電石項(xiàng)目主要設(shè)備的計(jì)算及選型

周久龍，吉仁塔布

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

電石項(xiàng)目主要設(shè)備的計(jì)算及選型

周久龍，吉仁塔布

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

介紹了電石項(xiàng)目主要設(shè)備重要參數(shù)的計(jì)算方法及設(shè)備選型。100萬(wàn)t/a電石項(xiàng)目主要設(shè)備配置情況為14臺(tái)容量為40 500 kVA密閉電石爐，14臺(tái)220 t/d雙梁氣燒豎窯和7臺(tái)型號(hào)為GZT?2.8× 20m的臥式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)。

電石；設(shè)備計(jì)算；選型

經(jīng)過(guò)近幾年的新一輪投資，國(guó)內(nèi)電石法PVC的產(chǎn)業(yè)布局進(jìn)一步調(diào)整，一是繼續(xù)向西部有煤炭資源優(yōu)勢(shì)的地區(qū)集中，二是上下游一體化程度提高。最具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和抗風(fēng)險(xiǎn)能力的將是煤炭、電力、電石、PVC上下游一體化的企業(yè)。目前，內(nèi)蒙古電石年產(chǎn)能為800萬(wàn)t，占全國(guó)的40%左右，2009年產(chǎn)量為440多萬(wàn)噸，位居全國(guó)第一。內(nèi)蒙古自治區(qū)政府已經(jīng)明確表態(tài)，未來(lái)要淘汰50%的產(chǎn)能，內(nèi)燃爐要在3～5年內(nèi)被淘汰，要求發(fā)展全密閉爐，下游沒(méi)有配套產(chǎn)業(yè)的單一電石企業(yè)將不予準(zhǔn)入。面對(duì)這樣的形勢(shì)，電石行業(yè)勢(shì)必會(huì)向大型化、集約化并靠近資源地域發(fā)展。電石生產(chǎn)企業(yè)在遵循電石行業(yè)準(zhǔn)入條件的前提下,勢(shì)必采用先進(jìn)且適用的成熟技術(shù)，以循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的理念為基礎(chǔ)，降低綜合能耗，充分利用碎料和爐氣，將企業(yè)做大做強(qiáng)。密閉電石爐由于具有產(chǎn)量大、節(jié)約投資、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為電石生產(chǎn)的主流。可以預(yù)測(cè)，今后較長(zhǎng)一段時(shí)期，電石爐向密閉型、大容量方向發(fā)展[1]。

內(nèi)蒙古西部有多家具有發(fā)展煤電-電石-氯堿上下游一體化優(yōu)勢(shì)的企業(yè)集團(tuán)，電石產(chǎn)業(yè)有得天獨(dú)厚的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，特別是資源優(yōu)勢(shì)明顯，石灰石品位高、價(jià)格低，煤電豐富、價(jià)格低廉。

從節(jié)能減排來(lái)看，自2007年4月開(kāi)始，國(guó)內(nèi)大規(guī)模“節(jié)能減排”工作逐步展開(kāi)，“執(zhí)行差別電價(jià)和取消優(yōu)惠電價(jià)”政策劍指高耗能行業(yè)，導(dǎo)致高耗能的電石成本抬升。“節(jié)能減排”將推動(dòng)電石及下游PVC行業(yè)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化并進(jìn)一步推動(dòng)電石和PVC行業(yè)在資源豐富和環(huán)保容量大的西部地區(qū)發(fā)展。

在參考內(nèi)蒙古西部地區(qū)電石企業(yè)設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，就100萬(wàn)t/a電石項(xiàng)目的主要設(shè)備電石爐、石灰燒制窯和炭材干燥器進(jìn)行簡(jiǎn)要的計(jì)算與選型。

1 電石爐

1.1 電石爐變壓器

電石爐變壓器總額定容量計(jì)算公式為：

式中：PS為變壓器總額定容量，kVA；A為電爐生產(chǎn)能力，t/a；Q為單位標(biāo)準(zhǔn)電石所需的電能，kW·h/t；a1為定期檢修時(shí)間系數(shù)（0.985）；a2為中修時(shí)間系數(shù)（0.98）；a3為大修時(shí)間系數(shù)（0.94）；a4為設(shè)備容量利用系數(shù)（0.95）；cosφ為功率因數(shù)，因變壓器的容量而變化[2]。

電石年產(chǎn)量為100萬(wàn)t，電石爐功率因數(shù)為0.92，電耗取3 200 kW·h/t。代入容量計(jì)算公式可得：

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委會(huì)同有關(guān)部門于2007年10月12日頒布實(shí)施的《電石行業(yè)準(zhǔn)入條件（2007年修訂）》，新建電石企業(yè)電石爐初始總?cè)萘勘仨氝_(dá)到100000 kVA及以上，其單臺(tái)電石爐容量≥25000 kVA；新建電石生產(chǎn)裝置必須采用密閉式電石爐，電石爐氣須綜合利用。本設(shè)計(jì)擬采用單臺(tái)電石爐容量為40 500 kVA的大型密閉電石爐，考慮容量的富裕值，則選擇14臺(tái)40 500 kVA的密閉電石爐。每臺(tái)電石爐選用容量為13 500 kVA的單相電石爐變壓器3臺(tái)。為減少電能輸送產(chǎn)生線路損失，提高變壓比和短路抗阻百分?jǐn)?shù)，一次電壓設(shè)計(jì)值取110 kV，即選用型號(hào)為HCDSPZ-13500/110電石爐變壓器。

1.2 電石爐電極

電極設(shè)備是電石爐的重要設(shè)備之一,它既能把強(qiáng)大的電流導(dǎo)入電極端頭,在爐內(nèi)進(jìn)行電弧燃燒而把電能轉(zhuǎn)換成熱能，又能延長(zhǎng)電極壽命和電極的燒結(jié)速度,使電極連續(xù)不斷地工作。因此,電極設(shè)備的選型直接影響電石的生產(chǎn)。

（1）電極直徑

電極直徑可按下式計(jì)算：

式中：D e為電極直徑，mm；I2為變壓器最大二次額定電流，A；I△為電極電流密度，40 500 kVA變壓器對(duì)應(yīng)值為7.0 A/cm2。計(jì)算得D e=1 380mm。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選為1 400mm。

（2）電極圓心圓

電極圓心圓與電極直徑倍數(shù)為2.7倍較合理，電極圓心圓直徑D c：

D c=2.7D e=2.7×1 400=3 780（mm）

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選為3 900mm。

（3）電極中心距

電極中心距計(jì)算公式：

LC=DC·cos30°

LC=3 900×cos30°=3 377.5(mm)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選為3 400mm。

（4）電極間距

電極間距計(jì)算公式：

B=LC-D e=3 400-1 400=2 000（mm）

1.3 電石爐爐體

（1）爐體內(nèi)徑

爐體內(nèi)徑一般為電極圓心圓直徑的2.25倍，則爐體內(nèi)徑為：

D=2.25D c=2.25×3 780=8 505（mm）

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選為8 500mm。

（2）爐膛深度系數(shù)：為2.3，則爐膛深度H為:

H=2.3×1 400=3 120（mm）

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選為3 200mm。

由上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行電石爐選型，可選擇錦州天晟重工有限公司40 500 kVA密閉電石爐。

2 石灰燒制窯

石灰窯按燃料分有混燒窯（即燒固體燃料，焦炭、焦粉、煤等）和氣燒窯。氣燒窯包括燒高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、電石尾氣、發(fā)生爐煤氣和天然氣等。按窯形分，有豎窯、回轉(zhuǎn)窯、套筒窯、西德維馬斯特窯、麥爾茲窯（瑞士）、弗卡斯窯（意大利）等。

2.1 石灰燒制窯選型

石灰燒制過(guò)程物料衡算見(jiàn)表1。

表1 石灰燒制過(guò)程物料衡算表

選用密閉電石爐，在生產(chǎn)每噸電石的同時(shí)排放400~450m3爐氣，爐氣中含有大量CO（70%～90%），其熱值可達(dá)11 340 kJ/m3，溫度在為500～800℃，含有大量顯熱。本設(shè)計(jì)采用氣燒窯生產(chǎn)石灰，使用凈化爐氣為燃料。與豎窯相比,氣燒石灰豎窯具有窯內(nèi)氣流量大、石灰活性高、室內(nèi)溫度均勻、溫度易控制、對(duì)燃?xì)膺x擇要求不高等特點(diǎn)。

項(xiàng)目年運(yùn)行時(shí)間為8 000 h，合格入爐生石灰為920 000 t/a，即石灰石處理量為115 t/h,則選擇14臺(tái)220 t/d雙梁氣燒豎窯，即1臺(tái)電石爐配套1臺(tái)石灰氣燒窯可滿足生產(chǎn)需求。

2.2 石灰燒制系統(tǒng)熱量核算

（1）石灰生產(chǎn)的理論熱耗

石灰的生產(chǎn)過(guò)程為石灰石（CaCO3）的分解過(guò)程,化學(xué)反應(yīng)式為：

CaCO3→CaO+CO2-179.6 kJ

該反應(yīng)過(guò)程是氣固兩相參與的吸熱反應(yīng)，每分解1mol的CaCO3需要179.6 kJ熱量。進(jìn)入燒制系統(tǒng)的石灰石量為1 811 600 t/a，則煅燒石灰石的理論耗熱為3.26×1 012 kJ/a。

（2）燃料放熱量

本項(xiàng)目?jī)艋癄t氣年產(chǎn)量為44 800×104m3，其熱值可達(dá)11 340 kJ/m3，燃燒放熱量為5.08×1 012 kJ/a。

（3）熱量核算

石灰窯效率按70%計(jì)取，則爐氣有效熱為3.56×1 012 kJ/a，故本項(xiàng)目電石爐氣完全滿足石灰燒制窯燃料需求。

3 炭材干燥器

本設(shè)計(jì)選用焦炭為電石生產(chǎn)用炭材，外購(gòu)焦炭必須干燥到含水量＜1%，低含水率的炭材可以提高電石爐的操作指標(biāo)，同時(shí)防止事故的發(fā)生。

3.1 炭材干燥器選型

目前，國(guó)內(nèi)干燥設(shè)備有簡(jiǎn)易干燥室、回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)、不同型式的立式干燥器及振動(dòng)流化床干燥器等，大多數(shù)采用回轉(zhuǎn)式干燥機(jī)或立式干燥器。臥式回轉(zhuǎn)干燥筒干燥效果好，但投資較高；立式干燥器投資低，干燥效果差，容易發(fā)生燃燒，故推薦采用臥式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)。幾種干燥設(shè)備的比較情況見(jiàn)表2。

3.2 臥式回轉(zhuǎn)干燥器計(jì)算

炭材干燥過(guò)程物料衡算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 干燥設(shè)備比較表

表3 炭材干燥過(guò)程物料衡算表

焦炭干燥前含水量w1為10%，干燥后含水量w2為1%。干燥前物料溫度θ1=20℃，干燥后θ2=105℃，物性平均比熱Cm=0.826 kJ/（kg·℃）。干燥前熱風(fēng)溫度t1=600℃，干燥后t2=120℃。由上表3可知，焦炭濕物料量G=75 000 kg/h。

（1）干燥器直徑計(jì)算

臥式回轉(zhuǎn)干燥器直徑計(jì)算公式[3]：

式中：D為干燥器直徑，m；V氣為干燥過(guò)程煙氣量，m3/h；u為干燥器內(nèi)氣體流速，m/s。

根據(jù)物料衡算結(jié)果，焦炭干燥消耗空氣量為232 200 t/a，折算成標(biāo)況下的量為18 000萬(wàn)m3/a，即22 500m3/h。熱煙氣溫度為600℃，煙氣量V氣為22 500×873.15/273.15=71 923.409（m3/h）。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)干燥氣體流速取3.26m/s。將上述數(shù)據(jù)代入直徑計(jì)算公式可得D=2.78m，圓整取值D=2.8m。

（2）干燥器長(zhǎng)度計(jì)算

a.預(yù)熱段氣體和物料平均溫度差Δt1

式中：tx為預(yù)熱段結(jié)束煙道氣溫度，℃。由下列程式推出：

式中：W為干燥機(jī)蒸發(fā)水量，W=G（w1-w2）/（100-w2）=75 000×（10-1）/（100-1）=6 818.20 kg/h；Q1為蒸發(fā)1 kg水加熱物料消耗的熱量，Q1=Gcm（tm1-θ）/W，式中，tm1為干燥段進(jìn)口處物料濕球溫度，32.4℃；d1為熱風(fēng)進(jìn)預(yù)熱段前濕含量，計(jì)算得d1=0.035 9 kg/kg（干熱風(fēng)）；c1為熱風(fēng)比熱，0.91 kJ/（kg·℃）。

計(jì)算得，Q預(yù)熱=Q1W=Gcm（tm1-θ）=75 000×0.826×（32.4-20）/6 818.20=768 180（kJ/h）

又因?yàn)镼預(yù)熱=22500×（1+0.0359）×0.91×（600-tx），解得tx=563.38℃

則Δt1=Δt1=[（t1-θ1）+（tx-tm1）]/2=[（600-20）+（563.38-32.4）]/2=555.49（℃）

b.干燥機(jī)容積傳熱系數(shù)αV

干燥機(jī)的容積傳熱系數(shù)表明干燥機(jī)在干燥過(guò)程中熱量的傳遞和利用效率，容積傳熱系數(shù)可由公式計(jì)算，當(dāng)干燥機(jī)截面的氣體質(zhì)量流量G風(fēng)為0.6~1.8 kg/(m2·s)時(shí)，干燥機(jī)轉(zhuǎn)速。

式中：G風(fēng)為22 500/[0.785×（2.8）2×3600]=1.02 kg/(m2·s)；n為筒體轉(zhuǎn)速，本設(shè)計(jì)取4.5 r/min；ξ為填充系數(shù),本設(shè)計(jì)取12%。

（3）干燥工序濕焦炭處理量為75 t/h，型號(hào)為GZT?2.8×20m的臥式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)處理濕焦炭能力為12 t/h，則選擇7臺(tái)，即每2臺(tái)電石爐配套1臺(tái)焦炭干燥機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)計(jì)算，100萬(wàn)t/a電石項(xiàng)目主要設(shè)備選型情況為，14臺(tái)容量為40 500kVA密閉電石爐；14臺(tái)220 t/a雙梁豎氣燒窯；7臺(tái)型號(hào)為GZT?2.8×20m的臥式回轉(zhuǎn)干燥機(jī)。

（2）從電石生產(chǎn)熱量分析可知，生產(chǎn)每噸電石副產(chǎn)爐氣約400m3（熱值約11723kJ/m3），相當(dāng)于160 kg標(biāo)煤，氣燒石灰窯所需用的爐氣與電石生產(chǎn)副產(chǎn)爐氣量理論上基本平衡。爐氣作為氣燒石灰窯的燃料，既節(jié)能又消除了爐氣的污染，且氣燒石灰質(zhì)量均勻，反應(yīng)活性好，可使電爐電耗下降。

[1]張永春.電石生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化.內(nèi)蒙古石油化工,2009，(12):109.

[2]熊謨遠(yuǎn).電石生產(chǎn)及其深加工產(chǎn)品.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989: 116～122.

[3]殷雷,過(guò)磷酸鈣回轉(zhuǎn)圓筒干燥機(jī)的工藝計(jì)算[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2005,(06):31～32,

[4]應(yīng)美，梁庚煌，機(jī)械化運(yùn)輸工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998：362.

Calculation and type selection ofmain equipmentof calcium carbide project

ZHOU Jiu-long,JIREN Ta-bu
(ChemicalEngineering College,InnerMongolia University of Technology,Huhhot010051,China)

Calculating method ofmain parameters of the major equipment and equipment selection were introduced in calcium carbide project.The configuration ofmajor equipment for 1000 kt/a calcium carbide projectwas formed by 14 sets of closed calcium carbide furnacewith 40500 kVA capacity,14 setsof220 t/d double-beam gas-burning shaftkiln,and 7 setsofmodelGZT?2.8×20m horizontal rotory dryer.

calcium carbide;equipmentcalculating;type selection

book=16,ebook=253

TQ051

B

1009-1785(2010)11-0016-03

2010-05-31