电石渣替代石灰石生产水泥熟料的新工艺开发

1   前  言 

     电石渣是在乙炔气、聚氯乙烯、聚乙烯醇等工业产品生产过程中，电石(CaC2)水解后产生的沉淀物（工业废渣），主要成分为Ca(OH)2。

CaC2(电石) + 2H2O —→ C2H2↑(乙炔气) + Ca(OH)2↓(电石渣)

     每吨电石水解后约产生1.15吨电石渣。电石渣的堆放不仅占用大量的土地，而且因电石渣易于流失扩散，污染堆放场地附近的水资源、碱化土地；长时间堆放还可能因风干起灰，污染周边环境。电石渣属难以处置的工业废弃物之一。

    上世纪七十年代，我国就开始将电石渣用作水泥熟料生产的原料之一。当时，电石渣配料主要采用湿法回转窑工艺生产水泥熟料，后来电石渣配料又发展了立窑、半湿法料饼入窑、立波尔窑、五级旋风预热器窑等多种工艺生产水泥熟料，但这些生产工艺的技术经济指标相对落后，而且不符合国家的相关产业政策，不适宜广泛推广。技术相对较先进的电石渣配料、“湿磨干烧”新型干法水泥熟料生产工艺，其熟料烧成热耗超过1000×4.18kJ/kg，对比同规模、采用通常原料配料新型干法水泥熟料生产工艺热耗高出近30%，即每吨熟料多耗标准煤约30千克。以日产水泥熟料1000吨规模计算，全年多耗标准煤约9000吨。
电石渣配料、“湿磨干烧”新型干法水泥熟料生产工艺的主要过程为：电石渣作为
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原料之一与其它原料配料后一起入湿法生料磨，磨成综合水分约为43%的生料浆，通过机械脱水装置将生料浆脱水成为含水分约25%[ 1]的料饼，再将料饼送入利用窑尾废气余热烘干的料饼烘干破碎机；破碎、烘干后的物料随气流进入窑尾旋风分离器、两级旋风预热器、在线分解炉，最后进入回转窑煅烧成水泥熟料。实践证明：电石渣配料、“湿磨干烧”新型干法水泥熟料生产工艺技术已较为先进、成熟。按该工艺建设的安徽皖维高新材料股份有限公司1000t/d熟料生产线（1＃线），自2000年10月投产以来，已运行五年多时间，主要缺点是：熟料烧成热耗较高，达1030×4.18 kJ/kg。

      采用电石渣配料、“干磨干烧”新型干法水泥熟料生产新工艺，有利于进一步降低水泥熟料的烧成热耗，提高企业的经济效益和社会效益。其主要生产工艺过程为：电石渣经过机械脱水成为含水分约35%的电石渣料饼，然后与其它原料经配料一起入立式磨烘干、粉磨；出立式磨的生料粉经生料均化库均化后入窑尾四级旋风预热器、半离线分解炉，最后进入回转窑煅烧成水泥熟料。我院按该工艺设计完成的安徽皖维高新材料股份有限公司1000t/d熟料生产线（2＃线），自2003年1月投产以来，已运行三年多时间，熟料28天抗压强度年平均为58.44 MPa，熟料烧成热耗年平均为816×4.18kJ/Kg。主要缺点是：生料中电石渣的掺量仅13～15%（干基）[ 2]。

      在电石渣配料、“干磨干烧”新型干法水泥熟料的生产新工艺中，为了进一步提高电石渣替代石灰石的比例，我院开发出了国内首条高掺电石渣(生料中电石渣掺量≥60%)、“干磨干烧” 1200t/d熟料新型干法水泥生产线。该生产线采用电石渣脱水、预烘干、生料立式磨、带预分解回转窑等一系列节能环保综合技术和装备，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，生料中电石渣掺量（干基）≥60%(电石渣替代石灰石量达70%以上)，熟料28天抗压强度≥58MPa，熟料烧成热耗 ≤760×4.18 kJ / kg。实现了持续稳定生产，达到了国内领先水平，为水泥工业采用电石渣替代石灰石生产新型干法水泥熟料提供了良好的示范，具有较好的经济效益、社会效益和环境效益。本文介绍该生产线主要系统的开发与应用情况。

2  生产线主要系统介绍

2.1  电石渣浆处理系统

     电石渣的主要成分是Ca(OH)2，其CaO含量高达60%以上。淄博宝生环保建材有限公司采用的从乙炔生产中排出的电石渣液水分高达90%以上，经沉降池浓缩后，水分仍有80%左右，正常流动时的水分在50%以上。

    淄博宝生环保建材有限公司采用的电石渣化学成分如下。

电 石 渣 化 学 成 分   

     电石渣中的细颗粒较多,10～50微米达80%以上,BT-9300激光粒度分布测定结果如下:

电石渣粒度分布

     电石渣的个数平均粒径：1.89μm；重量平均粒径：9.19μm；面积平均粒径：5.75μm；中位粒径：8.29μm；比表面积：947.32m2/kg。电石渣的比表面积越高，吸水性亦越高，烘干难度越大。

      通过对电石渣的物理及化学性能分析可以看出：电石渣中的CaO含量很高，可以说是制造水泥熟料的优质钙质原料。其粒度很细，几乎不需要粉磨就可以满足水泥熟料生产的要求。需要解决的主要问题是：对电石渣浆进行有效脱水和准确配料。

2.1.1   电石渣浆的脱水

1. 电石渣液的浓缩

      电石渣液通过料浆泵送到2－Ф24m浓缩池中。浓缩池为混凝土结构，池底的倾角为8.5°，周边辊轮传动耙式浓缩机的耙架一端籍特殊的止推轴承放置在浓缩池的中央支柱上，另一端与传动小车连接，电动机经减速机带动辊轮而使耙架绕池子的中心线回转。  

     电石渣液首先进入自由沉降区，水中的颗粒靠自重而迅速下沉，到达过渡区。一部分颗粒靠自重继续下沉，一部分颗粒却又受到密集颗粒的阻碍而不能自由下沉。当下沉到压缩区时，汇集成紧密接触的絮团而继续下沉到浓缩区。由于刮板的运转，进一步被压缩，挤出其中水分。最后由卸料口排出，澄清水从溢流堰流出，由渣浆泵送至化工厂沉淀池循环利用。
电石渣液经NG-24浓缩机浓缩后含水约75%。

2. 电石渣浆的压滤

      针对电石渣浆的性能和以往的经验，本系统选择脱水能力较强、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：含水分约75%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，试验结果如下： 

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，浓缩后含水量控制在小于75%为好。

     （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，选用七台XMZ500型厢式全自动压滤机（六用一备），每台压滤机过滤面积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，因此有必要对电石渣进行预烘干；由于电石渣属于高湿含量的轻质废渣，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，也不易送入烘干机内，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以及湿含量大的缺点。

      （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）电石渣烘干后废气中含尘浓度高，收尘设备易产生粘堵和腐蚀。

      电石渣含水15%时的物理性能检测如下：松散容重为600g/l，紧密容重为750g/l；电石渣在生料中占63.5 %时所配生料的休止角为36°；在办公室常温条件下，敞开七天，吸湿率为4%，在10MPa压力下不渗水。
根据以上实验结果，确定电石渣烘干终水分控制在15%左右为宜，以避免电石渣在输送、储存过程中发生粘堵，并实现准确配料。

     年产7.5万吨电石的电石炉，每小时可以产生含热2500×104kJ电石气，折合标准煤855千克，经理论计算能够满足电石渣烘干需要。这样，不仅利用了电石气的热能，而且节省了一套电石气处理系统，对电石厂来说可以节省大量的投资。在电石气输送工艺布置上，采用强力送风，并尽量缩短输送路径和时间，以防止管道结焦粘堵。

     压滤后的电石渣其塑性、粘性均在表观上大幅度降低，具有一种类似水泥浆体“假凝”现象的物理性质，经储存风干和采用防堵措施后，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、防腐蚀袋式除尘器进行除尘，使其达标排放。

      实际生产中，2－F3.0×25m回转式烘干机系统运行稳定，单机产量为26～30t/h。

2.2   生料的烘干及粉磨

      生料采用石灰石、电石渣、粘土、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%的特点和原料易磨性实验结果，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。

     通过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。系统参数设计为：进立式磨气体温度为340℃，立式磨产量为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掺大量电石渣生料的要求，专门研制的HRM1900/2200立式磨，具有45～60t/h生料的研磨能力和80～90t/h生料的烘干能力。

      在磨辊的快速碾压下，水分为10～12%的混合料被粉碎并且向磨盘边沿风环处抛洒，并被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，由输送设备送入生料均化库内进行均化、储存。出磨的废气汇入窑尾电收尘器进行除尘后达标排放。

     HRM1900/2200生料立式磨，是在HRM1900基础上专为烘干、粉磨含电石渣生料而研制的，利用窑尾废气作为热源。该系统于2005年7月28日开始调试，当时对挡料圈高度、吐渣、系统参数等缺乏经验，为此进行了不断的摸索发现：控制好入磨原料粒度、入磨原料综合水分、喂料量、吐渣及系统用风等环节，调整好挡料圈的高度对立式磨的运行至关重要。在正常情况下，磨内的料层厚度大约30～60mm，此时磨机运转平稳，磨音柔和，外循环料量基本保持不变；料层太薄，磨机震动大；料层太厚，磨机负荷大而粉磨效率降低，严重时也会造成剧烈震动。由于生产初期，硅质原料全部用砂岩配料，造成立式磨运行半个月后就出现磨辊部分磨蚀，产量开始下降，在电石渣掺量为30%时，磨机产量只有60t/h(0.08mm筛余12～14%)，影响系统运转。

      原料易磨性测试结果见下表。其粉磨功指数为18.20KWh/t,说明砂岩非常难以研磨，用眼睛观察，砂岩结晶度完好而且含量多，后改成粘土和砂岩共同配料，系统于2005年8月22日正常平稳运行，产量稳定在76t/h以上，生料系统平均电耗19kWh/t。

   原 料 易 磨 性 测 试 结 果

HRM1900/2200立式磨的主要操作及控制参数见下表

HRM1900/2200立式磨的主要操作及控制参数

2.3   预分解系统

      针对电石渣替代石灰石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，结果如下：
电石渣从室温升温到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。

      我们按JC/T735－88生料易烧性实验方法进行了生料易烧性测试。原料的化学成分分析结果如下。

原料的化学成分分析结果

 生料配料分为两组，其配比见下表。

原料的配比

 
 熟料的游离氧化钙含量分析结果见下表。

熟料的矿物组成

 熟料的游离氧化钙含量结果见下表

原料煅烧后的熟料游离氧化钙含量分析

      在此原料配合比的情况下说明易烧性能很好，均能烧出较少的游离钙，在1450℃的煅烧温度时均出现融熔状态。

      在温度低于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的分解温度与石灰石中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，低于石灰石中CaCO3的750℃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。电石渣在生料中所占比例达到63.5%时，该生料的熟料形成热为1025kJ/kg，约为普通原料所配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[ 3]。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。经过对系统进行综合分析和平衡计算，烧成热耗确定为3100～3360kJ/kg，其中蒸发生料物理水的耗热为35kJ/kg，熟料形成热为1025kJ/kg；预热器出口废气温度按340℃考虑时，废气带走热700kJ/kg；入窑物料分解率按90～95%设计。研制开发出的预热器为：低阻型、高分离效率、显著防堵的新型低压损S型结构、3R大包角形式蜗壳、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，分解炉系统没有产生局部高温的条件，因而系统结皮堵塞现象很少。预分解系统关键部位采用特殊的衬料，专门研制的预分解系统为RBH5/1300型。 

3    实际运行效果

      2005年7月18～28日，电石渣浆脱水、压滤及预烘干、石灰石破碎、生料粉磨、煤粉制备等系统先后顺利完成负荷试车。8月22日，生料粉磨系统产量稳定在76t/h，到9月份生料系统产量稳定在85t/h以上，系统平均电耗18kWh/t。
8月8日，烧成系统点火，8月12日生产出合格熟料。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9月份烧成系统熟料产量达到了1200t/d以上，熟料28天抗压强度≥58MPa，熟料烧成热耗760×4.18kJ/kg。

      2005年10月25日开始，生料中电石渣掺量超过50%（干基），电石渣替代石灰石量达60%以上。2005年12月15日开始，生料中电石渣掺量超过60%（干基），电石渣替代石灰石量达70%以上。 

4    结  语

     该生产线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（干基），全年可以节省约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水泥熟料工艺相比，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”新型干法工艺生产水泥熟料相比，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。另外，与带压滤半湿法回转窑生产工艺及“湿磨干烧”新型干法窑生产工艺相比，全年约少消耗水5.4万立方米。

      电石渣替代石灰石配料、“干磨干烧”新型干法水泥生产线的顺利投产，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辟了广阔的前景，对建设节约型社会、发展循环经济具有重要的示范意义。




参考文献：
[1] 潘炯. 湿磨干烧技术在废渣治理中的应用. 水泥. 3 (2002)11-13.
[2] 丁奇生，张平洪. 电石渣用于新型干法水泥熟料生产. 中国水泥. 6（2005）56-59.
[3] 黄少文，张志忠. 小型五级旋风预热器窑对电石渣生料的适应性探讨水泥. 8 (2002)11-13.