国内首条高掺电石渣干磨干烧新型干法水泥生产线的设计及调试

1  前言 

      博汇实业有限公司是淄博市最大的民营上市企业，集团固定资产约55亿元，年销售额约65亿元。目前的主要产品是造纸和化工，离子膜烧碱工程年产26万吨电石，每年产生约30万吨（干基）电石渣。如何充分合理地利用电石渣，使之变废为宝造福于社会和企业，已成为博汇集团决策者日夜焦虑的问题，集团公司组织科技人员对湿法回转窑、带压滤系统的半湿法回转窑、湿磨干烧、小型五级旋风预热器窑以及电石渣掺量15%干磨干烧生产工艺进行调查、比较和研究，最终决定委托合肥水泥研究设计院对淄博宝生环保建材有限公司综合利用电石渣生产水泥进行设计，要求使用高掺电石渣干磨干烧生产工艺，每年消耗掉30万吨（干基）电石渣。 

     合肥水泥研究设计院十分注重各种工业废渣在水泥生产中的综合利用，一直致力于使用电石渣生产水泥的综合技术与装备的开发研究，并在成功采用电石渣掺量15%干磨干烧工艺生产水泥的基础上，又专门成立了高掺电石渣干磨干烧新型干法水泥生产线科研开发课题组，进行了大量的试验研究、理论分析和技术方案论证，深入研究用60～70%高比例电石渣配料生产水泥熟料的特点，设计的国内首条1200t/d高掺电石渣干磨干烧新型干法水泥生产线，采用电石渣预烘干、立磨烘干、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日一次点火成功并生产出合格熟料，目前系统阻力 ≤5200 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，实现了稳定持续生产，达到国内目前最高水平。 

2  高掺电石渣生产水泥新型干法生产工艺 

       2.1  电石渣浆的脱水、压滤及预烘干 

      含水90%左右电石渣液通过料浆泵送到2-Ф24m浓缩池中，经浓缩后的电石渣液含水80%左右。目前国内比较经济、成熟、可靠的料浆过滤方式主要有两种：真空吸滤和板框压滤；真空过滤脱水能力相对较弱，滤饼水分较高，一般大于50%[ 1 ]；带隔膜板框压滤的脱水能力较强，料饼水分较低，压滤后的滤饼水分含量一般在40%[ 1 ]以下。高水分电石渣在生产中需要热耗较高，经济上不合算，同时给电石渣的输送、储存带来困难，因此采用带隔膜板框压滤进行电石渣过滤脱水，可以排出滤饼颗粒间的微离水份；根据电石渣浆过滤性能试验，压滤机的规格型号确定为XMZ500/1500，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36%[ 1 ]。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。 

      电石渣浆采用机械脱水后水分一般在28～36%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过大的缺点。 

      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，不易输送和利用。 

      4、电石渣烘干后废气浓度高，对收尘设备产生粘堵和腐蚀。 

      我们做了电石渣含水15%时的物理性能，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，能满足烘干机热量需求，这样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[2 ]，经储存风干后和采用防堵措施，解决了喂料及粘堵现象；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[3 ]；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，使其达标排放；系统设计能力为46t/h。实际生产中系统运行稳定，单机能力为26-30t/h。 

     2.2  原料烘干及粉磨 

     立式磨集粉磨、烘干、分级和气力输送于一体，特点是粉磨效率高、电耗低、烘干能力大、产品细度易于调节、粒度均齐、化学成分容易控制、噪音低、扬尘少、系统工艺流程简单、设备布置紧凑、占地面积小、土建费用低等，特别是能充分的利用窑尾废气进行烘干，利用率达到90%。电石渣的主要化学成分是Ca(OH)2，其颗粒微细，10～40微米颗粒占90%左右，是一种含CaO纯度(65%左右)较高、化学成分又比较稳定的工业废渣，水分为15%左右的电石渣颗粒小于5mm，需要粉磨的量微乎其微，但要充分的利用立磨烘干能力强、均化效果好的优势。本工程生产采用电石渣、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11～13%的要求和原料易磨性实验，我院专为粉磨电石渣研制的HRM1900/2200立式磨，保证磨机具有45～60t/h生料的研磨能力和80～90t/h生料的烘干能力。当水分为10～12%入磨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的高速风环气流带起，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。 

      2.3  预分解系统 

      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，900℃以下时电石渣配料与常规生料的差异如下： 

      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，当温升至450～550℃左右，Ca(OH)2开始分解；生成的CaO有可能会吸收烟气中的CO2生成难分解的CaCO3，直至850℃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[4 ]。 

      2、 熟料的形成过程不同：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；电石渣配料的生料不论呈Ca(OH)2状态或呈分解后的CaO状态，均有可能吸收CO2的现象，并在高温段实现二次分解，重新生成CaO[4 ]。 

      3、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。 

      4、电石渣颗粒较细，脱水较早，预分解系统出口废气成分中水分体积比占23%左右，在旋风筒和分解炉锥部易于产生粘附堵塞[ 5 ]。 

      经过对系统综合分析和热平衡计算，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1024kJ/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。我们对原料按JC/T735-88生料易烧性实验方法进行了易烧性测试，原料配料为两组，其配比见表1，熟料的矿物组成见表2，熟料的游离氧化钙含量分析见表3；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。 

表1　原料的配比

表2　熟料的矿物组成

表3　原料煅烧后的熟料游离氧化钙含量分析

针对煅烧电石渣原料的特性，结合已经应用过的经验，研制开发低阻型、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。 

3  生产调试 

       3.1  电石渣中有害成分的处理 

       在项目设计阶段，对宝生公司的电石渣、粘土和砂岩、石灰石进行了化学成分全分析，根据厂方多次送来的样品分析电石渣的氯离子均达0.11％以上。其化学成分全分析见表4，经和化工厂工程技术人员探讨，认为是离子膜烧碱工程生产过程中使用循环水的原因，对送来非使用循环水的电石渣样也进行了氯离子分析，其结果与其它来样的氯离子一样，含量仍在0.123％，电石渣中的氯离子基本上是以不溶于水的化合物形式存在。有的氯离子会在高温下有部分挥发，为降低物料的氯离子含量，我们分析了不同温度对电石渣氯离子浓度的影响见表5，可以看出随着温度的升高，氯离子挥发量有所增加，但由于电石渣样品的氯离子绝对含量高，经过600℃温度后电石渣的氯离子含量仍较高；由于原料中的氯离子会在回转窑和分解炉内循环富集造成预热器结皮堵塞，因此保证生料中氯离子含量小于0.015％是十分必要的[ 6 ]。

表4电石渣化学成分全分析

表5不同煅烧温度对电渣氯离子浓度的影响

　　经过对离子膜烧碱工程生产线的排查，最后确定是电石生产用水带入氯离子，离子膜烧碱工程生产用水取自于300米深层承压水，300米地下水氯离子含量1307mg/l，而500米地下水氯离子含量136mg/l，因此确定离子膜烧碱工程生产改用500米深层承压水，补充20%处理水，断开其它设备、工艺用循环水，降低电石渣氯离子浓度，原、燃料的化学成分分析见表6, 煤的工业分析见表7。 

表6　原、燃料的化学成分分析

表7　煤的工业分析

       3.2  配料设计 

       根据烧窑操作工的培训情况，初期按电石渣15%的配料方案进行设计，经过一段时间煅烧摸索，掌握一定经验后，将电石渣的配料以15%比例逐渐提高，直到满足预热分解窑煅烧的要求；原料配比见表8，生、熟料的化学成分见表9，熟料的矿物组成见表10。 

表8　原料配比

表9　生、熟料的化学成分

表10　熟料的矿物组成

       3.3  原料烘干及粉磨 

       原料立式磨HRM1900/2200是在HRM1900基础上专为烘干粉磨电石渣而研制的产品，系统未设热风炉，利用窑尾废气作为热源；系统于2005年7月28日开始调试，由于是首次烘干粉磨电石渣配料，对挡料圈高度、吐渣、系统参数等缺乏经验，经过不断的摸索，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，造成立式磨运行半月后，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；对原料进行易磨性测试见表11，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；对于不同的原料配料与立式磨HRM1900/2200的产量关系见表12，立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制参数见表13。  

表11　原料易磨性测试

表12　原料配料与立磨的主要产量关系

表13　立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制参数

      3.4  烧成系统 

      烧成系统于2005年8月8日点火烘窑，8月12日烧出合格熟料；8月12日至8月20日生料配料采用编号A，电石渣掺量为15%，烧成系统运行初期生料投料量控制在1600t/d左右，约合熟料产量1000t/d左右（生料理论料耗1.46），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；8月21日至8月底生料配料采用编号B，电石渣掺量为30%，烧成系统生料投料量在1600t/d左右，约合熟料产量1100t/d左右（生料理论料耗1.40）；2005年9月初生料配料采用编号C，电石渣掺量为45%，烧成系统生料投料量在1800t/d以上，烧成系统产量达1200t/d以上（生料理论料耗1.36），最高产量达1360t/d，熟料标号达58Mpa以上，熟料烧成热耗3180kJ/kg（760kCal/kg），熟料f-CaO、升重合格率>85%；试生产期间烧成系统的实际操作参数见表14～16。 

表14　烧成系统喂料量及转速

表15　烧成系统风温分布（℃）

表16　烧成系统压力分布（Pa)

       预分解系统从试生产初期发生3#筒下料管堵塞过一次，经处理后没有再发生堵塞现象，整个系统运行平稳；在2005年8月26日发现窑尾烟室、分解炉锥部和缩口结皮，大部分比较疏松呈绿色夹层，易于清理，靠近衬料处结皮致密呈黑色，内部夹层呈绿色，经对结皮、生料取样进行有害成分分析见表17，发现氯离子和三氧化硫严重超标；一般情况下，生料的最低共熔温度为1250℃，当CaSO4、K2SO4、Na2SO4和氯化物共同存在时，最低共熔温度可接近700℃[ 6 ]，这是造成窑尾烟室、分解炉锥部和缩口结皮的重要原因。将增湿塔供水由300米深井水改用500米深层承压水，窑尾烟室、分解炉锥部和缩口结皮的几率大为减少。

表17　有害成分分析

      3   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，以电石渣为水泥工业生产原料，可以节省石灰石资源，减少CO2的排放和能源的消耗，减轻环境的污染；本项目与带压滤系统的湿法回转窑生产工艺相比节煤46%，与湿磨干烧生产工艺相比节煤20%，即使加上电石渣的预烘干用劣质煤的能耗，其熟料的综合热耗也不超过3900kJ/kg。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，为我国建材行业和化工行业的节约能源、保护环境开创了广阔的前景，对石灰石资源的二次利用具有深远的示范意义和实际推广价值。 

参 考 文 献 

［1］张平洪，周明，朱大来. 电石渣首次在新型干磨干烧生产线的成功利用 水泥工程. 2004.3 

［2］丁奇生, 张平洪.  电石渣配料在新型干法水泥熟料生产中的研究.  中国水泥. 2005.6 

［3］扬刚. 浅谈高湿含量轻质废渣的烘干处理问题.  水泥科技. 2004.5 

［4］潘炯.  湿磨干烧技术在废渣治理中的应用.  水泥. 2002.3 

［5］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. 2002.8 

［6］陈全德等编著《水泥预分解技术与热工系统工程》 中国建材工业出版社. 1998