電石爐凈化除塵灰作炭材烘干燃料的工藝設(shè)計(jì)研究

馮召海,李歡，張佳

(新疆中泰礦冶有限公司，新疆 烏魯木齊 831500)

為了保護(hù)環(huán)境，一般都要求對(duì)電石爐尾氣進(jìn)行除塵和回收利用。電石爐尾氣通過(guò)多級(jí)降溫除塵后，收集的固體粉塵通過(guò)鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)輸送到卸灰罐。該固體粉塵一般稱(chēng)之為凈化除塵灰(以下簡(jiǎn)稱(chēng)凈化灰)，外觀呈深黑色，其溫度在200 ℃左右，10 μm以下粒徑成分約占80%，含有焦油及較高含量的揮發(fā)性成分，另外，還含有少量的電石粉末、硫及磷，故其接觸空氣后易燃，存在一定的安全隱患。目前主要的處理方式為填埋，卡車(chē)運(yùn)輸時(shí)常燒壞車(chē)輛，傾倒時(shí)粉塵極易飄散，嚴(yán)重污染空氣。此外，其灰分中含有較多的氧化鈣、氧化鎂，任意堆放或填埋對(duì)環(huán)境及地下水易造成嚴(yán)重的污染[1]。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：凈化灰占電石產(chǎn)量的5%～7%。新疆中泰礦冶有限公司在新疆阜康市西溝路口建有120萬(wàn)t/a電石生產(chǎn)線，副產(chǎn)凈化灰7萬(wàn)t/a左右。如何有效處理這類(lèi)凈化灰，成為生產(chǎn)廠家和環(huán)保工作者急需解決的問(wèn)題[2]。

新疆中泰礦冶有限公司與相關(guān)科研院所合作，對(duì)凈化灰的化學(xué)成分和理化性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究。結(jié)果表明：凈化灰具有碳含量低、揮發(fā)分含量高、燃點(diǎn)低的特點(diǎn)，含有的氧化物等成分具有助燃作用。電石生產(chǎn)企業(yè)一般使用焦炭或蘭炭末作為炭材烘干燃料，焦炭、蘭炭末碳含量高，但揮發(fā)分含量低、燃點(diǎn)高。故此，根據(jù)新疆中泰礦冶有限公司的實(shí)際情況，結(jié)合凈化灰和焦炭、蘭炭末的特點(diǎn)，用其部分取代烘干用的焦炭、蘭炭末作為炭材烘干用的燃料。全程采用氮?dú)饷荛]管道輸送，防止凈化灰的自燃和污染。通過(guò)該方法，不僅解決了凈化灰的安全和環(huán)保問(wèn)題，同時(shí)還節(jié)省了燃料，實(shí)現(xiàn)了凈化灰的循環(huán)利用，具有明顯的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益[3]。新疆中泰礦冶有限公司經(jīng)過(guò)半年的反復(fù)試驗(yàn)和實(shí)踐，目前整套系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)將凈化灰的處理工藝總結(jié)如下。

1 凈化灰的理化性質(zhì)分析

凈化灰的組成受原料成分及電石爐生產(chǎn)工藝的影響有一定的變化。收集一定時(shí)間段內(nèi)的凈化灰，并進(jìn)行均化處理，然后測(cè)試凈化灰的碳含量和細(xì)度等，并對(duì)焚燒后的凈化灰進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 凈化灰的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of purified ash

表2 凈化灰焚燒后的化學(xué)成分Table 2 Chemicals generated after purified ash is burned %

從表1可以看出:凈化灰揮發(fā)分含量較高，發(fā)熱量只有蘭炭末的1/3左右，同時(shí)其粒徑小，加之揮發(fā)分中含有焦油等，很容易黏附在容器壁上，給卸料和管道輸送帶來(lái)一定的困難。

根據(jù)前期試驗(yàn)，若將凈化灰單獨(dú)作為烘干炭材的燃料進(jìn)行焚燒，則因其熱值低，導(dǎo)致煙氣溫度低，甚至有熄滅的危險(xiǎn)；同時(shí)，焚燒后的灰分因氧化物含量高，易黏結(jié)在焚燒爐的器壁上，難以清除，嚴(yán)重影響焚燒爐的安全。將凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干電石生產(chǎn)用炭材的燃料，則可以克服上述不足。

2 凈化灰用于炭烘干工藝

凈化灰部分取代焦炭、蘭炭用作炭材烘干燃料，工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 凈化灰用于炭材烘干燃料的工藝流程

按照?qǐng)D1工藝流程，凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干電石生產(chǎn)用炭材的燃料，其工藝主要分為5部分：凈化灰收集系統(tǒng)、凈化灰管道輸送系統(tǒng)、凈化灰存儲(chǔ)系統(tǒng)、凈化灰焚燒系統(tǒng)、焚燒灰分回收系統(tǒng)。其中收集系統(tǒng)、管道輸送系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)均在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下運(yùn)行，以防止凈化灰自燃。下面分別詳細(xì)描述各工藝流程系統(tǒng)。

2.1 凈化灰收集系統(tǒng)

目前，密閉電石爐氣中的粉塵一般通過(guò)重力除塵、旋風(fēng)冷卻除塵和布袋收塵后，得到的凈化灰通過(guò)鏈?zhǔn)焦伟鍣C(jī)輸送收集到卸灰罐。因凈化灰易自燃，不能直接與空氣接觸，一般通入氮?dú)獗Ｗo(hù)。當(dāng)卸灰罐中凈化灰積累到一定量后，通過(guò)卸灰閥進(jìn)行卸灰，一般采用板車(chē)?yán)\(yùn)填埋。圖2為凈化灰收集系統(tǒng)的工藝流程圖。

圖2 凈化灰收集系統(tǒng)工藝流程

在不大幅度改變上述凈化灰回收工藝的基礎(chǔ)上，在卸灰罐的錐底部分加裝4個(gè)流化板，并通過(guò)管道與氮?dú)夤尴噙B。所用氮?dú)夤薜淖罡邏毫?.8 MPa,工作壓力為0.6 MPa。卸灰時(shí)，具一定壓力的氮?dú)馔ㄟ^(guò)流化板，防止凈化灰黏附在卸灰罐內(nèi)壁上影響卸灰。流化板下部安裝自動(dòng)卸灰閥，該卸灰閥與卸灰罐中料位器相連，當(dāng)達(dá)到一定料位或人為控制時(shí)，會(huì)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行卸料。同時(shí)，在原有卸灰罐流化板上部約10 cm處的側(cè)面開(kāi)1個(gè)斜位卸灰管，當(dāng)卸料出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以從旁路進(jìn)行卸灰，不至于影響卸灰作業(yè)。

通過(guò)原有卸料罐的手動(dòng)旋流卸灰閥管口，在正下方連接倒錐形可密封式儲(chǔ)灰倉(cāng)，該儲(chǔ)灰倉(cāng)容積為1.5 m3,與氮?dú)夤尴噙B接，保證足夠的氮?dú)鉂舛?，防止凈化灰的自燃。?dāng)卸灰罐中的凈化灰量達(dá)到料位器預(yù)設(shè)位置時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)卸灰輸送程序，凈化灰進(jìn)入儲(chǔ)灰倉(cāng)，達(dá)到一定料位后關(guān)閉卸灰罐的卸灰閥，自動(dòng)啟動(dòng)儲(chǔ)灰倉(cāng)輸送程序，輸送完畢后再次卸灰，如此間歇輸送。

2.2 凈化灰管道輸送系統(tǒng)

在錐形可密封式儲(chǔ)灰倉(cāng)下部連接直徑100 mm的鋼制輸灰管道，同時(shí)連接氮?dú)庠?。?chǔ)灰倉(cāng)內(nèi)的料位計(jì)未被覆蓋時(shí)，發(fā)送器處于空的狀態(tài)，入口進(jìn)料閥關(guān)閉并被密封，此時(shí)不消耗氮?dú)?；?dāng)儲(chǔ)灰倉(cāng)儲(chǔ)灰量達(dá)到料位計(jì)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)輸送程序，儲(chǔ)灰倉(cāng)入口進(jìn)料閥按順序關(guān)閉，同時(shí)電磁閥被加壓密封。輸送管道上泵的輸送氣閥門(mén)打開(kāi)，氣體進(jìn)入輸灰管道中，將凈化灰從儲(chǔ)灰倉(cāng)通過(guò)管道輸送到儲(chǔ)灰罐。正常情況下，1.5 m3儲(chǔ)灰倉(cāng)里的凈化灰可在30～40 s內(nèi)輸送完畢。

為避免凈化灰在管道輸送時(shí)與氧氣接觸發(fā)生自燃，使用氮?dú)庾鳛檩斔蜌庠?。同時(shí)，因凈化灰中含有焦油，具有較強(qiáng)的黏性，為避免凈化灰黏附在輸送管道壁上，管道上每隔8 m安裝1個(gè)增壓器。故在輸灰管道的旁邊，同時(shí)建有1條氮?dú)夤艿?，并有接口與增壓器相通，以便為增壓器提供氮?dú)狻?/p>

在輸灰管管道上設(shè)有壓力開(kāi)關(guān)，輸灰時(shí)一般保持管道內(nèi)壓力為0.1～0.2 MPa，當(dāng)檢測(cè)到管道內(nèi)壓力下降到0.06 MPa時(shí)，此時(shí)管道已清空，關(guān)閉氣體入口閥。輸灰系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始。

2.3 凈化灰存儲(chǔ)系統(tǒng)

由管道輸送過(guò)來(lái)的凈化灰一般儲(chǔ)存在錐形儲(chǔ)灰罐中。該儲(chǔ)灰罐容積較大，至少保持20～30 m3的有效容積，以便容納較多的凈化灰，同時(shí)加裝料位器以便監(jiān)測(cè)凈化灰的量。在儲(chǔ)灰罐頂端安裝布袋除塵器防止凈化灰的飄散，并向罐中通入一定壓力的氮?dú)?，防止自燃。在?chǔ)灰罐錐底加裝4塊流化板，并連通氮?dú)庾鳛闅庠?，防止凈化灰下泄時(shí)粘連內(nèi)壁，影響下灰。

儲(chǔ)灰罐下料口安裝2組方向相反的自動(dòng)星型下料調(diào)節(jié)器，以控制下料時(shí)間和下料量。星型下料調(diào)節(jié)器下部與混流室呈直角相連。

2.4 凈化灰焚燒系統(tǒng)

混流室中間與星型下料調(diào)節(jié)器相連，再與羅茨風(fēng)機(jī)出氣口管道相連。利用羅茨風(fēng)機(jī)作為凈化灰輸送至焚燒爐的氣源。羅茨風(fēng)機(jī)出氣口管道出口閥一端連接混流室的左端口，另一端連接混流室的右端口，即羅茨風(fēng)機(jī)出口、混流室的左端口及右端口相互連接為一條水平直線，這樣羅茨風(fēng)機(jī)的高壓輸送氣源便能夠最大程度地作用在混流室內(nèi)的凈化灰上，使凈化灰高速而流暢地通過(guò)輸送管被噴入沸騰焚燒爐中進(jìn)行焚燒發(fā)熱。調(diào)整噴管的位置和角度，使凈化灰均勻地噴在焚燒爐的中心位置。

圖3 凈化灰焚燒系統(tǒng)工藝流程

凈化灰部分取代蘭炭末焚燒烘干炭材時(shí)的操作順序?yàn)椋菏紫认蚍序v焚燒爐中噴入蘭炭末，待爐膛溫度上升到需要的溫度后(一般爐膛溫度為850～950 ℃)，通過(guò)中控系統(tǒng)再慢慢噴入凈化灰，噴入量由少逐漸增加。在保持沸騰爐內(nèi)溫度的情況下，凈化灰取代蘭炭末的量可以達(dá)到50%，最大可達(dá)70%。

凈化灰盡量噴入焚燒爐的中間部位，避免凈化灰和焚燒后的殘?jiān)じ皆诜贌隣t的內(nèi)壁上。為防止對(duì)焚燒爐的結(jié)構(gòu)造成影響，一般在停爐后，利用空氣炮對(duì)焚燒爐的內(nèi)壁進(jìn)行清洗，一般1～2天進(jìn)行1次空氣炮清洗，爐體結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定。

2.5 焚燒灰分回收系統(tǒng)

由表2可知：經(jīng)過(guò)焚燒后的凈化灰灰分中含有較多的CaO、 MgO，該灰分具有較強(qiáng)的堿性，會(huì)降低燃料灰熔點(diǎn)。在1 000 ℃焚燒后，灰分溫度接近熔點(diǎn)，經(jīng)過(guò)重力下沉、冷卻等過(guò)程后得到球形顆粒，粒徑多在1～3 mm(見(jiàn)圖4)。該顆粒物密度近2.2 g/cm3,不起塵，無(wú)粉塵污染，由沸騰焚燒爐爐底排出，進(jìn)入一敞口方形鐵制儲(chǔ)槽，體積約1 m3,當(dāng)達(dá)到一定的料位后，使用羅茨真空泵進(jìn)行負(fù)壓吸送，經(jīng)過(guò)2級(jí)旋風(fēng)除塵后進(jìn)入灰渣顆粒儲(chǔ)罐，達(dá)到一定料位后利用普通翻斗車(chē)?yán)\(yùn)出廠再利用或是填埋。此時(shí)，灰渣顆粒已無(wú)易燃成分，性質(zhì)穩(wěn)定，加之呈顆粒狀，基本不會(huì)生產(chǎn)粉塵污染。

3 凈化灰焚燒的環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益

凈化灰經(jīng)收集后作為燃料使用，不但徹底解決了凈化灰在空氣中易燃的問(wèn)題，消除其在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染，而且對(duì)其后續(xù)處理提供了極大的便利條件，環(huán)保效益和安全效益巨大。

在經(jīng)濟(jì)上每臺(tái)炭材旋轉(zhuǎn)烘干窯每天需用約8.7 t蘭炭末，利用電石爐凈化灰部分取代蘭炭末后，蘭炭末使用量降為5.4 t，可節(jié)省3.3 t蘭炭末。若12臺(tái)沸騰爐使用凈化除塵灰，每天使用凈化除塵灰能夠代替蘭炭粉末的量為：3.3×12=39.6(t)。

以2014年蘭炭末平均價(jià)格120元/t計(jì)算，則1年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：

39.6×120×365=173.45萬(wàn)(元)。

氮?dú)鈨r(jià)格為0.38元/m3，輸送1 t凈化灰所用的氮?dú)鉃?5 m3，每天產(chǎn)生的凈化灰量為170 t，則每年輸送凈化灰使用的氮?dú)獬杀緸椋?/p>

0.38×45×170×365=10.6萬(wàn)(元)。

使用凈化灰后，1年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：

173.45-10.6=163.45(萬(wàn)元)。

4 結(jié)論

(1)將凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干炭材的燃料，不但解決了其易燃的難題，同時(shí)也具有良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

(2)凈化灰作為電石廠炭材烘干燃料的工藝主要包括5部分：凈化灰收集系統(tǒng)、凈化灰管道輸送系統(tǒng)、凈化灰存儲(chǔ)系統(tǒng)、凈化灰焚燒系統(tǒng)和焚燒灰分回收系統(tǒng)。通過(guò)5個(gè)系統(tǒng)的有機(jī)組合、協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了凈化灰的無(wú)害化處理和循環(huán)利用。

(3)對(duì)凈化灰焚燒后的固體顆粒有必要進(jìn)行進(jìn)一步的分析和研究，以實(shí)現(xiàn)其循環(huán)利用。