81 000 kVA 電石爐新開爐工藝的改進(jìn)與效果

李志軍，鄔子峰

（內(nèi)蒙古君正能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016040）

電石爐的新開爐分為新爐開爐和舊爐清爐后重新開爐兩種，兩者之間的區(qū)別在于新爐開爐需先焙燒新的工作電極，而舊爐新開爐則可以利用原有的舊工作電極。無論哪種開爐法，首先都得焙燒好足夠長(zhǎng)度的電極，只是新爐開爐焙燒電極的時(shí)間適當(dāng)長(zhǎng)一些。

內(nèi)蒙古君正能源化工有限公司（簡(jiǎn)稱君正公司）4×81 000 kVA 密閉電石爐建成于2012 年，首次點(diǎn)爐于2012 年8 月19 日。在當(dāng)時(shí)，該爐型屬于新型密閉爐，采用德國西馬克公司的技術(shù)，沒有成熟的工藝資料可參考，所以開爐過程由德國西馬克公司指導(dǎo)進(jìn)行，其開爐過程較保守，耗時(shí)較長(zhǎng)。

從2012 年點(diǎn)爐至今，4×81 000 kVA 電石爐經(jīng)歷過新爐開爐與清爐后開爐，在后期舊爐新開爐中，君正公司對(duì)原有西馬克開爐工藝技術(shù)做出了優(yōu)化改進(jìn)，并取得了較大的成效。本文就原有開爐工藝和改進(jìn)后的開爐工藝進(jìn)行介紹，以供參考。

1 西馬克開爐工藝過程

西馬克公司采用分步開爐法，分為片柴烘爐、焙燒電極、裝料升溫三步，點(diǎn)爐前要做好安全準(zhǔn)備工作。

1.1 開爐前準(zhǔn)備工作

開爐前對(duì)電石爐所有設(shè)備進(jìn)行冷功能測(cè)試，包括信號(hào)的輸入輸出、部件功能、各系統(tǒng)功能、各聯(lián)鎖功能等測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)安全應(yīng)急處置措施確認(rèn)，操作工的上崗技能確認(rèn)，各通訊工具的完好確認(rèn)，雨水天氣的預(yù)防措施等。開爐所用的原材料、工器具等都按要求備好，啟動(dòng)缸焊接完好并充裝完畢，爐底焦粒按要求鋪設(shè)完畢。所有準(zhǔn)備工作都到位后，執(zhí)行開爐操作。

1.2 開爐過程

先將大量片柴置于爐內(nèi)點(diǎn)燃進(jìn)行烘爐，對(duì)爐內(nèi)的耐材預(yù)焙燒，將其水分烘出。片柴烘爐結(jié)束后，正式啟動(dòng)電極焙燒程序。電極焙燒過程較慢，這也是后期開爐過程中的一個(gè)重點(diǎn)改進(jìn)的工藝環(huán)節(jié)。西馬克開爐升負(fù)荷方案趨勢(shì)圖見圖1。

圖1 西馬克開爐升負(fù)荷方案趨勢(shì)圖

開爐時(shí)，以星形接法（簡(jiǎn)稱星接）起動(dòng)電流10 kA穩(wěn)定運(yùn)行1 h 后，采用間斷停送電操作，從“運(yùn)行5 min、停爐30 min”逐步過渡到“運(yùn)行25 min、停爐5 min”，最后連續(xù)送電運(yùn)行，該過程用時(shí)79 h。連續(xù)運(yùn)行時(shí)電流達(dá)到40 kA～45 kA，均勻升電流至95 kA，負(fù)荷約20 MW，此時(shí)總用時(shí)265 h（即星接約11 d），變壓器改為三角形接法（簡(jiǎn)稱角接）運(yùn)行。角接20 MW 保持運(yùn)行3 d～5 d，之后以每3 d～5 d 增加5 MW 的負(fù)荷梯度增加，直至達(dá)到46 MW。送電到升至滿負(fù)荷整個(gè)過程耗時(shí)約50 d。開爐期間，電極容易發(fā)生硬斷事故。

1.3 爐料配比及爐內(nèi)料位控制

開爐時(shí)采用的炭材全部為蘭炭，爐料配比為蘭炭與白灰質(zhì)量比為54∶100。爐內(nèi)填充爐料，電石出爐前，料位充裝到爐膛深度的二分之一處，開始出爐后的第一天料位填充到三分之二處，第二天料位填充到四分之三處，第三天料位全部加滿并持續(xù)放料（即料管閉料閥全部打開，爐料靠自重下沉到爐內(nèi)）。

1.4 出爐時(shí)間控制

首次出爐在負(fù)荷升至8 MW～9 MW 時(shí)，根據(jù)電極電流波動(dòng)情況進(jìn)行出爐，時(shí)間大約在電爐送電的一周后。開始出爐的前幾天，電石發(fā)氣量較低，基本都為等外品。

西馬克開爐工藝整個(gè)開爐過程較保守，且分步開爐法造成了電能的極大浪費(fèi)；低配比開爐不利于爐溫的提升與電石質(zhì)量的穩(wěn)定，同時(shí)達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)耗時(shí)太長(zhǎng)；而且開爐過程中因星接時(shí)間過長(zhǎng)，電極焙燒過干，三相電極均發(fā)生了斷裂事故，對(duì)生產(chǎn)效益造成很大影響。

2 優(yōu)化后的開爐工藝

君正公司經(jīng)過多年的實(shí)踐和摸索，對(duì)傳統(tǒng)新開爐工藝進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，總結(jié)出同時(shí)進(jìn)行烘爐、焙燒電極、升溫的一步法新開爐工藝。

2.1 開爐焙燒電極過程的改進(jìn)

開爐過程中，重點(diǎn)是要把握好電極焙燒，電極不出事故，整個(gè)開爐過程就會(huì)很順利。根據(jù)溫度和部位，可將電極焙燒分為三個(gè)階段。

（1）軟化階段。電極糊溫度由常溫逐漸上升至120 ℃～200 ℃，固態(tài)電極糊逐漸熔化呈液態(tài)，位置在銅瓦上約500 mm 處。

（2）揮發(fā)階段。電極糊充分熔化，在電極殼內(nèi)流動(dòng)、充填空隙。該階段溫度由120 ℃～200 ℃上升至600 ℃～750 ℃，位于銅瓦下接近底環(huán)部位。

（3）燒結(jié)階段。該階段少量揮發(fā)物繼續(xù)揮發(fā)，電極進(jìn)一步燒結(jié)，成為堅(jiān)硬整體。電極完全燒結(jié)的溫度在900 ℃～1 000 ℃。

電極焙燒過程的熱平衡見式（1）：

還可表示為式（2）：

式中：Q供是提供給電極的熱量，J；Q損是損失掉的熱量，J；Q導(dǎo)是熔池傳導(dǎo)熱，J；Q阻1是料面以上電極電阻熱，J；Q阻2是銅瓦與電極接觸電阻熱，J；Q輻是爐面輻射熱，J；q1是電極糊揮發(fā)分開始分解所需熱量，J；q2是黏接劑成焦熱，J；q3是銅瓦以上電極的散熱，J；q4是銅瓦下至料面間電極的輻射熱，J；q5是銅瓦冷卻水帶走的熱量，J。

由式（1）可知，為進(jìn)行良好的電極焙燒，要設(shè)法增大Q供，減少Q(mào)損。焙燒期間，Q損主要為銅瓦冷卻水帶走的熱量q5。當(dāng)電石爐的工藝、電氣參數(shù)、設(shè)備、原料確定之后，Q阻、Q輻、q3、q4、q5可視為恒量。因君正公司電石爐銅瓦冷卻水的支路閥門可調(diào)節(jié)大小，即銅瓦冷卻水流量可調(diào)節(jié)，因此q5可作為變量來調(diào)節(jié)。為此，新開爐送電焙燒電極期間，將三相電極的所有銅瓦冷卻水路閥門關(guān)閉三分之二，減少其流量，從而減少其帶走的熱量q5，如此可更好地促進(jìn)電極焙燒。

對(duì)電極升溫過程也進(jìn)行了較大的調(diào)整改進(jìn)。式（1）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為式（3）：

式中：λ 是電極的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；E 是電極的截面積，m2；r 是電極電阻，Ω；Δt 是電極端與燒結(jié)區(qū)溫度差，K；h 是電極端至燒結(jié)區(qū)長(zhǎng)度，m；K 是常數(shù)；I 是電極電流，A。

其中，λ和r 與電極糊本身的指標(biāo)有關(guān)，E 為定值，從控制電極電流I 的增加速度著手，在西馬克公司提供的升溫曲線基礎(chǔ)上，作出以下改進(jìn)：電石爐送電后0—83 h 采用間斷停送電，該過程基本與西馬克公司工藝相同。電流達(dá)到40 kA～45 kA 后，也就是電石爐連續(xù)運(yùn)行階段，適當(dāng)加快電流的增加速度，因?yàn)殡姌O底部的鐵皮已經(jīng)熔化，電極糊已經(jīng)燒結(jié)成型。電流達(dá)到95 kA、負(fù)荷達(dá)到20 MW 總用時(shí)170 h，但此時(shí)并沒有倒換成角接，繼續(xù)增加電流至105 kA、檔位2 檔后倒換成角接，如此將星接狀態(tài)升到了最高檔位，總用時(shí)182 h。星接運(yùn)行時(shí)間較原有工藝縮減約80 h，此目的是避免電極因過長(zhǎng)時(shí)間的星接而焙燒過干，導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

電石爐進(jìn)入角接狀態(tài)后，以每4 h 為一階梯，每2 h升1 檔、每檔1.5 kA 的速度增加電流，每升2 檔后穩(wěn)定運(yùn)行8 h～10 h；當(dāng)電流到115 kA 后，電極焙燒完成，后續(xù)升負(fù)荷以每4 h 升1 檔、每檔1.5 kA 的速度增加電流，每8 h 為一階梯，每升2 檔后穩(wěn)定運(yùn)行10 h，直到負(fù)荷升至滿負(fù)荷46 MW。這樣的升負(fù)荷方式在保證電極焙燒充分的情況下，可以較快的提升爐溫、擴(kuò)大三相熔池。

2.2 開爐爐料配比的改進(jìn)

開爐使用的炭材由全蘭炭改為蘭炭與焦粒按比例摻配使用，配比從低配比54∶100 改為高配比63∶100。這是因?yàn)榻沽?dǎo)電性能好，焙燒電極、烘爐期升溫快且穩(wěn)定；焦粒反應(yīng)活性好，單位時(shí)間生產(chǎn)效率高且反應(yīng)較為充分；焦粒在高溫下不自燃，抗熱爆性能好，高溫下不易爆裂，利于配比穩(wěn)定、爐內(nèi)灰分不會(huì)二次增加、物料透氣性好，爐況相對(duì)穩(wěn)定。高配比開爐有利于初期熔池快速形成并連通，利于提高首次產(chǎn)品質(zhì)量且后續(xù)質(zhì)量穩(wěn)定，爐溫上升快且出爐難度降低，出爐順暢，不易出現(xiàn)翻電石現(xiàn)象[2]。

2.3 放料方式的改進(jìn)

開爐升溫過程中采用間斷性放料、勤放少放的方式，以爐內(nèi)通水設(shè)備溫度及煙氣溫度情況來決定是否放料。該放料方式的優(yōu)點(diǎn)在于使?fàn)t內(nèi)耐材水汽順暢排出，同時(shí)也減少了物料因吸水而粉化的量；可以持續(xù)不斷地對(duì)爐內(nèi)耐材進(jìn)行輻射加溫，使得耐材按照既定升溫曲線升溫；可以使物料得到充分預(yù)熱，利于熔池形成并減少電能浪費(fèi)；勤放少放可避免爐內(nèi)因局部過熱而燒損設(shè)備或破壞耐材[2]。

3 開爐工藝優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益

新開爐工藝整個(gè)開爐過程總用時(shí)約11 d，較原西馬克開爐工藝用時(shí)縮短約40 d，使電石爐盡快轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。以滿負(fù)荷運(yùn)行較之前多20 d 計(jì)算，每天多產(chǎn)電石約50 t～100 t，20 d 多產(chǎn)電石1 000 t～2 000 t，以每噸電石利潤(rùn)100 元計(jì)算，每次開爐可增收10 萬元～20 萬元。

改進(jìn)后的新開爐工藝實(shí)現(xiàn)了一步法開爐，將烘爐、焙燒電極、升溫同時(shí)進(jìn)行，熱利用率高，經(jīng)濟(jì)效益好，在之后各臺(tái)爐的開爐中也得到了反復(fù)應(yīng)用。