國內(nèi)首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)及調(diào)試

1  前言 

      博匯實(shí)業(yè)有限公司是淄博市最大的民營上市企業(yè)，集團(tuán)固定資產(chǎn)約55億元，年銷售額約65億元。目前的主要產(chǎn)品是造紙和化工，離子膜燒堿工程年產(chǎn)26萬噸電石，每年產(chǎn)生約30萬噸（干基）電石渣。如何充分合理地利用電石渣，使之變廢為寶造福于社會(huì)和企業(yè)，已成為博匯集團(tuán)決策者日夜焦慮的問題，集團(tuán)公司組織科技人員對(duì)濕法回轉(zhuǎn)窯、帶壓濾系統(tǒng)的半濕法回轉(zhuǎn)窯、濕磨干燒、小型五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯以及電石渣摻量15%干磨干燒生產(chǎn)工藝進(jìn)行調(diào)查、比較和研究，最終決定委托合肥水泥研究設(shè)計(jì)院對(duì)淄博寶生環(huán)保建材有限公司綜合利用電石渣生產(chǎn)水泥進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求使用高摻電石渣干磨干燒生產(chǎn)工藝，每年消耗掉30萬噸（干基）電石渣。 

     合肥水泥研究設(shè)計(jì)院十分注重各種工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的綜合利用，一直致力于使用電石渣生產(chǎn)水泥的綜合技術(shù)與裝備的開發(fā)研究，并在成功采用電石渣摻量15%干磨干燒工藝生產(chǎn)水泥的基礎(chǔ)上，又專門成立了高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線科研開發(fā)課題組，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究、理論分析和技術(shù)方案論證，深入研究用60～70%高比例電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的國內(nèi)首條1200t/d高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線，采用電石渣預(yù)烘干、立磨烘干、新型干法預(yù)分解窯煅燒等一系列節(jié)能環(huán)保綜合技術(shù)，于2005年8月8日一次點(diǎn)火成功并生產(chǎn)出合格熟料，目前系統(tǒng)阻力 ≤5200 Pa，熟料熱耗 ≤760×4.18 kj / kg，出預(yù)熱器廢氣溫度320－360℃，電石渣摻量達(dá)50%以上，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)，達(dá)到國內(nèi)目前最高水平。 

2  高摻電石渣生產(chǎn)水泥新型干法生產(chǎn)工藝 

       2.1  電石渣漿的脫水、壓濾及預(yù)烘干 

      含水90%左右電石渣液通過料漿泵送到2-Ф24m濃縮池中，經(jīng)濃縮后的電石渣液含水80%左右。目前國內(nèi)比較經(jīng)濟(jì)、成熟、可靠的料漿過濾方式主要有兩種：真空吸濾和板框壓濾；真空過濾脫水能力相對(duì)較弱，濾餅水分較高，一般大于50%[ 1 ]；帶隔膜板框壓濾的脫水能力較強(qiáng)，料餅水分較低，壓濾后的濾餅水分含量一般在40%[ 1 ]以下。高水分電石渣在生產(chǎn)中需要熱耗較高，經(jīng)濟(jì)上不合算，同時(shí)給電石渣的輸送、儲(chǔ)存帶來困難，因此采用帶隔膜板框壓濾進(jìn)行電石渣過濾脫水，可以排出濾餅顆粒間的微離水份；根據(jù)電石渣漿過濾性能試驗(yàn)，壓濾機(jī)的規(guī)格型號(hào)確定為XMZ500/1500，過濾面積500m2，過濾總?cè)莘e10.16m3，濾室的厚度30mm，壓濾后濾餅水分設(shè)計(jì)值為36%[ 1 ]。實(shí)際生產(chǎn)中料餅的水分最好狀態(tài)為25%，一般能保證在35%左右。 

      電石渣漿采用機(jī)械脫水后水分一般在28～36%范圍內(nèi)波動(dòng)，給電石渣的輸送、儲(chǔ)存和準(zhǔn)確配料帶來困難，因此必須對(duì)電石渣進(jìn)行預(yù)烘干；由于電石渣屬于高濕含量輕質(zhì)廢渣，烘干處理難度非常大，需要解決以下技術(shù)難題： 

      1、解決喂料及防堵問題。壓濾后的電石渣呈“牙膏”狀態(tài)，輸送過程中無法儲(chǔ)存和喂料計(jì)量，不易送入烘干機(jī)內(nèi)，落入烘干機(jī)后易出現(xiàn)堆料和粘堵現(xiàn)象。 

      2、電石渣烘干時(shí)需要克服蒸發(fā)速率低、料溫下降快及周圍環(huán)境濕含量過大的缺點(diǎn)。 

      3、利用電石氣燃燒作為烘干熱源難度大。電石氣是電石爐生產(chǎn)電石產(chǎn)生的廢氣，電石氣主要含CO、CH4等可燃?xì)怏w，易爆炸；電石氣本身有400～600℃溫度，含有200mg/Nm3灰塵，焦油含量大，不易輸送和利用。 

      4、電石渣烘干后廢氣濃度高，對(duì)收塵設(shè)備產(chǎn)生粘堵和腐蝕。 

      我們做了電石渣含水15%時(shí)的物理性能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定電石渣烘干終水分控制在15%左右，在電石渣的輸送、儲(chǔ)存過程中不會(huì)發(fā)生粘堵，可以準(zhǔn)確配料；年產(chǎn)6萬噸電石的電石爐每小時(shí)可以產(chǎn)生2500×104kJ電石氣，折合標(biāo)準(zhǔn)煤855公斤，能滿足烘干機(jī)熱量需求，這樣不但利用了電石氣的熱能，而且節(jié)省了一套電石氣處理系統(tǒng)，對(duì)電石廠來說節(jié)省了大量的投資；在電石氣輸送工藝布置上，采用強(qiáng)力送風(fēng)，縮短輸送路徑和時(shí)間，防止管道結(jié)焦粘堵；壓濾后的電石渣其塑性、粘性均在表觀大幅度降低，具有一種類似水泥漿體 “假凝”現(xiàn)象的物理性質(zhì)[2 ]，經(jīng)儲(chǔ)存風(fēng)干后和采用防堵措施，解決了喂料及粘堵現(xiàn)象；供熱系統(tǒng)提供900～1100℃持續(xù)高溫?zé)煔?，選擇長徑比較大的烘干機(jī)，安裝強(qiáng)化蒸發(fā)裝置，使電石渣在其有效烘干區(qū)域內(nèi)有充裕的干燥強(qiáng)度和時(shí)間[3 ]；系統(tǒng)選用能處理高濃度粉塵、抗結(jié)露、防腐蝕袋收塵器進(jìn)行收塵，使其達(dá)標(biāo)排放；系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為46t/h。實(shí)際生產(chǎn)中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，單機(jī)能力為26-30t/h。 

     2.2  原料烘干及粉磨 

     立式磨集粉磨、烘干、分級(jí)和氣力輸送于一體，特點(diǎn)是粉磨效率高、電耗低、烘干能力大、產(chǎn)品細(xì)度易于調(diào)節(jié)、粒度均齊、化學(xué)成分容易控制、噪音低、揚(yáng)塵少、系統(tǒng)工藝流程簡單、設(shè)備布置緊湊、占地面積小、土建費(fèi)用低等，特別是能充分的利用窯尾廢氣進(jìn)行烘干，利用率達(dá)到90%。電石渣的主要化學(xué)成分是Ca(OH)2，其顆粒微細(xì)，10～40微米顆粒占90%左右，是一種含CaO純度(65%左右)較高、化學(xué)成分又比較穩(wěn)定的工業(yè)廢渣，水分為15%左右的電石渣顆粒小于5mm，需要粉磨的量微乎其微，但要充分的利用立磨烘干能力強(qiáng)、均化效果好的優(yōu)勢。本工程生產(chǎn)采用電石渣、粘土、石灰石、硫酸渣、砂巖五組份配料，需要研磨的物料約占37.7%，根據(jù)入磨物料綜合水分為11～13%的要求和原料易磨性實(shí)驗(yàn)，我院專為粉磨電石渣研制的HRM1900/2200立式磨，保證磨機(jī)具有45～60t/h生料的研磨能力和80～90t/h生料的烘干能力。當(dāng)水分為10～12%入磨混合料在磨輥的快速碾壓下，物料被粉碎并且向磨盤邊沿風(fēng)環(huán)處拋灑，被70～90m/s的高速風(fēng)環(huán)氣流帶起，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱交換，水分沒有來得及蒸發(fā)的大塊物料會(huì)再次沉落，反復(fù)帶起、沉落，充分進(jìn)行熱交換，高速氣流在磨腔內(nèi)流速很快降低，形成強(qiáng)烈的紊流場，特別適合于電石渣微細(xì)顆粒的烘干；粉狀物料隨氣流一起上升通過磨機(jī)上殼體進(jìn)入分離器的分級(jí)區(qū)，在分離器轉(zhuǎn)子葉片的作用下，其中的粗粉落回磨盤與新喂入的物料一起重新粉磨，合格的細(xì)粉隨氣流一起出磨，經(jīng)高效旋風(fēng)收塵器收集后，與增濕塔和窯尾電收塵器收集的粉塵混合，由輸送設(shè)備送入均化庫內(nèi)均化儲(chǔ)存。出磨的廢氣匯入窯尾電收塵器進(jìn)行除塵后達(dá)標(biāo)排放。 

      2.3  預(yù)分解系統(tǒng) 

      電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料時(shí)，必須充分考慮預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)；電石渣的摻入量越大，對(duì)預(yù)熱器、分解爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響也越大，900℃以下時(shí)電石渣配料與常規(guī)生料的差異如下： 

      1、系統(tǒng)內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)及發(fā)生反應(yīng)的溫度區(qū)域不同：電石渣的主要化學(xué)成分是Ca(OH)2，當(dāng)溫升至450～550℃左右，Ca(OH)2開始分解；生成的CaO有可能會(huì)吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3，直至850℃以上的高溫區(qū)域，CaCO3分解的逆向反應(yīng)才得到完全抑制，分解過程得以加速[4 ]。 

      2、 熟料的形成過程不同：采用電石渣配料的生料與普通生料發(fā)生分解反應(yīng)溫度區(qū)域不同，分解反應(yīng)提前在預(yù)熱器中發(fā)生；電石渣配料的生料不論呈Ca(OH)2狀態(tài)或呈分解后的CaO狀態(tài)，均有可能吸收CO2的現(xiàn)象，并在高溫段實(shí)現(xiàn)二次分解，重新生成CaO[4 ]。 

      3、熟料形成熱不同：電石渣在原料中占63.5 %時(shí)所配生料的熟料形成熱為1025kJ/kg，約為普通生料的熟料形成熱的3/5。 

      4、電石渣顆粒較細(xì)，脫水較早，預(yù)分解系統(tǒng)出口廢氣成分中水分體積比占23%左右，在旋風(fēng)筒和分解爐錐部易于產(chǎn)生粘附堵塞[ 5 ]。 

      經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)綜合分析和熱平衡計(jì)算，燒成熱耗確定為3100～3360kJ/kg，其中蒸發(fā)生料的物理水耗熱35kJ/kg，熟料形成熱1024kJ/kg，廢氣溫度按340℃考慮時(shí)，廢氣帶走熱700kJ/kg。入窯物料分解率按90～95％設(shè)計(jì)。我們對(duì)原料按JC/T735-88生料易燒性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了易燒性測試，原料配料為兩組，其配比見表1，熟料的礦物組成見表2，熟料的游離氧化鈣含量分析見表3；在此原料配合比的情況下說明易燒性能很好，均能燒出較少的游離鈣，在1450℃的煅燒溫度時(shí)均出現(xiàn)融熔狀態(tài)。 

表1　原料的配比

表2　熟料的礦物組成

表3　原料煅燒后的熟料游離氧化鈣含量分析

針對(duì)煅燒電石渣原料的特性，結(jié)合已經(jīng)應(yīng)用過的經(jīng)驗(yàn)，研制開發(fā)低阻型、高分離效率、顯著防堵的新型低壓損S型結(jié)構(gòu)、3R大包角型式蝸殼、偏錐新型五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器，分解爐采用旋流、噴騰、懸浮原理，使燃料有充分的燃燒時(shí)間，物料與燃料充分混合，在爐內(nèi)有較長的停留時(shí)間，燃料在較低溫度的SC室大量燃燒，全爐系統(tǒng)沒有產(chǎn)生局部高溫的條件，因而系統(tǒng)結(jié)皮堵塞現(xiàn)象少，預(yù)分解系統(tǒng)關(guān)鍵部位采用特殊的襯料，研制出RBH5/1300型預(yù)分解系統(tǒng)。 

3  生產(chǎn)調(diào)試 

       3.1  電石渣中有害成分的處理 

       在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，對(duì)寶生公司的電石渣、粘土和砂巖、石灰石進(jìn)行了化學(xué)成分全分析，根據(jù)廠方多次送來的樣品分析電石渣的氯離子均達(dá)0.11％以上。其化學(xué)成分全分析見表4，經(jīng)和化工廠工程技術(shù)人員探討，認(rèn)為是離子膜燒堿工程生產(chǎn)過程中使用循環(huán)水的原因，對(duì)送來非使用循環(huán)水的電石渣樣也進(jìn)行了氯離子分析，其結(jié)果與其它來樣的氯離子一樣，含量仍在0.123％，電石渣中的氯離子基本上是以不溶于水的化合物形式存在。有的氯離子會(huì)在高溫下有部分揮發(fā)，為降低物料的氯離子含量，我們分析了不同溫度對(duì)電石渣氯離子濃度的影響見表5，可以看出隨著溫度的升高，氯離子揮發(fā)量有所增加，但由于電石渣樣品的氯離子絕對(duì)含量高，經(jīng)過600℃溫度后電石渣的氯離子含量仍較高；由于原料中的氯離子會(huì)在回轉(zhuǎn)窯和分解爐內(nèi)循環(huán)富集造成預(yù)熱器結(jié)皮堵塞，因此保證生料中氯離子含量小于0.015％是十分必要的[ 6 ]。

表4電石渣化學(xué)成分全分析

表5不同煅燒溫度對(duì)電渣氯離子濃度的影響

　　經(jīng)過對(duì)離子膜燒堿工程生產(chǎn)線的排查，最后確定是電石生產(chǎn)用水帶入氯離子，離子膜燒堿工程生產(chǎn)用水取自于300米深層承壓水，300米地下水氯離子含量1307mg/l，而500米地下水氯離子含量136mg/l，因此確定離子膜燒堿工程生產(chǎn)改用500米深層承壓水，補(bǔ)充20%處理水，斷開其它設(shè)備、工藝用循環(huán)水，降低電石渣氯離子濃度，原、燃料的化學(xué)成分分析見表6, 煤的工業(yè)分析見表7。 

表6　原、燃料的化學(xué)成分分析

表7　煤的工業(yè)分析

       3.2  配料設(shè)計(jì) 

       根據(jù)燒窯操作工的培訓(xùn)情況，初期按電石渣15%的配料方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過一段時(shí)間煅燒摸索，掌握一定經(jīng)驗(yàn)后，將電石渣的配料以15%比例逐漸提高，直到滿足預(yù)熱分解窯煅燒的要求；原料配比見表8，生、熟料的化學(xué)成分見表9，熟料的礦物組成見表10。 

表8　原料配比

表9　生、熟料的化學(xué)成分

表10　熟料的礦物組成

       3.3  原料烘干及粉磨 

       原料立式磨HRM1900/2200是在HRM1900基礎(chǔ)上專為烘干粉磨電石渣而研制的產(chǎn)品，系統(tǒng)未設(shè)熱風(fēng)爐，利用窯尾廢氣作為熱源；系統(tǒng)于2005年7月28日開始調(diào)試，由于是首次烘干粉磨電石渣配料，對(duì)擋料圈高度、吐渣、系統(tǒng)參數(shù)等缺乏經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過不斷的摸索，控制好入磨原料粒度、入磨原料綜合水分、喂料量、吐渣及系統(tǒng)用風(fēng)等環(huán)節(jié)，調(diào)整好擋料圈的高度對(duì)立式磨的運(yùn)行至關(guān)重要；在正常情況下，磨內(nèi)的料層厚度大約30～60mm，此時(shí)磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，磨音柔和，外循環(huán)料量基本保持不變；料層太薄，磨機(jī)震動(dòng)大；料層太厚，磨機(jī)負(fù)荷大而粉磨效率降低，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成劇烈震動(dòng)。由于生產(chǎn)初期，硅質(zhì)原料全部用砂巖配料，造成立式磨運(yùn)行半月后，磨輥部分磨蝕，產(chǎn)量開始下降，在電石渣摻量為30%時(shí)，磨機(jī)產(chǎn)量只有60t/h(0.08mm篩余12-14%)，影響系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；對(duì)原料進(jìn)行易磨性測試見表11，其粉磨功指數(shù)為18.20Kwh/t,說明砂巖非常難以研磨，用眼睛觀察，砂巖結(jié)晶度完好而且含量多，后改成粘土和砂巖共同配料，系統(tǒng)于2005年8月22日正常平穩(wěn)運(yùn)行，產(chǎn)量穩(wěn)定在76t/h以上，生料系統(tǒng)平均電耗19kWh/t；對(duì)于不同的原料配料與立式磨HRM1900/2200的產(chǎn)量關(guān)系見表12，立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制參數(shù)見表13。  

表11　原料易磨性測試

表12　原料配料與立磨的主要產(chǎn)量關(guān)系

表13　立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制參數(shù)

      3.4  燒成系統(tǒng) 

      燒成系統(tǒng)于2005年8月8日點(diǎn)火烘窯，8月12日燒出合格熟料；8月12日至8月20日生料配料采用編號(hào)A，電石渣摻量為15%，燒成系統(tǒng)運(yùn)行初期生料投料量控制在1600t/d左右，約合熟料產(chǎn)量1000t/d左右（生料理論料耗1.46），隨著操作人員操作水平的提高，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好的條件下，產(chǎn)量逐漸增加；8月21日至8月底生料配料采用編號(hào)B，電石渣摻量為30%，燒成系統(tǒng)生料投料量在1600t/d左右，約合熟料產(chǎn)量1100t/d左右（生料理論料耗1.40）；2005年9月初生料配料采用編號(hào)C，電石渣摻量為45%，燒成系統(tǒng)生料投料量在1800t/d以上，燒成系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)1200t/d以上（生料理論料耗1.36），最高產(chǎn)量達(dá)1360t/d，熟料標(biāo)號(hào)達(dá)58Mpa以上，熟料燒成熱耗3180kJ/kg（760kCal/kg），熟料f-CaO、升重合格率>85%；試生產(chǎn)期間燒成系統(tǒng)的實(shí)際操作參數(shù)見表14～16。 

表14　燒成系統(tǒng)喂料量及轉(zhuǎn)速

表15　燒成系統(tǒng)風(fēng)溫分布（℃）

表16　燒成系統(tǒng)壓力分布（Pa)

       預(yù)分解系統(tǒng)從試生產(chǎn)初期發(fā)生3#筒下料管堵塞過一次，經(jīng)處理后沒有再發(fā)生堵塞現(xiàn)象，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)；在2005年8月26日發(fā)現(xiàn)窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結(jié)皮，大部分比較疏松呈綠色夾層，易于清理，靠近襯料處結(jié)皮致密呈黑色，內(nèi)部夾層呈綠色，經(jīng)對(duì)結(jié)皮、生料取樣進(jìn)行有害成分分析見表17，發(fā)現(xiàn)氯離子和三氧化硫嚴(yán)重超標(biāo)；一般情況下，生料的最低共熔溫度為1250℃，當(dāng)CaSO4、K2SO4、Na2SO4和氯化物共同存在時(shí)，最低共熔溫度可接近700℃[ 6 ]，這是造成窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結(jié)皮的重要原因。將增濕塔供水由300米深井水改用500米深層承壓水，窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結(jié)皮的幾率大為減少。

表17　有害成分分析

      3   結(jié)束語 

      本項(xiàng)目是國內(nèi)首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線，以電石渣為水泥工業(yè)生產(chǎn)原料，可以節(jié)省石灰石資源，減少CO2的排放和能源的消耗，減輕環(huán)境的污染；本項(xiàng)目與帶壓濾系統(tǒng)的濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤46%，與濕磨干燒生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤20%，即使加上電石渣的預(yù)烘干用劣質(zhì)煤的能耗，其熟料的綜合熱耗也不超過3900kJ/kg。本項(xiàng)目的順利投產(chǎn)否定了不能用預(yù)分解系統(tǒng)煅燒高摻電石渣生料的觀點(diǎn)，為我國建材行業(yè)和化工行業(yè)的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境開創(chuàng)了廣闊的前景，對(duì)石灰石資源的二次利用具有深遠(yuǎn)的示范意義和實(shí)際推廣價(jià)值。 

參 考 文 獻(xiàn) 

［1］張平洪，周明，朱大來. 電石渣首次在新型干磨干燒生產(chǎn)線的成功利用 水泥工程. 2004.3 

［2］丁奇生, 張平洪.  電石渣配料在新型干法水泥熟料生產(chǎn)中的研究.  中國水泥. 2005.6 

［3］揚(yáng)剛. 淺談高濕含量輕質(zhì)廢渣的烘干處理問題.  水泥科技. 2004.5 

［4］潘炯.  濕磨干燒技術(shù)在廢渣治理中的應(yīng)用.  水泥. 2002.3 

［5］黃少文，張志忠. 小型五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯對(duì)電石渣生料的適應(yīng)性探討. 水泥. 2002.8 

［6］陳全德等編著《水泥預(yù)分解技術(shù)與熱工系統(tǒng)工程》 中國建材工業(yè)出版社. 1998