旁路放风系统对电石渣配料熟料岩相的影响

  摘要：通过对比使用旁路放风系统前后电石渣配料熟料岩相的变化，研究了电石渣中氯离子含量对熟料质量的影响。结果表明，无论是否使用旁路放风系统，电石渣配料熟料中都没有新矿物（氯铝酸钙）生成；旁路放风系统可以降低窑尾氯离子的富集程度，从而减少氯离子对烧成系统的不良影响。另对比了城市垃圾焚烧灰配料生产的生态水泥和电石渣配料生产的水泥熟料，因电石渣中的氯离子含量仅为城市垃圾焚烧灰的1/35，因此两种熟料物理性能差异巨大。

  1 研究背景简况

  目前，我国年产电石600多万t，由此每年产生的电石渣在700万t以上。电石渣是一种有强烈腐蚀性的碱性固废弃物，对环境污染严重。近几年随着环境保护受到空前的重视，一些以电石为原料的企业面临的环保压力越来越大。随着新型干法水泥的发展，电石渣应用于预分解窑的生产越来越普遍，加上我国对废弃资源的综合利用采取鼓励政策，电石渣已经成为水泥生产过程中高品位的钙质原料。

  随着电石渣作为水泥生产企业的主要钙质原料，电石渣中含有的微量有害元素对水泥生产的影响日渐得到重视，其中电石渣中的Cl-含量是影响预分解窑烧成系统的重要因素。经检测大部分氯碱企业的电石渣中的Cl-含量普遍偏高，其w(Cl^-)波动在0.023%～0.3%之间；有些氯碱企业的电石渣Cl^-含量居高不下，甚至有大量w(Cl^-)＞0.5%的高氯电石渣存在。因此为了长期稳定使用电石渣作为水泥生产原料，旁路放风系统的设计与应用必不可少。这是从源头上对电石渣中Cl-含量进行严格控制的措施之一，且是严防烧成系统结皮堵塞事故的重要措施。因一旦在氯碱企业的生产工序中无法降低电石渣中的Cl-含量，那么就意味着水泥厂在生料配料中只能减少电石渣的掺加比例，甚至放弃使用，否则会增加预热器及分解炉结皮堵塞的频率，严重时使水泥生产无法进行。

  本文通过对比旁路放风前后采用电石渣生产水泥熟料岩相分析，研究电石渣中氯离子含量变化对水泥熟料质量的影响；并将电石渣与日本生态水泥用城市垃圾焚烧灰进行化学组成的对比分析。

  2 材料与方法

  2.1试验材料

  水泥熟料采用我集团公司下属某2500t/d新型干法水泥生产线熟料，该生产线部分采用电石渣作为钙质原料，并配置有旁路放风系统。其原料化学成分见表1，旁路放风系统的流程见图1。其中旁路放风系统取风点位于窑尾烟室上部，经过冷却风机的稀释降低温度后除尘，废气经过尾部循环风机重新进入窑尾系统的废气管道，收集下的窑灰经运输后应用于混合材。

  当旁路放风系统投入运行时，按照正常生产控制，取5kg出窑熟料，冷却备用并命名为#1熟料；当原材料不发生变化，燃料和设备工艺状况保持正常运行，旁路放风系统停止运行时，按照生产正常控制，再取出窑熟料5kg，冷却备用并命名为#2熟料。

  2.2试验方法

  取两种具有代表性的熟料颗粒数十颗，分大中小将熟料球破碎，使用树脂浇筑，经粗磨，细磨，抛光后在OLYMPUSBX×51型偏反多功能显微镜下观察两种不同熟料的矿物质组成和形貌，岩相分析时采用1%的NH4Cl溶液浸蚀，温度20℃，浸蚀3～5s，采用α氧化铝为抛光粉，其细度小于2μm。

  3 熟料岩相分析结果

  3.1#1熟料的岩相分析

  #1熟料的岩相分析图谱见图2。为了更好显示熟料的岩相情况，本文采用了10幅图片具体分析不同熟料的岩相情况。

  从图2可以看出，A矿数量较多，包裹体明显，矿物及晶体发育良好，边缘清晰，最大尺寸大约为30μm左右，但是小型的A矿明显存在，说明部分生料存在高温段停留时间较少；同时A矿中部有明显的裂纹，A矿的包裹体以B矿为多，估计熟料的饱和比在0.89左右，A矿含量（质量分数）在60%左右。

  B矿数量较少，在视野内很难看到，并且几乎所有的B矿都以矿巢形式堆积存在，而部分很好的分布于A矿之间。B矿表面的交叉双晶纹明显，但是部分B矿有明显的裂纹；同时B矿圆度系数差，连生堆积严重；B矿数量少，其w（B矿)小于10%。熟料中的f-CaO含量较少，发现的一处呈现堆积状态。熟料中的白色中间相数量适宜，黑色中间相很少发现，但无明显的无定形C3A存在。熟料中的空隙率合适，除去偶尔的大空洞外很少有空隙存在，说明熟料煅烧致密，立升重较高。

  10幅图片具体分析不同熟料的岩相情况。从#2熟料的岩相分析结果图3可以看出，A矿数量较多，但发育不良，晶体尺寸差异较大，边棱清晰，融蚀较少；A矿表面能见到清晰的慢冷造成的裂纹，附近可以见到细粒状B矿；能见到较多的包裹体，视域内整体熟料空洞较多。这说明熟料呈急烧状态，煅烧时间不足，熟料反应过程时间短。B矿数量较少，填充于A矿之间，圆度较好，表面双晶纹短粗，但视野内经常有B矿矿巢出现，说明生料有较粗的石英颗粒存在。

  很少见到结晶的黑色中间相，白色中间相数量适宜，能较好的填充在A矿之间，但是大量煤粉灰分的集中落入降低了生料的KH值，形成B矿堆积区和液相坑(如图F10），因此熟料的急烧现象明显，熟料强度不高，立升重低。值得注意的是，熟料中并没有发现除普通硅酸盐水泥常见四种主要矿外的其它矿物，并且四种主要矿物的外观形貌并没有受到外界环境的影响而发生明显的改变，从视野中的观察看四种矿物的总和已经超过98%，熟料中的游离氧化钙含量并没有出现升高迹象，只是熟料的空隙率明显变大，这与以前的研究结果一致^[1] 。

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  3.3分析与讨论

  过去对电石渣生产水泥熟料的岩相分析结果较少，并没有查到相关的文献资料和相关的图谱；同时由于工业废渣对熟料岩相的影响受到的重视不够，当熟料质量发生波动时，新型干法水泥厂往往按照立窑生产经验去处理或者舍弃不用，造成各种废弃物的研究缺乏系统和参照。根据外国对生态水泥的研究情况，尤其是日本使用垃圾焚烧灰生产水泥的研究结果，可以发现如果原料中的氯离子含量较高时，熟料的岩相结果将会发生变化。表2是日本生态水泥用城市垃圾焚烧灰的化学成分^[2]，从表2中可以看出，垃圾焚烧灰的碱、硫和氯离子含量都远高于电石渣中对应的含量。表3给出了我集团公司下属某2500t/d新型干法水泥生产线2011年12月至2012年4月生产用电石渣的氯离子含量。比较表2和表3，城市垃圾焚烧灰中的氯离子含量是电石渣中的35倍以上。因此使用垃圾焚烧灰生产的生态水泥中含有氯铝酸钙（C11A7·CaCl₂），而使用电石渣生产的普通硅酸盐水泥熟料，从岩相图谱中无法找到颗粒状态的C11A7·CaCl₂晶体。

  在电石渣部分代替石灰石后，石灰石的使用量出现明显的下降，这与使用垃圾焚烧灰类似。垃圾焚烧灰配料和电石渣配料的原料配比见表4。从表4中可以看出，尽管两种不同的配料方案石灰石的掺加量几乎相同，但是电石渣与垃圾焚烧灰的掺入比例却相差较大，这与两者的CaO含量差异较大有关。另垃圾焚烧灰中氯离子很高，因此使用垃圾焚烧灰生产的水泥中w（C11A7·CaCl₂）达20%左右，其生态水泥的主成分就变成了C3S和氯铝酸钙（C11A7·CaCl₂）。而电石渣配料生产的普通水泥熟料，其C3A含量（质量分数）约为6%～8%，另从岩相分析中在视野内无法找到氯铝酸钙，显然这与垃圾焚烧灰配料的水泥熟料不同。

  为了进一步分析烧成系统旁路放风系统开停对各环节物料氯离子含量的影响，分别在不同的日期进行取样检测，见表5。表5中2012-01-11使用了旁路放风系统，2012-02-22，2012-02-29和2012-03-07未使用旁路放风系统。

  从表5中可以看出在不使用旁路放风系统时，入窑生料和热生料中的氯离子含量明显提高，但是窑灰和熟料中的变化表现并不明显，而窑尾系统的循环富集则十分明显，富集程度可以是原始入窑生料的100倍以上，并且与初始入窑生料中的氯离子含量有对应关系。因此旁路放风系统可以较好控制窑尾系统氯离子的富集，从而能有效降低了生料中氯离子对熟料质量的影响。

  表6给出了两种不同原料生产的熟料物理性质，从中可以看出垃圾焚烧灰水泥凝结时间非常短，如果不加入缓凝剂水泥就无法使用，而电石渣水泥则与普通水泥没有区别。这就是两者矿物组成不同造成的，生态水泥中快硬矿物氯铝酸钙的存在是水泥急凝的根本原因。

  4 结论

  通过对比使用旁路放风前后的电石渣配料熟料岩相分析结果，可以得出如下结论：

  （1）电石渣配料熟料岩相分析结果表明，无论是否使用旁路放风系统，其熟料岩相中都没有其它新生矿物的存在，熟料矿物仍然是由C3S，C2S，C3A和C4AF组成。

  （2）通过对比日本垃圾焚烧灰配料的生态水泥，发现电石渣中的氯离子含量只有城市垃圾焚烧灰的1/35，在电石渣配料熟料岩相分析中没有发现新矿物——氯铝酸钙。

  （3）电石渣生产水泥过程中，窑尾系统氯离子含量有超过100倍以上的循环富集，但使用旁路放风系统则可使其循环富集的程度控制在40倍。这表明使用旁路放风系统可以降低窑尾氯离子的循环富集程度，从而降低氯离子对烧成系统的影响。

  （4）熟料岩相结果表明使用电石渣作为水泥原料，其熟料孔隙率有所增加。

  参考文献

  [1]封培然，宋利丽，陈军磊.浅谈工业废渣对熟料岩相的影响[J].新世纪水泥导报，2012（1）：12-17.

  [2]施惠生.生态水泥与废弃物资源化利用技术[M].北京：化学工业出版社，2005（1），112-120.