新疆天業(yè)(集團)有限公司(以下簡稱“新疆天業(yè)”)是我國電石乙炔法聚氯乙烯生產的龍頭企業(yè)，近年來企業(yè)在電石的清潔生產方面做了大量的工作，企業(yè)通過不斷的創(chuàng)新，2009 年率先開發(fā)了40 000KVA 大型密閉式電石爐生產技術;2011 年，針對電石爐氣凈化技術研究，實現了爐氣作為碳一化工原料的綜合利用;近期又針對電石爐除塵灰與爐渣輸送及綜合利用的難題展開研究，最終實現了電石爐除塵灰的全密閉式輸送及兩種廢渣的高值化利用。新疆天業(yè)通過多年來在電石領域的不斷探索與研究，取得了一定的成績，并總結出了一套適用于大型密閉電石爐的開爐方法。
電極的焙燒
在整個電石爐設備中，電極就是電石爐的心臟。在電石生產中電流通過電極輸入爐內，產生電弧進行冶煉。因此在電石爐開爐階段電極的焙燒占據至關重要的地位，電石焙燒質量的好壞直接關系到電石爐是否能夠投入正常生產，開爐是否順利。
1.1 電極糊的燒結過程
電極糊的燒結過程也就是電極的焙燒過程，電極糊的燒結過程是隨著電石爐內的溫度逐漸升高，電極糊內的煤瀝青不斷熔化、分解、排出和碳化的過程。其電極糊的燒結過程主要分為以下三個階段[1]。
第一階段：低溫軟化階段。電極糊的軟化溫度為74~78℃，隨著電石爐內溫度升高，電極糊不斷軟化，當爐內溫度上升至200℃左右，電極糊內部的煤瀝青全部軟化，由固體狀態(tài)熔化成塑性狀態(tài)，其中的水分和低沸點的成分開始揮發(fā)，此階段沒有明顯的化學變化。
第二階段：劇烈變化階段。當爐內溫度為200~700℃之間時，此階段作為粘結劑的煤瀝青全部分解，開始氣化，大量排出揮發(fā)分，煤瀝青的剩余物質已被半碳化或者碳化，電極糊有塑性狀態(tài)變化為固體狀態(tài)。
第三階段：高溫燒結階段。當爐內溫度達到800℃以上，此階段只有少量的殘余揮發(fā)分排出，電極開始進一步燒結，導電性大大增加，成為堅硬的整體，電極達到完全燒結的溫度900~1 000℃。焙燒電極時電極糊揮發(fā)分質量分數與溫度的關系如圖1表示：
1.2 焙燒后電極的性能要求
電極具有較小的電阻率;焙燒后的電極的電阻率較小，就能夠有效減少電極自身發(fā)熱，從而降低無效電能損耗，減低噸電石電耗，同時還會降低由于電極筒“過負荷”而引起的“軟斷”故障的頻次。電極具有較高的機械強度;在電石爐生產過程中，由于電極處于高溫熔池的極端環(huán)境中，除了要克服自身的重量外，還要抵抗來自熔池中的電石或者原材料的沖刷與侵蝕以及物料的崩塌擠壓，保證了電石不因機械設備與電器設備符合的影響而造成電極折斷。[2]
電極具有較好的抗氧化性;電石爐在生產過程中，電極的工作端頭需要不斷消耗，除了要不斷的下放電極，以資補充外，還要求電極具有較小的氣孔率，具有良好的抗氧化性，以減緩高溫狀態(tài)下電極的氧化消耗速度。
電石爐開爐方法簡介
電石爐開爐是電石爐連續(xù)生產工作的開始，新建、大修的電石爐都要經歷開爐的過程，開爐是電石爐生產中極為重要的大事，直接影響電石爐使用壽命。開爐成功率的高低受到許多因素的影響，而開爐方法卻是其中重要的因素之一。開爐是否順利直接影響著開爐后長期穩(wěn)定運行與指標的進步，因此有效合理的開爐方式是確保開爐后爐況正常運行的關鍵。
2.1 傳統電石爐開爐方法
傳統的電石爐開爐方法是兩步法，第一步是先對未投料的爐內內進行加熱，第二步則是投料后進行首期冶煉。該開爐方法是先進行木烘，木烘結束后將爐內柴炭推向爐內四周，將電極下放至適當部位，再送電下降電極使之與爐內柴炭接觸讓其起弧，待負荷上升至一定值穩(wěn)定后，將爐內投入一定量的混合料進行冶煉，但投入的料中焦炭的比例要小于正常配料 50~60%。冶煉按正常連續(xù)加料埋弧作業(yè)方法操作，冶煉最初階段爐溫較低，隨著冶煉過程中電流緩慢上升爐溫相應提高，同時爐襯砌體隨之干燥、爐底、爐壁、碳磚縫隙中的電極糊焦化。當冶煉 6h 后停電，然后選擇適合該電壓級數以提高爐溫進行冶煉。
上述開爐方法在烘爐結束后，需要向爐內投入大量的混合爐料進行冶煉，由于是空爐一次性投料量大，且投料是在高溫下進行的，這種投料操作勞動強度大、危險性高，所投入的混合爐料在爐內分布極不規(guī)則，堆積形態(tài)的隨機性強，導致在電石爐開爐過程中形成的出流道及熔池的隨機性增大，大大降低了電石的生產效率。由于分為兩步法開爐，存在開爐時間長、能源消耗高、勞動強度大等問題。
2.2 一步法開爐方法
一步法開爐方法在傳統開爐方法的基礎上做了大的改進，不再單獨對電石爐進行烘爐處理，而是將烘爐處理和對電石的冶煉合為一體。首先將電石爐體內底部鋪設一層焦炭，再在焦炭層爐體內地面的中央位置鋪設木材堆與出流道，放置成品導電柱，導電柱的位置與電極位置相對應，最后向電石爐體內裝入焦炭與石灰的混合料，將木材堆和出流道全部覆蓋。最后向電石爐電極供電，使木材堆和出流道在原料覆蓋層下全部碳化，并使位于原料覆蓋層下部的原料熔化并冶煉，待冶煉完成后使用吹氧工序打開電石爐出爐口，將冶煉完成的電石排出，整個開爐過程全部結束。[4]
上述開爐方法不再單獨對電石爐爐體進行烘爐處理，而是將烘爐和電石的首批冶煉合為一體，有效減少了電石爐的開爐時間。同時在電石爐開爐初期爐內鋪設的出流道，也提高了電石爐的首次開爐的成功率。但是在開爐期間，爐內溫度的逐漸升高，木材被燃燒碳化，在冶煉過程中碳化后的木材被作為有益的成分消耗掉，木柴堆鋪設的出流道會逐漸消失;同時隨著爐料的不斷加入，料層的塌陷會使出流道堵塞不連續(xù)或者完全消失，因此上述方法并未能徹底解決電石爐開爐期間出爐困難的溫度，隨著電石爐容量的不斷增大，存在的問題愈加明顯。
2.3 新疆天業(yè)電石爐開爐方法
目前新疆天業(yè)擁有200萬t/y的電石生產能力，其中40 500KVA密閉式電石就有26臺，新疆天業(yè)憑借多年的電石生產經驗，總結出一套快速、節(jié)能、低成本的電石爐開爐方法。
2.3.1 電極筒的制作
新建電石爐開爐時需要預先焙燒電極，制作三個盆底尺寸為直徑1100mm、高度500mm，并且用厚鋼板焊接封閉電極端頭，在底盆內裝入電極糊后與現有的電極筒對接。并在盆底側面開設直徑為3~4mm 的均勻小孔，且孔與孔之間的距離不小于200mm[5]。
2.3.2 電石爐裝爐
首先在電石爐內三相電極與出爐口相對應的位置分別砌筑三個內徑為200mm的電石溢流通道，在通道內放置一根直徑與通道內徑相符的圓木，圓木的一段延伸至出爐口外，圓木與出爐口之間的空隙用黃泥與電極糊粉末的拌合物進行密封。其次，在電石爐內與電極相對應的位置放置三個直徑大于電極直徑的圓柱筒，并在圓柱筒內加滿焦炭至頂端呈倒錐形狀，使其形成導電柱，并在三個導電柱之間依次用圓鋼焊接固定使其呈三角形狀。最后，電石爐底部依次鋪設一層碳素材料和一層焦炭與石灰的混合料，使爐內混合料層分布呈現碟子型。
2.3.3 送電開爐
調整電極端頭距導電柱的距離，保證電極端頭與導電柱分離，且三相電極端頭與導電柱的距離相等，并將電石爐變壓器的一次側接線改接為星形接法，給電石爐升溫和焙燒電極。送電后通過逐步下降三相電極，產生電極電流并將電極電流穩(wěn)定在0~2KA，穩(wěn)定運行一段時間后，逐漸提升電極電流和變壓器檔位，運行35h左右將電極電流提升至82KA，變壓器檔位提升至30檔，此時完成電石爐首次出爐工序，出爐期間電極電流繼續(xù)保持82KA穩(wěn)定運行;完成出爐后電極電流在82KA穩(wěn)定運行30min左右后，將變壓器的一次側接線改接為三角形接法。角接送電后將電極電流控制并穩(wěn)定在 45KA，穩(wěn)定運行2h左右，開始逐漸增加電極電流，當電極電流運行至 58KA 開始逐漸提升檔位，在提升檔位時不允許下降電極增加電極電流，當電極電流增長到92KA時整個送電提升過程結束，轉入正常生產，完成整個開爐過程。
應用效果
在電極筒底部焊接錐形底盆，且在底盆側面開設直徑為3~4mm的均勻小孔，孔與孔之間的距離不小于 200mm;在電極焙燒過程中，由于電極糊中含有一定量的揮發(fā)分，在電極焙燒階段電極糊隨著溫度的升高揮發(fā)分逐漸逸出，此時開設的小孔能夠及時排出揮發(fā)分，有利于電極的焙燒，有效減少電極事故。
在電石爐內砌筑的拱形通道，結構結實，不會因電石爐開爐期間發(fā)生料層塌陷、漏料等現象而堵塞通道，可形成穩(wěn)定的溢流通道;在通道被放置的圓木隨著爐內溫度的升高逐漸碳化，由于開爐期間出爐口溫度相對較低仍然以圓木形式存在，在電石爐首次出爐時只需拔出圓木，出爐口將會打開;徹底取消了出爐吹氧的工序，消除了電石爐出爐吹眼過程中存在的安全隱患，解決了電石爐首次開爐眼困難的問題，縮短了電石爐開爐時間，有效減少了工人的勞動強度，提高了電石爐開爐的成功率。
一般在電石爐開爐時將完成首次出爐視為完成整個開爐過程;這時電石爐中料層結構層次不夠分明，熔池內和熔池內壁仍有大量的半成品存在，爐內還未形成穩(wěn)定的熔池，如果此時直接將電石爐投入正常生產中，則易出現電極不能深入爐料，爐眼上升等問題，嚴重時導致幾天都出不了爐。但是新疆天業(yè)研究的開爐方法，完成首次出爐后，繼續(xù)采用逐步提升與穩(wěn)定控制相結合的控制方式操作電石爐，使電石爐內形成層次分明的料層結構，最上層是預熱料層，其下依次為紅料層、粘結層、半成品層、熔池和液態(tài)產品層;使其形成穩(wěn)定的熔池后，再按照正常操作方法進行操作，是電石爐產量很快就能達到設計指標。
經濟性分析
以40 000KVA密閉式電石爐為例，采用原有的開爐方法時，開爐需要12~15d左右，耗電量達到80萬度左右，新疆天業(yè)采用現有開爐方法時，開爐只需要72h左右，耗電量為25~28kwh。完成一次開爐可節(jié)約電能 52kwh，電價 1 度按 0.3 元計算，可節(jié)約15.6 萬元，同時可使電石爐能夠提前投入生產運行，達到設計指標，其經濟效益顯著。
結 束 語
該開爐方法自用于大型密閉電石爐開爐以來，有效解決了電石爐開爐耗時較長、能源消耗大、開爐成本高、電極事故多發(fā)等問題，提供一種電石爐的快速開爐方法，該方法具有操作簡單、安全環(huán)保、開爐成功率高、成本低等優(yōu)點。
參考文獻：
[1]李銀蘭 .密閉電石爐的電極
[2]李志敏 . 超大型電石爐密閉糊的研究
[3]薛李 . 一種礦熱爐的開爐方法
[4]孫孟君 .礦熱電爐的一步法開爐方法：
[5]熊謨遠 .電石生產及其深加工產品
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