用预分解技术处理工业废渣的热化学过程分析与实践

1　概述
　　在水泥生产技术的发展进程中，新型干法窑技术越来越被人们接受并得到快速推广及发展。为解决湿法窑的改造而发展起来的湿磨干烧技术，是利用湿法厂的湿法生料制备系统，采用一定的料浆脱水、烘干手段，使之成为干生料粉后用新型干法窑煅烧。通过这种改造可降低熟料的烧成热耗，提高劳动生产率。事实上，湿磨干烧技术更适合湿排工业废渣、污泥等的综合利用，以及对原料处理有特殊需求的新建项目。经工艺方案的优化既能达到治理环保的目的，又能获得优良的技术经济效益。本文拟介绍的皖维1 000t/d水泥熟料生产线项目（以下简称皖维项目）就是湿排工业废渣综合利用的成功案例。
2　皖维项目的背景及特点
　　安徽皖维化纤化工股份有限公司是一国有控股的集化工、化纤、建材于一体的大型联合企业。公司在采用电石法生产维纶的工艺过程中产生出电石渣、废石灰、石灰石尾矿、粉煤灰及焦炭粉等工业废渣，这些废渣的堆放不仅占用土地，污染了周边地区的环境。尤其是电石渣易于流失扩散，碱化土地，污染江河并危及巢湖水域。
　　20世纪50年代末，北京建材研究院曾对用电石渣生产水泥做了大量的试验研究，并在湿法生产线上进行了应用实践、论证和推广。皖维公司为了减少电石渣的排放，也曾建了一条湿法生产线以消耗电石渣等废渣，但因湿法生产能提供的生产能力小，热耗高，不能解决废渣排放导致的污染。该公司为了落实安徽省政府制定的“一九九九年底巢湖流域所有污染物必须达标排放”的环保政策，针对上述问题就其工业废渣综合治理技改项目进行了工程立项，并委托南京水泥设计研究院进行新工艺技术的研究和工程设计。经分析研究确定，建设规模为1 000t/d水泥熟料生产线不仅可以完全消耗目前公司排放的工业废渣，减轻环境保护的压力，还可为公司创造相当利润，使公司走上可持续发展的道路，很有意义。
　　该项目的投资建设具备了如下特点：
　　(1)必须综合利用公司在生产过程中产生的全部废渣，以彻底解决公司对巢湖水系产生的污染，优化周边环境；
　　(2)以综合利用废渣为中心，采用先进、成熟的生产工艺，变废为宝，生产高质量的水泥，为公司创造产值；
　　(3)该生产线的工艺过程设计中，要兼顾所排各种废渣的物理、化学特性，采取相应的技术措施。
3　原、燃料的特殊性
　　该项目主要利用的废渣有：电石渣、废石灰、石灰石尾矿、粉煤灰及焦炭粉等。其化学成分见表1。其中：
　　(1)电石渣系电石水解后产生的残渣。其特点是颗粒细，其细度为0.08mm方孔筛筛余小于8%；水分高，刚排出时的水分在90%以上，经沉降池浓缩后，水分仍有60%～65%。电石渣的主要化学成分是Ca(OH)2，其含量在90%以上。
　　(2)石灰石尾矿是生产石灰过程中排出的废渣，粒度小于30mm，其中夹杂有泥土，品位要比石灰石原矿低，水分高。
　　(3)废石灰是生产电石过程中排出的废渣，粒度小于5mm，含有一定水分，部分以水解。
　　(4)粉煤灰是公司的供热、供汽、发电锅炉排出的废渣，排放方式是湿排，水分很大，经沉降池浓缩后，水分仍有70%。
　　(5)焦炭粉是生产电石时筛选下来的细小颗粒的焦炭末。焦炭粉的工业分析见表2。
在以上5种废渣中，其中电石渣、废石灰、石灰石尾矿可作为生产水泥的钙质原料，粉煤灰则作为硅、铝质原料，焦炭粉和煤混合作为燃料使用。
4　电石渣的性能及其影响
　　由于在上述诸多废渣中电石渣的特点突出，给水泥生产带来的影响大，故对其进行重点研究。电石渣分散度很高，具有多孔状结构，保水性极强，脱水极为困难，经长期自然沉降浓缩后的含水率高达65%以上。对其脱水方式的确定进行了试验研究，若采用吸滤会将滤网堵塞而使脱水率很低。采用压滤其效果优于吸滤。对纯电石渣的压滤实验结果其脱水率在30%～40%。随着其它物料的含量增加，脱水率提高。换句话说，原料中随着电石渣含量的增加，原料的综合水分增加，且机械脱水的难度亦增加。这无论是采用半干法或全干法都是生产工艺上需解决的难点之一。
　　众所周知原料的初始水分愈大，烘干水分所需的热焓就愈大。烘干所需的热焓将有三个部分组成。即：水分蒸发的耗热，蒸发出的水汽带走的热，烟气带走的热。
假设其他原料的综合水分为4%，经过压滤后的电石渣水分为40%，经过计算可以发现，随着电石渣的掺量增加，料耗是下降的，而水分和热耗将上升。如果用单位熟料耗热表示，则电石渣的掺入比例与单位熟料耗热关系见图1。

5　电石渣配料与普通配料的差异及热化学分析
　　利用新型干法预分解窑煅烧以电石渣参与配料的水泥熟料生产工艺，当时在国内尚属首例，涉及一系列新的技术问题。理论分析表明，900℃以下时它与常规配料的差异如下：
　　（1）系统内主要的化学反应及发生反应的温度区域不同。电石渣的主要化学成分是Ca(OH)2，在脱水温度前，会吸收烟气中的CO2生成难分解的CaCO3；当升温至550℃左右，Ca(OH)2开始分解；生成的CaO仍会吸收烟气中的CO2生成难分解的CaCO3，直至900℃以上的高温区域，CaCO3分解的逆向反应才得到完全抑制，分解过程得以加速。电石渣生料在预热、煅烧过程中发生的主要化学反应如下：
　　Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O(g) （放热反应） （1）
　　Ca(OH)2的反应热：ΔHo298K= －224.19kcal/kg Ca(OH)2
　　Ca(OH)2 ＝CaO＋H2O(g) （吸热反应） （2）
　　Ca(OH)2的正向反应热：ΔHo298K=353.5kcal/kg Ca(OH)2
　　CaCO3＝CaO＋CO2(g) （吸热反应）（3）
　　CaCO3 的正向反应热：ΔHo298K= 427.5kcal/kg CaCO3
　　（2）熟料的形成过程不同。由于采用的原料其化学物质不同，因而熟料的形成过程也不同。从上面的化学反应也可以看出区别之一：采用电石渣配料的生料与普通生料发生分解反应温度区域不同，分解反应提前在预热器中发生。电石渣配的生料不论呈Ca(OH)2状态或呈分解后CaO的状态，均有吸收CO2的现象，并在900℃以后再分解，重新生成CaO，这部分物料的分解温度还有所提高。
　　（3）熟料形成热不同。尽管存在着Ca(OH)2和新生态的CaO会吸收CO2生成CaCO3并需重新分解的可能性，而在预热器系统中由550℃上升到850℃的物料与烟气的接触时间很短，只有少量的物料发生吸收反应。而由于电石渣的分解温度及分解反应热降低，因此电石渣配料的熟料形成热，比普通生料的熟料形成热低。也就是说，随着电石渣掺量的增加，熟料的形成热会降低。图2表示了电石渣掺量与其配料生料的形成热关系。

摘自《中国水泥》2005年 01月号