1  引言

     建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為人們的共識(shí)，電石渣是煤化工行業(yè)用乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯樹(shù)脂的工業(yè)廢渣，過(guò)去大多數(shù)企業(yè)將電石渣擇地堆存或鋪墊路基，不但占用了寶貴的土地資源，而且堿化土地，對(duì)空氣、地表水和地下水產(chǎn)生二次污染，傳統(tǒng)處理電石渣的方式已不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，甚至被政府環(huán)保部門(mén)明令禁止；2003年我國(guó)電石產(chǎn)量為530萬(wàn)噸，2004年為650萬(wàn)噸，電石渣的年排放量逾1000萬(wàn)噸，隨著石油價(jià)格持續(xù)上漲，市場(chǎng)無(wú)疑為煤化工發(fā)展提供了巨大的空間，電石渣量將會(huì)大量增加，有效地綜合利用電石渣，對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約土地和水資源及實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有顯著的生態(tài)和社會(huì)效益。合肥水泥研究設(shè)計(jì)院十分注重水泥行業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究各種工業(yè)廢渣在水泥生產(chǎn)中的綜合利用，一直致力于電石渣生產(chǎn)水泥的綜合技術(shù)與裝備的開(kāi)發(fā)研究，采用多種水泥生產(chǎn)工藝消化電石渣并取得顯著成績(jī)，繼在皖維高新材料股份有限公司成功采用電石渣摻量15%干磨干燒生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，適時(shí)地提出能否用新型干法生產(chǎn)工藝煅燒高摻量電石渣的新課題，即用電石渣替代70～80%石灰石或全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料，該課題的意義在于：

      1、由于電石渣的特性和電石渣配料生料的特殊性，業(yè)內(nèi)曾有“新型干法生產(chǎn)工藝不適合煅燒高摻量電石渣生料”的觀(guān)點(diǎn)，如果該項(xiàng)技術(shù)有所突破，將為預(yù)分解技術(shù)處理其它工業(yè)廢渣帶來(lái)新的啟迪，為形成一套優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保以及單條生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)模大型化的現(xiàn)代水泥生產(chǎn)方法提供良好的示范。

      2、利用電石渣生產(chǎn)水泥比采用石灰石生產(chǎn)水泥熟料燒成熱耗有所降低，如替代60%石灰石時(shí)，熟料燒成熱耗約降低8%；替代80%石灰石時(shí)，熟料燒成熱耗約降低15%。

      3、與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤46%，與濕磨干燒相比節(jié)煤20%，對(duì)于煤炭?jī)?chǔ)采比不足百年的中國(guó)來(lái)說(shuō)節(jié)能尤其重要，不能以處理電石渣而消耗大量能源為代價(jià)。 

      4、由于帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯和濕磨干燒生產(chǎn)工藝必須將其它組分加水粉磨成合格的料漿，每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水，帶來(lái)水資源和能源的浪費(fèi)。

      5、生產(chǎn)1噸熟料需要消耗1.28噸優(yōu)質(zhì)石灰石，同時(shí)向大氣中排放0.57噸CO2，用電石渣替代石灰石生產(chǎn)水泥熟料，可以減輕我國(guó)石灰石資源不足和減少CO2排放。

     6、隨著煤化工行業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)過(guò)程中電石渣以干基（含水分10-12%）排放，將為新型干法生產(chǎn)工藝煅燒高摻量電石渣提供捷徑。 

     2  利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料的技術(shù)進(jìn)步
在我國(guó)利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料始于上世紀(jì)七十年代，當(dāng)時(shí)主要采用濕法長(zhǎng)窯生產(chǎn)工藝，隨后利用電石渣生產(chǎn)水泥熟料的工藝多種多樣，不僅有立窯、濕法長(zhǎng)窯及立波爾窯，而且還有五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯，但這些生產(chǎn)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相對(duì)落后，不符合國(guó)家的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策，目前廣泛采用以下幾種生產(chǎn)工藝：

      2.2.1  帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝

      將成分基本穩(wěn)定的電石渣漿直接送入已磨好的其它組分的料漿庫(kù)中制成混合均勻的生料料漿，通過(guò)機(jī)械脫水成為含水分34%左右的料餅，送入回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料。回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量低，企業(yè)的規(guī)模效益難以實(shí)現(xiàn)；其它組分必須加水粉磨成合格的料漿，每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水，無(wú)形中增加水資源和能源的消耗；熟料燒成熱耗一般在6000kJ/kg左右，雖然熱耗高，但電石渣可以替代全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料，該生產(chǎn)工藝過(guò)去是大多數(shù)化工企業(yè)的主要選擇；隨著煤價(jià)的上漲，許多濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)廠(chǎng)被迫停產(chǎn)，這是水泥工業(yè)不可持續(xù)發(fā)展的首要影響因素。

      2.2.2  濕磨干燒生產(chǎn)工藝

     將成分基本穩(wěn)定的電石渣漿直接送入已磨好的其它組分的料漿庫(kù)中制成混合均勻的生料料漿，通過(guò)機(jī)械脫水成為含水分34%左右的料餅，再送入破碎烘干機(jī)利用窯尾廢氣余熱烘干料餅，烘干后的物料隨氣流進(jìn)入窯尾預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯煅燒成水泥熟料。采用濕磨干燒技術(shù)，回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量較高，熟料燒成熱耗為4000kJ/kg電石渣在原料中的摻量一般在15%以下，消耗電石渣量有限，沒(méi)有進(jìn)一步深化研究；同帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝一樣，沒(méi)有改變每生產(chǎn)1噸熟料需要多消耗0.15噸水的弊端。

     2.2.3  新型干法生產(chǎn)工藝

      采用機(jī)械脫水作為濕排電石渣的前置處理設(shè)備，利用窯尾高溫廢氣作為烘干熱源，使用烘干能力強(qiáng)的立式磨對(duì)含水量較高的配合生料進(jìn)行烘干粉磨，采取新型干法生產(chǎn)工藝生產(chǎn)水泥熟料，熟料燒成熱耗3410 kJ/kg，生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)、能耗低，是一次有益的嘗試，取得了成功；因?yàn)樯a(chǎn)條件的限制，電石渣摻量占原料總量的比例平均<15%，難以證明使用廢渣的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)工藝仍有一些深層次的問(wèn)題需要研究解決，在一定程度上影響了這一技術(shù)的推廣應(yīng)用。

      3  高摻電石渣生產(chǎn)水泥新型干法生產(chǎn)工藝和裝備的開(kāi)發(fā)研究

       國(guó)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(xiàn)，采用電石渣脫水、預(yù)烘干、立式磨、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日在淄博寶生環(huán)保建材有限公司一次點(diǎn)火成功并生產(chǎn)出合格熟料，目前系統(tǒng)阻力 ≤5000 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)了持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

      3.1  電石渣漿處理系統(tǒng)

      3.1.1  電石渣漿的脫水 

      針對(duì)電石渣漿的性能和以往的經(jīng)驗(yàn)，本課題選擇脫水能力較強(qiáng)、料餅水分較低的帶氣橡膠隔膜板框壓濾脫水方案，該壓濾系統(tǒng)的主要工作原理為：含水分75～80%的電石渣漿經(jīng)渣漿泵注入帶氣橡膠隔膜的壓濾機(jī)各個(gè)濾室，當(dāng)壓力升至設(shè)定值后，通過(guò)流體靜壓壓濾脫掉濾餅顆粒間的游離水分；接著再通入壓縮空氣保壓，通過(guò)橡膠隔膜的弧面產(chǎn)生變向剪切力，破壞濾餅的幾何結(jié)構(gòu)，使濾餅水分進(jìn)一步降低。

      為了進(jìn)一步探索合理的工藝參數(shù)，給板框壓濾機(jī)的制造和使用提供借鑒，進(jìn)行了不同濾室厚度、進(jìn)漿濃度、過(guò)濾壓力下的正交試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得知：

     1、電石渣漿的濃度影響濾餅的最終水分。設(shè)置電石渣漿濃縮池進(jìn)行濃縮是必要的，濃縮后含水量最佳狀態(tài)控制在小于75%。

     2、電石渣漿的過(guò)濾壓力以0.8 MPa為宜。壓力過(guò)低則濾餅水分難以控制；壓力過(guò)大則對(duì)板框壓濾機(jī)的機(jī)械制造要求過(guò)高。

     3、濾室的厚度以30mm為宜。濾餅過(guò)厚，水分難以控制；濾餅過(guò)薄，產(chǎn)能難以滿(mǎn)足要求。

     根據(jù)電石渣漿過(guò)濾性能試驗(yàn)結(jié)果和生產(chǎn)中的物料平衡要求，選用XMGZ500型廂式壓濾機(jī)，過(guò)濾面積500m2，過(guò)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32～36%；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。

     2.1.2  電石渣的預(yù)烘干

     電石渣漿采用機(jī)械脫水后水分一般在28～35%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(lái)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(wèn)題。壓濾后的電石渣呈“牙膏”狀態(tài)，輸送過(guò)程中無(wú)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?chē)h(huán)境濕含量大的缺點(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，不易輸送和使用。

     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。

      電石渣含水15%時(shí)的物理性能：松散容重為600g/l，緊密容重為750g/l；電石渣在原料中占63.5 %時(shí)所配生料的休止角為36°；在辦公室常溫敞開(kāi)環(huán)境七天的條件下，吸濕率為4 %，在10MPa壓力下不滲水；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(guò)程中不會(huì)發(fā)生粘堵，可以準(zhǔn)確配料；年產(chǎn)6萬(wàn)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，能夠滿(mǎn)足烘干機(jī)熱量需求，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(chǎng)來(lái)說(shuō)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(guān)大幅度降低，具有一種類(lèi)似水泥漿體 “假凝”現(xiàn)象的物理性質(zhì)，經(jīng)儲(chǔ)存風(fēng)干后和采用防堵措施，解決了喂料及粘堵；供熱系統(tǒng)提供900～1100℃持續(xù)高溫?zé)煔?，選擇長(zhǎng)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；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

      標(biāo)排放。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。

     3.2  原料烘干及粉磨

     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11～14%的要求和原料易磨性實(shí)驗(yàn)，采用烘干能力強(qiáng)、熱交換和粉磨效率高的立式磨作為生料磨；對(duì)窯尾廢氣成分進(jìn)行分析和熱力學(xué)計(jì)算，可以利用廢氣作為烘干熱源；進(jìn)立磨氣體溫度為340℃，立磨產(chǎn)量為75～85t/h，出磨生料水份小于1%，出磨氣體與生料的溫度均為80℃。為了更好地滿(mǎn)足粉磨電石渣配料的要求，研制的HRM1900/2200立式磨，具有45～60t/h生料的研磨能力和80～90t/h的烘干能力。當(dāng)水分為10～12%混合料在磨輥的快速碾壓下，物料被粉碎并且向磨盤(pán)邊沿風(fēng)環(huán)處拋灑，被70～90m/s的高速氣流帶起，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱交換，水分沒(méi)有來(lái)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(chǎng)，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(guò)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(pán)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(kù)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。

      3.3  預(yù)分解系統(tǒng)

      針對(duì)電石渣配料生產(chǎn)水泥熟料的特殊性，我們用差熱分析法對(duì)電石渣的脫水做了試驗(yàn)：從室溫升到870℃時(shí)，儀器記錄了失重（TG）和差熱（DTA）的曲線(xiàn)，電石渣在190℃時(shí)有弱吸熱伴微失重峰，此峰值為吸附水脫出；350℃時(shí)弱吸熱伴微失重峰為水化鋁酸鈣結(jié)構(gòu)水脫出，584℃時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)吸熱伴快失重峰，Ca(OH)2脫水，失重為16.3%，830℃時(shí)為吸熱伴有失重，870℃的放熱峰無(wú)重量變化，前一峰值為水化硅酸鈣脫去結(jié)構(gòu)水，后一峰值為水化硅酸鈣的晶型轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)過(guò)程中試樣總失重25.68%，按電石渣CaO全部結(jié)合為Ca(OH)2，69.36%CaO結(jié)合水為22.29%，其余失重應(yīng)來(lái)自水化硅酸鈣結(jié)合水和電石渣中的碳粒；900℃以下時(shí)電石渣配料與常規(guī)生料的差異如下：

     1、電石渣中Ca(OH)2分解溫度與CaCO3不同。電石渣中含有較多毛細(xì)水和結(jié)晶水，分解溫度較低，電石渣中Ca(OH)2的分解溫度約580℃左右，低于CaCO3的分解溫度。

     2、Ca(OH)2分解吸熱與CaCO3不同，前者分解吸熱為1160kJ/kg，而后者為1660kJ/kg。

     3、電石渣顆粒較細(xì)，脫水較早，在溫度較高的旋風(fēng)筒和分解爐錐部易產(chǎn)生堵塞，不利于連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)； 

    4、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。

       因此電石渣配料生產(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。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和平衡計(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1025kJ/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)，研制開(kāi)發(fā)出低阻型、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(zhǎng)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(méi)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)。 

      4  實(shí)際運(yùn)行效果

      電石渣漿的脫水、壓濾及預(yù)烘干、石灰石破碎、生料粉磨、煤粉制備分別于2005年7月18日、7月28日順利進(jìn)行負(fù)荷試車(chē)，8月22日生料粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在76t/h，到2005年9月生料系統(tǒng)產(chǎn)量穩(wěn)定在85t/h以上，系統(tǒng)平均電耗18kWh/t；燒成系統(tǒng)于2005年8月8日點(diǎn)火，8月12日燒出合格熟料；燒成系統(tǒng)運(yùn)行初期產(chǎn)量控制在1000t/d左右，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，到2005年9月份燒成系統(tǒng)產(chǎn)量達(dá)1200t/d以上，熟料標(biāo)號(hào)達(dá)58Mpa以上，熟料燒成熱耗3180kJ/kg（760kCal/kg），到2005年10月25日電石渣替代70%石灰石，在原料中所占比例超過(guò)50%（干基）。

      5  結(jié)束語(yǔ)

     本項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)，每年可以消耗電石渣30萬(wàn)噸，全年可以節(jié)省35萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)石灰石資源和少向大氣中排放15萬(wàn)噸CO2；與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤46%，全年少耗標(biāo)準(zhǔn)煤約2萬(wàn)噸，少向大氣中排放4.6萬(wàn)噸CO2；與濕磨干燒生產(chǎn)工藝相比節(jié)煤20%，全年少耗標(biāo)準(zhǔn)煤約1萬(wàn)噸，少向大氣中排放2.3萬(wàn)噸CO2；與帶壓濾半濕法回轉(zhuǎn)窯和濕磨干燒生產(chǎn)工藝相比全年少消耗約5.4萬(wàn)噸水。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(guān)點(diǎn)，是一次有益的嘗試，為我國(guó)建材行業(yè)和化工行業(yè)的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和資源綜合利用開(kāi)創(chuàng)了廣闊的前景，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有深刻的示范作用。

     電石渣替代全部石灰石生產(chǎn)水泥熟料新型干法生產(chǎn)工藝和單條生產(chǎn)線(xiàn)規(guī)模的大型化是我們今后工作努力的方向。