電石渣中硅鐵處理及對(duì)水泥影響

　　我們通常所說(shuō)的硅鐵(FeSi₂)是以焦炭、鋼屑、石英(或硅石)為原料，用電爐冶練制成的。硅鐵是硅與鐵互熔形成的固熔體，硅和鐵能以任意比例互熔并生成一系列硅化物。其性質(zhì)：硅和鐵的合金。外表呈亮灰色，密度小，含硅量愈高比重愈小；含鐵量越高，磁吸附性越強(qiáng)，比重愈大。根據(jù)含硅量可分為工業(yè)硅鐵(Si>97%，鐵最高不超過(guò)1.5%)及含硅95%、75%、72%、65%和45%等硅鐵。牌號(hào)72#硅鐵，熔點(diǎn)為1280℃，比重為3.11；牌號(hào)75#硅鐵熔點(diǎn)為1300℃，比重為3.01。

　　硅鐵應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在煉鋼工業(yè)中用作脫氧劑和合金劑，在鑄造工業(yè)中用作孕育劑和球化劑，在鐵合金工業(yè)中用作還原劑，它們共消耗約90%以上的硅鐵。在各種不同牌號(hào)的硅鐵產(chǎn)品中，目前應(yīng)用最廣的是72#和75#硅鐵。由于市場(chǎng)需求量大，今年四月份國(guó)內(nèi)72#硅鐵價(jià)格在6400~7000元/噸，75#硅鐵價(jià)格在7500~8000元/噸，利潤(rùn)約為40%左右，并且仍有上漲空間。

　　電石(CaC₂)是用石灰石與焦炭或優(yōu)質(zhì)煤通過(guò)高溫電爐冶煉所得的化合物。它是有機(jī)合成工業(yè)的重要基本原料，以電石乙炔為原料可制取乙烯、氯丁橡膠、氰氨化鈣、乙酸、三氯乙烯等，電石也作鋼鐵的脫硫劑，還用于金屬的切割和焊接。電石工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色固體，含碳化鈣較高的呈紫色，密度2.22g/cm³(18℃)，熔點(diǎn)2300℃，在空氣中能吸收水份，能導(dǎo)電，純度越高，導(dǎo)電越易，在水中分解生成乙炔和以氫氧化鈣為主的電石渣副產(chǎn)品。

　　由于電石生產(chǎn)原料中仍含有一定量的Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃等雜質(zhì)，在高溫還原條件下，F(xiàn)e₂O₃和SiO₂反應(yīng)生成硅鐵。根據(jù)我們對(duì)某一企業(yè)電石渣中硅鐵的測(cè)定，其重量約占電石渣的1.2%左右，硅鐵中Fe含量為51.73%，Si含量為23.66%，并含有Al、Ca、Mg等元素，密度為4.79g/cm3。不同于通常的工業(yè)制硅鐵產(chǎn)品，電石渣中硅鐵Si含量不高，F(xiàn)e含量較高，原因是此類(lèi)硅鐵是電石的副產(chǎn)品，其成分完全取決于電石原料的雜質(zhì)含量，并隨電石的品質(zhì)不同而變化較大。

　　近年來(lái)由于國(guó)內(nèi)煤基電石乙炔法生產(chǎn)PVC產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，對(duì)電石的需求量不斷增加，到2007年底，國(guó)內(nèi)對(duì)電石的年需求總量超去千萬(wàn)噸，其主要副產(chǎn)品電石渣年總排量超過(guò)兩千萬(wàn)噸(干基)，如果電石渣中的硅鐵全部得以回收利用，初步估算每年將有20萬(wàn)噸以上硅鐵可以變廢為寶。

　　同時(shí)，近幾年來(lái)由于建材行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，昔日作為PVC化工企業(yè)頭痛的廢棄物電石渣已成功替代石灰石原料被大量用于新型干法水泥熟料生產(chǎn)線。

　　鑒于目前的狀況，本文就電石渣中硅鐵的如何處理利用以及其對(duì)水泥生產(chǎn)的影響進(jìn)行初步探討。

　　1.電石渣中硅鐵的處理利用

　　(1)電石渣的排出方式

　　我國(guó)目前主要采用乙炔發(fā)生器水解電石法生產(chǎn)乙炔。乙炔發(fā)生器按電石與水接觸的方式分濕式、排水式和干式。

　　濕式發(fā)生器是把電石投入大量的水中進(jìn)行反應(yīng)，絕大部分反應(yīng)熱被水吸收，反應(yīng)后的渣呈泥漿狀。該法易操作，安全性能好，乙炔的質(zhì)量也好，但用水量大，電石渣呈漿狀(含水80~90%)，給電石渣的后處理帶來(lái)很大不便，且乙炔溶解在水中損失量大。

　　排水式發(fā)生器，其電石裝料設(shè)備是固定的，水位隨著發(fā)生器內(nèi)的壓力變化而改變，以水和電石斷續(xù)接觸的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)乙炔的生產(chǎn)量，這種發(fā)生器需經(jīng)常開(kāi)啟補(bǔ)充電石，生產(chǎn)狀況不穩(wěn)定，不安全因素多，乙炔損失量也大，同樣電石渣呈漿狀(含水80%以上)，給電石渣的后處理帶來(lái)很大不便。

　　干式發(fā)生器是將少量水加入到電石中使電石發(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量利用水分的蒸發(fā)帶出，反應(yīng)后的渣呈較干燥粉末狀態(tài)(一般含水≤10%)。該法與濕式發(fā)生器相比，電石渣總排出量少，每1噸電石約產(chǎn)生2噸電石渣，而且呈干粉狀，裝運(yùn)和應(yīng)用都比較方便。但是這種設(shè)備較為復(fù)雜，操作不方便，如果操作不當(dāng)電石表面會(huì)局部過(guò)熱，帶來(lái)危險(xiǎn)，乙炔氣中雜質(zhì)也較多。

　　(2) 電石渣中硅鐵的處理利用

　　已有部分企業(yè)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，對(duì)電石渣中的硅鐵進(jìn)行處理和利用。

　　目前乙炔生產(chǎn)以采用濕式和排水式乙炔發(fā)生器居多。此類(lèi)生產(chǎn)工藝處理硅鐵的技術(shù)措施是：大塊的電石原料通常采用一級(jí)顎式破碎機(jī)和二級(jí)錘式破碎機(jī)破碎后顆粒達(dá)到≤50 mm，在一級(jí)和二級(jí)破碎之后均設(shè)有磁性除鐵器，小部分含硅鐵顆粒被除去。但由于破碎后的電石顆粒仍較大，絕大多數(shù)硅鐵包含在電石塊中，需經(jīng)過(guò)乙炔發(fā)生器水解后隨電石渣排出。電石渣排出后可以通過(guò)水洗獲得較大顆粒硅鐵(顆粒一般≥3mm);也可以通過(guò)對(duì)電石渣漿濃縮、壓濾和烘干(一般含水≤15%)，通過(guò)振動(dòng)篩等設(shè)備獲得硅鐵(顆粒一般≥1mm)。上述措施流程比較復(fù)雜，操作不方便，小顆粒硅鐵處理不干凈，硅鐵利用率低。

　　干式發(fā)生器生產(chǎn)乙炔技術(shù)近年來(lái)在不斷地發(fā)展和完善，并有逐步取代濕式發(fā)生器的趨勢(shì)。此類(lèi)生產(chǎn)工藝處理硅鐵的技術(shù)措施是：大塊的電石原料通常采用一級(jí)顎式破碎機(jī)、二級(jí)錘式破碎機(jī)或三級(jí)細(xì)碎機(jī)破碎后顆粒達(dá)到≤5mm，在每級(jí)破碎之后均設(shè)有磁性除鐵器，由于破碎粒度較小，有部分含硅鐵顆粒被除去。剩余的硅鐵包含在電石塊中，經(jīng)過(guò)干式乙炔發(fā)生器水解后隨粉狀電石渣排出。粉狀電石渣中的硅鐵也可再次采用磁性除鐵器除去部分硅鐵，但最有效的技術(shù)措施是采用風(fēng)選分離裝置，可以將顆?！?0μm的硅鐵細(xì)粉除去，分離硅鐵的效率最高，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，并且對(duì)電石渣的裝運(yùn)和應(yīng)用有利。

　　從電石渣中回收的硅鐵和通常的工業(yè)制硅鐵一樣，在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且供不應(yīng)求。

　　2.電石渣中硅鐵對(duì)水泥生產(chǎn)的影響

　　(1)對(duì)熟料燒成的影響

　　近年來(lái)隨著國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策要求和水泥生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，利用電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥熟料技術(shù)正在全國(guó)范圍內(nèi)大力推廣應(yīng)用。生產(chǎn)方式主要有傳統(tǒng)的濕法工藝和由合肥院創(chuàng)新的新型干法預(yù)分解生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)實(shí)踐表明，無(wú)論是濕法工藝還是新型干法預(yù)分解生產(chǎn)工藝，電石渣替代石灰石量從15%左右到100%全部替代，電石渣中硅鐵對(duì)水泥熟料生產(chǎn)均沒(méi)有顯現(xiàn)負(fù)面的影響。以電石渣為鈣質(zhì)原料生產(chǎn)出來(lái)的熟料質(zhì)量等同或超過(guò)以石灰石為鈣質(zhì)原料的熟料質(zhì)量，特別是電石渣用于新型干法預(yù)分解生產(chǎn)工藝，其特點(diǎn)表現(xiàn)為：電石渣利用量大、生料易燒性好、熟料產(chǎn)質(zhì)量高、單位能耗低。分析其原因，電石渣起到主要作用。

　　一方面，電石渣中硅鐵起到一定的積極作用。因?yàn)椋核嗍炝现饕晒杷猁}礦物(C₃S+C₂S)和溶劑礦物(C₃A+C₄AF)組成，Ca、Si、Al、Fe是組成熟料的四大主要元素。電石渣中硅鐵含有的Si、Fe正是熟料形成所需要的，可替代生料中的一部分硅質(zhì)和鐵質(zhì)原料，并且硅鐵的固溶體里還含有Al、Ca、Mg等其他元素，其內(nèi)部是多元素的晶相結(jié)構(gòu)，具有一定的活性。另一方面，粉磨后的細(xì)小硅鐵顆粒在熟料煅燒過(guò)程中起到類(lèi)似“晶種”的作用，改進(jìn)生料易燒性、降低熟料形成熱，有利于提高熟料產(chǎn)量、降低燒成能耗。

　　(2)對(duì)生料粉磨的影響

　　濕式乙炔生產(chǎn)工藝排出的電石渣中硅鐵外觀為亮灰色，具有磁吸附性，多數(shù)顆粒小于15mm，也有少數(shù)15~50mm的顆粒及極少數(shù)顆粒達(dá)100mm的長(zhǎng)條狀硅鐵。干式乙炔生產(chǎn)工藝排出的電石渣中硅鐵顆粒通常小于5mm。電石渣中硅鐵因含鐵量較高，具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗折強(qiáng)度較低，也就是說(shuō)脆性較大。

　　采用新型干法預(yù)分解生產(chǎn)工藝生產(chǎn)水泥熟料，可以利用電石渣100%替代石灰石。粉狀電石渣(一般含水≤10%)占生料質(zhì)量配比達(dá)70%以上。生料粉磨常采用改進(jìn)型立式磨，利用窯尾預(yù)熱器廢氣作為烘干和輸送介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)烘干和粉磨的目的。對(duì)于2500t/d熟料生產(chǎn)線，如果電石渣中硅鐵沒(méi)有采取處理措施，按硅鐵含量1%計(jì)，每小時(shí)進(jìn)入立式磨中的硅鐵總量達(dá)1200kg左右，這對(duì)磨機(jī)的產(chǎn)量和研磨體損耗將產(chǎn)生直接的影響。山東某廠原料中電石渣質(zhì)量配比達(dá)60%以上，實(shí)際應(yīng)用中立式磨的磨輥磨耗較快，分析其原因，除砂巖中結(jié)晶硅多難磨外，電石渣中硅鐵的帶入也加速了磨輥磨耗。

　　3.結(jié)束語(yǔ)

　　目前隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，硅鐵產(chǎn)品供不應(yīng)求。PVC行業(yè)每年產(chǎn)生的電石渣中含有20余萬(wàn)噸硅鐵，建議企業(yè)應(yīng)采用積極和有效的技術(shù)措施，加以充分處理和利用，不僅為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為社會(huì)節(jié)約大量的能源和資源。

　　新型干法預(yù)分解生產(chǎn)工藝?yán)秒娛a(chǎn)水泥熟料大量消耗電石渣，從根本上徹底解決了長(zhǎng)期困擾化工企業(yè)的難題。生產(chǎn)實(shí)踐表明，電石渣中硅鐵對(duì)熟料燒成有積極的影響，但其作用機(jī)理和影響程度有待進(jìn)一步深入研究。

　　電石渣中硅鐵由于易磨性較差，在工程設(shè)計(jì)之前，對(duì)于電石渣中硅鐵未做處理或處理不徹底的，建議預(yù)先做好相關(guān)原料的易磨性試驗(yàn)，合理選用粉磨設(shè)備，避免和減少其對(duì)水泥生產(chǎn)的影響。