利用電石渣生產(chǎn)水泥的反思與展望

1、利用電石渣生產(chǎn)水泥的反思與展望作者:崔冬梅肖其中周宏建單位:合肥水泥研究設(shè)計院摘要:利用電石渣制水泥通常采用“干磨干燒”或“濕磨干燒”工藝,本文通過對兩種工藝過程的對比分析,指出各自優(yōu)缺點,作出評價;并對利用電石渣制水泥的工藝選擇,提出一些個人看法與建議。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)過程中,電石水解后產(chǎn)生的廢渣。電石渣的主要成分是Ca(OH2,其化學成分CaO含量高達70%。從乙炔發(fā)生器中排出的電石渣水分高達90%以上,經(jīng)沉降池濃縮后,水分仍有7580%,正常流動時的水分在50%以上。電石渣容易造成環(huán)境污染,且難以治理,嚴重制約了電石法PVC工業(yè)的發(fā)展。電石渣成分均

2、勻,含鈣量高,是優(yōu)質(zhì)的水泥原料,用來代替石灰石生產(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年成功運行1年后停產(chǎn)至今,四川德陽(1500t/d、四川樂山(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)問題沒有解決,電石渣的摻入量尚末達到設(shè)計要求;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)廠家通過調(diào)整工藝,可以使得新出廠電石渣中Cl-含量達到“干磨干燒”或“濕磨干燒”工藝的要求;而歷年積累的電石渣

3、大都存在Cl-超標的問題,只能通過少摻或采用濕法、立窯、中空窯煅燒工藝加以解決,不在本文討論之列。2008年,國家發(fā)展改革委辦公廳印發(fā)關(guān)于鼓勵利用電石渣生產(chǎn)水泥有關(guān)問題的通知,以下簡稱通知。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)工藝進行改造1。這個規(guī)定有些不妥。2 “干磨干燒”與“濕磨干燒”兩種工藝過程的對比分析(1 從原料水分的去除來看,機械脫水無疑是最經(jīng)濟的方式,所以不管是“濕磨干燒”還是“干磨干燒”,都先采用壓濾機對原料進行脫水?！皾衲ジ蔁笔菍⑸蠞{進行壓濾后送入破碎烘干機;“干磨干燒”則是先將電石渣漿壓濾后再進行預(yù)烘

4、干。由于電石渣顆粒微細,分散度很高,具有多孔狀結(jié)構(gòu),保水性極強,單獨脫水的脫水率很低。采用廂式壓濾機脫水后,電石渣濾餅水分在35%左右。而壓濾生料漿時,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%計算,“干磨干燒”工藝每噸干基生料帶入水為0.635(100-35+0.45(100-5=0.344噸,帶入水分的99%在預(yù)烘干和生料粉磨兩個階段內(nèi)蒸發(fā);“濕磨干燒”則為27(100-27=0.370噸,主要在破碎烘干機內(nèi)蒸發(fā)。由此可見在后續(xù)工序利用熱能脫水時,“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

5、才采用的方式,在這一點上,“干磨干燒”略占優(yōu)勢,“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)水量僅僅多出7%。(2 預(yù)烘干“干磨干燒”工藝選用回轉(zhuǎn)式烘干機對壓濾過的電石渣濾餅進行預(yù)烘干,使其水分由35%降至10%左右,這部分烘干熱耗達1000kJ/kg-cl,加上燒成熱耗3100kJ/kg-cl,合計熟料熱耗高達4100kJ/kg-cl,與“濕磨干燒”工藝相當,節(jié)煤效果并不顯著。另外還有一個現(xiàn)象:電石渣濾餅在回轉(zhuǎn)式烘干機內(nèi)翻滾后,逐漸密實并形成球狀,獲得一定的強度,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

6、成為優(yōu)質(zhì)的水泥鈣質(zhì)原料,現(xiàn)預(yù)烘干“干磨干燒”工藝采用立磨對配合料進行最終的烘干兼粉磨,生料產(chǎn)量為75t/h時,立磨本身裝機功率為575kW,加上立磨風機900kW,主機功率達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,若選用球磨機對這部分物料進行粉磨,則只須選用一臺2.410m中卸烘干磨便完全可以滿足要求,其主機功率僅為570kW。兩種方案主機功率差別竟達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)科學技術(shù)的不斷進步,電石渣干排技術(shù)日益成熟,這

7、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電能的缺陷將更為突出?！皾衲ジ蔁辈捎闷扑楹娓蓹C對壓濾過的生料濾餅進行烘干、破碎,在獲得相同生料的情況下,它的主機裝機功率為450kW,加上濕法開流磨750kW,合計為1200kW,低于“干磨干燒”。(“濕磨干燒”要多用四臺壓濾機,主機功率為45.5kW;“干磨干燒”則需另加兩臺烘干機,主機功率為2110kW,均末計入。在電耗方面,“濕磨干燒”有優(yōu)勢。3 對“干磨干燒”與“濕磨干燒”兩種工藝的評價(1 通過上述對比可以發(fā)現(xiàn):在電石渣摻量較大時,“濕磨干燒”工藝的電耗、投資指標均優(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

8、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看:水分蒸發(fā)的過程就是吸熱的過程,降低熱耗的途徑有兩個,一是降低物料水分,二是提高熱交換效率。機械脫水是最經(jīng)濟的方式,它的能力要盡力發(fā)揮,在它的能力達到極限之后,就只能在提高熱交換效率上多做工作了?；剞D(zhuǎn)式烘干機在烘干電石渣濾餅時,其效率顯然沒有在懸浮狀態(tài)下效率高?；剞D(zhuǎn)式烘干機與破碎烘干機熱效率的差異,在熱耗上得到了極好的體現(xiàn)。在傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)中,對于大宗濕物料,20年前水泥界就有共識:當原料水分超過10%或粘性過大時,均應(yīng)排除干法工藝,否則物料烘干熱耗將超過干法生產(chǎn)所能節(jié)省的熱耗。這個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,

9、這個數(shù)據(jù)可提高至12-14%。例如:我國兩個設(shè)計院在對峨眉水泥廠擴建年產(chǎn)70萬噸新生產(chǎn)線的可行性研究中,就曾用全干法烘干工藝與“濕磨干燒”工藝進行對比,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)約標煤7052t,但原料的烘干熱耗增加標煤9619t,水泥綜合電耗又增加標煤2580t,使其綜合能耗高于“濕磨干燒”方案5147t標煤,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”熟料燒成熱耗指標高于全干法,就認為“濕磨干燒屬于中間技術(shù),不宜于廣泛采用”是不科學的。我們尋求的應(yīng)該是項目的整體效益。“濕磨干燒”的缺點在于:因為驅(qū)動功率較大,在流程

10、上可視作某級預(yù)熱器的破碎烘干機必須置于地面,一旦發(fā)生積料,必須停窯處理。隨著科技的進步,破碎烘干機日趨可靠。如果采用回轉(zhuǎn)式烘干機烘干大宗濕物料,片面追求可靠性,片面追求新型干法,則是工藝的倒退,實非明智之舉。(2 當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,利用立磨能夠一步完成烘干兼粉磨時,新型干法的優(yōu)勢就很明顯了,此時采用新型干法是合適的。若采用干排電石渣,盡管此項技術(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(OH2在平衡分解壓力為760mm

11、Hg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,其燒成熱耗應(yīng)遠低于傳統(tǒng)熟料,但在實際生產(chǎn)時,節(jié)能指標并末達到期望值,主要原因在于電石渣與石灰石化學成份的差異。在電石法PVC的生產(chǎn)過程中,用來生產(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+2H2OC2H2(乙炔氣+Ca(OH2(電石渣。不僅如此,在電石爐內(nèi)溫度高達2000和還原氣氛的條件下,原料中的MgO被還

12、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,電石中雜質(zhì)也參與反應(yīng)生成Ca(OH2和其它氣體,其副反應(yīng)式為:CaO+ H2O Ca(OH2CaS+ 2H2O Ca(OH2 +H2SCa3N2+ 6H2O 3Ca(OH2 +2NH3Ca3P2+6H2O 3Ca(OH2 +2PH3Ca2Si+4H2O 2Ca(OH2 + SiH4Ca3As2+ 6H2O 3Ca(OH2 + 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)

13、與水泥生產(chǎn)的差異決定二者不能始終同步運行,通過對業(yè)主的接觸,發(fā)現(xiàn)他們大都希望在電石渣充足時,能最大限度地摻入電石渣,在化工廠停產(chǎn)檢修時,也能用石灰石維持生產(chǎn)。綜上所述,筆者認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,用以補充對水泥生產(chǎn)有利的微量元素。這樣在熱耗和運轉(zhuǎn)率上都是比較理想的,片面追求100%替代石灰石并不能達到最佳效益。5 “干磨濕燒”工藝簡述通過對兩種工藝過程的對比分析,筆者提出一種利用電石渣煅燒水泥熟料的新思路,簡而言之,就是“干磨濕燒”。“干磨濕燒”的主要特點是:單獨粉磨、濾餅直接入分解爐。4(1 除電石渣外的輔助原料經(jīng)配料后單獨粉磨,并

14、可根據(jù)原料條件決定是否采用均化措施。(2 針對電石渣濾餅特性,設(shè)計新型分解爐。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)式烘干機烘干物料時,不僅熱效率低,且物料有升溫、冷卻、入窯再升溫的過程,因此電石渣直接入分解爐,可以減少無謂的熱量損耗。如果要求電石渣在爐內(nèi)完成烘干、分解的過程,勢必要提高爐內(nèi)溫度,分解爐出口溫度也會隨之提高,如果沒有物料降溫,預(yù)熱器出口廢氣溫度將會很高,這就是不能將混合料直接送入分解爐的原因。6 結(jié)束語(1 在現(xiàn)有技術(shù)條件下,對于濕排電石渣,當電石渣摻入量大時,采用“濕磨干燒”工藝是合適的;當電石渣摻入量小,立磨能夠完成烘干兼粉磨時,采用新型干法是合適的。(2 對于