高掺电石渣生产水泥新型干法生产工艺的研究及应用

1  引言

     建设节约型社会、发展循环经济已成为人们的共识，电石渣是煤化工行业用乙炔法生产聚氯乙烯树脂的工业废渣，过去大多数企业将电石渣择地堆存或铺垫路基，不但占用了宝贵的土地资源，而且碱化土地，对空气、地表水和地下水产生二次污染，传统处理电石渣的方式已不能适应社会发展的要求，甚至被政府环保部门明令禁止；2003年我国电石产量为530万吨，2004年为650万吨，电石渣的年排放量逾1000万吨，随着石油价格持续上涨，市场无疑为煤化工发展提供了巨大的空间，电石渣量将会大量增加，有效地综合利用电石渣，对保护环境、节约土地和水资源及实现经济可持续发展具有显著的生态和社会效益。合肥水泥研究设计院十分注重水泥行业的循环经济发展，研究各种工业废渣在水泥生产中的综合利用，一直致力于电石渣生产水泥的综合技术与装备的开发研究，采用多种水泥生产工艺消化电石渣并取得显著成绩，继在皖维高新材料股份有限公司成功采用电石渣掺量15%干磨干烧生产工艺的基础上，适时地提出能否用新型干法生产工艺煅烧高掺量电石渣的新课题，即用电石渣替代70～80%石灰石或全部石灰石生产水泥熟料，该课题的意义在于：

      1、由于电石渣的特性和电石渣配料生料的特殊性，业内曾有“新型干法生产工艺不适合煅烧高掺量电石渣生料”的观点，如果该项技术有所突破，将为预分解技术处理其它工业废渣带来新的启迪，为形成一套优质、高效、节能、环保以及单条生产线规模大型化的现代水泥生产方法提供良好的示范。

      2、利用电石渣生产水泥比采用石灰石生产水泥熟料烧成热耗有所降低，如替代60%石灰石时，熟料烧成热耗约降低8%；替代80%石灰石时，熟料烧成热耗约降低15%。

      3、与带压滤半湿法回转窑生产工艺相比节煤46%，与湿磨干烧相比节煤20%，对于煤炭储采比不足百年的中国来说节能尤其重要，不能以处理电石渣而消耗大量能源为代价。 

      4、由于带压滤半湿法回转窑和湿磨干烧生产工艺必须将其它组分加水粉磨成合格的料浆，每生产1吨熟料需要多消耗0.15吨水，带来水资源和能源的浪费。

      5、生产1吨熟料需要消耗1.28吨优质石灰石，同时向大气中排放0.57吨CO2，用电石渣替代石灰石生产水泥熟料，可以减轻我国石灰石资源不足和减少CO2排放。

     6、随着煤化工行业科学技术的不断进步，生产过程中电石渣以干基（含水分10-12%）排放，将为新型干法生产工艺煅烧高掺量电石渣提供捷径。 

     2  利用电石渣生产水泥熟料的技术进步
在我国利用电石渣生产水泥熟料始于上世纪七十年代，当时主要采用湿法长窑生产工艺，随后利用电石渣生产水泥熟料的工艺多种多样，不仅有立窑、湿法长窑及立波尔窑，而且还有五级旋风预热器窑，但这些生产工艺的技术经济指标相对落后，不符合国家的相关产业政策，目前广泛采用以下几种生产工艺：

      2.2.1  带压滤半湿法回转窑生产工艺

      将成分基本稳定的电石渣浆直接送入已磨好的其它组分的料浆库中制成混合均匀的生料料浆，通过机械脱水成为含水分34%左右的料饼，送入回转窑煅烧成水泥熟料。回转窑单位容积产量低，企业的规模效益难以实现；其它组分必须加水粉磨成合格的料浆，每生产1吨熟料需要多消耗0.15吨水，无形中增加水资源和能源的消耗；熟料烧成热耗一般在6000kJ/kg左右，虽然热耗高，但电石渣可以替代全部石灰石生产水泥熟料，该生产工艺过去是大多数化工企业的主要选择；随着煤价的上涨，许多湿法回转窑生产厂被迫停产，这是水泥工业不可持续发展的首要影响因素。

      2.2.2  湿磨干烧生产工艺

     将成分基本稳定的电石渣浆直接送入已磨好的其它组分的料浆库中制成混合均匀的生料料浆，通过机械脱水成为含水分34%左右的料饼，再送入破碎烘干机利用窑尾废气余热烘干料饼，烘干后的物料随气流进入窑尾预热器、分解炉、回转窑煅烧成水泥熟料。采用湿磨干烧技术，回转窑单位容积产量较高，熟料烧成热耗为4000kJ/kg电石渣在原料中的掺量一般在15%以下，消耗电石渣量有限，没有进一步深化研究；同带压滤半湿法回转窑生产工艺一样，没有改变每生产1吨熟料需要多消耗0.15吨水的弊端。

     2.2.3  新型干法生产工艺

      采用机械脱水作为湿排电石渣的前置处理设备，利用窑尾高温废气作为烘干热源，使用烘干能力强的立式磨对含水量较高的配合生料进行烘干粉磨，采取新型干法生产工艺生产水泥熟料，熟料烧成热耗3410 kJ/kg，生产技术先进、能耗低，是一次有益的尝试，取得了成功；因为生产条件的限制，电石渣掺量占原料总量的比例平均<15%，难以证明使用废渣的优势，生产工艺仍有一些深层次的问题需要研究解决，在一定程度上影响了这一技术的推广应用。

      3  高掺电石渣生产水泥新型干法生产工艺和装备的开发研究

       国内首条1200t/d高掺电石渣干磨干烧新型干法水泥生产线，采用电石渣脱水、预烘干、立式磨、新型干法预分解窑煅烧等一系列节能环保综合技术，于2005年8月8日在淄博宝生环保建材有限公司一次点火成功并生产出合格熟料，目前系统阻力 ≤5000 Pa，熟料热耗 ≤760×4.18 kj / kg，出预热器废气温度320－360℃，电石渣掺量达50%以上，实现了持续稳定生产，达到国内领先水平。

      3.1  电石渣浆处理系统

      3.1.1  电石渣浆的脱水 

      针对电石渣浆的性能和以往的经验，本课题选择脱水能力较强、料饼水分较低的带气橡胶隔膜板框压滤脱水方案，该压滤系统的主要工作原理为：含水分75～80%的电石渣浆经渣浆泵注入带气橡胶隔膜的压滤机各个滤室，当压力升至设定值后，通过流体静压压滤脱掉滤饼颗粒间的游离水分；接着再通入压缩空气保压，通过橡胶隔膜的弧面产生变向剪切力，破坏滤饼的几何结构，使滤饼水分进一步降低。

      为了进一步探索合理的工艺参数，给板框压滤机的制造和使用提供借鉴，进行了不同滤室厚度、进浆浓度、过滤压力下的正交试验，通过试验得知：

     1、电石渣浆的浓度影响滤饼的最终水分。设置电石渣浆浓缩池进行浓缩是必要的，浓缩后含水量最佳状态控制在小于75%。

     2、电石渣浆的过滤压力以0.8 MPa为宜。压力过低则滤饼水分难以控制；压力过大则对板框压滤机的机械制造要求过高。

     3、滤室的厚度以30mm为宜。滤饼过厚，水分难以控制；滤饼过薄，产能难以满足要求。

     根据电石渣浆过滤性能试验结果和生产中的物料平衡要求，选用XMGZ500型厢式压滤机，过滤面积500m2，过滤总容积10.16m3，滤室的厚度30mm，压滤后滤饼水分设计值为32～36%；实际生产中料饼的水分最好状态为25%，一般能保证在35%左右。

     2.1.2  电石渣的预烘干

     电石渣浆采用机械脱水后水分一般在28～35%范围内波动，给电石渣的输送、储存和准确配料带来困难，因此必须对电石渣进行预烘干；由于电石渣属于高湿含量轻质废渣，烘干处理难度非常大，需要解决以下技术难题：

     1、解决喂料及防堵问题。压滤后的电石渣呈“牙膏”状态，输送过程中无法储存和喂料计量，不易送入烘干机内，落入烘干机后易出现堆料和粘堵现象。

     2、电石渣烘干时需要克服蒸发速率低、料温下降快及周围环境湿含量大的缺点。

     3、利用电石气燃烧作为烘干热源难度大。电石气是电石炉生产电石产生的废气，电石气主要含CO、CH4等可燃气体，易爆炸；电石气本身有400～600℃温度，含有200mg/Nm3灰尘，焦油含量大，不易输送和使用。

     4、电石渣烘干后废气浓度高，对收尘设备产生粘堵和腐蚀。

      电石渣含水15%时的物理性能：松散容重为600g/l，紧密容重为750g/l；电石渣在原料中占63.5 %时所配生料的休止角为36°；在办公室常温敞开环境七天的条件下，吸湿率为4 %，在10MPa压力下不渗水；根据实验结果，确定电石渣烘干终水分控制在15%左右，在电石渣的输送、储存过程中不会发生粘堵，可以准确配料；年产6万吨电石的电石炉每小时可以产生2500×104kJ电石气，折合标准煤855公斤，能够满足烘干机热量需求，不但利用了电石气的热能，而且节省了一套电石气处理系统，对电石厂来说节省了大量的投资；在电石气输送工艺布置上，采用强力送风，缩短输送路径和时间，防止管道结焦粘堵；压滤后的电石渣其塑性、粘性均在表观大幅度降低，具有一种类似水泥浆体 “假凝”现象的物理性质，经储存风干后和采用防堵措施，解决了喂料及粘堵；供热系统提供900～1100℃持续高温烟气，选择长径比较大的烘干机，安装强化蒸发装置，使电石渣在其有效烘干区域内有充裕的干燥强度和时间；系统选用能处理高浓度粉尘、抗结露、防腐蚀袋收尘器进行收尘，使其

      标排放。实际生产中系统运行稳定，单机能力为26-30t/h。

     3.2  原料烘干及粉磨

     采用电石渣、粘土、石灰石、硫酸渣、砂岩五组份配料，需要研磨的物料约占37.7%，根据入磨物料综合水分为11～14%的要求和原料易磨性实验，采用烘干能力强、热交换和粉磨效率高的立式磨作为生料磨；对窑尾废气成分进行分析和热力学计算，可以利用废气作为烘干热源；进立磨气体温度为340℃，立磨产量为75～85t/h，出磨生料水份小于1%，出磨气体与生料的温度均为80℃。为了更好地满足粉磨电石渣配料的要求，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。当水分为10～12%混合料在磨辊的快速碾压下，物料被粉碎并且向磨盘边沿风环处抛洒，被70～90m/s的高速气流带起，产生强烈的热交换，水分没有来得及蒸发的大块物料会再次沉落，反复带起、沉落，充分进行热交换，高速气流在磨腔内流速很快降低，形成强烈的紊流场，特别适合于电石渣微细颗粒的烘干；粉状物料随气流一起上升通过磨机上壳体进入分离器的分级区，在分离器转子叶片的作用下，其中的粗粉落回磨盘与新喂入的物料一起重新粉磨，合格的细粉随气流一起出磨，经高效旋风收尘器收集后，与增湿塔和窑尾电收尘器收集的粉尘混合，由输送设备送入均化库内均化储存；出磨的废气汇入窑尾电收尘器进行除尘后达标排放。

      3.3  预分解系统

      针对电石渣配料生产水泥熟料的特殊性，我们用差热分析法对电石渣的脱水做了试验：从室温升到870℃时，仪器记录了失重（TG）和差热（DTA）的曲线，电石渣在190℃时有弱吸热伴微失重峰，此峰值为吸附水脱出；350℃时弱吸热伴微失重峰为水化铝酸钙结构水脱出，584℃时出现强吸热伴快失重峰，Ca(OH)2脱水，失重为16.3%，830℃时为吸热伴有失重，870℃的放热峰无重量变化，前一峰值为水化硅酸钙脱去结构水，后一峰值为水化硅酸钙的晶型转化。试验过程中试样总失重25.68%，按电石渣CaO全部结合为Ca(OH)2，69.36%CaO结合水为22.29%，其余失重应来自水化硅酸钙结合水和电石渣中的碳粒；900℃以下时电石渣配料与常规生料的差异如下：

     1、电石渣中Ca(OH)2分解温度与CaCO3不同。电石渣中含有较多毛细水和结晶水，分解温度较低，电石渣中Ca(OH)2的分解温度约580℃左右，低于CaCO3的分解温度。

     2、Ca(OH)2分解吸热与CaCO3不同，前者分解吸热为1160kJ/kg，而后者为1660kJ/kg。

     3、电石渣颗粒较细，脱水较早，在温度较高的旋风筒和分解炉锥部易产生堵塞，不利于连续稳定生产； 

    4、熟料形成热不同：电石渣在原料中占63.5 %时所配生料的熟料形成热为1025kJ/kg，约为普通生料的熟料形成热的3/5。

       因此电石渣配料生产水泥熟料时，必须充分考虑预热器、分解炉的结构；电石渣的掺入量越大，对预热器、分解炉的结构设计影响也越大。对系统进行综合分析和平衡计算，烧成热耗确定为3100～3360kJ/kg，其中蒸发生料的物理水耗热35kJ/kg，熟料形成热1025kJ/kg，废气温度按340℃考虑时，废气带走热700kJ/kg，入窑物料分解率按90～95％设计，研制开发出低阻型、高分离效率、显著防堵的新型低压损S型结构、3R大包角型式蜗壳、偏锥新型五级旋风预热器，分解炉采用旋流、喷腾、悬浮原理，使燃料有充分的燃烧时间，物料与燃料充分混合，在炉内有较长的停留时间，燃料在较低温度的SC室大量燃烧，全炉系统没有产生局部高温的条件，因而系统结皮堵塞现象少，预分解系统关键部位采用特殊的衬料，研制出RBH5/1300型预分解系统。 

      4  实际运行效果

      电石渣浆的脱水、压滤及预烘干、石灰石破碎、生料粉磨、煤粉制备分别于2005年7月18日、7月28日顺利进行负荷试车，8月22日生料粉磨系统产量稳定在76t/h，到2005年9月生料系统产量稳定在85t/h以上，系统平均电耗18kWh/t；烧成系统于2005年8月8日点火，8月12日烧出合格熟料；烧成系统运行初期产量控制在1000t/d左右，随着操作人员操作水平的提高，在设备运转良好的条件下，产量逐渐增加，到2005年9月份烧成系统产量达1200t/d以上，熟料标号达58Mpa以上，熟料烧成热耗3180kJ/kg（760kCal/kg），到2005年10月25日电石渣替代70%石灰石，在原料中所占比例超过50%（干基）。

      5  结束语

     本项目是国内首条高掺电石渣干磨干烧新型干法水泥生产线，每年可以消耗电石渣30万吨，全年可以节省35万吨优质石灰石资源和少向大气中排放15万吨CO2；与带压滤半湿法回转窑生产工艺相比节煤46%，全年少耗标准煤约2万吨，少向大气中排放4.6万吨CO2；与湿磨干烧生产工艺相比节煤20%，全年少耗标准煤约1万吨，少向大气中排放2.3万吨CO2；与带压滤半湿法回转窑和湿磨干烧生产工艺相比全年少消耗约5.4万吨水。本项目的顺利投产否定了不能用“预分解系统煅烧高掺电石渣生料”的观点，是一次有益的尝试，为我国建材行业和化工行业的节约能源、保护环境和资源综合利用开创了广阔的前景，对建设节约型社会、发展循环经济具有深刻的示范作用。

     电石渣替代全部石灰石生产水泥熟料新型干法生产工艺和单条生产线规模的大型化是我们今后工作努力的方向。