淺談電石渣在干法水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用

薛希海，阮黎明

甘肅省金昌市氯堿化工產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目主要由金昌水泥集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱“金泥集團(tuán)”）40萬(wàn)噸電石、16萬(wàn)噸干法乙炔，金川集團(tuán)公司40萬(wàn)噸離子膜燒堿、30萬(wàn)噸聚氯乙烯（PVC）等項(xiàng)目組成。

金泥集團(tuán)新型干法水泥二廠是該集團(tuán)下屬的水泥分廠之一，位于金昌市新材料工業(yè)園區(qū)。2009年5月投產(chǎn)，年可生產(chǎn)各類水泥100萬(wàn)噸以上，占到集團(tuán)公司水泥銷售的70%。

金泥集團(tuán)干法二廠是甘肅省金昌市氯堿產(chǎn)業(yè)鏈上的重要節(jié)點(diǎn)項(xiàng)目，利用金川集團(tuán)公司、甘肅金泥化工公司和甘肅金泥干法乙炔公司排放的電石渣作為石灰質(zhì)原料生產(chǎn)水泥，并將生產(chǎn)的水泥用于金川集團(tuán)公司礦山井下填充，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，徹底消除了電石廢渣排放對(duì)環(huán)境的污染。

1 電石渣固體廢物綜合利用項(xiàng)目

電石渣是氯堿化工生產(chǎn)PVC的過(guò)程中，電石與水在發(fā)生器中發(fā)生反應(yīng)，生成乙炔氣體時(shí)產(chǎn)生的廢棄物。利用電石渣生產(chǎn)水泥，可實(shí)現(xiàn)大摻量、無(wú)害化利用電石渣，是電石渣最有效的處理途徑。但利用全部電石渣代替石灰質(zhì)原料生產(chǎn)水泥，和傳統(tǒng)天然石灰質(zhì)原料生產(chǎn)水泥相比，煅燒控制參數(shù)有很大差別。

1.1 電石渣的特性

1.1.1 電石渣的物理性能

干法制備乙炔產(chǎn)生的電石渣，水分在4%～12%，根據(jù)其中所含硅、鐵等雜質(zhì)的不同，其密度在1.5～2.0kg/m3，容 積 密 度 為 0.5～1.0kg/m3，細(xì) 度（0.08mm方孔篩篩余）為9%～18%，呈白色細(xì)粉狀，比表面積為260～350m2/kg。隨著電石渣顆粒變小，其比表面積呈正比例關(guān)系。由于電石渣的主要化學(xué)成分為Ca（OH）2，水分含量低時(shí)呈現(xiàn)吸濕性，含水電石渣具有粘性和保水性，在常溫下晾曬會(huì)產(chǎn)生殼狀保護(hù)層，水分不易蒸發(fā)。

1.1.2 電石渣的化學(xué)成分

干法制備乙炔產(chǎn)生的電石渣化學(xué)成分見(jiàn)表1。電石渣的主要化學(xué)成分為CaO，其含量為68%～74%。

通過(guò)提高電石分解反應(yīng)速度技術(shù)、多層層板反應(yīng)技術(shù)、硫酸清凈技術(shù)，可避免干法制備乙炔生產(chǎn)線產(chǎn)生的電石渣中含有大量生電石，大大減少電石渣中氯離子和硫的含量，能使電石渣全部用于水泥生產(chǎn)。

表1 電石渣主要化學(xué)成分，%

1.2 電石渣的危害

電石渣的有效成分和主要成分都為氫氧化鈣（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.1%），同時(shí)還含有氧化硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%），氧化鋁（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%），以及少量的碳酸鈣、三氧化二鐵、氧化鎂、二氧化鈦、碳渣、硫化鈣等雜質(zhì)。電石渣呈灰色，并伴有刺鼻的氣味。電石渣呈強(qiáng)堿性，數(shù)量龐大，運(yùn)輸成本高，若占用大量土地堆放，會(huì)污染堆放場(chǎng)地附近的水資源，風(fēng)干易起飛灰，形成粉塵對(duì)大氣造成污染等，是我國(guó)清潔生產(chǎn)和資源循環(huán)利用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.3 電石渣與石灰石煅燒水泥的區(qū)別

天然石灰石的主要化學(xué)成分為CaCO3，分解溫度在700℃以上，急劇分解溫度在850℃以上。為了提高物料的分解率，保證入窯物料的易燒性，控制以石灰石作為石灰質(zhì)原料的預(yù)分解系統(tǒng)中分解爐的正常煅燒溫度為850～900℃。

電石渣的主要化學(xué)成分為Ca（OH）2，在預(yù)熱器中的反應(yīng)是Ca（OH）2脫去結(jié)合水生成CaO的過(guò)程。Ca（OH）2在500℃以上就可以分解，在650℃以上可以實(shí)現(xiàn)大量分解。

電石渣中的CaO含量在68%以上，遠(yuǎn)高于石灰石中CaO的含量，屬于生產(chǎn)水泥的優(yōu)質(zhì)石灰質(zhì)原料，具備生產(chǎn)高等級(jí)電石渣水泥熟料的能力。電石渣和石灰石在窯尾預(yù)熱器和分解爐的反應(yīng)過(guò)程不同，相關(guān)研究人員的熱分析結(jié)果顯示，電石渣中Ca（OH）2和石灰石中 CaCO3分解熱耗分別為72.253kJ/mol和142.933kJ/mol，熱力學(xué)計(jì)算氫氧化鈣和碳酸鈣的理論分解熱耗分別為101.625kJ/mol和166.232kJ/mol。以上兩種結(jié)果顯示，單位質(zhì)量的電石渣的分解熱即電石渣中Ca（OH）2分解生成CaO的熱耗，遠(yuǎn)低于單位質(zhì)量的石灰石中的CaCO3分解生成CaO的熱耗，電石渣在預(yù)分解系統(tǒng)實(shí)際熱耗為1 350～1 450kJ/kg熟料。

這就給金泥集團(tuán)公司干法二廠的燒成煅燒帶來(lái)了困難，如何保證石灰石反應(yīng)充分而電石渣又不反應(yīng)過(guò)度，分解爐溫度的控制成為困擾窯系統(tǒng)穩(wěn)定煅燒的一大難題。經(jīng)過(guò)該廠的不斷摸索，預(yù)分解系統(tǒng)與窯頭的用煤比例由以前純石灰石的頭煤35%、尾煤65%，逐漸調(diào)整為現(xiàn)在的頭煤45%、尾煤55%，減少了預(yù)熱器的供熱，增加了窯內(nèi)供熱，平衡了系統(tǒng)內(nèi)供熱和需熱的問(wèn)題，穩(wěn)定了系統(tǒng)煅燒。

1.4 電石渣制水泥較石灰石制水泥的優(yōu)勢(shì)分析

由于電石渣的化學(xué)成分與石灰石基本相同，理論上完全可以利用電石渣生產(chǎn)水泥。利用電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥這一工藝具有明顯的增產(chǎn)節(jié)能效果。

（1）電石渣中CaO含量高達(dá)70%左右，可改善生料的易燒性。

（2）電石渣中的Ca（OH）2分解溫度比石灰石中的CaCO3分解溫度低很多，燒成熱耗較低。

（3）利用電石渣減少石灰石用量，不僅能節(jié)約不可再生資源石灰石的用量，滿足水泥生產(chǎn)的原料需求，而且還能解決多年來(lái)因廢渣污染無(wú)法處理帶來(lái)的難題，使廢物得以利用，改善生態(tài)環(huán)境。

（4）傳統(tǒng)水泥工業(yè)不僅大量消耗資源和能源，而且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。水泥生產(chǎn)需采用石灰石、燃料等不可再生資源和能源，經(jīng)歷破碎、粉磨、煅燒、再破碎和再粉磨等過(guò)程，因而在上述過(guò)程中不可避免會(huì)消耗資源、能源，排出廢氣，產(chǎn)生粉塵等污染物。傳統(tǒng)水泥企業(yè)排放污染物主要為粉塵和煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，而使用電石渣作為主要原料生產(chǎn)水泥后，各項(xiàng)污染物排放值明顯下降。

（5）電石渣制水泥相比石灰石制水泥能耗降低、成本減少。我廠目前使用的原燃材料價(jià)格情況如表2所示。

表2 原燃材料價(jià)格

a電石渣的用量每增加1.0%，石灰石用量降低0.85%，砂巖用量增加0.15%，每月我廠生產(chǎn)生料按10萬(wàn)噸計(jì)算，可節(jié)約成本42萬(wàn)元左右。

b當(dāng)電石渣用量＜20%時(shí)，原煤（頭煤+尾煤）用量未發(fā)生變化；當(dāng)電石渣用量在20%～30%之間時(shí)，頭煤用量從6.2t/h降低至5.8t/h，尾煤用量從8.2t/h降低至7.6t/h。

c使用石灰石為原料制水泥時(shí)，實(shí)物煤耗達(dá)到133kg/t熟料；電石渣使用量在20%～30%之間，實(shí)物煤耗為119kg/t熟料，每噸熟料可節(jié)約原煤14kg，每月可節(jié)約原煤成本50萬(wàn)元左右。

我廠根據(jù)電石渣的化學(xué)、物理性能，先在小磨試驗(yàn)中嘗試成功后，才投入到實(shí)際生產(chǎn)中。投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，原煤和石灰石用量均有不同程度的降低，不僅變廢為寶，還節(jié)約了大量不可再生的原煤、石灰石資源，降低了水泥生產(chǎn)成本，減少了溫室氣體排放。而且電石渣水泥熟料形成熱較低，容易粉磨，有利于降低熟料煅燒過(guò)程中的熱耗、電耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)境效益。

1.5 電石渣水泥熟料

以電石渣為主要原料煅燒所得熟料的化學(xué)成分見(jiàn)表3，礦物組成見(jiàn)表4，熟料物理性能見(jiàn)表5。

水泥各項(xiàng)指標(biāo)滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬等指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 30760-2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物技術(shù)規(guī)范》。

2 實(shí)際生產(chǎn)中遇到的困難及解決辦法

2.1 電石渣使用給生產(chǎn)、設(shè)備帶來(lái)的困難

（1）在電石渣使用過(guò)程中，使用量＜20%時(shí)，對(duì)預(yù)熱器系統(tǒng)及窯內(nèi)煅燒影響不大，使用量＞20%后，窯尾系統(tǒng)、預(yù)熱器內(nèi)物料有發(fā)粘現(xiàn)象，容易造成設(shè)備故障，并且出磨生料質(zhì)量波動(dòng)大，影響熟料煅燒質(zhì)量。

（2）由于上游企業(yè)電石渣供應(yīng)量不斷加大，生料原入磨斜槽輸送能力有限，只能滿足20%左右的輸送量，給生產(chǎn)帶來(lái)了困難。

表3 熟料化學(xué)成分，%

表4 熟料礦物組成（%）及率值

表5 熟料物理性能

（3）由于電石渣是輕質(zhì)物料，在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)分離現(xiàn)象。

2.2 解決辦法

（1）在生產(chǎn)中通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，并根據(jù)上游企業(yè)的電石渣供應(yīng)量，電石渣使用量從10%逐步提高到30%。在相關(guān)人員的摸索和探討中，逐步調(diào)整頭尾煤的使用量及配料方案，并結(jié)合我廠工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，電石渣使用量達(dá)到20%～30%時(shí)，系統(tǒng)需要的熱量明顯降低。在頭煤用量不變的情況下，尾煤用量明顯降低，頭、尾煤用量可控制在45%、55%，完全緩解窯尾系統(tǒng)、各級(jí)預(yù)熱器結(jié)皮嚴(yán)重的情況，保證熟料的正常煅燒和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）為解決電石渣供應(yīng)量加大，我廠設(shè)備不能滿足生產(chǎn)需求的問(wèn)題，廠部積極組織人員對(duì)生料入磨斜槽進(jìn)行了改造，將原有?300mm×22m的斜槽改為?400mm×22m的斜槽，增大了輸送能力，完全能滿足生產(chǎn)需要。

（3）為緩解生料分層現(xiàn)象，對(duì)均化庫(kù)位進(jìn)行了調(diào)整，盡量保證低庫(kù)位運(yùn)行，給入庫(kù)生料粉的均勻布料提供合理空間，有效保證了生料磨的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

3 結(jié)語(yǔ)

水泥行業(yè)是電石渣無(wú)害化、大摻量、無(wú)殘留、資源化處理的最好途徑，電石渣生產(chǎn)水泥是電石渣清潔處理的最佳途徑。電石渣的分解熱遠(yuǎn)低于石灰石的分解熱，電石渣分解排放的是水，而石灰石分解排放的產(chǎn)物為CO2，因此采用電石渣生產(chǎn)水泥，可實(shí)現(xiàn)低熱耗、低碳排放。實(shí)踐表明，部分電石渣代替石灰石配料，需要找準(zhǔn)影響煅燒操作和設(shè)備運(yùn)行的不利因素，并控制在合理的區(qū)間內(nèi)。我們通過(guò)實(shí)踐摸索，總結(jié)出操作控制參數(shù)方面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）在電石渣摻量＞20%時(shí)，分解爐出口溫度嚴(yán)格控制在870℃以下；（2）用煤量一般控制在頭煤45%、尾煤55%，杜絕頭煤過(guò)多，避免窯內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛及滯后燃燒現(xiàn)象；（3）火焰長(zhǎng)度適中，燒成帶長(zhǎng)度一般在16～20m之間，窯皮均勻?yàn)橐?，使煤粉有足夠的燃燒空間，縮短煤粉燃燒路徑，提高燃燒效率。同時(shí)，高氧化鈣含量的電石渣也為生產(chǎn)高等級(jí)水泥提供了可靠保障?！?/p>