化工廢渣生產(chǎn)水泥有害成分控制探討

寧志紅

（山西西山華通泥有限公司，山西 太原 030021）

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%）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)。普通硅酸鹽水泥主要成分是石灰石、黏土、鐵礦粉。它是由石灰石、黏土、鐵礦粉按比例磨細(xì)混合，這時(shí)的混合物叫生料。在1 450 ℃左右煅燒，煅燒后的產(chǎn)物叫熟料。用電石渣生產(chǎn)硅酸鹽水泥熟料的技術(shù)，需詳細(xì)描述生料配料的可行性[1]。

應(yīng)用化工廢渣生產(chǎn)水泥的過(guò)程中因硅砂、電石渣、銅渣、爐渣、粉煤灰、煤灰等原料生料以及煙煤燃料中含有K2O、Na2O、R2O、Cl-、SO3等有害成分，在窯系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)濕物料和熱煙氣熱交換過(guò)程中，溫度較高的硫、堿及含氯化合物因溫度降低便會(huì)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，循環(huán)富集結(jié)皮堵塞風(fēng)管，影響設(shè)備性能及正常的生產(chǎn)過(guò)程。為此，必須從物料、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備等角度出發(fā)，加強(qiáng)有害成分控制，保證化工廢渣生產(chǎn)水泥過(guò)程順利進(jìn)行。

1 化工廢渣生產(chǎn)水泥工藝

H 水泥公司為20 萬(wàn)t/a 氯堿PVC 配套廢渣處理廠，普通硅酸鹽水泥熟料年生產(chǎn)能力為30 萬(wàn)t，生產(chǎn)原料主要有粉煤灰、電石灰、電石渣、爐渣及脫硫灰等，屬于化工廢渣生產(chǎn)水泥的循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)。自該企業(yè)2008 年建廠運(yùn)營(yíng)以來(lái)，廢渣種類(lèi)增多，再加上物料輸送廢水的循環(huán)利用，生料中K2O、Na2O、R2O、Cl-、SO3等有害成分含量持續(xù)增大，窯尾風(fēng)管彎頭處結(jié)皮使風(fēng)管堵塞頻繁發(fā)生，使正常生產(chǎn)過(guò)程不得不中斷。

1.1 基本生產(chǎn)工藝

該水泥公司上游主要通過(guò)濕法生產(chǎn)乙炔，液態(tài)電石渣含水量在65～70%左右，故生料制備應(yīng)通過(guò)濕法粉磨系統(tǒng)，按設(shè)計(jì)配比處理后的料漿壓濾后便成為含水量30%～35%的生料，經(jīng)由分料器分開(kāi)后分批次投入PCJ-282I 型烘干破碎機(jī)，并與窯尾煙室釋放的高溫氣體發(fā)生熱交換，物料經(jīng)烘干處理后便隨高溫氣流一同進(jìn)入旋風(fēng)筒，在旋風(fēng)筒內(nèi)進(jìn)行料氣分離。此后含水量在1%以下的物料便隨即進(jìn)入穩(wěn)流倉(cāng)，其余物料則進(jìn)入溢流倉(cāng)；干物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯充分煅燒成熟料，出窯后由篦冷機(jī)快速冷卻，最后轉(zhuǎn)入熟料庫(kù)。

1.2 有害成分分析

結(jié)合對(duì)該水泥公司利用化工廢渣生產(chǎn)水泥工藝的分析，熱值23 000 kJ/kg～26 000 kJ/kg、揮發(fā)分32%～35%的煙煤為主要燃料，其煤灰以及其余生產(chǎn)原料內(nèi)主要包含的有害成分見(jiàn)表1。

表1 化工廢渣生產(chǎn)水泥原料所含有害成分 %

該水泥企業(yè)主要應(yīng)用濕法系統(tǒng)進(jìn)行生料制備，磨機(jī)系統(tǒng)并未從窯尾抽取熱風(fēng)將入磨物料烘干處理，為簡(jiǎn)化分析，未考慮熱風(fēng)中所附帶有害成分對(duì)入窯生料的影響，只分析窯系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)有害成分的富集。利用窯尾煙室熱風(fēng)烘干含水生料，粉塵中的納、鉀、硫和含氯化合物均會(huì)隨溫度變化而聚集于物料表面，再加上窯尾除塵器物料內(nèi)有害成分的循環(huán)，物料表面所聚集的有害成分將持續(xù)增加，進(jìn)而使窯尾煙室到破碎機(jī)烘干風(fēng)管彎頭之間的部位發(fā)生堵塞。風(fēng)管內(nèi)溫度在200 ℃～800 ℃之間，濕物料和熱煙氣之間熱交換過(guò)程中，溫度較高的硫、堿及含氯化合物因溫度降低而從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔郲1]，結(jié)皮堵塞風(fēng)管。對(duì)于這種堵塞故障，通常先拉大窯尾排風(fēng)冷卻，待溫度完全降低后再進(jìn)入檢修，處理方式也主要是通過(guò)鋼釬錘敲落結(jié)皮，再配合高壓水沖洗清理，檢修時(shí)間通常為5 d～7 d，檢修效率低下，并且影響生產(chǎn)。

根據(jù)該水泥企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，其現(xiàn)有的生產(chǎn)線上若生料硫堿比在1.0 以上，結(jié)皮堵塞風(fēng)管現(xiàn)象較為嚴(yán)重；在1.2 以上時(shí)，則結(jié)皮堵塞風(fēng)管非常嚴(yán)重。此外，當(dāng)入窯生料內(nèi)含氯化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02%以上，也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重風(fēng)管堵塞。結(jié)合該企業(yè)水泥生產(chǎn)過(guò)程，入窯生料經(jīng)過(guò)煙室回收等工藝后硫堿比為1.241，含氯化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.324%，且因電石渣及輸送生料內(nèi)上清液循環(huán)使用而含氯化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量在不同生產(chǎn)階段存在較大波動(dòng)[2]。窯尾煙氣冷熱變換也會(huì)加劇含氯化合物循環(huán)富集，使其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常范圍。此外，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，造成結(jié)皮堵塞的另外一個(gè)主要原因是，生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)溫度較高的硫、堿、納、鉀及含氯化合物在與濕物料接觸的過(guò)程中溫度驟然降低，達(dá)到凝固點(diǎn)后便從氣液狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，隨即附著于物料表面及生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)部位。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)管結(jié)皮中K2O、Na2O、R2O、Cl-、SO3等有害成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.23%、1.34%、7.64%、5.79%、19.19%。

電石渣的主要成分是氫氧化鈣，與硅酸類(lèi)礦物常溫狀態(tài)下即可發(fā)生火山灰反應(yīng)生成耐火材料，難以形成活性硅酸類(lèi)礦物，影響水泥后期的膠結(jié)強(qiáng)度。

2 有害成分控制措施

2.1 部分物料外排

在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，原料及燃料中均包括一定含量的K2O、Na2O、R2O、Cl-、SO3等有害物質(zhì)，此類(lèi)物質(zhì)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫區(qū)域揮發(fā)后便隨煙氣逸出回轉(zhuǎn)窯，所逸出的氣態(tài)氧化物會(huì)很快反應(yīng)生成堿性化合物，在環(huán)境溫度低于其熔融溫度時(shí)，便會(huì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣獭⒁簯B(tài)，進(jìn)而黏附于物料顆粒表面及設(shè)備內(nèi)壁，不斷沉積固結(jié)后必將給回轉(zhuǎn)窯、破碎機(jī)烘干風(fēng)管等設(shè)備正常運(yùn)行及熟料質(zhì)量帶來(lái)不利影響[3]。

通過(guò)對(duì)煙室回料及收塵有害成分的分析可以看出，不考慮窯灰及煙室物料循環(huán)時(shí)，入窯生料硫堿比為1.238，屬于中等結(jié)皮水平。為避免循環(huán)富集所引發(fā)結(jié)皮現(xiàn)象，應(yīng)排出包含有害成分的內(nèi)循環(huán)物料，并作為混合材料加入水泥生產(chǎn)過(guò)程。本公司以電石渣為主要生料，物料密度僅為0.92 t/m3，且氣流中含塵濃度較高，電收塵回料量?jī)H為20%，則處理量較大，物料難以實(shí)現(xiàn)平衡，為此，決定將混合料外排，外排量為總料量的5%。這種做法同時(shí)能降低生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)有害成分的循環(huán)富集，減輕入窯生料內(nèi)堿含量的不利影響。

2.2 操作參數(shù)控制

對(duì)于窯尾管?chē)?yán)重堵塞、窯前存在正壓的情況，必須加強(qiáng)窯操及煅燒控制，對(duì)一二線拉風(fēng)以增加其高溫風(fēng)機(jī)開(kāi)度，一二線風(fēng)機(jī)開(kāi)度分別增加40%～50%和30%～40%；電收塵出口引風(fēng)機(jī)開(kāi)度增加60%～70%，并借助風(fēng)管大彎頭和烘干破碎機(jī)清理檢修門(mén)，以上處理可以使系統(tǒng)能正常運(yùn)行至少24 h。在窯尾管及風(fēng)管結(jié)皮堵塞嚴(yán)重的情況下片面通過(guò)拉風(fēng)改善通風(fēng)情況，效果短暫，甚至?xí)蝻L(fēng)速增大后使氣體內(nèi)含塵量增加，造成彎頭結(jié)皮區(qū)域堵塞量瞬間增大，堵塞速度加快，使系統(tǒng)運(yùn)行情況更加惡化。應(yīng)將1#高溫風(fēng)機(jī)、2#高溫風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)風(fēng)閥開(kāi)度分別控制在35%、25%和50%，以取得較佳的拉風(fēng)處理效果。

納、鉀、Cl-化合物等通常在650 ℃～700 ℃溫度環(huán)境下發(fā)生冷凝[3]，為避免溫度提前變化造成其跟隨物料入窯并在內(nèi)循環(huán)過(guò)程中冷凝固化后在設(shè)備風(fēng)管等處結(jié)皮，應(yīng)加強(qiáng)煤質(zhì)及用煤過(guò)程控制。在窯尾煙室以及烘干破碎機(jī)出口溫度受到有效控制并保持在表2 所示水平下。

表2 出口溫度控制要求

2.3 原煤預(yù)均化處理

該水泥公司現(xiàn)有生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)因當(dāng)?shù)孛嘿|(zhì)好，回轉(zhuǎn)窯所用煤料低位發(fā)熱量值在24 000 kJ/kg～27 000 kJ/kg 范圍內(nèi)，故未設(shè)置原煤預(yù)均化處理設(shè)施，更未考慮烘干入窯生料煅燒過(guò)程中熱風(fēng)內(nèi)所含有害成分的可能影響。初期的生產(chǎn)過(guò)程中，入窯生料內(nèi)納、鉀、Cl-化合物等含量基本穩(wěn)定，硫堿比為中等結(jié)皮水平。此后隨著硫含量逐漸增大，風(fēng)管、窯尾管等設(shè)備結(jié)皮堵塞現(xiàn)象加劇，每班均需要從入孔門(mén)處清理結(jié)皮后才能確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。由生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)得知，當(dāng)原料內(nèi)有害成分含量較為穩(wěn)定的情況下煤料內(nèi)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出8%、熟料內(nèi)SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出0.7%時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行就會(huì)受到影響。但該生產(chǎn)線因原煤礦點(diǎn)多，煤料內(nèi)硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.10%～12.14%范圍內(nèi)波動(dòng)。為此必須加強(qiáng)含硫量較低的煤料采購(gòu)，并根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果按比例均化堆放，將入磨煤熱值控制在±200 kJ/kg 以內(nèi)，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在6%以下。

因原料成份與普通水泥廠所用原料差別較大，需具體分析煤質(zhì)成份、熱值，確定合理的熱工制度。

3 結(jié)論

隨著水泥工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)有害成分的控制也具有了重要意義，通過(guò)本文所提出的原料及燃料有害成分控制措施的應(yīng)用，該水泥公司現(xiàn)有生產(chǎn)線化工廢渣生產(chǎn)水泥工藝系統(tǒng)得以優(yōu)化，生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行正常，使利用化工廢渣生產(chǎn)水泥的循環(huán)經(jīng)濟(jì)企業(yè)取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。