電石干濕法生產乙炔水平衡研究

寧春波，韓云峰，梁 鋒

（陜西北元化工集團有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團有限公司化工二分公司設計為100萬t/a聚氯乙烯，分為2種乙炔生產工藝，其中一期乙炔生產工藝為濕法發生，可生產50萬t/a聚氯乙烯，設計乙炔流量為25 000 Nm3/h；二期乙炔生產工藝為干法發生，可生產50萬t/a聚氯乙烯，設計乙炔流量為25 000 Nm3/h。

干法乙炔開車后，水平衡問題成為影響乙炔分廠生產的瓶頸，在干濕法的用水和排水問題上要保持一個循環平衡，否則水量過大，會造成渣漿和上清液溢流，產生環保事故。該公司電石干濕法生產乙炔水平衡主要有濕法發生用水，干法排至濕法渣漿處理的渣漿水，循環水排污及其他廢水，濕法和干法電石泥帶走水分，濕法清凈水洗冷卻塔、堿洗冷卻塔蒸汽冷凝水，干法發生用水，清凈機封冷卻水，上清液系統蒸發的水等，現通過定量的方法來計算水消耗和補水情況，研究水平衡。現擬電石的發氣量為300 L/kg來計算乙炔分廠水平衡。

1 濕法發生熱量計算

設濕法乙炔流量為20 000 Nm3/h，乙炔氣收率為90%，在破碎過程中損失的電石，除塵器除去的電石灰，散落的電石，設其損失率5%，發氣量為300L/kg的電石CaC2含量為80.6%，并假設電石中含CaO為10%，其余雜質為9.4%。則要達到濕法乙炔流量為20 000 Nm3/h，每小時所需發氣量為300 L/kg的電石質量為：

m電石=20 000/（300×90%×95%）

=77 972.7 kg=78（t）

現以1 t發氣量為300 L/kg電石在發生器溫度為85℃（恒定）時水解計算熱量平衡（不計發生器及附屬設備散熱損失和電石加料，排渣過程帶走的熱量）。

CaC2水解化學反應方程式為：

1.1 進入發生器的熱量Q

1.1.1 水解反應熱Q1

CaC2水解放出的熱量為：

1 000×80.6%×95%×1 000×130/64

=1 555 328.12（kJ）；

CaO水解放出的熱量為：

1 000×10%×1 000×63.4/56=113 214.29（kJ）；

電石與水總反應放出的熱量為：

Q1=1 555 328.12+113 214.29=1 668 542.41（kJ）。

1.1.2 進入發生器水帶入的熱量Q2

假設發生器中加入上清液的溫度為45℃，參與反應水量為462.71 kg，則加入參與反應水所帶入的熱量（其中，水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃））如下。

上清液帶入發生器的熱量為：

Q2=4.182×462.71×（45-20）=48 376.33（kJ）。

1.1.3 進入發生器中電石帶入的熱量Q3

假設加入發生器的電石溫度約為40℃，電石比熱為 59.246 kJ/（kmol·℃）

Q3=59.246×1 000×（40-20）/64=18 514.38（kJ）；進入發生器的熱量為：

1.2 乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量Q4

（1）乙炔氣帶走的熱量為Q5，由于在溫度為20℃，壓力為101.325 kPa，1 kg純度為80.6%的電石與水反應，可得到干乙炔氣體為300 L，則1 t電石所產生乙炔氣體的質量為：

m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔氣帶走的熱量 Q5=311.07×1.848×（85-20）=37 365.73（kJ）。

注：1.848為乙炔在85℃時的比熱；85℃為濕法發生器的乙炔氣平均溫度；20℃為常溫。

（2）反應產生的水蒸氣帶走的熱量為Q6（假設乙炔氣與水蒸氣比例為1︰1）

1 t電石反應所產生的水蒸氣質量為：

m水蒸氣=311.07×18/26=215.36（kg）；

注：18為水的分子量；26為乙炔的分子量。

在85℃時，水的汽化潛熱為2 260 kJ/kg，則水蒸氣帶走的熱量Q6=m水蒸氣×水的汽化潛熱=215.36×2 260=486 713.60（kJ）。

（3）電石渣漿帶走的熱量為Q7

由反應方程式可以看出，1 t電石水解產生電石渣質量為：

m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質含量。

電石渣的比熱容為 0.963 kJ/（kg·℃），電石渣的平均溫度為85℃，則電石渣漿中電石渣帶走的熱量為：0.963×1 111.48×（85-20）=69 573.09（kJ）；

發生器溢流的電石渣漿含固量為20%，則1 t電石反應產生的電石渣漿中水分為：4 445.92 kg，渣漿中水帶走的熱量為（加入發生器中水溫為48℃）：

4 445.92×4.182×（85-48）=687 934.99（kJ）；

那么1 t電石水解產生電石渣漿帶走的熱量為：

Q7=69 573.09+687 934.99=757 508.08（kJ）；

所以，乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量總和為：

Q4=Q5+Q6+Q7=37 365.73+486 713.60+757 508.08=1 281 587.41（kJ）。

1.3 濕法反應用水量

由反應方程式可以得出1 t電石中CaC2和CaO 與水反應所需水量為：1 000×0.806×0.95×36/64+1 000×0.1×18/56=462.71（kg）

需要用水移去的反應熱為：

Q-Q4=1735433.12-1281587.41=453845.71（kJ）；

假設發生器中加入上清液的溫度為48℃，則需加入參與反應與移走反應熱所需水量為：其中水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃）

m上清液=1 141 780.7/[4.182×（85-48）]+462.71=3 395.78（kg）；

因此，當乙炔流量為20 000 m3/h時，電石發氣量300 L/kg，乙炔氣收率為90%，0.95為電石利用率，則1 h所需要的電石量為：20 000/（300×90%×95%）=77.97（t）

當乙炔流量為20 000 m3/h時，每小時濕法發生器中需要加入的水量V1為：3 184.39×77.97/1 000=264.77（m3）。

2 干法排至濕法渣漿水量

干法排至濕法的水量V2主要由洗滌冷卻塔頂部噴水V3和蒸汽冷凝水V4組成。

2.1 洗滌冷卻塔噴水量

干法乙炔流量為20 000 m3/h時，假設每臺發生器乙炔回收率均為99%，電石利用率為95%，則電石用量為 20 000/（300×0.99×0.95）=70.88（t/h）；

假設干法用12臺發生器，每臺電石進料量為5.91 t，即可達到71 t/h，生產水壓力為0.3 MPa，流速約為2 m/s，塔頂噴水周期為每隔300 s噴20 s，每小時噴水12次，正水封和洗滌冷卻塔遠傳液位計噴水周期為每隔600 s噴20 s，每小時噴水6次，則每小時每臺發生洗滌冷卻塔塔頂噴水量為 （噴水管道為DN50）；（12×20×2×0.025 2 ×3.14）=0.942（m3）；

每小時每臺洗滌塔和正水封遠傳液位計噴水量為（噴水管道為 DN50）（6×20×2×0.025 2×3.14）=0.471（m3）

則12臺發生器每小時的噴水總量為

V3=（0.942+0.471）×12=16.96（m3）。

2.2 洗滌冷凝塔冷卻水量V4

由于干渣所帶水分較少，氣相管噴水的冷凝水也較少，二者可以忽略不計，下面以熱量衡量計算冷卻水量V4。

（1）進入干法發生器的熱量為Q8，分為反應產生的熱量、電石帶入的熱量、加入生產水帶入的熱量

a.反應產生的熱量為 1 668 542.42 kJ，與濕法發生相同；

b.電石帶入的熱量為18 514.38 kg，與濕法發生相同；

c.生產水帶入的熱量Q8=1668542.42+18 514.38+0=1 687 056.8（kJ）。

（2）乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量Q9

a.由于在溫度為20℃，壓力為101.325 kPa，1 kg純度為80.6%的電石與水反應，可得到干乙炔氣體為300L，則1t電石所產生乙炔氣體的質量為：m乙炔=26×80.6%×95%×103/64=311.07（kg）；

乙炔氣帶走的熱量 Q10=311.07×1.848×（88-20）=39 090.30（kJ）；

注：1.848為乙炔在90℃時的比熱；88℃為干法發生器的乙炔氣平均溫度；20℃為常溫。

b.水蒸氣帶走的熱量Q11（假設乙炔氣與水蒸氣比例為1∶3）；1 t電石反應所產生的水蒸氣質量為：

m水蒸氣=311.07×18×3/26=646.07（kg）；

注：18為水的分子量；26為乙炔的分子量。

在90℃時，水的汽化潛熱為2 260 kJ/kg，則水蒸氣帶走的熱量Q11=m水蒸氣×水的汽化潛=646.07×2 260=1 460 118.2（kJ）；

c.電石渣帶走的熱量Q12。由反應方程式可以看出，1 t電石水解產生電石渣質量為：m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1 111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質含量。

電石渣的比熱容為 0.963 kJ/（kg·℃），電石渣的平均溫度為93℃，則電石干渣帶走的熱量為1111.48×0.963×（93-20）=78 135.93（kJ）；

干法發生器排出的電石干渣含水為8%，則1 t電石反應產生的電石干渣中水分為：96.65 kg，干渣中水帶走的熱量為：96.65×4.182×（93-20）=29 505.89（kg），1 t電石水解產生電石渣漿帶走的熱量為：

Q12=78 135.93+29 505.89=107 641.82（kg），乙炔氣、水蒸氣和電石渣帶走的熱量為：

需要用水移去反應熱為：

Q8-Q9=1 687 056.8-1 606 850.32=80 206.48（kJ）

假設發生器中加入生產水的溫度為20℃，則需加水量為：mH2O=80 206.48/[4.182×（90-20）]+462.71=736.69（kg）；

注：4.182為水的比熱容；水的溫度加至90℃。

則洗滌冷凝塔冷卻水量為：V4=0.736 69×70.88=52.22（m3）；

所以每小時干法排至濕法水量為：V2=V3+V4=16.96+52.22=69.18（m3）。

3 濕法清凈水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔冷卻水量為

清凈水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔冷卻水主要為蒸汽冷凝水，蒸汽冷凝水為濕法發生器產生的蒸汽冷凝水（正逆水封及管道損失的蒸汽忽略不計）。

冷凝水量 V5為：486 713.60/[4.182×（80-10）]=1.66（m3）；

注：水的比熱為 4.182 kJ/（kg·℃）；80 ℃為水洗冷卻塔乙炔氣出口溫度；10℃為堿洗冷卻塔的乙炔氣出口溫度。

當乙炔流量為20000m3/h時，每小時冷凝水量為：

1.66×78=129.48（m3）。

所以，水洗冷卻塔，堿洗冷卻塔每小時冷卻水量V5為 129.48 m3。

4 電石泥帶走水量

由化學反應方程式可以得出1 t電石反應可產生電石泥為：m電石渣=1 000×0.806×74×0.95/64+1 000×0.1×74/56+94=1111.48（kg）；

注：74 為 Ca（OH）2分子量；64 為 CaC2分子量；56為CaO的分子量；94%為電石中除CaC2和CaO以外的物質含量。

當電石泥含水為36%時，1 t電石所產生的電石泥帶走水量為0.63 m3，當流量為20000m3/h時，每小時所產生的電石泥帶走的水量V6=49.14（m3）

清凈機封冷卻水、水洗冷卻塔、堿洗冷卻塔、除霧器、正逆水封排水等水量較小，與每天蒸發量可以抵消，不計入排水量中。

5 結論

當乙炔流量濕法20 000 Nm3/h，干法流量20 000 Nm3/h，干法發生用水目前為生產水，循環水排污全部排至污水井，不影響水平衡，見表1。

a.當 0≤VO＜115.25 m3時，將會導致（濕法發生用水）+（電石泥帶走水）＞（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液池液位將會下降，只要保持壓濾電石泥進料量不變，干濕法生產負荷不發生變化，將不會發生溢流，一段時間后，上清液池將需要補大量的生產水以滿足生產需求。

b.當VO=115.25 m3時，將會導致（濕法發生用水）+（電石泥帶走水）=（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液液位將保持在一定的液位不變，乙炔分廠干濕法水量達到平衡，不會發生上清液溢流，同時也不需要補入生產水。

表1 干法乙炔用水情況表

c.當 VO＞115.25 m3時，將會導致（濕法發生用水）+（電石泥帶走水）＜（干法排至濕法渣漿水）+（濕法清凈冷卻水）+VO，因此，上清液池液位會發生上漲趨勢，如果不加以控制將發生溢流。如果要保持總乙炔流量不變，可以通過調節干濕法電石用量、排入的其他廢水量、壓濾加大電石泥進料量來控制水平衡。

所以，乙炔分廠要保持水平衡，必須保證干法排至濕法水與濕法清凈冷卻水和其他廢水量，其他廢水排至上清液小于濕法發生用水和電石泥帶走水之和，要嚴格控制濕法清凈冷卻水量，保證壓濾的電石泥進料量，濃縮池不發生返渾現象。

［1］吳里云.井巷硐室工程.北京：冶金工業出版社，2001.

［2］王國興，王進述.淺談PVC廠乙炔生產中水平衡問題，陜西煤炭，2011，5.

［3］鄭石子，顏才南，胡志宏，曾建華.聚氯乙烯生產與操作，2008.