電石生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能降耗

胡文軍

(新疆中泰礦冶有限公司，新疆 阜康 831500)

我國的資源環(huán)境日益嚴(yán)峻，已成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大瓶頸問題。1980年，我國的能源消費(fèi)量剛超過6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2000年上升到14.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，2013年提高到37.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，中國GDP占全球的12%左右，但是能源消費(fèi)量卻占全球的22%左右，碳排放量占全球的30%。“十三五”期間，我國要完成到2020年單位GDP碳排放量比2005年下降40%～45%的國際承諾低碳目標(biāo)，資源環(huán)境和碳排放的約束會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，形勢(shì)會(huì)更加嚴(yán)峻。

電石行業(yè)是高能耗產(chǎn)業(yè)，探索科學(xué)的節(jié)能路徑是電石企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)形式下，更是企業(yè)生存的命脈所在，只有低能耗、高品質(zhì)地穩(wěn)定生產(chǎn)才能使一個(gè)企業(yè)占據(jù)成本優(yōu)勢(shì)[1-2]。

近年來，新疆中泰礦冶有限公司以節(jié)能創(chuàng)新為發(fā)展思路，從完善制度、強(qiáng)化管理、推進(jìn)新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用等多方面著手，努力創(chuàng)建資源節(jié)約型、創(chuàng)新發(fā)展型企業(yè)，改變了人們對(duì)傳統(tǒng)電石生產(chǎn)企業(yè)“高能耗、高污染”的不良印象。

1 強(qiáng)化管理

1.1 原料管理

生產(chǎn)電石的主要原料是石灰和焦炭，其質(zhì)量對(duì)電石生產(chǎn)效率及能耗水平有著很大的影響。

1.1.1 雜質(zhì)的影響

當(dāng)原料在爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，各種雜質(zhì)也在同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。原料中的雜質(zhì)主要包括氧化鎂、氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、灰分等，發(fā)生反應(yīng)的方程式見式(1)～式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

上述反應(yīng)均為吸熱反應(yīng),不僅消耗電能和炭材，而且影響操作，破壞爐底。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：原料中的氧化物雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均每上升1%，生產(chǎn)1 t電石就多耗電60～100 kW·h；石灰中的生過燒率每上升1%，生產(chǎn)1 t電石就多耗電9.7 kW·h，同時(shí)多消耗炭材1.2 kg；炭材中的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每升高1%，則生產(chǎn)1 t電石多消耗炭材6.67 kg，多消耗電25.71 kW·h；灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，則生產(chǎn)1 t電石多耗電57～60 kW·h。

1.1.2 原料粒徑影響

在電石生產(chǎn)中，要控制電石爐內(nèi)物料反應(yīng)的速率和操作電阻在最佳值，以確保電極的埋入深度適宜，這就要求物料粒徑為最佳值。在物料特征一定的前提下，物料粒徑越大，反應(yīng)速率越慢，裝置產(chǎn)量越低，經(jīng)濟(jì)效益越少。灰炭的粒徑直接決定著電石爐電極的操作難易程度和能耗水平的高低。在控制原料成分的同時(shí)，原料粒徑也是一個(gè)關(guān)鍵的控制指標(biāo)。

新疆中泰礦冶有限公司對(duì)原料入廠質(zhì)量實(shí)行管控責(zé)任制，以外觀檢查與質(zhì)檢結(jié)果相結(jié)合的管控方式，從購、檢、用、管各環(huán)節(jié)，明確職責(zé)分工，各負(fù)其責(zé)，杜絕不合格原料進(jìn)入生產(chǎn)線。要保證生產(chǎn)的安全穩(wěn)定和較低的能耗指標(biāo)，必須從原料入廠抓起，嚴(yán)格控制關(guān)鍵指標(biāo)，把好質(zhì)量控制關(guān)。

1.2 生產(chǎn)裝置管理

1.2.1 設(shè)備運(yùn)行率

在電石生產(chǎn)中，電石爐的運(yùn)轉(zhuǎn)率越高，相對(duì)的熱損失就越少。頻繁停車檢修會(huì)使?fàn)t溫大幅度下降，當(dāng)爐溫降到1 700 ℃以下時(shí)，反應(yīng)趨于停止，再次啟動(dòng)電石爐時(shí)需要消耗大量的電能才能提高爐溫。如果出現(xiàn)長時(shí)間停電，還會(huì)造成出爐困難、電耗增加等情況發(fā)生，甚至可能導(dǎo)致電極硬斷事故的發(fā)生。所以在電石生產(chǎn)過程中必須加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理，提高設(shè)備運(yùn)行率，從重視每一次檢修開始，從物資準(zhǔn)備、方案制定、人員分工、檢修交底、質(zhì)量驗(yàn)收、效果驗(yàn)證等各環(huán)節(jié)建立、完善檢修控制秩序，充分利用好計(jì)劃性檢修，確保電石爐長周期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，以減少電石爐熱損失，保持較低的電耗水平。

1.2.2 電極操作管理

電極是電石生產(chǎn)過程中的“心臟”裝置，其工作狀況的好壞直接關(guān)系到電石爐能否發(fā)揮出最佳的能耗水平，對(duì)電極長度、入爐深度等操作環(huán)節(jié)要利用在線監(jiān)控顯示、實(shí)時(shí)測量等精細(xì)化管理手段，做到電極工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)調(diào)整，始終確保電極做功面的平衡和較好的功率發(fā)揮。要建立完善的管理制度，明確操作標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一操作方法，堅(jiān)決杜絕“一人一個(gè)干法”的操作方式，明確電極操作人員和操作指標(biāo)，注重每個(gè)操作細(xì)節(jié)的管控。

1.2.3 電石爐配比管理

生成電石的反應(yīng)式為：

在這個(gè)反應(yīng)式中，氧化鈣、碳、電石的質(zhì)量比為56∶36∶64，因此理論上生產(chǎn)1 t純電石需要氧化鈣875 kg、碳元素563 kg。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般以石灰作為氧化鈣的原料，焦炭作為碳元素的原料，兩者都含有一定量的雜質(zhì)，因此所生產(chǎn)的電石也含有一定量的雜質(zhì)，一般300 L/kg發(fā)氣量的電石的碳化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%。因此，在電石的實(shí)際生產(chǎn)中，爐料的配比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是簡單的理論計(jì)算的問題。

電石原料的配比與炭材的碳含量、水分含量以及石灰中的氧化鈣含量有直接的關(guān)系，氧化鈣含量越高，生產(chǎn)同一標(biāo)號(hào)發(fā)氣量的電石所需要的炭材越多。以300 L/kg發(fā)氣量為例，通過實(shí)踐得出電石爐料中炭材與石灰的配比，見表1。

表1 炭材與石灰的配比Table 1 Ratio of carbon to lime

①表示石灰中氧化鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)因?yàn)闋t況、操作人員操作經(jīng)驗(yàn)和原料的差異導(dǎo)致配比的準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏差。爐料配比高容易生產(chǎn)出高質(zhì)量的電石，但爐料的比電阻過小，會(huì)導(dǎo)致電極埋入深度減小，料面溫度上升，燒損設(shè)備；同時(shí)電極位置的上抬使?fàn)t底溫度下降，爐況惡化，在消耗同樣電能的情況下，爐內(nèi)的炭材卻不能完全反應(yīng)造成炭過剩，形成積炭的狀況，導(dǎo)致能耗增加，產(chǎn)能下降。

因此，選擇一個(gè)合適的爐料配比無論是對(duì)能源消耗還是電石爐穩(wěn)定操作來說都很重要。為了加強(qiáng)配比管理，始終保持配比的平衡，新疆中泰礦冶有限公司建立了較為完善的爐料配比審批制度，不同的生產(chǎn)管理人員調(diào)整權(quán)限不同，并具有上下限的約束，對(duì)每一次的配比調(diào)整必須要有調(diào)整依據(jù)和調(diào)整后的效果跟蹤驗(yàn)證，結(jié)合配比數(shù)據(jù)在線顯示曲線系統(tǒng)，杜絕人為調(diào)整因素造成爐料配比的失衡，確保爐況的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 推進(jìn)新技術(shù)的開發(fā)與利用

2.1 加大尾氣綜合利用率，提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)效益

生產(chǎn)1 t電石副產(chǎn)電石爐氣約400 m3(熱值約11 723 kJ/m3)，相當(dāng)于160 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，因此電石爐氣具有很高的利用價(jià)值。新疆中泰礦冶有限公司將每臺(tái)電石爐產(chǎn)生的電石爐氣進(jìn)行回收，通過并聯(lián)管道輸送至配套的氣柜，再將電石爐氣送入麥爾茲并流蓄熱式石灰窯用于生產(chǎn)石灰，石灰窯排出的熱尾氣經(jīng)預(yù)熱石灰石后凈化排空。單臺(tái)石灰窯的產(chǎn)量為600 t/d，平均生過燒率為7.6%，產(chǎn)品質(zhì)量較高。采用上述工藝技術(shù)既節(jié)約了能源又能確保電石爐壓力的穩(wěn)定，還可降低石灰的單位成本，同時(shí)得到活性好的高質(zhì)量石灰產(chǎn)品，回收的電石爐氣折標(biāo)準(zhǔn)煤約21.12萬t/a。

2.2 大力開發(fā)固廢回收利用工藝

如果電石生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體廢棄物直接排放，不僅污染環(huán)境，而且浪費(fèi)了資源。平均每生產(chǎn)1 t電石產(chǎn)生凈化灰約53.5 kg，產(chǎn)生烘干窯除塵灰約44.6 kg，產(chǎn)生炭材篩下物77.6 kg，對(duì)這些含碳固體廢棄物進(jìn)行了化驗(yàn)分析，結(jié)果見表2。

表2 含碳固體廢棄物的特性分析Table 2 Characteristic analysis of solid waste containing carbon

分析表2數(shù)據(jù)可以看出：凈化灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)45.9%，含鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)31.2%，鎂在空氣中于38 ℃自燃的特征也導(dǎo)致凈化灰具有自燃的特征，經(jīng)測量分析，凈化灰的熱值為4.83 MJ/kg，而烘干窯除塵灰和炭材篩余物的熱值更高,因此對(duì)這部分能源進(jìn)行利用無論從環(huán)保還是節(jié)能角度上考慮都具有重要的意義。

筆者首先嘗試將凈化灰用于炭材的烘干。通過試燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在切斷燃料供應(yīng)后，人工將凈化灰加入烘干窯沸騰爐燃燒后，爐膛溫度仍然可以保持在850～950 ℃的溫度指標(biāo)，可滿足烘干熱能的需求。經(jīng)過多次輸送試驗(yàn)和論證，筆者將凈化灰進(jìn)行收集，采用PLC控制系統(tǒng)通過密閉管道進(jìn)行集中收集，并分配到各個(gè)炭材烘干窯，將輸送量與爐膛溫度進(jìn)行聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)凈化灰的自動(dòng)回收利用。目前，該改造項(xiàng)目已實(shí)施完畢，運(yùn)行效果較好。凈化灰回收利用的工藝流程見圖1。

圖1 凈化灰回收利用的工藝流程Fig.1 Process flow of cleaned ash recycling

以新疆中泰礦冶有限公司3 800 t/d的電石產(chǎn)量為例，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)凈化灰進(jìn)行回收利用后，減少了炭材用量71 t/d(約2.59萬t/a)，凈化灰產(chǎn)生量由原來的194.6 t/d減少到105.4 t/d，既減少了飛灰污染的問題,又節(jié)約了能源消耗。再加上節(jié)省了固體廢棄物的運(yùn)輸成本，則回收利用凈化灰可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益500萬元/a。

目前，新疆中泰礦冶有限公司還在實(shí)施炭材篩余物、烘干窯除塵灰的回收利用項(xiàng)目，估計(jì)還可節(jié)約炭材13.6萬t/a。

2.3 不斷升級(jí)炭材烘干技術(shù)，有效降低破損率

目前，新疆中泰礦冶有限公司在用的烘干窯有3種，包括傳統(tǒng)的臥式烘干窯，以及近年來新出現(xiàn)的箱式烘干窯和立式烘干窯。因工藝設(shè)計(jì)及構(gòu)造不同，這3種烘干窯的烘干效率、能源消耗各有不同。以20萬t/a電石裝置為例，3種烘干窯的能耗對(duì)比見表3[3]。

表3 3種烘干窯的能耗對(duì)比Table 3 Comparison of energy consumption between 3 kinds of drying kiln

在臥式烘干窯的運(yùn)行過程中，炭材跌落次數(shù)較多，因此破損率較大。從表3可以看出：立式烘干窯、箱式烘干窯的破損率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臥式烘干窯。綜合考慮破損率、電和燃料的成本，立式烘干窯、箱式烘干窯的運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于臥式烘干窯[3]。新疆中泰礦冶有限公司自2011年起，先后采購了立式烘干窯、箱式烘干窯，并逐步停用臥式烘干窯，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，淘汰落后的老設(shè)備，采用先進(jìn)的新設(shè)備，從根源上減少能源的消耗是節(jié)能降耗的重要工作。

3 建立完善能源管理體系，加強(qiáng)能源意識(shí)

新疆中泰礦冶有限公司自2012—2015年投資3 600萬元建立能源管理中心系統(tǒng)以來，以信息化技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)為支撐，將能源管理、控制與生產(chǎn)調(diào)度控制有機(jī)地結(jié)合在一起，在提高能源系統(tǒng)運(yùn)行、管理效率的同時(shí)，提供成熟、有效、使用方便的能源系統(tǒng)整體管控一體化解決方案，主要功能有如下4方面。

(1)對(duì)廠區(qū)范圍內(nèi)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、調(diào)度和使用等環(huán)節(jié)實(shí)行同步監(jiān)控、管理。

(2)對(duì)部分能源監(jiān)測點(diǎn)增加儀表檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以保證現(xiàn)場各能源監(jiān)測點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)集中采集和控制。

(3)對(duì)各能源設(shè)施所包括的水、電、原煤、汽(氣)、物料等測量設(shè)備進(jìn)行完善和改造，逐步實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度一體化集中管理。

(4)建立生產(chǎn)能源調(diào)度管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理、集中調(diào)度，提高能源管理效果，建立能源考核評(píng)價(jià)體系，達(dá)到節(jié)能減排目的。

4 結(jié)語

在當(dāng)前競爭日益激烈的市場環(huán)境下,節(jié)能減耗是企業(yè)降低成本、增加效益的重要手段。企業(yè)應(yīng)重視技術(shù)改造,加大落后裝置、落后技術(shù)的淘汰速度,加快先進(jìn)裝置的采用、先進(jìn)技術(shù)的推廣,對(duì)效益明顯的項(xiàng)目爭取早實(shí)施、早完成、早見效。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 熊謨遠(yuǎn).電石生產(chǎn)與其深加工產(chǎn)品[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[2] 馮召海.電石生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)與工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3] 朱文軍，王寅虎.電石廠炭材烘干窯經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析[J].聚氯乙烯，2015，43(5):18-20.