高摻電石渣生產(chǎn)水泥新型干法生產(chǎn)工藝的研究及應(yīng)用

1  引言

     建設(shè)節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟已成為人們的共識，電石渣是煤化工行業(yè)用乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯樹脂的工業(yè)廢渣，過去大多數(shù)企業(yè)將電石渣擇地堆存或鋪墊路基，不但占用了寶貴的土地資源，而且堿化土地，對空氣、地表水和地下水產(chǎn)生二次污染，傳統(tǒng)處理電石渣的方式已不能適應(yīng)社會發(fā)展的要求，甚至被政府環(huán)保部門明令禁止；2003年我國電石產(chǎn)量為530萬噸，2004年為650萬噸，電石渣的年排放量逾1000萬噸，隨著石油價格持續(xù)上漲，市場無疑為煤化工發(fā)展提供了巨大的空間，電石渣量將會大量增加，有效地綜合利用電石渣，對保護環(huán)境、節(jié)約土地和水資源及實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有顯著的生態(tài)和社會效益。合肥水泥研究設(shè)計院十分注重水泥行業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，研究各種工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的綜合利用，一直致力于電石渣生產(chǎn)水泥的綜合技術(shù)與裝備的開發(fā)研究，采用多種水泥生產(chǎn)工藝消化電石渣并取得顯著成績，繼在皖維高新材料股份有限公司成功采用電石渣摻量15%干磨干燒生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，適時地提出能否用新型干法生產(chǎn)工藝煅燒高摻量電石渣的新課題，即用電石渣替代70～80%石灰石或全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料，該課題的意義在于：

      1、由于電石渣的特性和電石渣配料生料的特殊性，業(yè)內(nèi)曾有“新型干法生產(chǎn)工藝不適合煅燒高摻量電石渣生料”的觀點，如果該項技術(shù)有所突破，將為預(yù)分解技術(shù)處理其它工業(yè)廢渣帶來新的啟迪，為形成一套優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保以及單條生產(chǎn)線規(guī)模大型化的現(xiàn)代水泥生產(chǎn)方法提供良好的示范。

      2、利用電石渣生產(chǎn)水泥比采用石灰石生產(chǎn)水泥熟料燒成熱耗有所降低，如替代60%石灰石時，熟料燒成熱耗約降低8%；替代80%石灰石時，熟料燒成熱耗約降低15%。

      3、與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤46%，與濕磨干燒相比節(jié)煤20%，對于煤炭儲采比不足百年的中國來說節(jié)能尤其重要，不能以處理電石渣而消耗大量能源為代價。 

      4、由于帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯和濕磨干燒生產(chǎn)工藝必須將其它組分加水粉磨成合格的料漿，每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水，帶來水資源和能源的浪費。

      5、生產(chǎn)1噸熟料需要消耗1.28噸優(yōu)質(zhì)石灰石，同時向大氣中排放0.57噸CO2，用電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥熟料，可以減輕我國石灰石資源不足和減少CO2排放。

     6、隨著煤化工行業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷進步，生產(chǎn)過程中電石渣以干基（含水分10-12%）排放，將為新型干法生產(chǎn)工藝煅燒高摻量電石渣提供捷徑。 

     2  利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料的技術(shù)進步
在我國利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料始于上世紀七十年代，當時主要采用濕法長窯生產(chǎn)工藝，隨后利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料的工藝多種多樣，不僅有立窯、濕法長窯及立波爾窯，而且還有五級旋風預(yù)熱器窯，但這些生產(chǎn)工藝的技術(shù)經(jīng)濟指標相對落后，不符合國家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，目前廣泛采用以下幾種生產(chǎn)工藝：

      2.2.1  帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝

      將成分基本穩(wěn)定的電石渣漿直接送入已磨好的其它組分的料漿庫中制成混合均勻的生料料漿，通過機械脫水成為含水分34%左右的料餅，送入回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料?；剞D(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量低，企業(yè)的規(guī)模效益難以實現(xiàn)；其它組分必須加水粉磨成合格的料漿，每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水，無形中增加水資源和能源的消耗；熟料燒成熱耗一般在6000kJ/kg左右，雖然熱耗高，但電石渣可以替代全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料，該生產(chǎn)工藝過去是大多數(shù)化工企業(yè)的主要選擇；隨著煤價的上漲，許多濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)廠被迫停產(chǎn)，這是水泥工業(yè)不可持續(xù)發(fā)展的首要影響因素。

      2.2.2  濕磨干燒生產(chǎn)工藝

     將成分基本穩(wěn)定的電石渣漿直接送入已磨好的其它組分的料漿庫中制成混合均勻的生料料漿，通過機械脫水成為含水分34%左右的料餅，再送入破碎烘干機利用窯尾廢氣余熱烘干料餅，烘干后的物料隨氣流進入窯尾預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料。采用濕磨干燒技術(shù)，回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量較高，熟料燒成熱耗為4000kJ/kg電石渣在原料中的摻量一般在15%以下，消耗電石渣量有限，沒有進一步深化研究；同帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝一樣，沒有改變每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水的弊端。

     2.2.3  新型干法生產(chǎn)工藝

      采用機械脫水作為濕排電石渣的前置處理設(shè)備，利用窯尾高溫廢氣作為烘干熱源，使用烘干能力強的立式磨對含水量較高的配合生料進行烘干粉磨，采取新型干法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)水泥熟料，熟料燒成熱耗3410 kJ/kg，生產(chǎn)技術(shù)先進、能耗低，是一次有益的嘗試，取得了成功；因為生產(chǎn)條件的限制，電石渣摻量占原料總量的比例平均<15%，難以證明使用廢渣的優(yōu)勢，生產(chǎn)工藝仍有一些深層次的問題需要研究解決，在一定程度上影響了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用。

      3  高摻電石渣生產(chǎn)水泥新型干法生產(chǎn)工藝和裝備的開發(fā)研究

       國內(nèi)首條1200t/d高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線，采用電石渣脫水、預(yù)烘干、立式磨、新型干法預(yù)分解窯煅燒等一系列節(jié)能環(huán)保綜合技術(shù)，于2005年8月8日在淄博寶生環(huán)保建材有限公司一次點火成功并生產(chǎn)出合格熟料，目前系統(tǒng)阻力 ≤5000 Pa，熟料熱耗 ≤760×4.18 kj / kg，出預(yù)熱器廢氣溫度320－360℃，電石渣摻量達50%以上，實現(xiàn)了持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

      3.1  電石渣漿處理系統(tǒng)

      3.1.1  電石渣漿的脫水 

      針對電石渣漿的性能和以往的經(jīng)驗，本課題選擇脫水能力較強、料餅水分較低的帶氣橡膠隔膜板框壓濾脫水方案，該壓濾系統(tǒng)的主要工作原理為：含水分75～80%的電石渣漿經(jīng)渣漿泵注入帶氣橡膠隔膜的壓濾機各個濾室，當壓力升至設(shè)定值后，通過流體靜壓壓濾脫掉濾餅顆粒間的游離水分；接著再通入壓縮空氣保壓，通過橡膠隔膜的弧面產(chǎn)生變向剪切力，破壞濾餅的幾何結(jié)構(gòu)，使濾餅水分進一步降低。

      為了進一步探索合理的工藝參數(shù)，給板框壓濾機的制造和使用提供借鑒，進行了不同濾室厚度、進漿濃度、過濾壓力下的正交試驗，通過試驗得知：

     1、電石渣漿的濃度影響濾餅的最終水分。設(shè)置電石渣漿濃縮池進行濃縮是必要的，濃縮后含水量最佳狀態(tài)控制在小于75%。

     2、電石渣漿的過濾壓力以0.8 MPa為宜。壓力過低則濾餅水分難以控制；壓力過大則對板框壓濾機的機械制造要求過高。

     3、濾室的厚度以30mm為宜。濾餅過厚，水分難以控制；濾餅過薄，產(chǎn)能難以滿足要求。

     根據(jù)電石渣漿過濾性能試驗結(jié)果和生產(chǎn)中的物料平衡要求，選用XMGZ500型廂式壓濾機，過濾面積500m2，過濾總?cè)莘e10.16m3，濾室的厚度30mm，壓濾后濾餅水分設(shè)計值為32～36%；實際生產(chǎn)中料餅的水分最好狀態(tài)為25%，一般能保證在35%左右。

     2.1.2  電石渣的預(yù)烘干

     電石渣漿采用機械脫水后水分一般在28～35%范圍內(nèi)波動，給電石渣的輸送、儲存和準確配料帶來困難，因此必須對電石渣進行預(yù)烘干；由于電石渣屬于高濕含量輕質(zhì)廢渣，烘干處理難度非常大，需要解決以下技術(shù)難題：

     1、解決喂料及防堵問題。壓濾后的電石渣呈“牙膏”狀態(tài)，輸送過程中無法儲存和喂料計量，不易送入烘干機內(nèi)，落入烘干機后易出現(xiàn)堆料和粘堵現(xiàn)象。

     2、電石渣烘干時需要克服蒸發(fā)速率低、料溫下降快及周圍環(huán)境濕含量大的缺點。

     3、利用電石氣燃燒作為烘干熱源難度大。電石氣是電石爐生產(chǎn)電石產(chǎn)生的廢氣，電石氣主要含CO、CH4等可燃氣體，易爆炸；電石氣本身有400～600℃溫度，含有200mg/Nm3灰塵，焦油含量大，不易輸送和使用。

     4、電石渣烘干后廢氣濃度高，對收塵設(shè)備產(chǎn)生粘堵和腐蝕。

      電石渣含水15%時的物理性能：松散容重為600g/l，緊密容重為750g/l；電石渣在原料中占63.5 %時所配生料的休止角為36°；在辦公室常溫敞開環(huán)境七天的條件下，吸濕率為4 %，在10MPa壓力下不滲水；根據(jù)實驗結(jié)果，確定電石渣烘干終水分控制在15%左右，在電石渣的輸送、儲存過程中不會發(fā)生粘堵，可以準確配料；年產(chǎn)6萬噸電石的電石爐每小時可以產(chǎn)生2500×104kJ電石氣，折合標準煤855公斤，能夠滿足烘干機熱量需求，不但利用了電石氣的熱能，而且節(jié)省了一套電石氣處理系統(tǒng)，對電石廠來說節(jié)省了大量的投資；在電石氣輸送工藝布置上，采用強力送風，縮短輸送路徑和時間，防止管道結(jié)焦粘堵；壓濾后的電石渣其塑性、粘性均在表觀大幅度降低，具有一種類似水泥漿體 “假凝”現(xiàn)象的物理性質(zhì)，經(jīng)儲存風干后和采用防堵措施，解決了喂料及粘堵；供熱系統(tǒng)提供900～1100℃持續(xù)高溫煙氣，選擇長徑比較大的烘干機，安裝強化蒸發(fā)裝置，使電石渣在其有效烘干區(qū)域內(nèi)有充裕的干燥強度和時間；系統(tǒng)選用能處理高濃度粉塵、抗結(jié)露、防腐蝕袋收塵器進行收塵，使其

      標排放。實際生產(chǎn)中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，單機能力為26-30t/h。

     3.2  原料烘干及粉磨

     采用電石渣、粘土、石灰石、硫酸渣、砂巖五組份配料，需要研磨的物料約占37.7%，根據(jù)入磨物料綜合水分為11～14%的要求和原料易磨性實驗，采用烘干能力強、熱交換和粉磨效率高的立式磨作為生料磨；對窯尾廢氣成分進行分析和熱力學(xué)計算，可以利用廢氣作為烘干熱源；進立磨氣體溫度為340℃，立磨產(chǎn)量為75～85t/h，出磨生料水份小于1%，出磨氣體與生料的溫度均為80℃。為了更好地滿足粉磨電石渣配料的要求，研制的HRM1900/2200立式磨，具有45～60t/h生料的研磨能力和80～90t/h的烘干能力。當水分為10～12%混合料在磨輥的快速碾壓下，物料被粉碎并且向磨盤邊沿風環(huán)處拋灑，被70～90m/s的高速氣流帶起，產(chǎn)生強烈的熱交換，水分沒有來得及蒸發(fā)的大塊物料會再次沉落，反復(fù)帶起、沉落，充分進行熱交換，高速氣流在磨腔內(nèi)流速很快降低，形成強烈的紊流場，特別適合于電石渣微細顆粒的烘干；粉狀物料隨氣流一起上升通過磨機上殼體進入分離器的分級區(qū)，在分離器轉(zhuǎn)子葉片的作用下，其中的粗粉落回磨盤與新喂入的物料一起重新粉磨，合格的細粉隨氣流一起出磨，經(jīng)高效旋風收塵器收集后，與增濕塔和窯尾電收塵器收集的粉塵混合，由輸送設(shè)備送入均化庫內(nèi)均化儲存；出磨的廢氣匯入窯尾電收塵器進行除塵后達標排放。

      3.3  預(yù)分解系統(tǒng)

      針對電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料的特殊性，我們用差熱分析法對電石渣的脫水做了試驗：從室溫升到870℃時，儀器記錄了失重（TG）和差熱（DTA）的曲線，電石渣在190℃時有弱吸熱伴微失重峰，此峰值為吸附水脫出；350℃時弱吸熱伴微失重峰為水化鋁酸鈣結(jié)構(gòu)水脫出，584℃時出現(xiàn)強吸熱伴快失重峰，Ca(OH)2脫水，失重為16.3%，830℃時為吸熱伴有失重，870℃的放熱峰無重量變化，前一峰值為水化硅酸鈣脫去結(jié)構(gòu)水，后一峰值為水化硅酸鈣的晶型轉(zhuǎn)化。試驗過程中試樣總失重25.68%，按電石渣CaO全部結(jié)合為Ca(OH)2，69.36%CaO結(jié)合水為22.29%，其余失重應(yīng)來自水化硅酸鈣結(jié)合水和電石渣中的碳粒；900℃以下時電石渣配料與常規(guī)生料的差異如下：

     1、電石渣中Ca(OH)2分解溫度與CaCO3不同。電石渣中含有較多毛細水和結(jié)晶水，分解溫度較低，電石渣中Ca(OH)2的分解溫度約580℃左右，低于CaCO3的分解溫度。

     2、Ca(OH)2分解吸熱與CaCO3不同，前者分解吸熱為1160kJ/kg，而后者為1660kJ/kg。

     3、電石渣顆粒較細，脫水較早，在溫度較高的旋風筒和分解爐錐部易產(chǎn)生堵塞，不利于連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)； 

    4、熟料形成熱不同：電石渣在原料中占63.5 %時所配生料的熟料形成熱為1025kJ/kg，約為普通生料的熟料形成熱的3/5。

       因此電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料時，必須充分考慮預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)；電石渣的摻入量越大，對預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響也越大。對系統(tǒng)進行綜合分析和平衡計算，燒成熱耗確定為3100～3360kJ/kg，其中蒸發(fā)生料的物理水耗熱35kJ/kg，熟料形成熱1025kJ/kg，廢氣溫度按340℃考慮時，廢氣帶走熱700kJ/kg，入窯物料分解率按90～95％設(shè)計，研制開發(fā)出低阻型、高分離效率、顯著防堵的新型低壓損S型結(jié)構(gòu)、3R大包角型式蝸殼、偏錐新型五級旋風預(yù)熱器，分解爐采用旋流、噴騰、懸浮原理，使燃料有充分的燃燒時間，物料與燃料充分混合，在爐內(nèi)有較長的停留時間，燃料在較低溫度的SC室大量燃燒，全爐系統(tǒng)沒有產(chǎn)生局部高溫的條件，因而系統(tǒng)結(jié)皮堵塞現(xiàn)象少，預(yù)分解系統(tǒng)關(guān)鍵部位采用特殊的襯料，研制出RBH5/1300型預(yù)分解系統(tǒng)。 

      4  實際運行效果

      電石渣漿的脫水、壓濾及預(yù)烘干、石灰石破碎、生料粉磨、煤粉制備分別于2005年7月18日、7月28日順利進行負荷試車，8月22日生料粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在76t/h，到2005年9月生料系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在85t/h以上，系統(tǒng)平均電耗18kWh/t；燒成系統(tǒng)于2005年8月8日點火，8月12日燒出合格熟料；燒成系統(tǒng)運行初期產(chǎn)量控制在1000t/d左右，隨著操作人員操作水平的提高，在設(shè)備運轉(zhuǎn)良好的條件下，產(chǎn)量逐漸增加，到2005年9月份燒成系統(tǒng)產(chǎn)量達1200t/d以上，熟料標號達58Mpa以上，熟料燒成熱耗3180kJ/kg（760kCal/kg），到2005年10月25日電石渣替代70%石灰石，在原料中所占比例超過50%（干基）。

      5  結(jié)束語

     本項目是國內(nèi)首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線，每年可以消耗電石渣30萬噸，全年可以節(jié)省35萬噸優(yōu)質(zhì)石灰石資源和少向大氣中排放15萬噸CO2；與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤46%，全年少耗標準煤約2萬噸，少向大氣中排放4.6萬噸CO2；與濕磨干燒生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤20%，全年少耗標準煤約1萬噸，少向大氣中排放2.3萬噸CO2；與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯和濕磨干燒生產(chǎn)工藝相比全年少消耗約5.4萬噸水。本項目的順利投產(chǎn)否定了不能用“預(yù)分解系統(tǒng)煅燒高摻電石渣生料”的觀點，是一次有益的嘗試，為我國建材行業(yè)和化工行業(yè)的節(jié)約能源、保護環(huán)境和資源綜合利用開創(chuàng)了廣闊的前景，對建設(shè)節(jié)約型社會、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟具有深刻的示范作用。

     電石渣替代全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料新型干法生產(chǎn)工藝和單條生產(chǎn)線規(guī)模的大型化是我們今后工作努力的方向。