利用电石渣生产水泥的反思与展望

　　1 电石渣的特性与水泥生产概况
　　电石渣是电石法PVC的生产过程中，电石水解后产生的废渣。电石渣的主要成分是Ca(OH)₂，其化学成分CaO含量高达70%。从乙炔发生器中排出的电石渣水分高达90%以上，经沉降池浓缩后，水分仍有75～80%，正常流动时的水分在50%以上。电石渣容易造成环境污染，且难以治理，严重制约了电石法PVC工业的发展。

　　电石渣成分均匀，含钙量高，是优质的水泥原料，用来代替石灰石生产水泥是用量最大、利用也最为彻底的方法，解决了化工生产厂家的后顾之忧。利用电石渣生产水泥通常采用“湿磨干烧”或预烘干“干磨干烧”工艺：山东淄博(1200t/d)采用“干磨干烧”工艺，在2005年成功运行1年后停产至今，四川德阳(1500t/d)、四川乐山(2500t/d)这2条生产线也采用“干磨干烧”工艺，并于2008年建成投产，但由于电石渣供应问题没有解决，电石渣的掺入量尚末达到设计要求；此外尚有多条采用“湿磨干烧”工艺的水泥生产线。

　　化工生产厂家通过调整工艺，可以使得新出厂电石渣中Cl^-含量达到“干磨干烧”或“湿磨干烧”工艺的要求；而历年积累的电石渣大都存在Cl^-超标的问题，只能通过少掺或采用湿法、立窑、中空窑煅烧工艺加以解决，不在本文讨论之列。

　　2008年，国家发展改革委办公厅印发《关于鼓励利用电石渣生产水泥有关问题的通知》,以下简称《通知》。《通知》规定新建电石渣水泥生产线装置必须采用新型干法水泥生产工艺；现有电石渣水泥生产线可以采用“湿磨干烧”生产工艺进行改造^[1]。这个规定有些不妥。
 
　　2 “干磨干烧”与“湿磨干烧”两种工艺过程的对比分析
　　(1) 从原料水分的去除来看，机械脱水无疑是最经济的方式，所以不管是“湿磨干烧”还是“干磨干烧”，都先采用压滤机对原料进行脱水。“湿磨干烧”是将生料浆进行压滤后送入破碎烘干机；“干磨干烧”则是先将电石渣浆压滤后再进行预烘干。
由于电石渣颗粒微细，分散度很高，具有多孔状结构，保水性极强，单独脱水的脱水率很低。采用厢式压滤机脱水后，电石渣滤饼水分在35%左右。而压滤生料浆时，由于其它易脱水原料的掺入，其保水性下降，生料滤饼的水分可降至27%。

　　以电石渣干基配比60%、其它原料平均含水率5%计算，“干磨干烧”工艺每吨干基生料带入水为0.6×35÷(100-35)+0.4×5÷(100-5)=0.344吨，带入水分的99%在预烘干和生料粉磨两个阶段内蒸发；“湿磨干烧”则为27÷(100-27)=0.370吨，主要在破碎烘干机内蒸发。由此可见在后续工序利用热能脱水时，“湿磨干烧”比“干磨干烧”多出0.026吨水。利用热能脱水往往是迫不得已才采用的方式，在这一点上，“干磨干烧”略占优势，“湿磨干烧”最为人所诟病的就是除电石渣外的原料要先加水再脱水，其结果是蒸发水量仅仅多出7%。
  
　　(2) 预烘干“干磨干烧”工艺选用回转式烘干机对压滤过的电石渣滤饼进行预烘干，使其水分由35%降至10%左右，这部分烘干热耗达1000kJ/kg-cl，加上烧成热耗3100kJ/kg-cl，合计熟料热耗高达4100kJ/kg-cl，与“湿磨干烧”工艺相当，节煤效果并不显著。另外还有一个现象：电石渣滤饼在回转式烘干机内翻滚后，逐渐密实并形成球状，获得一定的强度，需要重新破碎，同“湿磨干烧”先加水再脱水一样，有违反工艺路线之嫌。
 
　　(3) 电石渣成分均匀，只须烘干便可成为优质的水泥钙质原料，现预烘干“干磨干烧”工艺采用立磨对配合料进行最终的烘干兼粉磨，生料产量为75t/h时，立磨本身装机功率为575kW，加上立磨风机900kW，主机功率达1475kW。而在原料中需要粉磨的硅铝质、铁质及其它钙质原料仅占40%，即在30t/h左右，若选用球磨机对这部分物料进行粉磨，则只须选用一台Ф2.4×10m中卸烘干磨便完全可以满足要求，其主机功率仅为570kW。两种方案主机功率差别竟达905kW，产量为45t/h，初水分为10%的粉料的烘干、混合要占用905kW的装机功率，可见采用立磨粉磨以电石渣为主的原料并不节电。随着煤化工行业科学技术的不断进步，电石渣干排技术日益成熟，这为新型干法生产水泥提供了捷径，利用立磨粉磨电石渣生料浪费电能的缺陷将更为突出。

　　“湿磨干烧”采用破碎烘干机对压滤过的生料滤饼进行烘干、破碎，在获得相同生料的情况下，它的主机装机功率为450kW，加上湿法开流磨750kW，合计为1200kW，低于“干磨干烧”。（“湿磨干烧”要多用四台压滤机，主机功率为4×5.5kW；“干磨干烧”则需另加两台烘干机，主机功率为2×110kW，均末计入）。在电耗方面，“湿磨干烧”有优势。

　　3 对“干磨干烧”与“湿磨干烧”两种工艺的评价
　　(1) 通过上述对比可以发现：在电石渣掺量较大时，“湿磨干烧”工艺的电耗、投资指标均优于“干磨干烧”；其蒸发水量高于“干磨干烧”7%，热耗却不相上下，此中原因出在电石渣预烘干环节。从能量守恒的角度来看：水分蒸发的过程就是吸热的过程，降低热耗的途径有两个，一是降低物料水分，二是提高热交换效率。机械脱水是最经济的方式，它的能力要尽力发挥，在它的能力达到极限之后，就只能在提高热交换效率上多做工作了。回转式烘干机在烘干电石渣滤饼时，其效率显然没有在悬浮状态下效率高。回转式烘干机与破碎烘干机热效率的差异，在热耗上得到了极好的体现。

　　在传统水泥生产中，对于大宗湿物料，20年前水泥界就有共识：当原料水分超过10%或粘性过大时，均应排除干法工艺，否则物料烘干热耗将超过干法生产所能节省的热耗。这个10%即是生料磨所能烘干原料的水分极限，现在普遍采用立式磨，这个数据可提高至12-14%。例如：我国两个设计院在对峨眉水泥厂扩建年产70万吨新生产线的可行性研究中，就曾用全干法烘干工艺与“湿磨干烧”工艺进行对比，在分析中发现：全干法生产每年在熟料烧成热耗上虽比“湿磨干烧”节约标煤7052t，但原料的烘干热耗增加标煤9619t，水泥综合电耗又增加标煤2580t，使其综合能耗高于“湿磨干烧”方案5147t标煤，再加之干法投资高于“湿磨干烧”，其最优方案应选择“湿磨干烧”^[2]可见，仅因“湿磨干烧”熟料烧成热耗指标高于全干法，就认为“湿磨干烧属于中间技术，不宜于广泛采用”是不科学的。我们寻求的应该是项目的整体效益。

　　“湿磨干烧”的缺点在于：因为驱动功率较大，在流程上可视作某级预热器的破碎烘干机必须置于地面，一旦发生积料，必须停窑处理。随着科技的进步，破碎烘干机日趋可靠。如果采用回转式烘干机烘干大宗湿物料，片面追求可靠性，片面追求新型干法，则是工艺的倒退，实非明智之举。
 
　　(2) 当电石渣滤饼掺入量较小，使得入磨原料综合水分控制在12-14%以下，舍弃回转式烘干机，利用立磨能够一步完成烘干兼粉磨时，新型干法的优势就很明显了，此时采用新型干法是合适的。若采用干排电石渣，尽管此项技术仍在逐步完善之中，则不论电石渣掺量多少，在现有技术条件下，新型干法几乎是唯一的选择。

　　4 是否有必要追求用电石渣100%替代石灰石？
　　(1) 电石渣中的Ca(OH)2在平衡分解压力为760mmHg下的分解温度为575℃，分解吸热1160kJ/kg；而石灰石中的CaCO₃的分解温度为894℃，分解吸热1660kJ/kg。利用电石渣生产水泥，在电石渣掺入量较大时，其烧成热耗应远低于传统熟料，但在实际生产时，节能指标并末达到期望值，主要原因在于电石渣与石灰石化学成份的差异。

　　在电石法PVC的生产过程中，用来生产电石的原料是石灰石和焦碳，品位均很高；钙质在电石水解得到乙炔气的过程中只是作为载体出现，其本身并没有消耗，引入的杂质也极其有限。电石水解的主反应式为：CaC₂(电石)+2H₂O→C₂H₂↑(乙炔气)+Ca(OH)₂↓(电石渣)。

　　不仅如此，在电石炉内温度高达2000℃和还原气氛的条件下，原料中的MgO被还原成单质，同K₂O、Na₂O一道气化后逃逸，其它微量元素则与钙质结合^[3]。在电石和水反应的同时，电石中杂质也参与反应生成Ca(OH)2和其它气体，其副反应式为：

　　CaO+ H₂O →　Ca(OH)₂　
　　CaS+ 2H₂O → Ca(OH)₂ +H₂S↑
　　Ca₃N₂+ 6H₂O → 3Ca(OH)₂ +　2NH₃↑
　　Ca₃P₂+6H₂O →　3Ca(OH)₂ +　2PH₃↑
　　Ca₂Si+4H₂O →　2Ca(OH)₂ + SiH₄↑
　　Ca₃As₂+ 6H₂O →　3Ca(OH)₂ + 2AsH₃↑

　　以上原因造成电石渣中微量元素特别是MgO的缺失，使得熟料矿物特别是C₃S要在更高温度下才能大量形成，烧成带温度要控制在1450℃以上，增加了熟料烧成热耗。
 
　　(2) PVC生产与水泥生产的差异决定二者不能始终同步运行，通过对业主的接触，发现他们大都希望在电石渣充足时，能最大限度地掺入电石渣，在化工厂停产检修时，也能用石灰石维持生产。

　　综上所述，笔者认为比较理想的情况是：电石渣替代石灰石能保持在60%～80%左右，其余使用低品位矿石，用以补充对水泥生产有利的微量元素。这样在热耗和运转率上都是比较理想的，片面追求100%替代石灰石并不能达到最佳效益。
 
　　5 “干磨湿烧”工艺简述
　　通过对两种工艺过程的对比分析，笔者提出一种利用电石渣煅烧水泥熟料的新思路，简而言之，就是“干磨湿烧”。“干磨湿烧”的主要特点是：单独粉磨、滤饼直接入分解炉。^[4]

　　(1) 除电石渣外的辅助原料经配料后单独粉磨，并可根据原料条件决定是否采用均化措施。
　　(2) 针对电石渣滤饼特性，设计新型分解炉。

　　电石渣浆经压滤后，滤饼直接送入分解炉，一步完成烘干、分解；磨细辅助原料经配料后从C2筒上升管道喂入，经预热后由C3筒收集并喂入分解管道，在分解管道与预热器C4筒内完成与电石渣的混合，经C4筒收集后入窑煅烧成水泥熟料。

　　新生态的CaO有更快的反应速率，而在使用回转式烘干机烘干物料时，不仅热效率低，且物料有升温、冷却、入窑再升温的过程，因此电石渣直接入分解炉，可以减少无谓的热量损耗。

　　如果要求电石渣在炉内完成烘干、分解的过程，势必要提高炉内温度，分解炉出口温度也会随之提高，如果没有物料降温，预热器出口废气温度将会很高，这就是不能将混合料直接送入分解炉的原因。
 
　　6 结束语
　　(1) 在现有技术条件下，对于湿排电石渣，当电石渣掺入量大时，采用“湿磨干烧”工艺是合适的；当电石渣掺入量小，立磨能够完成烘干兼粉磨时，采用新型干法是合适的。

　　(2) 对于干排电石渣，不论电石渣掺入多少，均应采用新型干法；利用回转式烘干机烘干大宗湿物料并不可取。

　　(3) 电石渣替代石灰石保持在60%～80%左右，其余使用低品位矿石比较理想，片面追求100%替代石灰石并不能达到最佳效益。

　　(4) 目前在研究利用电石渣制水泥的过程中，往往是通过改变电石渣特性去适应新型干法，利用电石渣特性，研究开发新装备的工作却不多；“干磨湿烧”用于电石渣制水泥，应该能够简化工艺流程、降低建设投资和生产成本，取得更好的经济效益，但尚有待于实践的检验。
 
 

参考文献
[1] 国家发展改革委办公厅.关于鼓励利用电石渣生产水泥有关问题的通知.发改办环资[2008] 981号
[2] 葛冠军.论湿磨干烧工艺在湿法水泥厂技术改造中的应用[J].新世纪水泥导报,卷4第4期:8-11.
[3] 王刚.原料杂质对电石生产的影响[J]. 辽宁化工,1991,(4):25-27.
[4] 肖其中,周宏健,崔冬梅.利用电石渣生产水泥新思路[J]. 水泥工程,2008,(6):72-76.