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电石生产电极控制论文（绪论部分） |
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电石化学名称为碳化钙，分子式为CaC2，是有机合成化学工业的基本原料,利用电石为原料可以合成一系列的有机化合物,为工业,农业,医药提供原料。工业电石的主要成份是碳化钙，其余为游离氧化钙、碳以及硅、镁、铁、铝的化合物及少量的磷化物、硫化物。工业用电石纯度约为70%-80%，杂质CaO约占24％，碳、硅、 铁、磷化钙和硫化钙等约占6％。其新创断面有光泽，外观随碳化钙的含量不同而呈灰色、棕色、紫色或黑色的固态物。含碳化钙较高的电石呈紫色。工业品密度为2.22g/cm3(18℃)，熔点2300℃，能导电，纯度越高，导电越易。我国是世界电石生产第一大国，产量超过世界其他国家产量总和。近几年，随着下游PVC行业的快速发展，我国电石工业进入了一个高速增长阶段，目前，全国电石产能约为1800万吨。电石行业是一个高能耗、高污染行业，已经被国家有关部门列为七大产能过剩行业之一并作为重点调控对象，虽然电石行业存在着一些问题，但我国的能源结构现状决定了电石行业是我国经济发展不可或缺的部分，并将在保障PVC等下游行业的持续发展方面发挥不可替代的作用，因此，电石冶炼炉生产过程的优化及节电技术的研究显得尤为重要，这将促进了人们对电石性质、用途的进一步研究，进而会在一定程度上降低电石的成本。
1.1 选题背景
1.1.1电石介绍
电石化学名称为碳化钙，分子式为CaC2，是有机合成化学工业的基本原料，利用电石为原料可以合成一系列的有机化合物，为工业，农业，医药提供原料。工业电石的主要成份是碳化钙，其余为游离氧化钙、碳以及硅、镁、铁、铝的化合物及少量的磷化物、硫化物。工业用电石纯度约为70%-80%，杂质CaO约占24％，碳、硅、 铁、磷化钙和硫化钙等约占6％。其新创断面有光泽，外观随碳化钙的含量不同而呈灰色、棕色、紫色或黑色的固态物。
1.1.2电石的性质及其应用范围
电石含碳化钙较高的呈紫色。工业品密度为2.22g/cm3(18℃)，熔点2300℃，能导电，纯度越高，导电越易。电石的化学性质非常活泼，遇水激烈分解产生乙炔气和氢氧化钙，并放出大量的热。与氮气作用生成氰氨化。其主要用途有以下几个方面：(1)电石与水反应生成的乙炔可以合成很多有机化合物，例如：合成橡胶、人造树脂、丙酮、烯酮、炭黑等；同时，乙炔一氧焰广泛应用于金属的焊接和切割。(2)加热粉状电石与氮气时，反应生成氰胺化钙，既石灰氮，加热石灰氮与食盐反应生成的氰熔体用于采金及有色金属工业。(3)电石本身可用于钢铁工业的脱硫剂。(4)产生的气体遇火后可燃，可以照明。
以电石为原料的主要化工产品有聚氯乙烯、醋酸乙烯、聚乙烯醇、氯丁橡胶等产品的重要原料，目前在我国用于合成材料和切割焊接的电石，约占电石产量的85%；需用电石量最大的是聚氯乙烯，电石法聚氯乙烯占我国聚氯乙烯产量的70%。
1.1.3乙炔
乙炔是在1836年首先由戴维(Davy)从碳化钾与水作用而制得。然而给它命名是在1860由贝斯洛特(Bethelot)用电弧法以碳和氢为原料制得乙炔之后，他确定了乙炔的名称，写出其分子式为C2H2。同年沃列尔(Wohler)指出，由电石(碳化钙)和水相互作用能得到一种轻的气体——乙炔。
乙炔由于燃烧时发出强烈的亮光，最先用于照明。在电灯出现之前，广泛用于家庭、城市照明、用于闪光灯，自行车照明以及航标灯。直到1963年，仍有个别灯塔使用乙炔灯光作引航灯。乙炔与氧气混合，在特殊的燃烧器中燃烧能产生高达3000℃的高温，因此，乙炔至今仍然广泛地用于各种金属的加热、切割与焊接，在工业生产中有着重要的用途。
乙烯在常温和大气压下为无色的气体，工业乙炔因含有杂质（特别是磷化氢）而且有特殊的臭味。乙炔的了分子式是C2H2，分子量为26，结构式为H—C≡C—H。随着温度和压力的变化，乙炔的密度出发生着变化，乙炔在水中的溶解度与压力有关系：它随着温度的升高而减小，并随压力的增加而增大。乙炔与水接触时，能生成由一分子乙炔与六分子水组成的晶体，形式如冰雪状，称为水合晶体。
乙炔的用途：(1)电石与水反应生成的乙炔可以合成很多有机化合物，例如：合成橡胶、人造树脂、丙酮、烯酮、炭黑等；同时，乙炔一氧焰广泛应用于金属的焊接和切割。(2)用电石乙炔生产出来的氯丁橡胶，其性能与天然橡胶相比，有其独特之处。大量用于国防、军工和生活日用品。(3)用电石乙炔生产出来的聚氯乙烯树脂，进而加工成塑料。广泛地用在工业，农业、国防、军工、医药卫生和生活日用品，以代替钢材、有色金属、棉纤维、皮毛和木材等。(4)用电石乙炔生产出来的醋酸和酸酐是用来制造医药的重要原料；同时又可以和短棉绒进行酯化，生产醋酸纤维。(5)以电石乙炔生产的合成纤维，如维尼纶和聚丙烯腈（腈纶）等，均各有其独特的性能，用于衣着呢绒等，并且还可制造人造毛皮，制造翻毛皮大衣，样式新颖。(6)用电石乙炔生产的丁醇、辛醇，既是溶剂，又可生产增塑剂，是塑料工业必不可少的原料。(7)用电石乙炔为原料生产的乙炔炭黑，主要用于制造干电池，也可用以制造无线电元件、导电橡胶和导电塑料等制品。(8)乙炔一氧温度高达3000℃以上，广泛地用于金属的焊接与切割。下面提供一张由乙炔能合成的产品的概略示意图，如图1.1所示。
图1.1 乙炔化工应用示意图
1.2我国电石工业发展现状
我国是电石生产大国，自2003年起，我国电石市场供不应求的局面及较大的利润空间极大地刺激了电石生产厂家的扩能热情，一些有石灰矿资源的地区也盲目跟风，重复新建电石项目，使得我国电石产能急速增长，目前电石产能达1600万吨/年，还有近200万吨/年的在建能力，加起来近千万吨/年, 近年来我国电石产量见图1.2。
图1.2 2004年至2009年我国电石产量
从图1.2可以看出，近年来我国电石产量增幅过大，是GDP增幅(8%左右)的两倍多。
目前国内有电石生产企业数百家，主要分布在山西、内蒙古、宁夏、四川等地。我国是电石出口大国，很少进口电石，我国电石主要出口到印度尼西亚、印度、日本、巴基斯坦、尼日利亚、越南等国家和地区。我国出口的电石主要来自内蒙古、宁夏等地。我国电石主要用于生产乙炔，然后进一步用于生产聚氯乙烯(PVC)、醋酸乙烯、氯丁橡胶、三氯乙烯、四氯乙烯、双氰胺等化工产品，以及用于金属加工业(切割焊接等)。
(1) 消费水平
我国2003年电石消费量约450万吨，2004年则上升到540万吨左右。我国电石消费增长迅猛的主要原因一是下游需求旺盛，二是原油价格上涨。不过我国电石产量比消费量增长得更快，2004年我国电石产量超过消费量100万吨左右。我国2004年电石消费构成如下：生产聚氯乙烯消耗电石约340万吨，生产醋酸乙烯等其它化工产品消耗电石约100万吨，金属加工业消耗电石约100万吨，合计540万吨。
2010年，国家宏观经济调控政策将会对电石行业产生负面影响，由于小容量的电弧炉单耗高，污染大，国家将强制关闭10000Kw以下的电弧炉。
(2) 市场行情
2008年，在经历了几年的沉寂以后，国内电石市场价格一路走高，出现了少有的兴旺景象。2008年市场呈现供不应求的局面，出厂价格由年初的3000元/吨上涨到年末的4400元/吨，上涨46%。2009年，受原油涨价、电力能源紧张、交通运力不足等影响，我国电石价格在2008年的基础上继续攀升，但在达到4600元/吨的历史最高点之后，由于电石产能迅速增加的影响，大幅回落，目前平均价格为3700元/吨。
影响电石市场价格的主要因素如下：
① 供需平衡方面：目前国内电石产能过剩，市场竞争异常激烈，老厂家利用原有的销售网络，尽可能在提高产品质量、售后服务等方面保持销售优势，而新厂家只能以更低的市场价格争取到下游用户。这样竞相压价必然导致电石市场价格下滑、利润空间缩小，据说目前电石价格已逼近产品销售成本；
② 电力成本方面：电力紧缺，电价上涨。在电石生产成本中，电力成本占60%。电力紧缺，直接造成电石产量下降、市场供需矛盾恶化和电石价格上涨；
③ 物流成本方面：铁路运力紧张，公路运输费用上升。我国目前铁路物流能力仅能满足需求量的1/3，致使原来基本依赖于铁路运输的大规模、大吨位、较低成本的运输不得不向公路转移。我国于早年就加大了对公路严重超载的管理力度，并于2004年5月1日起出台实施“公路法”，这使物流成本有所增加。另外，燃料油价格上涨，也使公路物流的成本升高；
④ 替代产品——原油方面：电石价格随原油价格而波动。
自2003年以来，国际原油市场价格走高，导致石油下游产品乙烯、氯乙烯价格上涨，从而石油乙烯法聚氯乙烯的生产成本高于电石乙炔法，促使PVC生产厂家倾向于选择电石乙炔法工艺路线，这样对电石的需求就增加，刺激电石价格上涨。所以，国内电石价格不断攀升实质上是居高不下的国际原油价格在做强有力的支撑。2004年12月16日，国家发改委发布2004年第76号公告，发出了《电石行业准入条件》、《铁合金行业准入条件》《焦化行业准入条件》。12月20日，国家发改委以发改产业[2004]2930号文发布《关于进一步巩固电石、铁合金、焦炭行业清理整顿成果，规范其健康发展的有关意见的通知》。
据国家发改委发布的信息，2005年我国煤电油运输处于总体偏紧状态，其中电力缺口2500万Kw左右；因此缓解煤电油供需矛盾是2005年经济运行工作的重点。措施之一是把能源、资源节约放在首位，防止钢铁、电解铝、水泥、电石等高耗能行业出现反弹，大力压缩和抑制不合理需求[1]。
1.3 本次课题研究意义
作为普遍利用的电能的绝大部分则是利用不可再生的宝贵的煤经燃烧转换而来的，电能则是需要多少煤的热量转换来的，节省电能就可视为节省煤炭，在我国每天背负着呈几何级数般增长的能源需求，而无数的企业把目光聚集在降低成本以换取更多的利润上。建设节约型社会，目的在于以更少的资源消耗，更低的对环境的排放量，获得更大的社会和经济效益。从而实现经济的可持续发展。然而，能源在经济生活中具有战略地位，在当今世界受到普遍关注。电能是现代社会经济生活和工业生产的主要能源形式和动力来源，在国民经济生活中是不可或缺的重要能源，工业生产用电占整个国民经济用电量的70%以上，工业的电能节约尤为重要。降低生产过程中每千瓦时电能所消耗的能源和降低各环节的损耗都有重要的战略意义。因此，在生产过程中应尽量采用高效节能的生产设备和生产工艺，深入研究、掌握与生产相关的电气或其它相关参数的意义与内涵，对于合理利用电网能量以降低电能利用过程中的损耗，有利于产品质量和企业技术经济指标的有效提高。
电石行业是一个高能耗、高污染的行业，在我国，由于现在的能源结构现状，使得电石行业成为在经济发展中成为不可或缺的组成部分，并且有扩大的趋势，但是，随着社会发展和科学技术的进步，我国能源的日趋紧缺，环保要求更加严格，这就要求电石生产技术向着高效、节能和环保型的方向发展，否则就会被淘汰，因此，电石冶炼炉的生产过程的优化与节电成为必然趋势[2]。
1.4本课题的研究内容与目标
在深入了解了我国电石行业和电石原料发展现状后，针对电石生产的工艺特点，主要讨论了电弧炉生产过程的控制问题。在不影响电石生产过程基本功能实现的基础上，将整个电石生产过程做了简化。为此本设计的研究内容与目标是：
在查阅了大量参考文献的基础上，介绍了电石原料的性质特点及应用范围，并对我国电石工业的发展做了了解，同时对电弧炉电极调节过程有了较为深刻的认识。
本设计设计了控制算法，并基于已开发的电弧炉冶炼智能控制系统为基础，在熟悉了软件控制功能的基础上，通过设计控制柜电路布线实现与现场电弧炉的的控制设备连接。
在掌握25000Kw电弧炉电极自动升降系统的控制原理的基础上，熟悉电弧炉冶炼的工艺流程，根据基于已开发的软件控制系统完成外部硬件设计。包括：现场电弧炉变压器一、二次电压的采集、一次电流、二次三相弧流。
为了更好地体现出整个设计过程，设计了控制算法，并以已开发的电弧炉电石冶炼系统软件为基础，进行了外围的硬件电路设计，根据实际需要，选择工控机、UPS型号以及交流电量传感器、变压器等设备采集现场数据并用电位器在计算机界面中进行标定，使其与现场模拟仪表的同步显示。
整个系统实现现场模拟仪表和电弧炉冶炼智能控制系统界面的通信，并通过交流电量传感器对电弧炉二次侧电流的实时检测，控制电极的自动升降，实现25000Kw电弧炉变压器一、二次电压以及二次侧三相弧流的检测，实现电弧炉变压器分接开关与电极升降的自动控制。
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