电石生产过程中有关问题的探讨

赵永远 辛绍兵

由于我国的资源分布是贫油少气富煤的现状，这几年我国煤化工产业蓬勃发展，各地形成了很多的以煤-焦-电-化为产品结构的循环经济企业，作为其中一个重要组成部分的电石也得到了很大发展，各地纷纷淘汰了小容量的开放或半开放式电石炉，在吸收了挪威埃肯25.5MW电石炉的技术并进行改造升级建起了新型的大容量密闭式电石炉，先后建起了30MW、33MW、40.5MW、48MW甚至190MW等容量的电石炉近百台，采用了改进的组合式把持器技术、低压补偿技术、炉气干法净化气烧石灰窑或制化工产品、缩短短网长度、降低外水套高度减少裸露电极长度、三相变压器完全等边三角形排列消除静暴相、热加料等新技术和新工艺，取得了很好的经济和环保效益。但是，随着电石行业的大发展，带来的问题也不少，如产能严重过剩；从事电石行业的管理、技术和操作人员数量及质量严重不足；许多电石炉新技术不能发挥作用不能达产达标造成资源浪费等。笔者从事密闭电石生产技术管理二十多年，并主持建设了4台33MW电石炉，根据自己的生产经验对行业存在的若干问题进行探讨，以期能对生产提供参考和帮助，供行业从业人员参考。

1、电极壳损毁：

a）现象：组合式把持器炉型在生产中因操作不当或检修不到位等原因，有些单位经常发生电极壳损毁事故。事故初期可以从保护水套上部看到冒白眼或黄烟现象，如不及时停炉处理，逐渐在吊挂法兰处往外喷火，这时停炉检修就会发现该处电极壳筋板甚至弧板有不同程度的损毁。有些单位在出现冒黄烟时试图采用加大加热元件风机冷却或者电石炉内抽负压的方法，最终效果都不会好。

b）原因分析：我认为造成电极壳损毁的原因主要是，电极操作长度控制不好（一般是电极长度测量不准确，过长了）；电极电流控制过大超过了筋板接触面积的可承受的电流密度（在电极焙烧初期未成形和连续出现电极壳损毁后的生产等特定条件下有时电流不大也会损毁电极壳）；检修时接触元件和电极壳夹紧力不够或不均匀而造成局部起弧放电致使发热温度高；底环气封质量不好或未安装好，电极壳外面的耐热针刺毡塞不严实有空洞而致使炉内热气窜出。

组合把持器式的电极壳筋板处一般为2+3+2mm形式，接触元件常规长度为635mm，这种导电方式结构的电石炉相比较铜瓦式电石炉就存在导电截面积小的问题，不如铜瓦式皮实耐用，对生产操作和检修水平要求更高，其优点是正常情况下压放顺利轻易不会因压放电极停电，操作得当情况下几乎不用检修，开车率能得到保障。在变压器完全按等边三角形布置，短网长度完全一致情况下，也会存在每个接触元件上电流分布不均的情况，加上电极本身的集肤效应和不可避免的涡流，我们曾经用自制的简易线圈测量出：三角区短网上（接触元件）的电流比外圍短网上（接触元件）的电流大约23-35%。因此在设计时要考虑增加接触元件数量或者加长接触元件长度以增加接触面积降低短网面积电流密度低于2A/mm2，设计时考虑每个接触元件和底环进行冷却水温度及流量测量和报警。

兰炭以其固定碳含量高，比电阻大，价格低的优点在电石行业得到了大量的使用，我国的大型密闭电石炉碳素原料呈现了多元化（冶金焦、无烟煤、兰炭甚至烟煤）。由于兰炭比电阻大的特点，操作过程中电极易深入炉内，尤其在全部使用兰炭作为碳素原料的单位，加之大型电石炉自身功率因数较低而采用低压无功补偿的方式较为普遍，由于补偿过程中部分无功电流返回变压器而抵消了电极电流致使表计反映的电极电流不能真实反映作用到电极上的电极电流（按我的经验表计电流要低于实际电流5000A左右），操作人员按照工艺操作规程的额定电流进行操作就导致流经电极壳筋板的电流密度超过自身承受范围而瞬间损毁电极壳。有时会连续出现这一现象，是由于常规处理这种事故的方法是：停炉检修，扒掉电极底部炉料，根据损毁电极壳长度及电极长度在允许长度范围时压放电极（电极过长时则需爆破炸掉部分电极），重新更换吊挂、安装调试接触元件、更换底环气封、处理电极密封、测电极各部位绝缘、送电焙烧新压电极。这时由于接触元件原来位置的上部电极可能已经部分成形势必收缩而流动性不强和电极壳不是一个整体，电流的承受仅靠电极壳和内部筋板这些微小面积而不是整个电极，电流控制不好很容易损毁电极壳，致使事故反复。

c）处理办法：电石炉变压器设计一般采用低负荷时恒电流，到达额定功率后是恒功率的方式。我们在生产操作中要根据原料情况和电极长度，适当控制电极电流低于额定电流（具体根据实际情况灵活掌握），在采用低压无功补偿装置的厂家，最好采取加装电流互感器等措施使表计能反映真实的电极电流避免操作人员误操作。如已经出现电极壳损毁事故，要对不平整的筋板、弧板、接触元件进行修整打磨，保证接触面光滑规整；最好能使接触元件都能抱紧在新的电极壳上（最少也要达到3/4处），接触元件安装好后最好使用公斤扳手或者由一人使用均匀力量将该电极所有元件进行紧固。

为弥补电流分布不均衡问题，在操作中可适当调大三角区短网冷却水水量和压力，保证冷却效果；同时控制好电极长度和深入炉内深度，减少涡流产生；在操作中要盯紧功率因数和电极对底电压，保持自然功率因数不低于0.72，补偿后功率因数在0.93-0.95，电极对底电压按相应档位变压器二次电压除以1.732再减去约10V（根据原料、短网长度、变压器参数及生产情况确定合适的参数）。条件允许情况下配备远红外电子测温仪，每班对每相短网表面进行温度测量并做好记录。

2、兰炭使用中应注意事项：

a）兰炭的特性：兰炭是烟煤在中温（400-600度）干馏后去除焦油和部分挥发份的半焦，具有固定碳含量高、挥发份和灰分低、反应活性高的化学特点，还有比电阻大、燃点低、结构强度低易碎的物理特性，大部分生产企业采用水洗焦方式（现逐步改为氮气干息焦工艺），致使兰炭出厂水分含量高；远距离运输破损率较高，尽量就近使用，同时要在装卸等环节减少碾压产生粉末。

b）电石生产各环节应注意的问题：

1）烘干工序：尽量减少转运环节以提高利用率。缩短转运距离，降低入仓落差高度可以有效减少粉末的产生；调节好热风炉（沸腾炉）出口温度和滚筒干燥机转速，防止兰炭在干燥机内燃烧；滚筒干燥机直径不能太大，如直径超过2.2米内部结构要进行改进，增加中间挡料装置降低兰炭在机内的落差就能有效降低兰炭的破损率。

2）储运环节：烘干好的兰炭储仓要离电石炉最近，一方面可以减少转运次数和距离，还可以利用烘干兰炭自身的显热实现热加料降低电石炉电耗；储仓高度不能太高，以减少落差高度；储仓要密封良好，加料口在加完料后及时关闭以减少空气进入，储仓下部有条件的话可以充氮，这样减少了仓内的氧气含量可以杜绝兰炭在储仓内自燃。

3）生产环节：在开炉阶段，由于兰炭有反应活性高的特点，为提高炉底温度减少电石的过早生成，最好装炉、焙烧电极和最初的间歇加料全部使用焦炭（30MW电石炉准备200吨左右，33MW准备300吨左右），待轮换出完三个炉眼，三相畅通时即可全部使用兰炭；开炉阶段，要尽可能的提高炉底温度和增加电极深入料面以下的长度，这样就使炉子储存电石的有效空间得以扩展，可以大幅度减少翻电石的发生，转入正常生产后就要及时调整电极入炉深度在合适位置。笔者从2003年起就在密闭电石炉上全部使用兰炭，在25.5MW和33MW电石炉的多次新开炉均采取这种办法，几乎没有翻电石现象的发生，偶尔有料面结成小块，用耙子轻輕即能捣碎，大大减轻了工人在开炉初期的劳动强度。针对兰炭的反应活性高易于快速生成电石而造成料面板结不利于反应向深度生成高质量的情况，为有效调节炉内物料电阻，减少料面板结切断支路电流，可以采用分区域不同配比的办法，对三角区加料仓使用低于外围料仓1-2个百分点的配比，效果非常明显。出炉环节，严格控制出炉时间和每炉出炉量，根据加料和用电情况可以大致计算出每炉的出炉量，留有部分成品在炉内可以稳定炉温，保持物料和消耗电能的平衡，均衡生产，避免波动，减少出炉热量损失，通过增加反应时间至40分钟以上和缩短出炉时间在25分钟以内；在中控和出炉人员技术水平有保证而且炉底设备完好情况下可以安排每班出8炉，否则，安排每班出炉次数为7次最好。

3、关于无功补偿的使用：

a）、电石炉用电情况概述：对于电石炉这样一些埋弧式矿热电炉，是将电极一端埋入料内，在料层内形成电弧并利用自身的电阻发热加热物料进行化学反应，属于高耗能工业电炉，工作特点是低电压大电流，据测算其导电系统的短网的感抗占整个系统的70%以上，其自然功率因数很难达到0.85以上，炉子的容量越大，自然功率因数越低，绝大多数的炉子自然功率因数在0.70-0.80之间，较低的功率因数不仅使变压器的效率降低，消耗大量的无用功，浪费电能，而且按照我国电力部门的规定，功率因数低于0.9将对用电单位进行处罚；由于固体物料的分布不均及电极的控制不能完全均匀会导致三相间的电力不平衡加大，也会导致单位产品电耗的增加；因此，要降低单位电耗提高冶炼效率，就要改善电网的不平衡，提高功率因数，对无功进行适当的补偿。

b）、补偿方式及其各自利弊： 常用的补偿方式按其补偿位置分为：高压补偿、中压补偿、低压补偿三种，可以单独进行补偿，也可以几种方式联合进行补偿，如高低压联补、中低压联补。

高压补偿补在变压器进线侧，仅仅是提高了高压侧的功率因数，起到了避免供电部门罚款的作用，解决不了三相平衡问题，达不到抵消短网无功，提高低压侧功率因数的目的，更不能提高炉内的有功功率，从而实现增加产量降低单位消耗的作用，也就是说补偿了供电侧，对用户没有实质性作用，这种补偿方式具有投资相对少、高压电容器衰减少耐用的优点，在上世纪90年代以前建造的电石炉中普遍采用，近几年新建的电石炉很少采用这种补偿方式。

中压补偿是在电石炉变压器的10KV的三次侧线圈抽头加入电容器进行补偿，这样既补偿了高压供电侧，同时兼顾了变压器部分损耗，但是，受变压器体积的影响其自身的三次侧线圈的阻抗一般不会很大，很难承受短路产生的大电流，若不另外在补偿系统中增加电抗器等原件，在系统波动等情况下很可能造成变压器的损毁；这几年，因为中压补偿而造成的变压器损毁台数超过100台，给生产造成很大损失，由于受变压器室的场地限制无地方增加电抗器的设施和对中压补偿安全性的顾虑，许多单位都将中压补偿从变压器系统中摘出来，闲置不用，造成了浪费；若在补偿系统中加入电抗器和阻容吸收等进行完善仍不失为一种投资低于低压补偿效果也不错的补偿方式。

低压补偿是补偿在变压器二次短网侧，其优点是：由于无功的产生主要是电弧电流引起的，对短网进行补偿就将补偿点前移至炉子跟前，就地补偿了短网的无功损耗，可以提高输入炉内的电压，相当于升高变压器档位，能有效增加炉内的有功功率，从而实现了增产节能，同时对电流电压比进行了调节，有利于电极更好的深入料面内，杜绝明弧对设备的损害和热能的有效利用；有利于改善三相不平衡状况，尤其是采用单相并联方式补偿可以综合各相补偿容量，达到稳定炉况延长炉龄的作用；低压补偿还能对高次谐波进行治理，稳定整个供电系统，改善系统电气参数提高电能质量，近几年新建的电石炉普遍采用低压补偿方式。低压无功补偿投入后，一般表计反映的电极电流根据我多年经验会比实际值小5000A左右（随着电压等级的不同而不同，非定值），对于铜瓦导电方式电石炉基本影响不大，但是，对接触元件导电方式的电石炉就要特别注意，在操作中电流不能给满，要留有余地以防筋板上的电流密度超过其承受限度而损毁。

高低压联补方式可以按各占1/3，2/3的形式进行补偿，通过核算进行合理分配，这样高压补偿满足低负荷时的基本功率因数要求，降低投资成本，低压部分满足满负荷或超负荷时的功率因数要求，为增产降耗提供支撑。其优点在于生产操作过程中可以根据炉况灵活控制，比起纯低压补偿还能降低投资额。

中低压联补也可以参考高低压联补的分配比例进行合理配置，这样低负荷时中压进行补偿，靠低压补偿完成满负荷和超负荷自动调节，生产操作的机动性也很强。使用这种补偿方式要注意对中压补偿存在的问题予以提前解决，避免出现变压器损毁事故发生。

4、严重时要停炉处理，处理方法：

提升炉盖方案（一）；

1）电极柱周围的布料器，在9.8米平台钻有Ф80的吊装孔，把钢丝绳穿上去，用Ф60的钢管穿入钢丝绳的端部，角区布料器的钢丝绳挂在中心吊挂的连接接头处，进行吊装，先拆除布料器上料管短节并移出，然后拆除布料器上部及下部，用钢丝绳和麻绳将更换的布料器拉下炉盖，把部分没有拆的布料器上料管螺栓拆掉，下落料管短节。在拆除料管时，需要对布料器上部的下料管逐个编号并作安装标记。

2）拆除三相电极柱的导向密封套，使炉盖与电极柱完全脱离接触可自由移动；

3）用δ=40的厚钢板上拉加强筋（用旧导轨备用）制作起吊顶板，确保千斤顶上顶的过程中，不打弯，用6个千斤顶同时将3个中心吊挂顶起；

4）炉盖提起后尽快用专用工具紧中心炉盖螺栓，使炉盖尽量达到水平；

5、料仓料位测量：

a）、加料仓情况：密闭电石炉加料仓一般位于电石炉顶，是盛装按一定配比混合好的碳材和石灰颗粒，虽然物料经过了筛分，粉末少了，但是碳材不可避免含有一定的水分会使石灰粉化，在转运过程也会产生粉末，粉尘会影响到料位测量的准确性；电石生产中产生的CO气体会有部分通过物料向外溢出，如因误测量发生空仓现象CO浓度很可能达到爆炸范围而引起料仓爆炸着火的事故，轻则造成设备损坏，重则造成人员伤亡；由于气体及热量的传导，料仓温度一般会在50-60度，操作不好物料循环慢情况下甚至到80度左右。这样粉尘、高温、安全等因素导致料位测量显得尤为。

b）、料位测量方法：现在的电石企业料位测量主要有γ射线、雷达料位计、微波开关三种。我国上世纪90年代引进的埃肯电石炉采用钴60的γ射线进行料位测量，属于非接触式测量，是横截面测量方式，在仓壁为常温的情况下能满足任何温度的仓内物料测量，精确度也高，但其为核辐射原理物位开关，在审批、使用、维护、报废等环节极为繁琐，在实际使用中需挂牌明示，对操作人员也有严重的心理障碍；雷达料位计是非接触式测量，可以在线观测料仓内的料位高度，每个料仓只需要一台仪表，一般装在料仓顶部偏外侧，在加料时由于粉尘浓度高极易造成误报警，需要人员加强巡检，加大了人员的工作量，CO和粉尘会对操作人员造成伤害，不利于自动操作、安全和环境保护；微波开关由二个电器隔离的单元构成：发射器、接收器，发射器和接收器相互成对安装，具有γ射线开关的所有优点，采用横截面测量方式，仪表灵敏度可自动调整，使之可以克服各种粉尘环境的工况，对人体无害，调试简单，可一键自动调试，测控稳定可靠，维护更换方便，新建企业普遍采用这种测量方式，并逐步改造原有的测量装置。笔者在生产企业这几种测量方法都用过，建议在电石炉料仓使用微波开关，原料及中间仓可以使用雷达料位计。

6、电极烧结的调节：

a）、电极烧结过程：密闭电石炉一般采用自焙电极糊经过预热、软化、挥发、烧结等过程达到石墨化成为良导体，能抗击大电流、耐高温、具有比较小的电阻系数、较小的气孔率和一定的强度和韧度，电石生产是在电极放弧产生的弧光热作用下来完成的化学反应；电极糊的主要成分是碳素材料（电锻无烟煤、人造石墨、石油焦、石墨碎）和部分粘结剂（沥青、煤焦油）按一定比例配合，经过混捏、成型等工序制成；

b）、电极烧结情况的调节：肉眼观察工作电极表面颜色呈灰白色或暗而不红则焙烧良好，太红则过烧结预示电极过干，如冒黑烟或发黑则焙烧不到位是太软，正常烧结部位处于接触元件（导电铜瓦）以上20-30cm处合适，过高则电极烧结过干易造成电极壳损坏，过低则烧结过慢易发生软断事故。开放炉可以随时观察电极烧结情况，密闭电石炉只能在停电打开炉门时和敲击电极壳才能了解到，正常生产时只能依靠经验和仪表情况进行总结，这就要求生产管理和操作人员根据不同的电极糊和炉子参数、负荷、电极直径、加糊量、压放量，做好记录，定期总结调整。调节电极烧结的方法有：①调节把持器加热风机送风量和时间长短。埃肯型炉子都设有几组共24KW加热元件和风机，主要是挪威地处北欧，环境温度较低，热量散失大电极烧结速度慢，需要辅助加热；国内根据不同的电极糊烧结速度和地域，北方在冬季可以开启部分或全部加热元件，其余季节一般不需要，南方基本不需要开启加热元件；如遇电极烧结过快則可关闭加热元件开启风机加入冷风降温。②调整接触元件冷却水压力及流量。电极烧结慢可适当减少接触元件、底环等导电部件的冷却水流量和压力，少带走热量，烧结过快则加大流量和压力，多带走热量；正常情况下调整三角区冷却水流量大于外围部件。③控制压放量和时间间隔。电极过短则一次性多压一些降低负荷保持低负荷一段时间促成电极的烧结，埃肯炉型焙烧电极速度一般能达到10-14cm/h；电极烧结快过长则根据负荷和测定的电极长度减少压放量延长压放间隔时间。④制定合理的电极长度控制制度，并严格执行。正常情况下合理控制好电极长度，保持三相长度及深入料层内深度基本一致，要避免长短不一以利于生产连续稳定，电极压放和消耗能保持基本平衡。电极越长消耗越慢，这时就要经常性适当提升电极来增加消耗量，同时减少压放量；电极越短则易对炉料放弧消耗很快，这时就要在保证设备安全的情况下尽可能的将电极下落到下限位进行电极养护，必要时一次性多压进行焙烧。

7、烧穿变压器：

a）、电石炉烧眼现状： 过去电石炉烧眼是从电炉变的一相引出铜排接入烧穿器进行炉眼维护等工作，由于烧眼电流在5000A左右而且随时在波动不稳定，这时操作困难，会造成个别电极（电石炉采用一个三相变压器时影响更甚，采用三个单相变压器能好点）上下波动频繁长短不一三相不平衡，不利于料层及炉况稳定；而且，在电石炉负荷较低时由于二次电压低弧光短，烧眼时间会很长更加剧了炉况的波动，对生产影响很大；上世纪90年代引进埃肯炉型后各家纷纷增设了独立的烧穿变压器，这样就能减轻烧眼对操作的影响，但由于对烧穿变压器参数设计的认识问题，参数设计不合理（主要是二次电压太低，起弧弱烧眼速度慢），最终大部分烧穿变成为摆设，没有起到作用。

b）、烧穿变改造情况：笔者经过对电石炉操作的多年观察和与电气工程师多次探讨，在2009年为马来西亚一家公司的烧穿变设计中对其参数进行了改进，用户反映使用效果良好；在2010年新建4台33000KVA电石炉时加以完善，既有独立的烧穿变还有从炉变引出的铜排同时接入烧穿器，中间用阀门进行切换，该烧穿变的参数为：

高压侧 低压侧

电压V 电流A 电压V 电流A

10000 80 160 5000

77.5 155

75 150

72.5 145

70 140

相数：单相，联结组 ：Ii0，调压方式：无载调压，短路阻抗：150 V时≈10 %，变压器一次侧均采用电缆下进线，二次出线为顶部出线，两块铜排，头尾各一块。

改造的核心在于调高二次电压110--130V为140--160V，本来设想是150--180V的，由于工程总包方不同意协商后为现在参数，经过使用效果很好，需要注意的是：烧穿器和电石炉的连接地线铜排截面积要足够大，否则，烧眼过程中很容易损坏地线。