氧熱法碳化鈣制備新工藝的設計

梁 曉

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

引言

煤炭是非常重要的有機化工原料，以煤炭為原料制備化學品主要可以分為制備甲醇和碳化鈣兩種。其中，制備甲醇的工藝復雜且線路較長；而相反制備碳化鈣乙炔的路線相對簡單且種類較多[1]。目前，市場上對碳化鈣的需求量越來越大，而傳統電弧法制備碳化鈣的工藝存在生產技術落后，存在著溫度高、能耗高、產能低的不足，與我國當前節能減排和可持續發展的理念不符合?；陔娀》ㄖ苽涮蓟}弊端的主要原因為使用塊狀原料和電弧加熱的工藝所導致。針對電弧法制備碳化鈣的不足，本文將借鑒煤燃燒和煤氣化的理念，提出次用粉狀原料替代塊狀原料，基于氧熱法制備碳化鈣新工藝展開研究。

1 碳的性質對制備碳化鈣的過程的影響研究

氧化鈣是制備碳化鈣的主要原料制備。但是，在自然界中并沒有純的氧化鈣，其主要通過含鈣的原料制備而言，包括有碳酸鈣、石膏、硫化鈣以及電石渣等。經前人研究可知，基于氫氧化鈣和電石渣制備氧化鈣時，其對碳化鈣的另一原料焦炭的質和量的影響較小。

作為制備碳化鈣的另一原料含碳原料，在自然界中并沒有大量的純碳；但是，可以通過采用焦炭制備含碳原料。本節重點開展碳的性質對制備碳化鈣過程的影響研究，為后續優化設計氧熱法制備碳化鈣的工藝奠定基礎[2]。

實驗部分：本實驗針對不同含碳原料和氧化鈣制備碳化鈣的實驗過程展開研究。不同含碳原料包括有基于生物質熱解而成的焦炭、不同煤化程度的煤熱解而成的焦炭、石油焦和石墨等；其中生物質包括有玉米芯、竹子、杏殼、松木、柳木等；不同煤化程度的煤包括有褐煤、煙煤以及無煙煤等。具體實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

本實驗采用TG-MS聯用技術實現，其中對應的氬氣的流量為100 mL/min，反應過程中的溫度以20℃/min的速度升溫并直至實驗結束。通過實驗得出如下結論：

1）含碳原料的孔容和比表面積對制備碳化鈣的起始生成溫度和最大速率溫度的影響遠高于炭的石墨化程度。因此，可以得出：碳化鈣的制備過程與原料間傳質過程的關系較大。

2）碳化鈣的起始生成溫度與炭的石墨化程度成反比關系。也就是炭的石墨化程度越高，對應的碳化鈣的起始生成溫度越低。即：粉末狀越有利于碳化鈣的生成。

2 基于氧熱法制備碳化鈣的新工藝設計

針對傳統原料—固定床—電弧法制備碳化鈣存在的溫度高、能耗高以及產能低的問題，結合實踐生產經驗和理論分析的手段得出如下結論：

1）由于塊狀炭原料的表面積較小且對應的傳質和傳熱的效果較差，反應所需時間較長，所需溫度也較高，一般在2 200℃下進行；

2）在制備過程中能量損耗高達60%以上，主要由于電石爐本身的熱量損耗、電石制備時需要對原料進行重新加熱等原因。

鑒于上述原因，采用粉狀進料的方式解決塊狀碳原料表面積過小所需反應溫度過高的問題；采用焦炭部分燃燒供熱的方式解決能耗過高的問題[3]。即，提出采用氧熱法制備碳化鈣，其只能夠關鍵環節在于將粉狀的煤炭、碳酸鈣粉末和氧氣有機的耦合在一起；該工藝中煤粉燃燃燒所產生的熱量可為焦炭、碳化鈣的制備過程供熱，實現了反應過程能量的自給自足。

對于氧熱法制備碳化鈣的過程中，粉末狀碳原料燃燒過程中會產生CO和CO2兩種氣體。其中，當焦炭燃燒全部生成CO時，燃燒所產生的熱量最小，為保證制備效率其對應消耗的焦炭量最大；而當焦然燃燒全部生成CO2時，燃燒所產生的熱量最大，為保證制備效率其對應消耗的焦炭量最小。兩種情況對應的制備工藝如表2所示。

表2 氧熱法制備碳化鈣的工藝對比

如表2所示，當進料的C相同時，基于全部生成CO制備碳化鈣雖然氧化鈣的消耗量較小，但是其消耗氧氣的量大于基于全部生產CO2制備碳化鈣的工藝；而且，基于全部生成CO制備碳化鈣工藝其產物中C元素主要分布于CO中，即碳化鈣的轉化率低于基于全部生成CO2制備碳化鈣的工藝。

綜上所述，對于氧熱法制備碳化鈣的方法中，采用全部生成CO2的工藝制備碳化鈣，其所消耗的氧氣量小，對應產物中碳化鈣的比例較高；從而達到降低氧氣消耗量，提高碳化鈣回收率的目的。

3 氧熱法與電熱法制備碳化鈣的對比

溫度是氧熱法制備碳化鈣工藝的關鍵參數[4]?；谏鲜鋈可蒀O2制備碳化鈣的工藝中對應的預熱溫度為900℃，而實際制備碳化鈣的反應溫度為1 750℃。而對于傳統的電熱法制備碳化鈣時需將塊狀焦炭和氧化鈣的溫度加熱至2 200℃，整個工藝過程中有兩個關鍵部分需要消耗碳，包括有電石的生成過程和發電過程。

同樣對于制備1 t碳化鈣而言，分別采區電熱法和氧熱法實現，對應消耗的碳以及所產生的CO和CO2量的對比結果如表3所示。

如表3所示，基于氧熱法制備碳化鈣所消耗的碳遠小于基于電熱法制備碳化鈣的工藝；而且，兩種工藝所產生的CO量相近；但是，基于氧熱法制備碳化鈣所產生的CO2量遠小于基于電熱法被碳化鈣的工藝，從而減小了對環境的污染。

表3 制備1 t碳化鈣原料消耗及CO和CO2的產生量kg

4 結語

煤炭作為一次能源，其可作為碳原料制備乙醇、電石乙炔等產物[5]。本文針對基于煤炭為原料制備碳化鈣的工藝展開研究，重點解決了傳統制備碳化鈣工藝反應溫度高、制備效率低以及能耗高的問題，并針對性地提出了基于氧熱法制備碳化鈣的工藝，并總結如下：

1）導致電石法制備碳化鈣反應溫度高的主要原因為塊狀碳原料比表面積低，導致傳熱效率和傳質效率低；

2）對于氧熱法制備碳化鈣的方法中，采用全部生成CO2的工藝制備碳化鈣，其所消耗的氧氣量小，對應產物中碳化鈣的比例較高；從而達到降低氧氣消耗量，提高碳化鈣回收率的目的。

3）氧熱法制備碳化鈣不僅反應溫度低，而且制備1噸碳化鈣所消耗的碳量小，對應所產生的CO2的量也較小。