蘭炭粉與氧化鈣制備電石的工藝研究

段 賓，施翠蓮，張雙杰，閆春生

（多氟多化工股份有限公司，河南焦作454191）

電石主要用來生產乙炔，也可以用于有機合成和氧炔焊接等，是一種重要的化工產品［1］。從長遠看，發展電石產業符合中國“富煤少油”的國情，尋找電石制備的新原料，研發新工藝，進而促進電石行業的節能降耗，提高了經濟、社會效益，具有重要意義。目前，電石合成方法主要是電熱法，借助電弧爐將電能轉化為熱能，加熱熔融石灰和焦炭發生化合反應制取電石。電熱法歷史悠久，但存在高能耗、高污染的缺點，所以傳統的以焦炭為主要原料制備電石的工藝路線面臨很大挑戰［2］。碳素原料是生產電石的重要基礎原料，中國電石生產使用的碳素原料主要是焦炭，而中國煉焦煤資源不足，焦炭產量受限［3］。蘭炭活性高、價格遠低于冶金焦價格，是化肥等高耗能、低附加值產品的重要原料。一些學者對以半焦代替焦炭制備電石進行了探索：楊勝高［4］以30%（質量分數，下同）冶金焦、20%無煙煤、50%蘭炭為碳源制備電石；楊海寧［5］用粒度為 15～30 mm、價格相對較低的小焦代替昂貴的中焦來進行電石生產，并摻入20%（質量分數）的蘭炭以調整爐料電阻，有效降低電石生產成本；林金元［6］認為，在焦炭中適量摻用蘭炭制備電石，有利于電石爐穩定、保持滿負荷生產、增產降耗；趙家云等［7］針對云南褐煤半焦的獨特性能，用褐煤半焦替代冶金焦生產電石，并研究了褐煤半焦粒度、活性、灰分等指標對電石生產的影響。本文借鑒粉煤成型技術將蘭炭粉與石灰混合成型，再經過預炭化、高溫處理制備電石。蘭炭的氣孔率高、反應活性高［6］，成型后不僅滿足利于副產品CO的排出這一要求［8-9］，且使反應物接觸更加充分，接觸點增加，加快反應傳質傳熱［10-12］，預計可在更低的反應溫度下制備電石，減少電耗，降低生產成本。該工藝可以拓寬蘭炭粉的綜合利用途徑，變廢為寶，減少環境污染，提高企業經濟效益。

1 實驗

1.1 原料分析

蘭炭與氧化鈣是電石制備的主要原料，其性質對于反應過程及電石產品質量有很大影響。氧化鈣，分析純；蘭炭，因其揮發分較高，電石制備計算碳鈣比時應消除蘭炭中揮發分的影響。將蘭炭經1000℃處理得到的炭化物進行工業分析，結果如表1所示。

表1 原料工業分析 %

1.2 電石制備

1）原料預處理。對原料混合后進行球磨處理，球磨過程中物料不斷受到沖擊、擠壓、剪切等作用，有效地改善了顆粒分散性，且減小了物料粒徑，縮小了粒徑分布，使得物料接觸更加充分。綜合分析確定球磨轉速為300 r/min，時間為20 min。

2）成型過程。相關研究表明，用于成型的蘭炭和氧化鈣的物質的量比（碳鈣比）不同，電石制備過程中的反應情況也不同，最終制備得到的電石質量也相差較大。劉陸等［13］從熱力學角度分析了不同因素對焦炭與氧化鈣反應生成電石的影響。研究結果表明：當碳鈣比小于3時，電石合成反應轉化率隨溫度升高而增大，在2 000～2 400℃升高明顯；當碳鈣比大于3時，電石合成反應轉化率隨溫度升高而增大，1 800～2 200℃時升高較快，2 200℃以上轉化率趨于100%。參考相關研究結果，本實驗確定蘭炭成型的碳鈣比分別為 2.5∶1、3∶1、3.5∶1、4∶1。

蘭炭與氧化鈣按不同碳鈣比混合，加入適量水分攪拌混合成型，干燥后收集備用。表2為蘭炭型塊冷壓強度數據，可以看出蘭炭型塊具有較高的冷壓強度，可以有效避免其在轉移過程中破碎。

表2 型塊冷壓強度

3）預炭化過程。按照下一步高溫處理所用石墨化爐對原料的要求，先將蘭炭型塊在管式爐中預炭化以除去揮發分。預炭化溫度為1000℃，時間為1h。

4）高溫處理過程。將預炭化得到的炭化物裝入石墨坩堝中，蓋上蓋子置于高溫石墨化爐中，通入保護氣（Ar），設置升溫程序后打開電源開關開始升溫，升至設定溫度后保溫2 h。反應停止后，冷卻至室溫即得電石樣品。

1.3 電石保存

電石產品化學性質活潑，極易與空氣中的水分反應而變質，最終影響后續性能指標檢測的穩定性，所以應密封妥善保存。本研究中，電石樣品保存于雙層密封袋內，并將密封袋妥善放置于干燥器內。

2 結果與討論

2.1 電石發氣量

電石發氣量是電石質量檢測的重要指標，本研究參考國家標準GB 10665—2004《碳化鈣（電石）》測定電石樣品的發氣量。

1）碳鈣比對發氣量的影響。不同碳鈣比條件下制備電石的發氣量如表3所示。由表3可以看出，不同碳鈣比下制得的電石發氣量相差較小，且均大于280 L/kg，達到或超過 GB 10665—2004《碳化鈣（電石）》一等品標準（280 L/kg）。隨碳鈣比的增大，電石發氣量并未呈現出規律性變化，碳鈣比為3.5∶1時制備的電石其發氣量最大，高達315 L/kg，達到GB 10665—2004 優等品標準（300 L/kg）。 李國棟［8］對粉狀焦炭與氧化鈣在不同條件下的反應機理進行了研究。研究表明反應生成的碳化鈣可能分解出鈣單質，鈣單質易于蒸發而流失，而碳鈣比大于3是防止鈣蒸發的必要條件，且需要控制合理的反應時間，從而減少或避免鈣的蒸發。本研究中碳鈣比為3.5∶1條件下制得的電石發氣量較高，可能是因為過量的碳減少了鈣單質的蒸發，使得反應制得的碳化鈣更多。而當碳鈣比為4時，發氣量反而更少，原因可能是碳鈣比的增大使得單位質量物料中鈣的含量減少，反應生成的碳化鈣減少，故發氣量降低。

表3 不同碳鈣比下制備電石的發氣量

2）高溫處理溫度對電石發氣量的影響。何彥濤等［14］進行了電石反應的催化機理研究，結果表明，焦炭與氧化鈣至少在1 700℃才能生成電石。實際工業生產中，制備電石所需的溫度為2000～2200℃。由于蘭炭的反應活性較高，且本實驗蘭炭粉和石灰進行了混合球磨預處理，二者接觸更加緊密，增加了傳質傳熱，預計可以在相對較低溫度下制備電石，應用于工業生產可有效降低能耗。綜合文獻報道和前期研究實踐，設定碳鈣比為 3.5∶1，選取 1 600、1 700、1 800、1 900、2 000℃5個溫度點高溫處理制備電石，相應電石產品的發氣量見表4。如表4所示，當處理溫度為1 600℃時樣品發氣量為0，表明該溫度下未能制得電石；處理溫度為1 700℃時，樣品的發氣量為225 L/kg，表明電石已生成，但是質量較低，未能達到GB 10665—2004合格品標準。上述結果與文獻［14-15］的研究結果一致，焦炭與氧化鈣至少在1 700℃才可以反應生成電石。在1 700～2 000℃，隨著處理溫度的升高，電石樣品的發氣量逐漸升高，溫度超過1 800℃后，發氣量增大幅度趨緩，表明1 800℃為本實驗條件下制備電石的關鍵溫度。處理溫度達到和超過1 800℃時，電石樣品的發氣量均高于280 L/kg，達到GB 10665—2004一等品或優等品標準。

表4 不同處理溫度下制備電石的發氣量

2.2 XRD 分析

綜合以上研究發現，蘭炭和石灰混合成型的型塊，在碳鈣比為 3．5∶1 及高溫處理溫度（＞1 600 ℃）下成功制得高質量的電石產品。為進一步檢測樣品中電石的存在及其晶體結構，需對電石樣品進行XRD分析。

在碳鈣比為 3．5∶1、不同溫度下制備（電石）樣品的XRD分析結果如圖1所示。由圖1可見，各溫度下制備得到的（電石）樣品XRD譜圖中均在26．58°處出現碳化鈣的特征峰，據此可以確定樣品中存在電石晶體。1 600℃下制備的樣品具有明顯的氧化鈣特征峰和微弱的碳化鈣特征峰，表明該溫度下生成了電石，但由于反應程度較低，大量氧化鈣得以保留。李國棟［8］認為，原料粒度越小，焦炭和生石灰生產電石的起始溫度越低，本研究中的原料經過球磨預處理，所以在1 600℃也有電石生成。需要指出的是，在表4中，1 600℃下制備樣品的發氣量為0，這可能是因為生成的碳化鈣太少造成的。溫度高于1 600℃，氧化鈣特征峰減弱，表明大量氧化鈣因參加反應生成碳化鈣而消耗。值得注意的是，1 800℃下制備樣品的特征峰峰值明顯高于其他溫度，原因可能是該條件下碳化鈣晶體較完整、規則。而溫度高于1 800℃時衍射峰較弱，可能是碳化鈣晶體在更高溫度下遭到一定程度的破壞 （可能生成共熔物），與水反應的活性更高，但是具體原因需進一步探究。這一推測與表4中處理溫度達到和超過1 800℃后，發氣量的變化規律一致。

圖1 不同處理溫度下制備電石的XRD譜圖

2.3 氣體成分檢測

采用氣相色譜法對電石和水反應產生的氣體進行成分和含量分析，進一步驗證所產氣體為乙炔氣體并分析氣體組成。以碳鈣比為3．5∶1、高溫處理溫度為1 800℃下制備的電石樣品為對象，收集其與水作用（經過干燥環節）得到的氣體2 L，進行氣相色譜分析，結果如表5所示。由表5可知，收集到的氣體中乙炔體積分數高達97．26%，表明蘭炭與氧化鈣反應制得的電石樣品中碳化鈣的純度很高。史得軍［15］將焦炭與氧化鈣混合后高溫處理，所制備的電石與水作用產生的氣體中乙炔體積分數為97．53%，與本實驗數據基本一致。

表5 氣體組成

2.4 乙炔氣體試燒

為進一步檢驗本研究中電石樣品與水作用所得乙炔氣體的燃燒性能，重新制備乙炔氣體進行燃燒實驗。在碳鈣比為 3．5∶1、高溫處理溫度為 1 800℃下制備電石，將電石樣品轉移至錐形瓶中，滴入水反應產生氣體并引燃，乙炔氣體可以持續、劇烈燃燒。

3 結論

將蘭炭與氧化鈣經過混合球磨、成型、預炭化、高溫處理，可以制得高質量的電石產品。碳鈣比和高溫處理溫度是電石質量指標的主要因素，碳鈣比為3．5∶1、高溫處理溫度超過1 800℃條件下制備的電石產品，其發氣量達到GB 10665—2004一等品或優等品標準；在碳鈣比為 3．5∶1、1 800 ℃下制備的電石，相應氣體中乙炔的體積分數高達97．26%，且產生的乙炔氣體可以持續、劇烈燃燒。該工藝原料價格低廉，工藝簡單，制得的電石質量高，為蘭炭粉的綜合利用開辟了新的途徑。