利用電石渣生產(chǎn)水泥的反思與展望

　　1 電石渣的特性與水泥生產(chǎn)概況
　　電石渣是電石法PVC的生產(chǎn)過(guò)程中，電石水解后產(chǎn)生的廢渣。電石渣的主要成分是Ca(OH)₂，其化學(xué)成分CaO含量高達(dá)70%。從乙炔發(fā)生器中排出的電石渣水分高達(dá)90%以上，經(jīng)沉降池濃縮后，水分仍有75～80%，正常流動(dòng)時(shí)的水分在50%以上。電石渣容易造成環(huán)境污染，且難以治理，嚴(yán)重制約了電石法PVC工業(yè)的發(fā)展。

　　電石渣成分均勻，含鈣量高，是優(yōu)質(zhì)的水泥原料，用來(lái)代替石灰石生產(chǎn)水泥是用量最大、利用也最為徹底的方法，解決了化工生產(chǎn)廠家的后顧之憂。利用電石渣生產(chǎn)水泥通常采用“濕磨干燒”或預(yù)烘干“干磨干燒”工藝：山東淄博(1200t/d)采用“干磨干燒”工藝，在2005年成功運(yùn)行1年后停產(chǎn)至今，四川德陽(yáng)(1500t/d)、四川樂(lè)山(2500t/d)這2條生產(chǎn)線也采用“干磨干燒”工藝，并于2008年建成投產(chǎn)，但由于電石渣供應(yīng)問(wèn)題沒有解決，電石渣的摻入量尚末達(dá)到設(shè)計(jì)要求；此外尚有多條采用“濕磨干燒”工藝的水泥生產(chǎn)線。

　　化工生產(chǎn)廠家通過(guò)調(diào)整工藝，可以使得新出廠電石渣中Cl^-含量達(dá)到“干磨干燒”或“濕磨干燒”工藝的要求；而歷年積累的電石渣大都存在Cl^-超標(biāo)的問(wèn)題，只能通過(guò)少摻或采用濕法、立窯、中空窯煅燒工藝加以解決，不在本文討論之列。

　　2008年，國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳印發(fā)《關(guān)于鼓勵(lì)利用電石渣生產(chǎn)水泥有關(guān)問(wèn)題的通知》,以下簡(jiǎn)稱《通知》。《通知》規(guī)定新建電石渣水泥生產(chǎn)線裝置必須采用新型干法水泥生產(chǎn)工藝；現(xiàn)有電石渣水泥生產(chǎn)線可以采用“濕磨干燒”生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造^[1]。這個(gè)規(guī)定有些不妥。
 
　　2 “干磨干燒”與“濕磨干燒”兩種工藝過(guò)程的對(duì)比分析
　　(1) 從原料水分的去除來(lái)看，機(jī)械脫水無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的方式，所以不管是“濕磨干燒”還是“干磨干燒”，都先采用壓濾機(jī)對(duì)原料進(jìn)行脫水?！皾衲ジ蔁笔菍⑸蠞{進(jìn)行壓濾后送入破碎烘干機(jī)；“干磨干燒”則是先將電石渣漿壓濾后再進(jìn)行預(yù)烘干。
由于電石渣顆粒微細(xì)，分散度很高，具有多孔狀結(jié)構(gòu)，保水性極強(qiáng)，單獨(dú)脫水的脫水率很低。采用廂式壓濾機(jī)脫水后，電石渣濾餅水分在35%左右。而壓濾生料漿時(shí)，由于其它易脫水原料的摻入，其保水性下降，生料濾餅的水分可降至27%。

　　以電石渣干基配比60%、其它原料平均含水率5%計(jì)算，“干磨干燒”工藝每噸干基生料帶入水為0.6×35÷(100-35)+0.4×5÷(100-5)=0.344噸，帶入水分的99%在預(yù)烘干和生料粉磨兩個(gè)階段內(nèi)蒸發(fā)；“濕磨干燒”則為27÷(100-27)=0.370噸，主要在破碎烘干機(jī)內(nèi)蒸發(fā)。由此可見在后續(xù)工序利用熱能脫水時(shí)，“濕磨干燒”比“干磨干燒”多出0.026噸水。利用熱能脫水往往是迫不得已才采用的方式，在這一點(diǎn)上，“干磨干燒”略占優(yōu)勢(shì)，“濕磨干燒”最為人所詬病的就是除電石渣外的原料要先加水再脫水，其結(jié)果是蒸發(fā)水量?jī)H僅多出7%。
  
　　(2) 預(yù)烘干“干磨干燒”工藝選用回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)對(duì)壓濾過(guò)的電石渣濾餅進(jìn)行預(yù)烘干，使其水分由35%降至10%左右，這部分烘干熱耗達(dá)1000kJ/kg-cl，加上燒成熱耗3100kJ/kg-cl，合計(jì)熟料熱耗高達(dá)4100kJ/kg-cl，與“濕磨干燒”工藝相當(dāng)，節(jié)煤效果并不顯著。另外還有一個(gè)現(xiàn)象：電石渣濾餅在回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)內(nèi)翻滾后，逐漸密實(shí)并形成球狀，獲得一定的強(qiáng)度，需要重新破碎，同“濕磨干燒”先加水再脫水一樣，有違反工藝路線之嫌。
 
　　(3) 電石渣成分均勻，只須烘干便可成為優(yōu)質(zhì)的水泥鈣質(zhì)原料，現(xiàn)預(yù)烘干“干磨干燒”工藝采用立磨對(duì)配合料進(jìn)行最終的烘干兼粉磨，生料產(chǎn)量為75t/h時(shí)，立磨本身裝機(jī)功率為575kW，加上立磨風(fēng)機(jī)900kW，主機(jī)功率達(dá)1475kW。而在原料中需要粉磨的硅鋁質(zhì)、鐵質(zhì)及其它鈣質(zhì)原料僅占40%，即在30t/h左右，若選用球磨機(jī)對(duì)這部分物料進(jìn)行粉磨，則只須選用一臺(tái)Ф2.4×10m中卸烘干磨便完全可以滿足要求，其主機(jī)功率僅為570kW。兩種方案主機(jī)功率差別竟達(dá)905kW，產(chǎn)量為45t/h，初水分為10%的粉料的烘干、混合要占用905kW的裝機(jī)功率，可見采用立磨粉磨以電石渣為主的原料并不節(jié)電。隨著煤化工行業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電石渣干排技術(shù)日益成熟，這為新型干法生產(chǎn)水泥提供了捷徑，利用立磨粉磨電石渣生料浪費(fèi)電能的缺陷將更為突出。

　　“濕磨干燒”采用破碎烘干機(jī)對(duì)壓濾過(guò)的生料濾餅進(jìn)行烘干、破碎，在獲得相同生料的情況下，它的主機(jī)裝機(jī)功率為450kW，加上濕法開流磨750kW，合計(jì)為1200kW，低于“干磨干燒”。（“濕磨干燒”要多用四臺(tái)壓濾機(jī)，主機(jī)功率為4×5.5kW；“干磨干燒”則需另加兩臺(tái)烘干機(jī)，主機(jī)功率為2×110kW，均末計(jì)入）。在電耗方面，“濕磨干燒”有優(yōu)勢(shì)。

　　3 對(duì)“干磨干燒”與“濕磨干燒”兩種工藝的評(píng)價(jià)
　　(1) 通過(guò)上述對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：在電石渣摻量較大時(shí)，“濕磨干燒”工藝的電耗、投資指標(biāo)均優(yōu)于“干磨干燒”；其蒸發(fā)水量高于“干磨干燒”7%，熱耗卻不相上下，此中原因出在電石渣預(yù)烘干環(huán)節(jié)。從能量守恒的角度來(lái)看：水分蒸發(fā)的過(guò)程就是吸熱的過(guò)程，降低熱耗的途徑有兩個(gè)，一是降低物料水分，二是提高熱交換效率。機(jī)械脫水是最經(jīng)濟(jì)的方式，它的能力要盡力發(fā)揮，在它的能力達(dá)到極限之后，就只能在提高熱交換效率上多做工作了?；剞D(zhuǎn)式烘干機(jī)在烘干電石渣濾餅時(shí)，其效率顯然沒有在懸浮狀態(tài)下效率高?；剞D(zhuǎn)式烘干機(jī)與破碎烘干機(jī)熱效率的差異，在熱耗上得到了極好的體現(xiàn)。

　　在傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)中，對(duì)于大宗濕物料，20年前水泥界就有共識(shí)：當(dāng)原料水分超過(guò)10%或粘性過(guò)大時(shí)，均應(yīng)排除干法工藝，否則物料烘干熱耗將超過(guò)干法生產(chǎn)所能節(jié)省的熱耗。這個(gè)10%即是生料磨所能烘干原料的水分極限，現(xiàn)在普遍采用立式磨，這個(gè)數(shù)據(jù)可提高至12-14%。例如：我國(guó)兩個(gè)設(shè)計(jì)院在對(duì)峨眉水泥廠擴(kuò)建年產(chǎn)70萬(wàn)噸新生產(chǎn)線的可行性研究中，就曾用全干法烘干工藝與“濕磨干燒”工藝進(jìn)行對(duì)比，在分析中發(fā)現(xiàn)：全干法生產(chǎn)每年在熟料燒成熱耗上雖比“濕磨干燒”節(jié)約標(biāo)煤7052t，但原料的烘干熱耗增加標(biāo)煤9619t，水泥綜合電耗又增加標(biāo)煤2580t，使其綜合能耗高于“濕磨干燒”方案5147t標(biāo)煤，再加之干法投資高于“濕磨干燒”，其最優(yōu)方案應(yīng)選擇“濕磨干燒”^[2]可見，僅因“濕磨干燒”熟料燒成熱耗指標(biāo)高于全干法，就認(rèn)為“濕磨干燒屬于中間技術(shù)，不宜于廣泛采用”是不科學(xué)的。我們尋求的應(yīng)該是項(xiàng)目的整體效益。

　　“濕磨干燒”的缺點(diǎn)在于：因?yàn)轵?qū)動(dòng)功率較大，在流程上可視作某級(jí)預(yù)熱器的破碎烘干機(jī)必須置于地面，一旦發(fā)生積料，必須停窯處理。隨著科技的進(jìn)步，破碎烘干機(jī)日趨可靠。如果采用回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)烘干大宗濕物料，片面追求可靠性，片面追求新型干法，則是工藝的倒退，實(shí)非明智之舉。
 
　　(2) 當(dāng)電石渣濾餅摻入量較小，使得入磨原料綜合水分控制在12-14%以下，舍棄回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)，利用立磨能夠一步完成烘干兼粉磨時(shí)，新型干法的優(yōu)勢(shì)就很明顯了，此時(shí)采用新型干法是合適的。若采用干排電石渣，盡管此項(xiàng)技術(shù)仍在逐步完善之中，則不論電石渣摻量多少，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，新型干法幾乎是唯一的選擇。

　　4 是否有必要追求用電石渣100%替代石灰石？
　　(1) 電石渣中的Ca(OH)2在平衡分解壓力為760mmHg下的分解溫度為575℃，分解吸熱1160kJ/kg；而石灰石中的CaCO₃的分解溫度為894℃，分解吸熱1660kJ/kg。利用電石渣生產(chǎn)水泥，在電石渣摻入量較大時(shí)，其燒成熱耗應(yīng)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熟料，但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，節(jié)能指標(biāo)并末達(dá)到期望值，主要原因在于電石渣與石灰石化學(xué)成份的差異。

　　在電石法PVC的生產(chǎn)過(guò)程中，用來(lái)生產(chǎn)電石的原料是石灰石和焦碳，品位均很高；鈣質(zhì)在電石水解得到乙炔氣的過(guò)程中只是作為載體出現(xiàn)，其本身并沒有消耗，引入的雜質(zhì)也極其有限。電石水解的主反應(yīng)式為：CaC₂(電石)+2H₂O→C₂H₂↑(乙炔氣)+Ca(OH)₂↓(電石渣)。

　　不僅如此，在電石爐內(nèi)溫度高達(dá)2000℃和還原氣氛的條件下，原料中的MgO被還原成單質(zhì)，同K₂O、Na₂O一道氣化后逃逸，其它微量元素則與鈣質(zhì)結(jié)合^[3]。在電石和水反應(yīng)的同時(shí)，電石中雜質(zhì)也參與反應(yīng)生成Ca(OH)2和其它氣體，其副反應(yīng)式為：

　　CaO+ H₂O →　Ca(OH)₂　
　　CaS+ 2H₂O → Ca(OH)₂ +H₂S↑
　　Ca₃N₂+ 6H₂O → 3Ca(OH)₂ +　2NH₃↑
　　Ca₃P₂+6H₂O →　3Ca(OH)₂ +　2PH₃↑
　　Ca₂Si+4H₂O →　2Ca(OH)₂ + SiH₄↑
　　Ca₃As₂+ 6H₂O →　3Ca(OH)₂ + 2AsH₃↑

　　以上原因造成電石渣中微量元素特別是MgO的缺失，使得熟料礦物特別是C₃S要在更高溫度下才能大量形成，燒成帶溫度要控制在1450℃以上，增加了熟料燒成熱耗。
 
　　(2) PVC生產(chǎn)與水泥生產(chǎn)的差異決定二者不能始終同步運(yùn)行，通過(guò)對(duì)業(yè)主的接觸，發(fā)現(xiàn)他們大都希望在電石渣充足時(shí)，能最大限度地?fù)饺腚娛?，在化工廠停產(chǎn)檢修時(shí)，也能用石灰石維持生產(chǎn)。

　　綜上所述，筆者認(rèn)為比較理想的情況是：電石渣替代石灰石能保持在60%～80%左右，其余使用低品位礦石，用以補(bǔ)充對(duì)水泥生產(chǎn)有利的微量元素。這樣在熱耗和運(yùn)轉(zhuǎn)率上都是比較理想的，片面追求100%替代石灰石并不能達(dá)到最佳效益。
 
　　5 “干磨濕燒”工藝簡(jiǎn)述
　　通過(guò)對(duì)兩種工藝過(guò)程的對(duì)比分析，筆者提出一種利用電石渣煅燒水泥熟料的新思路，簡(jiǎn)而言之，就是“干磨濕燒”?！案赡駸钡闹饕攸c(diǎn)是：?jiǎn)为?dú)粉磨、濾餅直接入分解爐。^[4]

　　(1) 除電石渣外的輔助原料經(jīng)配料后單獨(dú)粉磨，并可根據(jù)原料條件決定是否采用均化措施。
　　(2) 針對(duì)電石渣濾餅特性，設(shè)計(jì)新型分解爐。

　　電石渣漿經(jīng)壓濾后，濾餅直接送入分解爐，一步完成烘干、分解；磨細(xì)輔助原料經(jīng)配料后從C2筒上升管道喂入，經(jīng)預(yù)熱后由C3筒收集并喂入分解管道，在分解管道與預(yù)熱器C4筒內(nèi)完成與電石渣的混合，經(jīng)C4筒收集后入窯煅燒成水泥熟料。

　　新生態(tài)的CaO有更快的反應(yīng)速率，而在使用回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)烘干物料時(shí)，不僅熱效率低，且物料有升溫、冷卻、入窯再升溫的過(guò)程，因此電石渣直接入分解爐，可以減少無(wú)謂的熱量損耗。

　　如果要求電石渣在爐內(nèi)完成烘干、分解的過(guò)程，勢(shì)必要提高爐內(nèi)溫度，分解爐出口溫度也會(huì)隨之提高，如果沒有物料降溫，預(yù)熱器出口廢氣溫度將會(huì)很高，這就是不能將混合料直接送入分解爐的原因。
 
　　6 結(jié)束語(yǔ)
　　(1) 在現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于濕排電石渣，當(dāng)電石渣摻入量大時(shí)，采用“濕磨干燒”工藝是合適的；當(dāng)電石渣摻入量小，立磨能夠完成烘干兼粉磨時(shí)，采用新型干法是合適的。

　　(2) 對(duì)于干排電石渣，不論電石渣摻入多少，均應(yīng)采用新型干法；利用回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)烘干大宗濕物料并不可取。

　　(3) 電石渣替代石灰石保持在60%～80%左右，其余使用低品位礦石比較理想，片面追求100%替代石灰石并不能達(dá)到最佳效益。

　　(4) 目前在研究利用電石渣制水泥的過(guò)程中，往往是通過(guò)改變電石渣特性去適應(yīng)新型干法，利用電石渣特性，研究開發(fā)新裝備的工作卻不多；“干磨濕燒”用于電石渣制水泥，應(yīng)該能夠簡(jiǎn)化工藝流程、降低建設(shè)投資和生產(chǎn)成本，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，但尚有待于實(shí)踐的檢驗(yàn)。
 
 

參考文獻(xiàn)
[1] 國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳.關(guān)于鼓勵(lì)利用電石渣生產(chǎn)水泥有關(guān)問(wèn)題的通知.發(fā)改辦環(huán)資[2008] 981號(hào)
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[4] 肖其中,周宏健,崔冬梅.利用電石渣生產(chǎn)水泥新思路[J]. 水泥工程,2008,(6):72-76.