一种电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法和装置与流程

本发明涉及电热法(电弧法)电炉矿物冶炼技术领域,特别涉及一种电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法和装置。

背景技术：

在当今国民生产用电各部门中，部分是用电作热源。根据所使用的功率来看，以电热装置为首。而电热装置中又以熔炼电石的电炉功率比较大。目前最大的电石炉容量已经达到75000～84000千伏安甚至更大。

电炉可分为电弧炉、电阻炉和感应电炉。电弧炉是利用电弧发生的热来进行加热的装置，这种电炉主要用于熔炼黑色金属、有色金属、各种铁合金以及制造电石和黄磷等。目前工业生产的电石炉全部为电弧法电石炉。其中间接电弧炉大多用于熔炼有色金属，直接电弧炉主要用于熔炼钢及可锻铸铁，闭弧式电弧炉也叫电阻电弧炉，但按本身构造更接近于电弧炉而距电阻炉较远，主要用于熔炼铁合金、制造电石、黄磷和其他产品。

以下简述电炉容量最大的电石炉技术发展和氧热法技术发展过程。

目前的工业电石生产技术发明于1892年，是氧化钙和焦炭在电弧产生的高温下(2000℃以上)反应生成熔融态碳化钙(cac2)，反应方程式如下所示：

cao+3c＝＝cac2+co(g)-465.2kj·mol^-1

电石生产温度很高、反应吸热量很大，因此电弧法电石电耗很高，工业生产1t纯电石耗电3800kw·h以上。早期的电石生产使用廉价的水电，能耗不是问题。当今全球的水电比例持续降低，2015年全国水电发电量约1.1万亿千瓦时，占全国发电量的19.4％；2018年第一季度中国水电仅占全部发电量的13％左右，而煤电占比为75％左右，因此目前电石生产基本依赖煤电。

全球电石产量在1965年达到顶峰，随后由于石油的大量发现和低廉的价格，电石乙炔路线的作用逐渐减小，电石产量逐年下降。我国由于以煤为主的特殊能源结构，电石产量在进入21世纪后逐年上升，2012年约为1800万吨，2018年预计达2800万吨，而产能接近5000万吨。电石工厂开工不足的主要原因是成本，主要原材料价格居高不下，例如电价、焦炭价格等，造成电石价格处于高位，由此也造成采用电石乙炔为原料的生产pvc、pva和bdo等产品的工厂停产或开工不足。

另一个电炉高能耗产品是黄磷生产，虽然产能没有电石大，但是黄磷的单位产品电耗极大。

世界上电炉法制磷的工业化装置始于1896年，1927年德国彼斯特里茨(piesritz)4台10000kva制磷电炉建成投产，为发展黄磷工业打下了良好基础。至20世纪50～70年代美国、前苏联、德国、荷兰、加拿大等建设大型制磷电炉装置,电炉容量达50000～90000kva。70年代美国的黄磷生产能力达740kt/a。前苏联水电资源丰富,曾大力发展黄磷工业，至20世纪80年代4个企业曾建成34套大型电炉制磷装置，黄磷生产能力达790kt/a，居当时世界黄磷生产首位。近年来，随着世界各国能源供应紧张，电价上涨，环保要求不断提高，国外黄磷生产规模和产量逐年下降。

近十几年来中国黄磷工业得到迅猛发展，2017年我国黄磷的产能和产量分别为195万吨、77万吨，但产能利用率仅为39.5％。

我国黄磷工业的特点是：国产化小型制磷电炉多，原料加工简单化，自动化水平低，产品单一，污染较严重；磷炉的电耗较高(13000～19000kw.h/tp4计)，生产成本较高，电炉开工率较低。产品单一，效益较差，环境污染较严重是我国黄磷生产普遍存在的间题。

以上分析表明，直接利用燃料的燃烧热为矿物冶炼生产供热、避开煤炭燃烧、发电和电弧放电等过程的能耗是矿物冶炼生产技术革新、环保节能和降低投资及矿物生产成本的发展方向。

国外很早就开始研究以含碳物质燃烧供热的氧热法生产工艺。如前联邦德国的巴登苯胺纯碱公司(即现在的巴斯夫公司)在1950～1958年间开发了以焦炭为可燃燃料的氧热法电石工艺并进行了中试。此后，美国、荷兰和朝鲜等国家也进行了氧热法电石生产技术的中试，据报道获得了比电热法电石成本降低50％左右的效果。近年来，随着电力、煤炭和焦炭价格的攀升以及高炉鼓风喷吹技术(氧热法熔融态排渣技术)的成熟和发展，氧热法生产技术重新得到了国内外关注。

通过文献检索可以查到国内外众多的氧热法生产技术专利。分析这些专利，绝大多数停留在设想和学术层面，缺乏详细的实践数据支撑，多数是原理论述、热力学分析和优缺点评述，而没有考虑工程化可行性，没有考虑电炉装置诸如装炉、出炉、开炉、停炉、清炉、冷备、热备、紧急事故状态、维护检修等的实际生产过程，也没有考虑设备结构和材料如何满足专利要求，因此不具工程化可行性。但众多的专利申请显示了国内外对于氧热法技术的共性认识及重视程度。

技术实现要素：

鉴于当前电热法电炉冶炼的高能耗和现有氧热法技术存在的不足，本发明通过大量深入研究工作，发明了一种电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法和装置。通过采用该方法和装置，利用成熟的电炉冶炼技术和成熟的高炉鼓风喷吹技术(氧热法熔融态排渣技术)的有机结合，创造性地解决了设备结构和材料等问题，同时结合高炉鼓风喷吹技术的特有设备和零部件以及控制和安全联锁系统等的设计，综合考虑诸如装炉、出炉、开炉、停炉、清炉、冷备、热备、紧急事故状态、维护检修等的实际过程，使得本发明专利具有工程化可行性。

作为本发明第一方面的电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法，其特征是：在一个内衬耐磨耐火保温隔热材料的容器中，装填有包含矿物和至少一种可燃燃料的物料，物料中插入电极和通入含氧助燃气体，电极通电和可燃燃料燃烧后产生所述矿物冶炼需要的热量；或者在一个内衬耐磨耐火保温隔热材料的容器中，装填有包含矿物和至少一种可燃燃料的物料，物料中通入含氧助燃气体，利用可燃燃料燃烧提供矿物冶炼需要的热量。

在本发明的一个优选实施例中，在所述容器中下部沿周向均布的鼓风口喷入含氧助燃气体，电极通电和助燃气体及可燃燃料燃烧提供矿物冶炼需要的热量；或者助燃气体及可燃燃料燃烧提供矿物冶炼需要的热量。

在本发明的一个优选实施例中，所述物料在高温下反应并进入熔池继续反应，反应完成的高温液态物从容器下部或底部排出；燃烧和矿物冶炼所产的炉气，经与容器内物料反应和换热降温后，从容器的上部或顶部开口排出。

在本发明的一个优选实施例中，在所述容器中下部沿周向均布的鼓风口喷入含氧助燃气体的同时，还喷入粉状可燃燃料和粉状矿物。

在本发明的一个优选实施例中，所述矿物为生石灰或者石灰石。

作为本发明的电热法和氧热法复合的矿物冶炼装置，其包括一具有炉底的炉体和盖在所述炉体上的炉盖，在所述炉底的上方设置有一熔池；在所述熔池周围的炉体上设置有出料炉嘴；在所述炉盖上设置有加料口和炉气出口，其特征在于，或者在所述炉盖上设置有电极插入孔，电极穿过所述电极插入孔并由设置在炉盖上方的电极把持升降系统带动上下升降并停留在需要高度上。在所述熔池上方的炉体上周向均布有若干用于喷入含氧助燃气体的第一鼓风口；或者在所述熔池上方的炉体上周向均布有若干用于喷入含氧助燃气体的第一鼓风口。

在本发明的一个优选实施例中，在所述熔池上方的炉体上周向均布有若干用于喷入粉状矿物或粉状燃料的第二鼓风口。

在本发明的一个优选实施例中，所述第二鼓风口与所述第一鼓风口合二为一。

在本发明的一个优选实施例中，在所述熔池上方设置有物料堆积区，物料堆积在所述物料堆积区，运行时物料在高温下反应形成熔融物料并进入所述熔池内继续反应，燃烧或/和矿物冶炼所产的炉气经过物料堆积区，与物料堆积区堆积的物料进行反应和换热降温，然后由所述炉气出口送出至炉气净化系统(炉气处理系统)。

在本发明的一个优选实施例中，在所述熔池周围的炉体上还设置有炉门。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉体的炉壁内衬有水冷壁，在所述炉底上也内衬有水冷壁。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉体的内壁上衬有第一保温层和第一耐火层，所述第一保温层位于所述炉体的炉壁与第一耐火层之间。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉底上衬有第二耐火层、第二保温层和碳砖层，所述碳砖层、第二保温层、第二耐火层由上而下依次叠加在炉底上。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉体的炉壁外部分或者全部套有一水冷套，所述水冷套内通入水；采用水循环方式冷却炉壁，或者采用水汽化方式带走炉壁热量。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉体的炉壁外部分或者全部设置有网格状测温监控网络。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉体的炉壁外部分或者全部设置有温度变色指示漆。

在本发明的一个优选实施例中，在所述炉盖上设置有冷却保护系统。

在本发明的一个优选实施例中，在所述第一鼓风口或/和第二鼓风口上设置有水冷结构。

本发明提供的一种电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法和装置，用于电石生产时，复合炉技术具有如下优点：

(1)本发明结合现有成熟的电热法(电弧法)电石炉技术，解决了本发明的点火、升温、切换、出炉、清炉等问题。

(2)结合现有成熟的高炉鼓风喷吹技术的特有设备和零部件、氧热法附属系统及其设备以及控制和安全联锁系统等的设计，使得电热法电石炉技术能够安全可靠地复合氧热法技术，形成本发明的复合炉技术。

(3)本发明用于电石生产时，可将煤制焦炭、石灰石制生石灰等高温高能耗过程耦合于复合炉中，热效率显著高于单独的煤制焦炭、石灰石制生石灰和电热法电石装置。

(4)结合粉料喷吹技术，本发明可以使粉状含碳原料和粉状含钙原料得到有效高效利用。一般煤矿产出的末煤经洗选后可使其灰份含量降低；目前焦化厂粉焦运输困难，普遍销售不畅，造成堆压，这些都可以作为粉料喷吹的碳源，得到很好的利用；电石渣经过滤除杂干燥脱水后为粉状钙源，采用粉料喷吹技术入炉，与生石灰入炉相比，可以消除生烧或过烧对电石质量的影响。因此粉焦或粉煤的利用特别是电热法难以利用的电石渣的循环使用，具有显著的经济和环保效益。

(5)相同的电石产量，复合炉技术的co产量是电热法电石炉的约10倍，炉气中co含量更高，达95％v左右(电热法炉气中co含量低于85％v)，使得炉气高效综合利用具有投资和规模化优势，与其他化工产品生产过程耦合形成多联产，可显著提高企业的环境和经济效益。

(6)本发明多个复合炉可以共用一套电气系统，利于新建复合炉装置降低投资，如改造现电热法电石炉装置则可以利用现有电气系统。

(7)本发明的复合炉技术可以同时实施电热和氧热方案，也可以单独实施氧热方案。

本发明是针对高能耗的电热法电炉冶炼过程消耗大量的电能，例如工业电石生产过程，可以大幅降低电炉冶炼的电能消耗，电能部分或全部替代为燃料燃烧提供热量，因此可以节约大量的电能消耗，同时产生大量高品质炉气。该方法和装置大幅提高了矿物冶炼过程的能效，降低了二次能源电能的消耗，因此具有巨大的经济效益、环保效益和社会效益，属于节能降耗环保的工业生产技术领域。

附图说明

图1为本发明电热法和氧热法复合的矿物冶炼装置的示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为第一鼓风口的布置示意图。

具体实施方式

为了便于本发明专利内容的理解，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明专利的实施过程作进一步的说明。

参见图1至图3，图中所示的一种电热法和氧热法复合的矿物冶炼装置，包括一具有炉底110的炉体120和盖在炉体120上的炉盖130。

本发明对于炉体和炉底110的隔热保温冷却可以采用如下方式中的一种或者几种组合：

(1)在炉体120的炉壁内衬有水冷壁，在炉底110上也内衬有水冷壁。

(2)在炉体120的内壁上衬有第一保温层121和第一耐火层122，第一保温层121位于炉体120的炉壁与第一耐火层122之间。

(3)在炉底110上衬有第二耐火层111、第二保温层112和碳砖层113，碳砖层113、第二保温层112、第二耐火层111由上而下依次叠加在炉底110上。

(4)在炉体120的炉壁外部分或者全部套有一水冷套140，水冷套140内通入水。

(5)在炉体120的炉壁外部分或者全部设置有温度变色指示漆。。

本发明在炉盖130上设置有加料口131和炉气出口132，并在炉盖130上设置有冷却保护系统133。

另外为了监控炉体120的温度，在炉体120的炉壁外部分或者全部可以设置有网格状测温监控网络。

本发明在炉底110也就是碳砖层113的上方设置有一熔池150；在熔池150周围的炉体120上设置有若干个出料炉嘴160和炉门170。

本发明在熔池150的上方设置有物料堆积区180，物料堆积在物料堆积区180，运行时物料在高温下反应形成熔融物料进入熔池150内并继续反应，然后经过出料炉嘴160送入出料冷却系统200冷却。燃烧或/和矿物冶炼所产的炉气经过物料堆积区180，与物料堆积区180堆积的物料进行反应和换热降温，然后由炉气出口132送出至炉气净化系统300(炉气处理系统)。

本发明作了如下方式之一的改进：

(1)在炉盖130上设置有电极插入孔134，电极410穿过电极插入孔134并由设置在炉盖130上方的电极把持升降系统400带动上下升降并停留在需要高度上，插入到物料中，电极410通电后产生所述矿物冶炼需要的热量。

(2)在熔池150上方的炉体120上周向均布有若干用于喷入含氧助燃气体的第一鼓风口500；通过这些第一鼓风口500喷入含氧助燃气体，利用可燃燃料燃烧提供矿物冶炼需要的热量

(3)在炉盖130上设置有电极插入孔134，电极410穿过电极插入孔134并由设置在炉盖130上方的电极把持升降系统400带动上下升降并停留在需要高度上，插入到物料中，并同时在熔池150上方的炉体120上周向均布有若干用于喷入含氧助燃气体的第一鼓风口500；通过这些第一鼓风口500喷入含氧助燃气体，电极410通电和可燃燃料燃烧后产生所述矿物冶炼需要的热量。

另外本发明在熔池150上方的炉体120上周向均布有若干用于喷入粉状矿物的第二鼓风口。第二鼓风口可以单独设置，也可以与第一鼓风口500合二为一。在第一鼓风口500或/和第二鼓风口上设置有水冷结构。

下面以三相电热法和氧热法复合的圆形密闭复合炉电石生产工艺为例来说明本发明的电热法和氧热法复合的矿物冶炼方法。

由原料加工处理工序600送来的合格的焦炭或煤或兰炭和生石灰或石灰石分别进入称重计量加料系统700，分别贮存于称重计量加料系统700中的原料贮斗内。焦炭或煤和生石灰或石灰石分别用称重计量加料系统700中的自动秤按规定比例称量后，经炉盖130上的加料口131把物料投入到炉体130内。公用电气系统800的电流由电炉变压器，经短网、集电环、软铜带和导电顎板导入电极410。物料在炉体120内靠电弧热、电阻热和炉气的显热升温，并被加热到2000℃左右生成电石和炉气。生成熔融电石流入到熔池150内。分析计量出口炉气等操作参数，满足条件后可以切断电极410电流并适当提起电极410，切换为从第一鼓风口500喷入含氧助燃气体。含氧助燃气体来自鼓风口物料系统，经控制和计量后喷入炉体120内。另外鼓风口物料系统910也可通过第一鼓风口500喷入粉状炉料，例如焦炭粉或煤粉，或者粉状含钙炉料。助燃气体和焦炭或煤在熔池150上方燃烧并产生热量，持续加热物料并不断生成电石和炉气。第一鼓风口500由水冷系统构成的鼓风口冷却保护系统920进行冷却和保护。生成的电石自出料炉嘴160的流料槽流出，进入出炉冷却系统200。

在正常生产时，物料充满炉盖130上的加料口131，并在原料贮斗内维持在低工作料位以上。加料口131投料管直接插入炉盖130内，加料口131的端头与熔池150上层的疏松炉料接触。当物料下沉时，原料贮斗通过加料口131自动持续向炉体120内补充炉料。

电极410的升降由电极把持升降系统400的油压升降机带动，压力由油压装置供给。电极把持升降系统400包括电极把持、升降和冷却系统等。

通过出料炉嘴160定时将熔融电石放出来，沿着具有冷却功能的出料冷却系统200的流料槽流入冷却筒内。筒外淋洒冷却水使其冷却。经冷却破碎后的电石自筒尾卸出，经称量后的电石沿变向加料筒进入贮斗内贮存。

炉体内生成的炉气(主要为一氧化碳气体)，经过物料堆积区180，与物料堆积区180堆积的物料进行反应和换热降温，然后由炉气出口132送出至炉气净化系统300(炉气处理系统)，经降温、除尘、洗涤后，加压送至下游用户。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。