電石生產工藝再認識

馬占玉

1 電石生產發展簡史

1939 年，美國人黑爾曾將氰化汞和石灰混合，用電弧加熱，所得產物遇水時放出氣體，這便是最早的電石和乙炔；1862 年，首次人工合成了尿素的德國化學家維勒在實驗室制得電石，并鑒定電石遇水產生的氣體是乙炔； 1892 年，法國人麥桑和美國人威爾遜同時開發出了電爐還原制取碳化鈣的方法；1895 年，美國首先實現電石工業化生產，當時的電石爐容量很小只有300KVA，電石產品主要用于點燈，后用于金屬切割；二十世紀初，用電石生產石灰氮（氰氨化鈣）的方法問世后，電石需求量增加，電石生產向前邁進一步。二十世紀三十年代，世界電石年產量210 萬噸，其中一半用于生產石灰氮，用于有機合成的只占15%左右。第二次世界大戰后，挪威和聯邦德國先后發明了?？厦荛]爐和德馬格密閉爐，世界許多國家采用這兩種爐型建設密閉爐。

放眼國內，我國在解放前幾乎沒有電石工業，只有在某些采礦場建有幾座小型電石爐，容量為300 千伏安左右，生產的電石主要用于點燈。與國外電石工業相比，相差約半個世紀。1948 年，我國在吉林建成了第一座容量為1750KVA 的開放爐。1958 年以電石乙炔為原料的有機合成工業在我國興起以后，電石工業才在全國各地普遍開花，許多城市紛紛建設電石廠。1987 年開始引進挪威?？想娛癄t，2000 年海吉公司建設三臺25500KVA電石爐，2004 年西安會議后，建設電石爐容量提高至31500KVA。截止到 2018 年底，國內電石產能達到 4500 萬噸/年，與 2010 年相比產能幾乎翻了一番。設計容量較大的電石爐當屬德國技術81000KVA 以及美國技術195000KVA 電石爐，裝備水平提高、節能環保效果顯著的密閉式電石爐產能達到 3753 萬噸/年，占總產能的比重提升至 84%。[1]

2 關于電石爐幾何參數

表2-1 五種爐型參數對比

電石爐幾何參數的基本參數是電極直徑和極心圓直徑，?？?5500KVA 電石爐的幾何參數與我國電石爐參數有相似處也有差別處。其25500KVA 的電爐幾何參數與我國傳統的30000KVA 電石爐、中鹽吉蘭泰電石廠的27000KVA 電石爐參數基本接近。表2-1為各種爐型的參數比較。

通 過 用 埃 肯25500KVA 電 石 爐、 中鹽27000KVA 電 石 爐、東 明36000KVA 電石爐、伊東40500KVA 電石爐、長城石化81000KVA 電石爐參數進行對標，實踐證明，?？蠣t由于極心圓直徑過大，不利于電石熔煉，但中鹽電石爐比?？蠣t極心圓直徑還要大20mm。中鹽吉蘭泰電石爐原設計電極與爐墻間距小于電極間距，經常出現爐墻燒損現象，之后對電石爐爐膛直徑進行擴容，使電極與爐墻間距等于電極間距，從而有效地避免了爐墻燒損現象發生。

3 關于電極“入爐”深度

電石爐電極入爐深度，始終是電石生產行業所關注的的核心話題，近幾年中鹽電石廠也去過許多電石企業進行學習，同時也對電極入爐深度的問題進行探討，大部分企業都認為 電極入爐深度應控制在1000mm 以上，而且作為工藝參數進行嚴格控制。

但電極入爐1000mm 以上的理論依據從何而來？經過查閱電石生產資料與文獻，很多都會提及電極入爐，但沒有明確具體的數值，僅在艾肯手冊中發現兩處描述，第一段為：爐子主要用電阻熔煉，為此，電極頭應保持在爐料面以下1100-1300 毫米。操作過程中，通過經驗會得出更精確的數字。

艾肯手冊中第二段描述為：為了保持爐子工作良好和平穩，電極滲透性良好，并且所有電極都要相同。這可以通過測量從電極頭到爐底的距離來控制，度量應按需要時進行，但至少每隔一天度量一次。電極頭和爐底之間的最佳距離要求為1.1-1.3 米，但可按經驗確定。[2]

看似兩段描述的數據相互矛盾，但仔細推敲，第一段描述中明確指出電極頭在爐料面以下1100-1300 毫米，電石爐料柱距離爐殼上沿距離為430mm 左右，入料深度較入爐深度多430mm，如果料柱燒損，則入料深度與入爐深度的差值會更大。第二段關于電極入爐的描述，是寫在電石爐啟動階段，入爐深度的描述與電石爐實際啟動階段的入爐深度一致。

對于27000KVA 電石爐來說，電石爐爐膛深度為2650mm，底部鋪300mm 碳，底焦上放置啟動缸，其高度為1500mm，內部填滿焦炭，三相電極正是座在啟動缸頂部，所以此時電極入爐850mm，在送電后星接電壓較低，為了盡快提高爐底溫度，必須將電極下降400mm 左右，此時電極端頭距爐底1400mm，但隨著電石爐負荷的提升，電壓、電流會逐漸增大，電極勢必會上升，電極上升的程度也要視爐料電阻的大小，根據以往生產過程，一般會上升800mm 以上，這也是電石爐啟動必須要經歷的過程，也就是說在正常生產時，電極入爐會在450mm 左右，這里說的入爐深度是以爐殼上沿為基準進行描述的，如考慮料柱高于爐殼上沿及料柱燒損情況，入料深度為880—1300mm，與?？鲜謨灾忻枋霾罹嗖淮?。

即使這樣，“入爐深度”這個指標也給電石生產帶來極大的困惑，經過目前文獻的查找并沒有直接提及“電極入爐深度”這個名詞，也沒有給出明確的指標，所以此“指標” 還有待繼續研究和討論。

4 關于電石爐電氣理論

礦熱爐的電氣基本原理類似于燈泡的原理。電通過一種具有電阻的介質傳送。根據焦耳第一定律，電能可以轉變為熱能，但電石爐電阻不是歐姆電阻，除電阻外，負荷也有電感和電容。因此，在電阻和電感串聯的電路中，既有能量的消耗又有能量的轉換。阻抗Z，電阻R，感抗X 之間的關系，可以用圖4-1 來表示：

圖4-1 阻抗三角形

在電阻電路中，電源輸出的能量全部被電阻消耗。也就是說，電阻吸收有功功率。在電感電路中，電感不消耗能量，在電感和電源之間進行著能量的互換，即電感吸收無功功率。 在電阻和電感串聯的電路中，既有能量的消耗又有能量的轉換，所以既有有功功率P，又有無功功率Q，它們與視在功率S 之間可以用圖4-2 表示。

圖4-2 功率三角形

功率因數，在電阻和電感串聯的電路中，有功功率的大小不僅和電壓、電流的大小有關，而且還和它們之間的相位差(即功率因數cosφ)有關。從功率三角形也可以看出，有功功率P 和視在功率S 的比值等于功率因數cosφ 中。功率因數較低的負荷工作需要較多的無功功率。譬如，電燈、電爐、電熨斗之類的功率因數cos=1，說明它們只消耗有功功率。異步電動機的功率因數比較低，一般在0.7-0.85左右，說明它們需要一定數量的無功功率。因此，對于發電廠來說，就必須在輸出有功功率的同時也輸出無功功率。在輸出的總功率中，有功功率和無功功率各占多少，不是決定于發電機，而是取決于負荷的需要，即取決于負荷的功率因數。

5 關于電石爐電流電壓控制

關于電流和電壓的控制，經過實踐，電石爐電流電壓控制直接影響電石爐運行狀況，但電石爐電流電壓如何控制才算合適？?？鲜謨越o出了工程列線圖，如圖5-1 所示，列線圖依據R=P/3I2公式進行繪制，輔助計算公式：S= √3UI；P=S·COSΦ；R/Z=COSΦ；Z=S/3I2=U/I·√3。[2]

圖5-1 25500KVA?？想娛癄t工程列線圖

電石爐運行中的每一個點都可以在圖中對應，目前是我們操作的最根本依據。當電石爐電壓等于恒功率電壓時（181V），剛好是直線和曲線的交點，當視在功率達到25500KVA 時，電石爐操作電阻0.82，有功功率15800KW，電極電流81.8KA，電極電壓181V。

當電石爐電壓低于恒功率電壓時（181V），這條曲線是一條直線，呈恒電流狀態，即電石爐視在功率達到25500KVA 時，隨著電石爐操作電阻（功率因數）的增加，電極電流不變都是81.8KA，電石爐有功功率逐漸增大，電極電壓逐漸增大，C3 值逐漸增大；

當電石爐電壓高于恒功率電壓時（181V），是一條曲線，呈恒視在功率狀態，即電石爐視在功率達到25500KVA 時，隨著電石爐操作電阻（功率因數）的增加，電石爐有功功率逐漸增大，電極電壓逐漸升高，電極電流逐漸降低，C3 值逐漸減小。

視在功率達到25500KVA 時，電石爐操作電阻越大，則電石爐有功功率就越高，電極電壓也越大，電極電流越小。隨著電石爐有功功率的升高，電極電流越來越低，主要是目的在于要增大電極電壓，因為電極電壓越高，電石爐熔池就越大，而熔池擴大對應的效果就是電石爐爐況穩定性的提高。 ?？想娛癄t所引進的C3 值，其公式為電流與功率的三分之二次方的比值（I/P3/2），C3 值越低，則反映出的爐況越好，從公式推出，電極電流不可過高，會使C3 值升高。

6 關于CaC2—CaO 相平衡圖與電石過熱理論

電石爐在電熱裝置中的分類應屬于電阻電弧爐，它不僅僅依靠電流通過電阻發出的熱量來加熱爐料，還要依靠電弧的放熱來獲取更高的熱量。電石生產需要這部分熱量來進行反應，但輸入過多的熱量也會給生產帶來一系列的不良影響。圖6-1 為不同純度電石的液相線溫度，含 80% CaC2的液相線溫度約為 2050℃，為保持物料的液體狀態，溫度應高于此溫度，否則物料將開始凝固，而輸入過多能量所產生的過熱，溫度遠高于液相線的液體溫度，也會對生產造成一系列負面影響。

圖6-1 CaC2—CaO相平衡圖

實際電石生產中，生產原料無法精煉提純，原料中大量雜質被帶入電石中，所以電石工業產品并非是CaC2和CaO 的混合物，而是以CaC2為主的多種物質（包括MgO、Al2O3、SiO2等）的混合物，混合物原子排列規則不像單一物質的原子排列那么均勻、有序，所以更容易受到溫度作用。因此混合物的液相線溫度比單一物質熔點都要低[3]。所以電石實際液相線溫度要比圖6-1 中的溫度更低一些，根據經驗，使用蘭炭固定碳在84%，石灰CaO 在90%相圖應為圖6-2 所示：

圖6-2 實際生產中的CaC2—CaO相平衡圖

理解相平衡圖，對電石生產起到一定的指導作用。電石生產中需要一定的過熱來使電石保持液態，但一旦輸入的過熱能量過多，就會產生一系列的負面影響，例如電石的粘度會降低，流動性變好，導致出爐堵不住眼，噴濺，流地；電石過熱，焰口（電極周圍吃料口）會擴大，也是爐氣溫度升高的主要原因。同時電石過熱會伴隨副反應：

反應式中Ca 是以單質氣態形式存在，同時還會產生大量CO 氣體，氣體只能透過料層將已經生成的電石帶出料面以上，就會發生翻電石現象。發生噴塌料事故也是同樣道理，就是過熱引起氣體集中爆發。

結合相平衡圖，為什么說電石質量低的時候容易翻電石，例如圖6-2 中CaC2質量在69% 左右，對應發氣量應為260L/Kg，發氣量較低，此時對應的液相線溫度僅為1750℃，如果我們按照過去的理念，按照同一水平的能量輸入，就會更容易使電石過熱，造成翻電石的現象，然而在發生翻電石時，我們多數會將原因歸結為反應溫度不足，從而降低爐次續積爐溫，這樣不但不會緩解翻電石問題，反而會造成翻電石惡化，這就是電石在低質量的條件下，翻電石問題反反復復無法轉入正常生產的原因。

過量輸入能量或不及時出爐，能量不平衡所導致的過熱，百害無利，如何解決過熱問題，是科學指導我們降低故障、事故，降低電能消耗的有效途徑。根據公式△Q=I2R △t，我們可以視爐料電阻不變，那么過熱的能量即和電流強度、加熱時間有關，一方面降低電流可以有效減少過熱，另外就是加熱時間，雖然電石爐需要連續生產，這就說明加熱時間不可中斷，但我們可以控制出爐頻次，控制合理的出爐頻次，也是減少過熱的途徑之一。

7 關于中鹽吉蘭泰電石爐產能的提升

中鹽吉蘭泰電石廠總共有12 臺電石爐，每臺電石爐采用三臺單相變壓器供電，單臺變壓器容量為9000KVA，共9000*3=27000KVA；12 臺電石爐總負荷為27000KVA*12=324000KVA。電石爐用電由220KV 站8#、9#兩臺主變供電，每臺變壓器接帶6 臺電石爐負荷，每臺主變壓器額定38.5KV 電壓時負荷為180000KVA，兩臺變壓器38.5KV 電壓時總負荷為360000KVA，35KV 電 壓 時 為163800*2=327600 KVA，電石廠1 2 臺電石爐額定總需求負荷為27000 KVA *12=324000KVA。

表7-1 主變分支回路的實際參數和目前的運行參數

按照表7-1 設計要求電石爐變壓器制造時可超額定負荷20% 長期運行，但是實際運行時，電石爐總負荷324000KVA 超20% 為388800KVA，已經超過8#、9# 變壓器的額定負荷，顯然8#、9# 主變壓器設計時并未考慮電石爐變壓器設計負荷要求，因此在原設計中，電石爐總負荷限制在額定負荷324000KVA 以下。

優化前， 單臺變壓器額定負荷9000KVA（超額定負荷20%能長期運行），一次電流257A（相電流），角接運行時額定線電流為257*1.732=445A，三臺電石爐滿負荷電流為445*3=1335A，從上表中可以看出，分支電流報警值為1300A，額定電流為1350A。三臺電石爐滿負荷運行時電流1335A 大于供電分支設定報警值1300A，小于設計電流值1350A。受供電設備額定負荷的影響，實際運行中，每臺電石爐只能運行在27000KVA 以下，考慮到電石爐操作電流引起的三相不平衡，電石爐負荷實際達不到額定的27000KVA。主變的限制，已成為電石爐負荷提升的一個制約點；另外一點，電石爐變壓器運行時功率因數0.95，檔位達到3 檔甚至2 檔運行，變壓器在負荷不超27000KVA，有功功率最高可提高到25650KW，這時，變壓器已基本達到上限，這是制約電石爐負荷提升的另一個原因，兩方面制約了電石爐負荷的進一步提升。

目前電石提升產能，必然要利用現有的條件，提升檔位，開滿負荷，以輸入更多的能量來提升產量，但如何提升負荷正是需要我們現今研究解決的問題。

根據公式P=UIcosφ，提升負荷勢必要從提升電壓、提升電流、提升功率因數三個方面來進行考慮，在之前的內容中已經提到，電石爐并非純電阻爐，需要一部分感性負載，所以功率因數不能提升到很高的水平，而電流方面，由于工藝和系統的限制，目前控制在72000A 左右，提升空間也不大，所以提升電壓是實現產能提升的關鍵突破點。

根據公式P=UIcosφ 反算，若電流按照72000A 控制，功率因數保持在0.95，將有功功率提升至27000Kw，則電壓應提升至228V；將有功功率提升至30000Kw，則電壓應提升至253V。然而系統存在一部分壓降損失，經過測量，變壓器和短網壓降損失為15V 左右。這部分壓降損失暫時無法解決，所以實際電壓要提高到更高的水平（有功功率27000Kw，則電壓應提升至243V ；有功功率30000Kw，則電壓應提升至268V ），所以電石產能的提升，需要從以下兩方面著手：一方面對電石爐變壓器參數實施優化，著手提升二次電壓，提高電效率，降低電壓損耗，減少無功損耗，在不改變現有供電設備的前提下，提升電石爐變壓器的帶載能力，是解決變壓器制約負荷提升的一項重要舉措。另一方面，近階段籌劃新建變電站，將主變容量提升，提升電石爐變壓器一次側電壓，也是提升二次電壓，提升產量的有效途徑。