電石生產自動化技術發展探討

王 彤

（中化國際（控股）股份有限公司，上海 200120）

電石生產自動化技術發展探討

王 彤

（中化國際（控股）股份有限公司，上海 200120）

闡述了中國電石生產現狀及存在的問題，并結合國外的技術水平指出了對未來電石行業發展的希望。

電石生產；自動化技術；出爐系統自動搬鍋

1 電石行業的發展趨勢

2005年開始，中國迎來了電石產業發展的黃金時期，產能突飛猛進，至2015年底，電石產能已經達到了4 500萬t/a，是2005年（1 400萬t/a）的3倍；2016年度中國產能繼續維持在4 500萬t/a，近十年來首次出現了零增長。這并不意味著中國的電石產業發展進入了瓶頸，相反，這個零增長恰恰說明了中國電石生產進入新的發展階段—從量變進入到了質變的階段。國內近期電石的發展有如下的特點。

（1）2016年的零增長主要是由于淘汰落后產能與擴張產能數相同所造成。2016年密閉式電石爐產能達到3 753萬t/a，占總產能的比重提升至84%，內燃式電石爐比重下降至16%，較2015年下降了5%。

（2）電石爐有向大型化發展的趨勢。近年來，電石爐發展方向，不但是逐步淘汰內燃式，而且也有大型化的發展趨勢，從之前的3萬爐，到4萬爐成為主流，后來出現了5萬爐、6萬爐，8.1萬爐也逐漸生產正常，還有最大的10萬爐。

（3）許多電石企業已經意識到，單純地提高產能與產量，并不能帶來電石技術的革新，同時出于安全與環保的需求，更多的企業愿意加大技術裝備與生產現場的投入：自動出爐機、自動鍋搬運技術、料面處理機等一系列技術都開始得到應用。這才是電石行業發展所需要的真正的原動力。

2 國內電石生產現狀

十二五期間，中國電石行業就提出“提高自動化水平與機械化、改善工人勞動環境、降低能耗與物耗”的目標，至今在電石生產的自動化生產方面已經有了一定的提高，而且很多國內企業都在積極探索中，但總體而言，離最終的目標還有一定距離；更重要的是，很多電石生產企業或者電石裝備制造企業能將前二者結合起來，卻往往忽視了自動化水平與降低能耗物耗的直接聯系?，F就對目前中國的電石生產技術的現狀進行剖析。

2.1 電石出爐作業

電石爐的出爐作業是在高溫下靠人力進行的一項既危險又繁重的作業，大型密閉式電石爐的生產會因此出現事故而影響生產。目前，國內在出爐環節上除個別企業已經開始使用機器人出爐，大部分企業還是完全由人工（或助力機）操作，大致人員配備在6～8人/（班·爐），高溫粉塵使得現場的工作環境相當惡劣，工人易燒傷、燙傷；而且勞動強度高、勞動效率低，尤其是人工操作還會帶來出爐不穩定等一系列不利于生產的后果。

2.2 電石鍋搬運作業

電石鍋搬運作業也是事故高發生率的作業之一，目前國內幾乎完全是依靠牽引搬運，現場必須有人操作，人員配置大致為3～5人/（班·爐），牽引繩的崩斷是造成事故的危險源，而且尚未有好的應對技術。

2.3 料面處理作業

電石爐2樓的料面處理作業，基本還是依靠人工，一般的人員配置為2人/（班·爐），大約需要20 min以上/門，工作效率低，且處理效果不理想，爐氣爆炸、爐內噴火而產生的傷害風險一直存在，使人身傷害事故頻發。

2.4 電極測量技術

電石生產過程中，電極在整個電爐中占有極其重要的地位，電極的壓放，必須要做到精心操作，所以需要及時觀測電極，實時掌握電極的溫度、硬度、長度等狀態，確保爐況經常保持在正常穩定狀態下生產。目前，國內電石行業尚未通過儀器測定電石狀態的技術。

2.5 電石生產自動控制技術

電石因其特殊的理化性質，在生產過程中極易發生火災、爆炸、中毒等事故，易造成人身傷亡及環境污染。因此，很多電石生產企業意識到，為電石生產裝置設計一套匹配且安全穩定的自動化控制系統是當務之急。但是，由于掌握的電石技術及生產數據的限制，雖有少許企業雖已開始著手研究開發這一系統，但都未真正達到能夠實現無人操作的境界。

3 國外電石生產技術的發展

在國外，美國、德國和日本等發達國家都曾對電石生產技術進行過深入研究，烯烴裂解法問世后，美國和德國逐漸轉變產業結構，已經淡出電石生產；作為曾經的電石大國日本，由于國內資源匱乏，仍沒有放棄對電石的生產與技術進步。

3.1 日本電化的發展歷程

作為占整個日本電石產能與產量99%的日本電化，1915年以電石和石灰氮起家，成立公司；1954年，以引進Elkem式30 MVA電石爐為契機，電石生產技術得到持續發展，在50 MVA大型密閉爐技術之后，確立了自動出爐技術和鍋搬運設備等技術的機械化自動化，之后更完成了大型粗碎機以及近代使用的粉碎設備。日本電化電石生產技術與自動化改進的歷程，見圖1。

圖1 日本電化電石生產技術發展歷程

由圖1可以得出日本電化電石技術的發展有以下幾個特點。

（1）電化的設計理念。電石生產不能完全脫離人（至少目前是不可以的），但人員必須脫離現場。影響電石生產的因素（原材料、工藝等）太復雜，控制環節易出現問題，若完全擺脫人類的判斷，可能會導致出現大的安全或生產事故；但是電石現場的環境又實在不適宜工人的操作，高溫粉塵以及隨時可能發生的危險都要求必須使工人遠離現場。

（2）生產自動化技術的研發是一個漫長的過程，不但需要投入大量資金與人力，還需要對整個電石生產工藝過程（從原材料的選擇、投料直到最終產品的質量指標檢測）中的數據進行詳細地記錄、歸納及保存，可能需要3～5年，甚至10年。電化系統保留著開車至今的數據，作為無人值守操作系統的依據。

3.2 國內外電石生產流程配置對比

綜上所述，可以得出國內電石生產工藝流程的對比，見圖2。

圖2 國內外電石生產工藝流程對比

由圖2可以得出表1，由于自動化程度的區別，所造成國內外電石生產經濟效益的差別。

表1 國內外電石生產經濟效益差別

以上數據，還尚未考慮由于生產穩定，所導致的產量與質量提升而帶來的經濟效益。

4 電石爐生產自動化控制及運行管理系統

根據以上中日電石生產的差異，結合兩國國情與操作人員的特點，參考日本電化技術發展歷程，一套能夠改善工人勞動環境、降低能耗與物耗、促進生產穩定的電石爐生產自動化控制及運行管理系統應該包含以下幾個部分。

（1）電石爐自動出爐系統（RTM）；（2）電石爐自動鍋搬運系統（RAC）；（3）電石爐料面機械化處理；（4）電極生產狀態測定系統；（5）電石爐生產自動控制系統。

4.1 電石爐自動出爐系統

電石爐自動出爐系統是密閉電石爐自動控制生產的重要組成部分。自動出爐系統受控完成開爐眼、出料、封爐眼等出爐系統工作及鍋搬運系統工作銜接。設備將出爐現場高溫、危險及勞動強度大的操作人員作交與受控機器，工人遠程操作。電石爐自動出爐系統工作穩定，工作過程數字化，能夠大幅度提高電石爐的生產穩定性。

4.1.1 電石爐自動出爐系統技術特征

（1）作業操作遠程化。出爐操作人員在中央控制室或現場出爐操作室完成所有出爐操作人員的工作，無須身在現場。大幅改善了工人的工作環境，降低了勞動強度，杜絕人身安全危害。

（2）工作過程數字化。出爐操作人員在出爐操作過程中，不同的出爐工作過程，系統會有即時數字信號。有利于不同操作人員工作過程的統一，也有利于電石爐出爐流道的穩定，降低爐底積沉。

（3）出爐過程標準化。使用不同的標準工作夾具來完成出爐操作過程，工作流程標準化后，不再需要工作工人的現場經驗，操作人員的可替換性大幅度提高，同時，也提高了出爐工作的標準化，有利于降低電耗。

4.1.2 電石爐自動出爐系統經濟特征

（1）大幅降低人力資源成本。使用電石爐自動出爐系統，每班次需要出爐工為1或2人，目前國內40 kVA電石爐基本配置為6～8人。按人均收入15萬/a估算，年均節約人力成本330萬元左右。

（2）大幅降低安全風險成本。使用電石爐自動出爐系統后，操作人員人與出爐工作面完全隔離，杜絕了出爐工作時的人員傷害風險。

（3）有效降低電石生產電耗。使用電石爐自動出爐系統后，出爐節奏穩定，出爐流道穩定，爐底積存減少，能有效降低電石生產電耗。

4.1.3 電石爐自動出爐系統工作過程簡述

（1）開爐眼。操作人員操控RTM操作臺，控制RTM本機夾持碳棒夾具，同時操控燒穿電源系統供電，燒穿爐眼。根據監控電弧和燒穿聲音，結合燒穿電流，控制燒穿過程。

（2）出料。出料過程中，操作人員根據出料狀況，替換2種夾具，保持出料流暢。

（3）封爐眼。出料結束后，操作人員操作RTM本機夾持堵眼夾具封堵爐眼。

4.1.4 電石爐自動出爐系統系統構成

（1）RTM本機。主要用于完成爐口所有工作操作，安置在工作平臺，一爐口配置1臺；

（2）RTM操作臺。是操作人員工作平臺，主要功能是將操作人員的模擬操作，轉化為RTM本機的工作，一般1臺電石爐配置2或3臺；

（3）RTM控制中心。這是電石爐出爐系統核心控制和配置平臺，一般1臺電石爐配置2或3臺；

（4）RTM液壓中心。這是電石爐出爐系統的動力中心，一般1臺電石爐配置1臺；

（5）RTM燒穿電源系統。電石爐出爐時的燒穿電源供應系統，一般1臺電石爐配置3臺；

（6）RTM工作夾具系統。電石爐出爐系統工作過程中使用的標準工作工具，一般一臺電石爐配置3套。

4.2 電石爐自動鍋搬運系統

4.2.1 作業操作遠程化

自動鍋搬運系統不再采用牽引運輸的方式，操作人員在中央控制室與行車工通過互動協調完成所有電石出料、輸送、冷卻及破碎工作，無須身在現場；系統能大幅改善工作環境，降低勞動強度，杜絕人身安全危害。

4.2.2 大幅降低人力資源成本

使用自動鍋搬運系統，現場無需操作人員，目前國內電石爐最低配置為3人，按人均收入10萬元/a估算，年均節約人力成本120萬元左右。

4.2.3 大幅提高安全性

使用自動鍋搬運系統后，將徹底實現現場無人操作，完全杜絕了現場人員的傷害風險。

4.2.4 電石爐自動鍋搬運系統構成

根據以上特征，自動鍋搬運系統的構成應由以下幾部分組成。

（1）閉環式循環小車軌道系統；（2）小車列驅動裝置；（3）爐口濺料收集系統；（4）電石鍋冷卻堆場；（5）錘式破碎系統。

4.3 電石爐料面機械化處理

操作人員駕駛充電式料面處理機，完成料面掘松、料面拉平、料塊破碎等工作。電石爐料面機材化處理有以下幾個特點。

（1）大幅提高工作效率。采用料面處理機處理料面工作的優勢在于處理完全，比人工處理更加徹底；能大幅縮短料面處理時間。目前國內人工處理時間約為20～30 min/次，日本電化是僅需10 min/次。

（2）大幅降低人力資源成本。使用料面處理機，現場僅需1名操作人員。目前國內基本配置為2人，可節約50%的人力成本。

（3）大幅提高安全性。料面處理機完全杜絕了現場人員在料面處理時因爐氣爆炸、爐內噴火而產生的傷害風險。

4.4 電極生產狀態測定系統

電極狀態測定系統目前還是主要通過測定電極特征位置的溫度及硬度，來保證生產使用電極的壽命和性能，目前國內還沒有類似技術的應用。

4.5 電石生產自動化控制系統

當完成以上自動化技術的全面實現后，電石生產就可以進行到下一個階段，也就是無人值守的自動化控制系統的研發進程了。

無人值守的自動化控制系統的定義應該是通過分布式動態數據采集，通過中央控制系統，同時，控制原料配比和進料速度，控制供電系統，控制電石爐爐溫與爐壓，控制電極壓放速度，最終達到電石爐無人值守自動生產。

這方面的工作應該是一項任重而道遠的工作，哪怕我們的企業還沒有做好之前的準備工作，為了企業的長遠發展，也應該開始著手進行以上提到的數據的搜集整理工作，因為這個系統將是未來幫助電石行業真正擺脫粗放型生產模式，轉而進入精細化生產的終極工具。

5 結語

電石生產的自動化技術的研發與使用，是一個漫長而復雜的過程，以上是作者根據鄰國的電石生產技術而整理的一個發展思路。在未來，借鑒、吸收、消化與再創新都將成為必經之路，也希望這篇文章能使國內的電石行業得到啟發與幫助。

Development discussion of calcium carbide production automation technology

WANG Tong

（Sinochem international Co.,Ltd.,Shanghai 200120，China）

The current status and existing problems of calcium carbide production in China are expounded,and the future prospects for the development of the calcium carbide industry are pointed out in combination with the technical level abroad.

calcium carbide production;automation technology;automatic moving boiler system

TQ161

B

1009－1785(2017)12-0042-04

2017-10-30