密闭式电石炉开炉方法的探讨

（新疆天业(集团)有限公司，石河子市，832000） 宋 斌 蔡雪融

电石是重要的基础化工原料。近年来，随着我国经济的快速发展,特别是国内市场对于乙炔产品需求的增长,我国电石产能和产量迅速增加。电石行业属于高耗能行业，且生产装置大小、技术装备水平和能源利用效率参差不齐，节能形势较为严峻。

目前，随着我国能源日趋紧缺，节能减排、环保要求更加严格，促使电石行业向着大型化密闭化方向发展。大型密闭式电石炉的新开炉是电石生产全过程中技术含量较高的一部分。如何正确掌握新开炉工艺技术，达到预期的新开炉效果，仍是目前电石行业亟待解决的一个重要技术难题。

新疆天业（集团）有限公司（以下简称“新疆天业”）是我国电石乙炔法聚氯乙烯生产的龙头企业，近年来企业在电石的清洁生产方面做了大量的工作，企业通过不断的创新，2009年率先开发了40000KVA大型密闭式电石炉生产技术；2011年，针对电石炉气净化技术研究，实现了炉气作为碳一化工原料的综合利用；近期又针对电石炉除尘灰与炉渣输送及综合利用的难题展开研究，最终实现了电石炉除尘灰的全密闭式输送及两种废渣的高值化利用。新疆天业通过多年来在电石领域的不断探索与研究，取得了一定的成绩，并总结出了一套适用于大型密闭电石炉的开炉方法。

1 电极的焙烧

在整个电石炉设备中，电极就是电石炉的心脏。在电石生产中电流通过电极输入炉内，产生电弧进行冶炼。因此在电石炉开炉阶段电极的焙烧占据至关重要的地位，电石焙烧质量的好坏直接关系到电石炉是否能够投入正常生产，开炉是否顺利。

1.1 电极糊的烧结过程

电极糊的烧结过程也就是电极的焙烧过程，电极糊的烧结过程是随着电石炉内的温度逐渐升高，电极糊内的煤沥青不断熔化、分解、排出和碳化的过程。其电极糊的烧结过程主要分为以下三个阶段[1]。

第一阶段：低温软化阶段。电极糊的软化温度为74～78℃，随着电石炉内温度升高，电极糊不断软化，当炉内温度上升至200℃左右，电极糊内部的煤沥青全部软化，由固体状态熔化成塑性状态，其中的水分和低沸点的成分开始挥发，此阶段没有明显的化学变化。

第二阶段：剧烈变化阶段。当炉内温度为200～700℃之间时，此阶段作为粘结剂的煤沥青全部分解，开始气化，大量排出挥发分，煤沥青的剩余物质已被半碳化或者碳化，电极糊有塑性状态变化为固体状态。

第三阶段：高温烧结阶段。当炉内温度达到800℃以上，此阶段只有少量的残余挥发分排出，电极开始进一步烧结，导电性大大增加，成为坚硬的整体，电极达到完全烧结的温度900～1000℃。

焙烧电极时电极糊挥发分质量分数与温度的关系如图1表示：

图1 焙烧电极时电极糊挥发分质量分数与温度的关系图

1.2 焙烧后电极的性能要求

电极具有较小的电阻率；焙烧后的电极的电阻率较小，就能够有效减少电极自身发热，从而降低无效电能损耗，减低吨电石电耗，同时还会降低由于电极筒“过负荷”而引起的“软断”故障的频次。

电极具有较高的机械强度；在电石炉生产过程中，由于电极处于高温熔池的极端环境中，除了要克服自身的重量外，还要抵抗来自熔池中的电石或者原材料的冲刷与侵蚀以及物料的崩塌挤压，保证了电石不因机械设备与电器设备符合的影响而造成电极折断。[2]

电极具有较好的抗氧化性；电石炉在生产过程中，电极的工作端头需要不断消耗，除了要不断的下放电极，以资补充外，还要求电极具有较小的气孔率，具有良好的抗氧化性，以减缓高温状态下电极的氧化消耗速度。

2 电石炉开炉方法简介

电石炉开炉是电石炉连续生产工作的开始，新建、大修的电石炉都要经历开炉的过程，开炉是电石炉生产中极为重要的大事，直接影响电石炉使用寿命。开炉成功率的高低受到许多因素的影响，而开炉方法却是其中重要的因素之一。开炉是否顺利直接影响着开炉后长期稳定运行与指标的进步，因此有效合理的开炉方式是确保开炉后炉况正常运行的关键。

2.1 传统电石炉开炉方法

传统的电石炉开炉方法是两步法，第一步是先对未投料的炉内内进行加热，第二步则是投料后进行首期冶炼。该开炉方法是先进行木烘，木烘结束后将炉内柴炭推向炉内四周，将电极下放至适当部位，再送电下降电极使之与炉内柴炭接触让其起弧，待负荷上升至一定值稳定后，将炉内投入一定量的混合料进行冶炼，但投入的料中焦炭的比例要小于正常配料50～60%。冶炼按正常连续加料埋弧作业方法操作，冶炼最初阶段炉温较低，随着冶炼过程中电流缓慢上升炉温相应提高，同时炉衬砌体随之干燥、炉底、炉壁、碳砖缝隙中的电极糊焦化。当冶炼6h后停电，然后选择适合该电压级数以提高炉温进行冶炼。[3]

上述开炉方法在烘炉结束后，需要向炉内投入大量的混合炉料进行冶炼，由于是空炉一次性投料量大，且投料是在高温下进行的，这种投料操作劳动强度大、危险性高，所投入的混合炉料在炉内分布极不规则，堆积形态的随机性强，导致在电石炉开炉过程中形成的出流道及熔池的随机性增大，大大降低了电石的生产效率。由于分为两步法开炉，存在开炉时间长、能源消耗高、劳动强度大等问题。

2.2 一步法开炉方法

一步法开炉方法在传统开炉方法的基础上做了大的改进，不再单独对电石炉进行烘炉处理，而是将烘炉处理和对电石的冶炼合为一体。首先将电石炉体内底部铺设一层焦炭，再在焦炭层炉体内地面的中央位置铺设木材堆与出流道，放置成品导电柱，导电柱的位置与电极位置相对应，最后向电石炉体内装入焦炭与石灰的混合料，将木材堆和出流道全部覆盖。最后向电石炉电极供电，使木材堆和出流道在原料覆盖层下全部碳化，并使位于原料覆盖层下部的原料熔化并冶炼，待冶炼完成后使用吹氧工序打开电石炉出炉口，将冶炼完成的电石排出，整个开炉过程全部结束。[4]

上述开炉方法不再单独对电石炉炉体进行烘炉处理，而是将烘炉和电石的首批冶炼合为一体，有效减少了电石炉的开炉时间。同时在电石炉开炉初期炉内铺设的出流道，也提高了电石炉的首次开炉的成功率。但是在开炉期间，炉内温度的逐渐升高，木材被燃烧碳化，在冶炼过程中碳化后的木材被作为有益的成分消耗掉，木柴堆铺设的出流道会逐渐消失；同时随着炉料的不断加入，料层的塌陷会使出流道堵塞不连续或者完全消失，因此上述方法并未能彻底解决电石炉开炉期间出炉困难的温度，随着电石炉容量的不断增大，存在的问题愈加明显。

2.3 新疆天业电石炉开炉方法

目前新疆天业拥有200万t/y的电石生产能力，其中40500KVA密闭式电石就有26台，新疆天业凭借多年的电石生产经验，总结出一套快速、节能、低成本的电石炉开炉方法。

2.3.1 电极筒的制作

新建电石炉开炉时需要预先焙烧电极，制作三个盆底尺寸为直径1100mm、高度500mm，并且用厚钢板焊接封闭电极端头，在底盆内装入电极糊后与现有的电极筒对接。并在盆底侧面开设直径为3～4mm的均匀小孔，且孔与孔之间的距离不小于200mm[5]。

2.3.2 电石炉装炉

首先在电石炉内三相电极与出炉口相对应的位置分别砌筑三个内径为200mm的电石溢流通道，在通道内放置一根直径与通道内径相符的圆木，圆木的一段延伸至出炉口外，圆木与出炉口之间的空隙用黄泥与电极糊粉末的拌合物进行密封。其次，在电石炉内与电极相对应的位置放置三个直径大于电极直径的圆柱筒，并在圆柱筒内加满焦炭至顶端呈倒锥形状，使其形成导电柱，并在三个导电柱之间依次用圆钢焊接固定使其呈三角形状。最后，电石炉底部依次铺设一层碳素材料和一层焦炭与石灰的混合料，使炉内混合料层分布呈现碟子型。

2.3.3 送电开炉

调整电极端头距导电柱的距离，保证电极端头与导电柱分离，且三相电极端头与导电柱的距离相等，并将电石炉变压器的一次侧接线改接为星形接法，给电石炉升温和焙烧电极。送电后通过逐步下降三相电极，产生电极电流并将电极电流稳定在0～2KA，稳定运行一段时间后，逐渐提升电极电流和变压器档位，运行35h左右将电极电流提升至82KA，变压器档位提升至30档，此时完成电石炉首次出炉工序，出炉期间电极电流继续保持82KA稳定运行；完成出炉后电极电流在82KA稳定运行30min左右后，将变压器的一次侧接线改接为三角形接法。角接送电后将电极电流控制并稳定在45KA，稳定运行2h左右，开始逐渐增加电极电流，当电极电流运行至58KA开始逐渐提升档位，在提升档位时不允许下降电极增加电极电流，当电极电流增长到92KA时整个送电提升过程结束，转入正常生产，完成整个开炉过程。

电石炉开炉负荷提升见图2：

图2 密闭电石炉开炉负荷提升图

3 应用效果

在电极筒底部焊接锥形底盆，且在底盆侧面开设直径为3～4mm的均匀小孔，孔与孔之间的距离不小于200mm；在电极焙烧过程中，由于电极糊中含有一定量的挥发分，在电极焙烧阶段电极糊随着温度的升高挥发分逐渐逸出，此时开设的小孔能够及时排出挥发分，有利于电极的焙烧，有效减少电极事故。

在电石炉内砌筑的拱形通道，结构结实，不会因电石炉开炉期间发生料层塌陷、漏料等现象而堵塞通道，可形成稳定的溢流通道；在通道被放置的圆木随着炉内温度的升高逐渐碳化，由于开炉期间出炉口温度相对较低仍然以圆木形式存在，在电石炉首次出炉时只需拔出圆木，出炉口将会打开；彻底取消了出炉吹氧的工序，消除了电石炉出炉吹眼过程中存在的安全隐患，解决了电石炉首次开炉眼困难的问题，缩短了电石炉开炉时间，有效减少了工人的劳动强度，提高了电石炉开炉的成功率。

一般在电石炉开炉时将完成首次出炉视为完成整个开炉过程；这时电石炉中料层结构层次不够分明，熔池内和熔池内壁仍有大量的半成品存在，炉内还未形成稳定的熔池，如果此时直接将电石炉投入正常生产中，则易出现电极不能深入炉料，炉眼上升等问题，严重时导致几天都出不了炉。但是新疆天业研究的开炉方法，完成首次出炉后，继续采用逐步提升与稳定控制相结合的控制方式操作电石炉，使电石炉内形成层次分明的料层结构，最上层是预热料层，其下依次为红料层、粘结层、半成品层、熔池和液态产品层；使其形成稳定的熔池后，再按照正常操作方法进行操作，是电石炉产量很快就能达到设计指标。

4 经济性分析

以40000KVA密闭式电石炉为例，采用原有的开炉方法时，开炉需要12～15d左右，耗电量达到80万度左右，新疆天业采用现有开炉方法时，开炉只需要72h左右，耗电量为25～28kwh。完成一次开炉可节约电能52kwh，电价1度按0.3元计算，可节约15.6万元，同时可使电石炉能够提前投入生产运行，达到设计指标，其经济效益显著。

5 结束语

该开炉方法自用于大型密闭电石炉开炉以来，有效解决了电石炉开炉耗时较长、能源消耗大、开炉成本高、电极事故多发等问题，提供一种电石炉的快速开炉方法，该方法具有操作简单、安全环保、开炉成功率高、成本低等优点。