐又稱半密閉式電石爐(矮煙罩電石爐)，其容量主要在25500kVA以下，主要分為兩種，一種是在敞開式電石爐的基礎上做出改進，增加了爐蓋、加料系統及除塵系統，這種改造的裝置較為簡單，無原料烘干裝置及爐氣余熱利用裝置，生產仍以人工經驗為主;一種是在相關設計單位的綜合設計計算下，結合實力較強的設備加工制作安裝單位，全新設計并制造安裝的新型內燃式電石爐，這種電石爐在自動化控制、環保措施及余熱利用上都做了相應的更新和改進，比之前一種爐型要更為先進，目前我國電石行業尚有40%的爐型為此種爐型，為我國的電石工業發展做出了巨大的貢獻。大型密閉式電石爐采用全密閉的密封式爐蓋系統，使得電石爐尾氣得以充分回收并加以利用，因電石爐尾氣的主要成分為CO氣體，其熱值較高，約為2400千卡，既可作為燃料去生產電石生產原料必不可少的石灰或者發電，又可作為生產氮肥的原料，增強了爐氣回收利用的價值，提高了產品的附加值。大型密閉式電石爐因電極把持器的結構型式不同主要分為組合式把持器電石爐及導電銅瓦式電石爐兩種。(1)組合式把持器電石爐技術特點引進的?？厦荛]電石爐技術其核心技術是組合式把持器技術[10]，此技術作為鐵合金生產領域內的先進技術，早已廣泛的應用于鐵合金爐，但是在我國引進應用以前國外沒有電石爐應用過此項技術。此項技術是否符合密閉電石爐生產工藝的要求，值得論證。1)組合式把持器的導電裝置為接觸元件，接觸元件夾持電極外導電筋板的導電方式決定了電極焙燒程度的不可控性。在實際應用中，經常會出現由于電極燒成高度上移造成接觸元件夾持的筋板以內區域和其周邊電極筒燒損并且連電燒損接觸元件的事故。此種電極事故處理極其麻煩，由于電極筒的燒損部分不能起到夾持導電的作用，所以必須先將受損元件拆下勘查燒損高度后，用在電極上打孔爆破的方法將多余的電極炸掉，再將電極壓下至電極筒完好處重新安裝新接觸元件。根據?？瞎镜募夹g要求，為保證導電均衡，需將事故相電極的所有元件全部更換。接觸元件通過夾緊電極筒的導電筋板向電極傳輸電流，由于其導電接觸面積有限，導致接觸面的電流密度達到25A/平方厘米左右。一般情況下，銅與銅的壓接面允許電流密度在空氣冷卻的條件下為15A/平方厘米,在有良好的水冷條件時允許負荷為50A/平方厘米,變壓器大電流接線端子接觸面的電流密度選擇一般都留有足夠的安全裕度為20A/平方厘米。接觸元件導電接觸面為有水冷的銅與鋼壓接面，允許負荷取銅與銅壓接面的0.5倍值25A/平方厘米。接觸元件導電接觸面的實際負荷剛剛處于允許負荷的臨界狀態，沒有留有適當的裕度，給安全運行留下了隱患。導電接觸面的允許負荷受接觸面接觸電阻的制約，接觸電阻又受接觸面溫度的影響。接觸元件導電接觸面的冷卻條件不同于普通壓接面的冷卻，其壓接面的溫升不僅來自于接觸電阻的電熱效應，并且有來自電極通過導電筋板傳導到壓接面的熱量，由于接觸元件特殊的導電方式決定了電極燒成高度的不可控性，接觸元件區域的溫度經常會超過電極燒結的溫度，達到700℃以上，所以來自電極傳導到壓接面的熱量會很大，接觸元件壓接面的實際溫升必然高于普通壓接面正常冷卻條件下的溫升，從而導致接觸電阻增大。再加上接觸元件壓接面由于壓放電極的緣故經常發生相對位移，細小的顆粒不可避免的會進入壓接面，也導致了壓接面接觸電阻的增大[12]。以上兩項因素造成接觸元件導電壓接面接觸電阻增大，必然導致壓接面負荷能力大幅度降低，使本就處在允許負荷臨界狀態的壓接面溫度大幅度升高，因此燒損事故發生就成為必然的結果。另外，在?？蠣t上普遍采用了低壓(二次側)無功補償技術，這種無功補償的方式雖然可以提高變壓器的有功功率輸出，但是這種補償方式會造成變壓器二次側電流測量值與補償裝置接入點以后的電極實際運行電流值不符的現象，也就是電極實際運行電流值遠遠大于測量值。這就造成了一種假象，二次電流監測值雖然在允許范圍內，但電極實際運行電流值已經大大超出了接觸元件的負荷能力。

2)由于接觸元件不能進入爐蓋內工作，導致電極運行長度大幅度增加，在保證端底距離的前提下25500KVA電石爐電極長度需控制在2.2米左右，這超長的電極運行長度勢必影響電極的安全運行，并且增加了電能損耗和無功負載。和同容量的導電銅瓦爐相比單相電極增長約900mm、增重1500kg以上，增長的電極造成每噸電石多消耗電能100度以上。為彌補這一缺陷并提高熱效率采用了提高料面高度的布料裝置。但這一措施的采用恰恰違背了礦熱爐料層高度應有額定值的原則。其害有二：料面位置過高導致爐子的操作電阻大幅度減小，電極難以深入爐內操作，電爐不能高負荷運行。實際操作中，即使放棄了高質量、高功率因數這兩項電石爐操作中必須遵循的工藝控制原則，仍然不能達到理想的效果。料層過厚而且將馬蹄形布料器布置于吃料口的正上方，這種料面布置方式直接抑制了反應氣體的順利排出，使反應區內的壓力增大，嚴重阻礙了化學反應的正常進行，增加了電石爐能耗。反應區內的壓力增大，必然導致塌料、噴料現象發生，嚴重破壞爐內反應次序，并且威脅設備安全。爐內料層預熱主要依靠熔池內逸出的高溫爐氣對流傳熱，且預熱程度不得過高，否則將造成支路電流過大、電極難下、功率分配不當的不良后果。而人為的增加料層厚度正是減小了三角形回路電阻，使料層中得到了更多的功率分配，從而促使爐料過度預熱、爐面溫度過高。爐料上層溫度過高產生粘接紅料和熔池內部壓力過高正是爐內產生熔洞、料層結殼的主要原因。針對?？显O計中極心圓直徑過大、反應區內功率密度不足、三相熔池經常不通、電極難以深入爐內操作、電石爐不能高負荷運行等現象，以內蒙古海吉化工為首的第一輪增容改造工作開始進行。此種改造是在不改變電石爐參數的情況下將變壓器容量由25500kVA增至27000kVA—30000kVA。前面已經分析過，電極難下，電石爐運行不佳主要是因為料面布置不合理，導致操作電阻大幅度減小造成的，而增加變壓器容量實際上是人為的提高電流電壓比用以滿足大幅度減小的操作電阻。這種增容方式無異于小型開放式電石爐中普遍采用的超負荷運行方式，是以超電流運行的方式達到高負荷運行的目的。在小型開放式電石爐上采用這種方法，由于其短網結構、熔池結構的特點決定了無功負載所占比例較小;再加上靈活的爐面操作手段，實踐證明可以增加爐內有功輸入，從而達到高產、低耗的效果。然而，大型密閉式電石爐由于其短網結構、熔池結構的特點決定了無功負載所占比例較大，只有高電壓運行才是高功率因數、高電效率、低能耗的保證，而這種超電流運行的方式雖然在一定程度上可以提高運行負荷，但是必然會導致運行功率因數低、電效率低、能耗高的不良效果。3)全國電石會上新疆天業廠最新型40500kVA組合式把持器密閉電石爐生產實效為證，有功功率：29000kW，功率因數：0.71，定時處理料面，防止產生熔洞和料層結殼。由于技術封鎖，雖然無法得知改造的具體措施，但憑借以上數據和存在的問題就可得出效果不佳的結論。電石爐視在功率雖然已達到滿負荷，但是由于功率因數低只達到0.71，所以電效率必然也低，29000kW的有功功率中有大量的電能消耗在變壓器和短網中，其極心圓直徑為3950mm，29000kW的有功輸入遠遠不能滿足反應區的功率密度要求。這樣的運行狀況只能導致高能耗，大量的浪費電力資源。需要定時處理料面，防止產生熔洞和料層結殼。說明料面溫度高、支路電流大、有效功率在熔池和料層中分配不當，熔洞和料層結殼現象的存在會破壞爐內正常的反應秩序，嚴重時極大地威脅爐內設備和爐襯的安全。(2)導電銅瓦式電石爐技術特點導電銅瓦爐型采用的在德國西馬克技術的基礎上我國相關業界專業技術人員自主創新的新型技術[13]，主體設備采用全密閉固定式爐型，主要由以下幾部分組成：爐體、密閉爐蓋、煙囪、短網、電極系統、液壓系統、出爐系統設備等。此技術核心是電極柱系統采用錐形環形式抱緊銅瓦，其組成部分有錐形環、水套、彈簧、松緊油缸、電極把持筒、集電環、導電銅瓦、銅瓦吊架及銅瓦等，錐形環的內錐面緊靠導電銅瓦的外錐形面，通過錐形環的上升或者下降使錐形環與電極之間產生徑向壓力來實現壓緊和放松電極，根據電極密封結構的不同，分為固定水套式即錐形環與導向水套可做成整體式和活動水套式即錐形環與導向水套分開兩種。錐形環采用空心通水冷卻，材質盡量選用用1Cr18Ni9Ti。錐形角一般為10°-18°,最小為6°。組合式把持器爐型與導電銅瓦爐型技術特點相比，組合式把持器的導電裝置為接觸元件，接觸元件夾持電極外導電筋板的導電方式決定了電極焙燒程度的不可控性;由于接觸元件不能進入爐蓋內工作，導致電極運行長度大幅度增加，導致運行功率因數低、電效率低、能耗高的不良效果，而銅瓦爐則很好的解決了這些問題，運行自然功率因數提高，電熱效應很好的傳輸到冶煉熔池中，有效地提升了電爐冶煉的電熱效率，降低了電爐電耗，提升了電爐產量。(3)直流電石爐技術直流電石爐技術在我國電石行業尚處于技術研發階段，還未有較為成功的案例運用于電石生產中，直流電石爐技術顧名思義，就是在供電方式上采用直流電形式，直流電在通過感性負載時不會生產感生電流與電壓，對直流電而言感性負載只相當于負載本身的電阻，也就是對直流電來說感性負載本身的電感等于零，即不存在，直流電只通過感性負載本身的電阻做有用功。交流電不僅需要通過感性負載本身的電阻做有用功，還要通過感性負載本身的電感做無用功(即無用功輸出)，因此那些大型用電設備(如電弧爐等)采用交流電供電不僅電能利用效率低，損耗大，還會在其系統中形成極為復雜的損耗關系，給節能、降耗帶來較大困難及高額的資金投入。直流電石爐技術會是以后電石工業的技術發展方向，但是目前仍未能夠與工業生產有效地結合起來，在試驗的過程中仍有很多問題未能得到有效地解決，因此，直流爐技術仍需要業界同仁繼續努力研究，找到實際生產中產生問題的解決辦法，完善其從試驗裝置到工業化生產的轉變過程，早日運用到電石生產中去，將為電石工業的節能、降耗帶來不可估量的變革。大型密閉電石爐其構造型式大同小異，其核心部件主要有爐體、爐蓋、電極把持器、液壓系統、下料系統等，本次課題主要以導電銅瓦式電石爐為主要研究模型。電石爐各平臺的配置見下表：

表1 電石爐各平臺配置表

圖1 電石爐立面布置圖

導電銅瓦電石爐主要包括：1)爐殼爐殼是爐體的主要組成部分，為采用δ=20mm鋼板焊接而成的圓筒體，爐底板采用δ=20mm鋼板，爐體采用工字鋼支撐，自然通風冷卻爐底[14]。爐殼設有3個出爐口，爐襯采用高鋁磚和自焙碳磚新工藝砌筑。2)電爐密閉爐蓋爐蓋側蓋是碳鋼制作的水冷箱體，上平面由π字形三角梁和蓋在其上的覆板構成，上平面π字形三角梁和覆板全部采用1Cr18Ni9無磁不銹鋼材質制作，并且通水冷卻。上平面共設有3個電極孔和13個下料孔，側面設有一個爐氣抽出孔、11個防爆孔和3個檢修門。3)密閉電石爐襯電石爐的爐襯包括爐底自焙碳磚、粘土磚、高鋁磚等耐火材料。其中爐底自焙碳磚為我國某耐火材料廠自主研發的爐襯絕熱技術。爐底自焙碳磚爐襯絕熱技術，可改善密閉電石爐內電石生成反應的環境，使熱能容易集中穩定在爐膛內，改變了爐膛內部溫度場，并增加了爐底的溫度，增強了爐底整體導電性能，使電極運行趨于穩定，爐內電能分布更加合理，使得三相間的熔池得以貫通，電石的質量得到提升。自焙碳磚爐襯絕熱技術幫助我們解決了電石爐生產工藝過程中的電極控制問題，這樣電石生產過程就會更加順行，工況更為穩定，更容易生成高質量的電石，且電石熔液在爐底上粘度變小，更容易排出。4)短網短網包括水冷補償器、水冷銅管、水冷電纜、集電環、導電銅管及導電銅瓦等裝置。適當的改變土建結構使三臺變壓器盡可能的靠近電石爐且距離相等，結構的合理簡化大幅度降低了短網部分的有效阻抗，為節能運行打下良好的基礎。5)出爐口排煙系統由出爐口集煙罩、煙管、風機、電動蝶閥等組成。三個出爐口共用一臺風機，開爐時由風機將煙塵抽到車間外專用除塵器除塵。6)電極把持器電極由三部分組成：帶有壓緊裝置和銅瓦供電系統的電極柱下部分;電極壓放系統部分;電極升降系統部分。導電銅瓦對電極的壓緊由4個抱緊油缸通過錐形套實現，調整油缸的油壓可改變導電銅瓦對電極的壓緊程度。壓放裝置由兩組碟形彈簧抱緊裝置和4個壓放油缸組成，裝在把持筒上法蘭的框架上。上下抱緊裝置均由4個彈簧箱和4塊摩擦片組成，摩擦片通過彈簧箱提供的壓力抱緊電極，壓放電極時，上抱閘彈簧箱在油壓作用下松開電極，壓放油缸將上抱閘升起后重新抱緊電極，下抱閘松開后壓放油缸通過上抱閘裝置將電極壓下。把持器上部由臺架與兩個升降油缸聯接，油缸的支座固定在三層平臺的鋼平臺上。7)水冷煙道荒煤氣直排水冷煙道，?1000mm，高42m，5.2m、24.5m以上分別安裝氣動蝶閥，5.2m以下設置?1600mm積灰罐。爐氣利用水冷煙道，?550mm，接于直排煙道24.5m平臺以上，放空蝶閥下部，其上安裝氣動蝶閥。8)電石爐氣間接空冷降溫裝置500-700℃的電石爐氣先將溫度降至高溫煤氣鼓風機所能承受的溫度300℃以下再由高溫煤氣鼓風機直接送入回轉石灰窯的燒嘴，間接空冷器由箱體和熱風管組成，高溫爐氣走管程、冷卻空氣走殼程，換熱面積80平方米，冷卻空氣風機55kw，風機采用變頻控制，轉速與冷卻器出品溫度連鎖。9)下料系統(爐內布料系統)四樓平臺設置13個加料倉，共13根下料管。分別為1根中心料管、3根相間料管和9根外圍料管，料倉固定在四樓平臺上，每個容積8m3，所有下料管在端部裝有1Cr18Ni9Ti材質的水冷保護套，料管在爐蓋以上1.5—2.0m部分的材質為1Cr18Ni9Ti。10)出爐系統出爐軌道采用單軌道系統，既簡化了工作程序，還避免了由于道岔變換不當而引發的安全事故。