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浅谈电石生产炉内压力的模糊控制

日期:2021-4-1    作者:ccia03


浅谈电石生产炉内压力的模糊控制


杨广鑫1 刘建平2 梁利平2 刘诚诚2 付锦东2 薛建平2

1.天津大沽化工股份有限公司 天津 300455  2.锦源化工有限公司 榆林 719300



1. 引言

我国为了实现资源、能源的综合利用,在煤炭资源丰富的地区建设“煤—热电—化工(烧碱、电石、聚氯乙烯、水泥)一体化项目”。这是电石、电石法聚氯乙烯规避风险、可持续发展,实现双赢的必由之路。而聚氯乙烯树脂生产制备工艺之一的电石法,在国内受富煤、贫油、少气的资源禀赋限制,则主要以电石为主,电石—乙炔法约占我国PVC总产能的70%以上。

电石工业诞生于19世纪末,所生产的电石仅用于点灯照明,随后用于金属切割和焊接。有机合成工业的发展,电石工业更加兴旺。电石生产迄今仍沿用电热法工艺,是生石灰(CaO)和焦炭(C)在埋弧式电炉(电石炉)内,通过电弧、电阻产生的高温热反应制得,同时生成副产物一氧化碳(CO)。英国威廉希尔公司是一个高耗能、高污染的行业。

2.电石生产工艺

碳化钙(CaC2)即为电石。电石的工业品,是有机合成化学工业的基本原料之一,是乙炔化工的重要原料。由电石制取的乙炔广泛应用于聚氯乙烯树脂、合成氯丁橡胶等工业。

生产方法有氧热法和电热法。一般多采用电热法生产电石,即生石灰和碳素原料(焦炭、无烟煤或石油焦)在电石炉内,依靠电弧高温熔化反应而生成电石。

2.1 电石生产工艺流程

工艺生产过程:原料加工、配料、通过电炉上端的入口或管道将混合料(炉料)加入电炉内,炉料凭借电弧热和电阻热在1900~2200℃的高温下反应而制得碳化钙,其碳化钙的生成反应式为:

CaO+3C →CaC2+CO+10800(kcal)

电石生产过程是一个吸热反应。熔化了的碳化钙从炉底取出后,经冷却、破碎后作为成品包装。在电石炉内生成电石的同时,伴随着大量的一氧化碳气体产生,这些气体则根据电石炉的类型以不同方式排出。在密闭电石炉中,全部一氧化碳被抽出后,经炉气净化系统。净化后的炉气,加压送至用户使用(三废利用)。

2.2炉气净化系统

密闭炉每生产1t电石排放炉气400~500标准立方米,其主要成分是CO,并含有少量的氢气、焦油及粉尘。由于含有焦油,对电石炉气净化、输送成为行业难题。提高三废的合理应用,即电石炉气的合理利用。

密闭电石炉气净化系统是在原净化系统的基础上进行优化、改进,设计而成,适合当前密闭电石炉炉况的净化装置。主要由水冷烟道、粉尘焦油沉降器、粗煤气风机、布袋除尘器、净煤气风机、输卸灰装置、储灰装置、控制系统等组成。

2.3炉气净化操作现状

在密闭电石炉上,除了电气控制电石炉的运行过程操作外,还要对炉压、炉盖温度、炉气抽出量和炉气成分等控制。

石灰在生产和贮存的过程中,因与空气接触生成一部分氢氧化钙,碳素原料中的水分,使石灰产生粉末。石灰石与碳素原料(炉料)中的粉末多了,使炉料透气性不好,破坏了炉料的配比,并容易使电极附近料层结成硬壳;碳素原料中的挥发分靠近反应区,形成半融粘结状。这会使反应区的炉料下落速度减慢,产生的一氧化碳气体不能顺利排出,减缓电石生成的反应速度。同时,棚料现象增大炉内压力,防爆孔被高压炉气冲开,最终导致喷料和塌料等现象。由于上述原因的存在,密闭炉内压力不稳定(波动),使操作十分困难。

DCS操作人员:监控视频画面,当电石炉炉盖出现冒火,可通过增加风机转速,增大炉气抽出量来实现降低炉压的目的;.当炉压下降后通过调节风机,恢复炉压在正常范围;控制炉压为手动调节变频器频率,缓慢增加调节。在电石炉正常负荷下,净化风机变频工作频率和调整频率上限,可基本实现塌料炉压的泄压过程。

从电石炉的操作过程上看,突发性的喷料和塌料,使电炉运行具有高危险性,操作人员精力高度紧张、劳动强度大。

3.电石炉压控制策略

电石炉炉压操作风险:正常运转时,炉内气体压力控制在-10~10Pa内。炉气压过高时,炉盖有冒火现象,一氧化碳外溢引起中毒;炉气压过低(高负压)操作,空气倒灌使炉内氧量增加,在净化系统内与一氧化碳反应会发生爆炸。

净化风机在调节变频时,超过10Hz时,风机会发生跳停现象(过电流保护)。

3.1 电石炉压原始状况

从图中时间轴上看,每个栅格为3min,从扰动曲线上可得到扰动响应时间。

3.2 电石炉压模糊控制

3.2.2 电石炉联锁设计

联锁关系:

1)炉体压力大于100Pa时,并延时120s(可修改)联锁打开荒煤气直排阀门。

2)当达到以下任意条件时,联锁关闭净化烟道阀门,打开荒煤气直排放散阀门、关闭净化送气阀,停净化粗气风机和净化净气风机。

①炉气温度大于HH值800℃;

②炉气含氧量大于HH值1%;

③炉气含氢量达到HH值18%,并延时120s;

④除尘器温度大于HH值280℃。

3)当电石炉净化出口管道压力大于14KPa时,打开所在装置净化二次尾气放散阀,在尾气放散阀打开后自动启动放散点火装置,点燃放散尾气,关闭净化送气阀。

以上联锁关系可通过逻辑运算模块或梯形图建立逻辑关系进行有效地控制。

4.结束语

在电石生产过程中,原料因素不可避免在工艺指标要求上会有偏差,造成喷料和塌料现象。喷料和塌料会使炉压大幅度波动,炉压偏高时,炉盖冒火,泄露一氧化碳,损坏部分设备;偏低时,负压会使空气进入净化系统与一氧化碳反应发生爆炸。电石炉压的稳定控制,是企业安全、环保和经济运行的基本保障。




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