[发明专利]一种催化合成电石的方法

说明书

本发明公开一种催化合成电石的方法。将碳材料和钙材料直接使用或经预处理后使用；将碳材料与钙材料按一定摩尔比混合均匀；再添加反应混合物用量0～20wt％的催化剂；然后将混合物投入高温电阻炉中，在1600～1800℃下反应0.5～6h制备电石产品。电石产品与水反应释放出乙炔气体后，往含Ca(OH)₂的水溶液中通入CO₂进行酸化处理，经过滤、干燥或干燥焙烧得到含有钙材料和催化剂的电石渣，电石渣粉碎后，继续补充钙材料和碳材料进行多次循环利用。本发明反应温度较低，反应速率快，优化条件下钙材料转化为碳化钙的转化率80％，资源利用率高，生产成本低，具有广阔的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及一种电石的制备方法，具体涉及一种催化合成电石的方法。

背景技术

碳化钙(CaC₂)俗称电石，是重要的煤化工中间产物，用途非常广泛，目前中国国内年产量～4500万吨，通常以石灰(CaO)和焦炭(C)为反应物，通过高温(2000～2200℃)固相反应制取。尽管电石工业化生产已有100多年的历史，目前工业生产中仍然采用最初发明的电热法技术。由于受热力学限制，氧化钙和焦炭需要在1600℃以上的高温才能反应生成碳化钙；另外，固相反应物碳与氧化钙之间的接触面积小，导致固-固反应的传质、传热速率慢，因而反应速率慢、生产效率低。工业生产中常利用提高反应温度来克服热力学和动力学限制等方面的问题，一般将反应温度提高至2000-2200℃，以加快反应速率，导致该生产过程能耗高(纯度为80％的电石能耗约为3250kW·h/t)、污染严重、投资巨大。

自从美国发明电弧加热法技术以来(1895年)，研究者对电极和电石炉进行了升级改造，相继开发了空心电极、半封闭式、密闭型电石炉、计算机自动控制系统等技术。另外，还有一些生产技术(例如，氧热法)完成了实验室规模开发，但尚未在中试放大中取得突破，现在工业上的电石生产技术依然是电热法。当前的电热法生产工艺相比过去已大有改进，但依然无法避免高能耗、污染重等问题。因此，需要继续探索新型的电石生产方法和技术，以降低电石生产过程的能耗和污染物排放量，这对实现节能减排和促进电石产业可持续发展具有重要意义。1948年德国巴斯夫(BASF)公司开发了氧热法电石生产工艺，但后来因油价走低、技术的经济指标不甚合理等因素而终止。氧热法生产工艺所用的碳材料一部分用作燃料燃烧供反应所需热量，另一部分用来与氧化钙反应生成碳化钙。该工艺需消耗大量氧气，同时产生大量的CO炉气，炉气利用率不高，难以处理，反应炉炉体庞大。需要指出的是，氧热法的反应原理与电热法并没有本质区别，其技术经济指标受原料物性影响很大。当采用大粒径碳材料供热时，依然需要较高的反应温度和较长的反应时间才能得到较高的转化率，生产成本难以降低。

为了改变电石工业的现状，以寻求低能耗、低污染、高效率以及可持续发展的生产技术，国内外研究人员展开了很多相关基础和应用研究。崔永利等人研究发现，K₂CO₃、CaF₂在催化合成电石的过程中有一定的效果，而KOH的催化效果次之(崔永利.固态催化反应法制备电石催化剂设计[D].中国石油大学,2009)。史得军等人研究发现，在1700℃下进行电石合成反应，添加K₂CO₃后乙炔发气量增加了10％，添加了磷酸三钙后乙炔发气量增加了32％；氧化铁对电石合成没有催化作用；而硫酸钙会抑制电石的合成(史得军.催化法电石合成新工艺及其特征催化剂的研究[D].中国石油大学,2010)。另外，盖世伟等人以硅酸钠为助溶剂，碳酸钠为催化剂，采用催化热熔法，在1850℃下合成了质量分数大于85％的电石样品(盖世伟等.催化热熔法电石合成技术研究[J].煤化工,2009,37(3):11-14)。由此可见，催化剂在电石合成行业，越来越受人瞩目。

中国发明CN103864075A公开了添加重量比为1～10wt％的碳化硅、碳酸钾、氧化铁、硫酸钙、磷酸钙、矿物钾盐为催化剂，以焦炭为炭源、生石灰为钙源，在1700℃或1750℃进行碳化钙合成反应，其中钙系和硅系催化剂对碳化钙合成有利，产物的乙炔发气量为280-310L/kg。该方法引入的硫酸盐、磷酸盐对环境污染大，钾盐容易挥发，碳化硅成本高。