用電石渣配料生產水泥熟料的工藝設備優化

曹輝輝

（陜西北元集團水泥有限公司，陜西 榆林 719319）

0 前 言

近年來世界水泥工業迅猛發展，新型干法水泥的生產已經成為主導，而且正在向大型化、高效化發展。概括其有三大特點：一是以懸浮預熱技術和預分解技術為核心；二是將數控技術應用于原料的破碎和預均化、生料的粉磨和均化、熟料的煅燒及水泥粉磨等生產的全過程；三是使水泥的生產成為高效、優質、節約能源、清潔生產和符合環保要求的現代化綠色產業[1]。

近幾年，與生產pvc的化工企業配套的電石渣水泥生產線逐步發展起來，技術到目前相對成熟，如吉林化工廠、天津化工廠、貴州有機化工總廠、山西省化工廠、新疆天業等，有的在70年代就建成工業規模裝置，專有一條水泥生產線消化電石廢渣。電石渣是電石水解獲取乙炔氣后的以氫氧化鈣為主要成分的廢渣。乙炔（C2H2）是基本有機合成工業的重要原料之一，以電石（CaC2）為原料，加水（濕法）生產乙炔的工藝簡單成熟，至今已有60余年工業史，目前在我國仍占較大比重。1t電石加水可生成300多kg乙炔氣，同時生成10 t含固量約12%的工業廢液，俗稱電石渣漿，呈堿性，如果露天堆積，會對周圍環境造成污染，耕地受到嚴重破壞。

利用電石渣生產水泥不僅處理了電石渣這個“污染物”，而且會減少CO2的排放，我公司年產100萬噸的聚氯乙烯項目配套兩條3000t/d熟料的新型干法水泥生產線，有著成本低、規模大、政府支持補貼的優勢。

1 國內電石渣生產線的發展情況

我國早期電石渣生產線主要以濕法為主，而且規模在1000t/d左右，2007年以后，新型干法電石渣生產線發展較快，先后有新疆天業、內蒙古伊利冀東等，規模也在逐步擴大，目前4600t/d熟料、5000t/d熟料的生產線不斷涌現。乙炔生產有濕法與干法兩種，與之對應的水泥生產線也有濕電石渣與干電石渣之分，濕電石渣漿通過壓濾后的水份一般在30%～40%左右，干電石渣的水份在3%～10%左右。濕電石渣由于水份較大，輸送與烘干是難題，干電石渣中由于存在反應不完全的現象，在儲存、輸送中容易爆炸，這在我國幾個企業就發生過，所以難題就是防爆、粉塵收集與處理。

2 我公司工藝布置的設計分析

2.1 公司簡介

陜西北元集團水泥有限公司成立于2009年9月12日，是陜西北元化工集團的全資子公司。廠址位于神木錦界工業園南區，占地400畝，總投資7.6億元，設計規模為年產通用硅酸鹽水泥240萬噸，硅酸鹽水泥熟料180萬噸，是北元集團化工、電廠配套項目，屬于國家循環經濟、資源綜合利用低碳型建材企業。項目以化工100萬噸/年PVC裝置所產生的電石渣，電廠排出的粉煤灰、爐渣為原材料，電石渣100%代替石灰石，不僅純度高、鈣含量大，而且粉磨、煅燒能耗低，每年可減排二氧化碳氣體100萬噸，可降低溫室氣體給人類帶來的災害。產品有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥等系列，規格有P.O52.5R、52.5、42.5R、42.5、P.F32.5R、32.5、P.C42.5R、42.5不同等級強度水泥，充分滿足了客戶需求，實現資源綜合利用，節能減排，帶來經濟效益和社會效益雙豐收。其中一期50萬噸聚氯乙烯為濕法乙炔生產，二期50萬噸為干法乙炔生產，這里主要研究的是一期濕法乙炔生產線。

2.2 公司生產工藝流程及主要設備布置情況

生產工藝流程如圖1，主要設備情況見表1。

圖1 公司1#線生產工藝流程圖

表1 公司主機設備一覽表

2.3 公司實際生產中遇到的問題

2.3.1 濕電石渣上料與烘干

化工生產乙炔氣體產生的電石渣漿經過壓濾機后水份在30%～36%左右，物料輸送的具體流程如圖2：

實際生產中存在如下問題：

（1）所有螺旋輸送機能力不足，容易壓死，故障頻繁，嚴重影響生產運行；

（2）電石渣外加口太小，儲存不下多少料，裝載機耗量大；

（3）工藝布置比較復雜，流程彎道多，不利于物料輸送與烘干，如皮帶秤就不適合計量水份很大的物料，1#～4#膠帶輸送機彎道較多，故障也多；

（4）部分溜子很容易堵料，濾餅喂料機經常過負荷跳停。

這些問題導致烘干破的臺時產量只有30～40t，無法實現用100%電石渣代替石灰石配料，生產成本也比較高，生料磨臺時140～160t。

2.3.2 電石渣配料與粉磨

與普通石灰石配料相比，電石渣配料在工藝上有如下特點[2]：

（1）電石渣主要成分為Ca（OH）2，CaO含量高，電石渣及其生料中鎂、堿含量很低，液相量偏低，易燒性稍差。

（2）電石渣細度較細，與水泥生料相比，顆粒較為均勻，粉磨過程主要是電石渣的烘干與輔助原料的均勻混合過程，易磨性很好。

（3）干電石渣及其生料的容重較輕，冷態下其流動性較好，高溫下流動性較差，堆積壓力較小。濕排含水量很高約在35%～45%，干排含水量在5%～10%。

（4）Ca（OH）2的分解溫度遠低于CaCO3。

（5）適當條件下，Ca（OH）2和生成的CaO會吸收部分CO2，部分重新生成CaCO3。

（6）Ca（OH）2的分解熱遠低于CaCO3，因此電石渣配料熟料的形成熱大幅度降低。

（7）由于電石渣的燒失量小，故其生料的理論料耗低。

（8）窯尾系統廢氣成分中含水量較高，CO2含量較低，廢氣量與廢氣比熱較小。

（9）電石渣熟料的顏色大多呈微黃或土色。

（10）由于電石渣中有效成分較高，故一般電石渣熟料的強度較高。

（11）不同電石渣的硫和氯的差別很大，如硫和氯含量較高，會使窯尾系統堵塞，影響熟料煅燒和熟料質量。

我公司其他原料為黃矸石、粉煤灰、鐵粉、砂巖，電石渣干粉先通過組合式選粉機，細度合格的就直接入均化庫，細度不合格然后進磨與其他原料一起在生料磨中粉磨。在生產中主要遇到如下問題：

（1）電石渣干粉溫度較高，導致選粉機下軸承、磨機滑履等溫度較高，有時因為溫度超過警界而被迫停磨。

（2）公司選用的電石渣計量設備為科氏力稱，能力15～150t/h，由于濕電石渣在輸送與儲存中經常會混進去垃圾，造成稱體經常堵料、卡料，傳感器損壞頻繁，稱體波動大，直接影響生料制備。

（3）由于電石渣先經過選粉機，后入磨，經觀察測量，60%的電石渣會直接進入成品輸送斜槽，這樣導致磨機內只有少量的其他原料，磨機始終處于一種空砸狀態，襯板、隔倉板等更換頻繁。

（4）我公司自生產以來，生料飽和比合格率平均在55%，嚴重影響熟料煅燒的穩定性。

2.3.3 熟料煅燒

用100%電石渣代替石灰石配料，一方面容易造成預熱器系統與窯尾煙室結皮堵塞，另一方面易燒性差[3]，熟料燒結范圍窄，三者隨著烘干破投料量的大小，整體負壓在不停的變化，極易引起窯皮脫落，窯磚壽命短。四者電石渣烘干系統與窯系統漏風較大，窯內負壓會出現不足的情況。

我公司生產以來最快的兩個月燒毀一批磚，整體窯磚消耗高于行業水平，熟料生產成本自然也高。

3 工藝設備優化

3.1 濕電石渣上料與烘干系統的工藝優化與設備技改

針對存在的問題，我公司對濕電石渣上料與烘干系統做了很多優化改造，現在整體運行穩定。

3.1.1 電石渣外加口的改造

將兩臺45kW的雙管螺旋輸送機改為兩臺22kW的變頻膠帶輸送機，膠帶輸送機為平式，上行托輥比較密，在膠帶輸送機上做了一個能容納5t電石渣的料倉，保證裝載機能正常加料。將兩條皮帶秤直接去掉，用溜子直接引下去，減少了設備數量，如圖3。

3.1.2 電石渣外排與4#膠帶輸送機的改造

在原設計中，只要3#或4#膠帶輸送機出現故障，就會導致化工壓濾被迫停車，問題如果一時解決不了，直接影響到化工乙炔的流量。考慮到這個問題，我們在1#與2#膠帶輸送機機頭各增加了一個外排口，如果需要外排，就直接從新外排口外排到堆場，如果需要在線上料，就開啟3#和4#膠帶輸送機。這里我們也把4#膠帶輸送機的驅動做了改造，兩個電機同時正轉或同時反轉，并實現中控遠程控制，操作員可以根據烘干破出口溫度，調節4#皮帶正反轉或5#或6#膠帶輸送機的頻率。

3.1.3 電石渣烘干系統的優化與改造

第一，將移動式雙管螺旋輸送機徹底取掉，將3#、4#雙管螺旋輸送機改為兩條膠帶輸送機，原鉸刀的功率為45kW，新換膠帶輸送機的功率為22kW。將兩臺膠帶輸送機基礎整體抬高，騰出空間，把濾餅喂料機由三樓提高到四樓。9#膠帶輸送機過來的電石渣通過“八”字溜子進入下面兩條膠帶輸送機，分料閥由現場自己制作，見圖4。

第二，在烘干破每套噴淋系統下方1米的位置等距安裝4臺空氣炮，定時敲打，尤其是開噴淋的時候增加敲打次數，避免物料掛壁。

第三，針對電石渣中摻雜的廢鐵等卡死濾餅喂料機，在9#膠帶輸送機機頭處增加了一臺除鐵器，見圖5。

第四，在入電石渣干粉庫的每一個溜子上設計安裝了自制“寶塔垃圾分離器”，將電石渣中的大部分垃圾攔住，很大程度解決了電石渣計量系統被堵或卡的現象，提高了稱體流量的均勻性，生料質量也得到同步提高。

改造后，流程比以前簡單，見圖6，烘干破的臺時產量最高能達到90t/h，完全實現了100%電石渣代替石灰石的配料，系統運行穩定，故障率低。電石渣上料連續均勻，環保得以保證。

圖4 烘干破四平臺改造后

圖5 新增除鐵器

圖6 電石渣輸送與烘干系統改造后

3.2 電石渣配料與粉磨系統的改進

3.2.1 電石渣配料與石灰石配料的差異

除電石渣的物理性能及化學成分與石灰石不一樣外，生料煅燒時兩者的化學反應過程有所不同[4]。

石灰石的主要成分是CaCO3，加熱至750℃就開始分解，900℃時分解劇烈而快速進行，反應式如下：

CaCO3→CaO+CO2↑

CaCO3分解時，需要吸收大量的熱量，反應熱為1787.8kJ/kg，（以25℃為基準，下述均如此），是水泥熟料形成過程中消耗熱量最大的一個過程。

電石渣的主要成分是Ca（OH）2，在加熱過程中部分Ca（OH）2會吸收氣體中的CO2生成CaCO3。加熱至550℃時Ca（OH）2開始分解，生成的部分CaO又會吸收氣體中的CO2生成CaCO3。在900℃以上時，上述兩部分生成的CaCO3會重新分解。上述反應式如下：

Ca（OH）2+ CO2→ CaCO3+H2O↑（放熱反應，1kg Ca（OH）2反應熱為937.6kJ）

Ca（OH）2→CaO+H2O↑（吸熱反應，1kg Ca（OH）2反應熱為1478.3kJ）

CaO+CO2→CaCO3（放熱反應，1kgCaO反應熱為1787.8kJ）

CaCO3→CaO+CO2↑（吸熱反應，1kgCaCO3反應熱為1787.8kJ）

同時可得出，電石渣配料生料分解反應后的廢氣成分和廢氣量也與石灰石配料的不同。

3.2.2 生料粉磨系統工藝與設備優化

針對電石渣的特性，結合生產實際存在的問題，我們做了如下改進：

首先，控制烘干破碎機的出口溫度，一般在100℃～130℃，這樣就保證了干電石渣的溫度不至于過高，一般在70℃左右，水份≤1.5%。

其次，增大選粉機稀油站冷卻器的換熱面積，現在的是原來的3倍，這樣到夏季的時候保證選粉機下軸承溫度在65℃以內。對電石渣計量系統等設備軸承增加外置大油杯，每班進行潤滑，確保設備軸承及時得到補油。

再次，由于很大一部分電石渣不入磨機，直接進入成品斜槽，需要調整磨機鋼球級配，鋼球最大用到Φ80，最小Φ30，其中粗磨倉為Φ80，Φ70，Φ60，Φ50，細磨倉為Φ50，Φ40，Φ30。實際生產中烘干倉護板磨損嚴重，磨頭灰塵比較多，經過研究，我們對生料磨烘干倉進行了改造，將兩排揚料板錯位排開，在中間的位置全部安裝波紋襯板，這樣減輕了物料對磨機護板和筒體的磨損，烘干倉螺栓壽命延長。

3.3 熟料煅燒系統的優化

我公司采用三級旋風預熱器帶管道式分解爐，見圖7，生產能力3000t/d，其中一級旋風筒（C1）內徑Ф5100mm，二級與三級旋風筒（C2、C3）內徑均為Φ7400mm，分解爐內徑為Ф6100mm。回轉窯規格為Ф4.3×66m，冷卻系統為控制流篦式冷卻機，型號∶ HCFC-3800，產量∶3800t/d。

圖7 公司窯尾預熱器與回轉窯系統

3.3.1 穩定電石渣上料量

為了保證窯系統負壓穩定，烘干破碎機電石渣的喂料量必須穩定，在這里我們主要控制兩個參數，一者是烘干破的出口溫度，二者就是烘干破的電流。平時運行中我們主要靠調節外加電石渣的量來控制，把這些溫度與電流參數引到現場烘干破四平臺，便于現場崗位工監控。這塊主要問題就是電石渣堵料問題，如果堵料，將會中斷上料，窯系統負壓下降，調節不及時，直接會造成窯皮脫落等。經過研究，我們發明了一種新型非標溜子，即“皮帶溜子”。所謂皮帶溜子就是用角鋼把溜子的框架做出來，四面由原來的鋼板換為膠皮（膠皮來源于換下來的廢舊皮帶）。這種溜子的好處不容易沾料，即使沾料，用錘子輕微敲一下，物料就會失去粘附力掉落。這樣改過以后，電石渣上料與烘干系統非常穩定，連續穩定運轉率達98%以上。

3.3.2 在易堵塞位置增加空氣炮并增加噴吹次數

針對電石渣配料煅燒時預熱器易結皮現象，公司在旋風筒錐體，窯尾煙室，下料管增加了空氣炮，并配置了高壓水槍，每班定時清理煙室結皮。操作中嚴格控制溫度，發現異常及時處理，自生產以來，預熱器結皮堵塞在我公司不是很突出，目前，這塊基本影響不到正常運行。

3.3.3 從源頭上控制，給煅燒提供優良的生料與環境

我們知道，用電石渣為原料生產水泥熟料存在很多問題，其中有些技術到現在也不是很成熟，做為一個循環產業鏈，我們需本著上道工序為下道工序服務的原則，嚴把質量關，具體如下：

第一，嚴格控制電石渣中的C1-含量[5]。

經檢測大部分氯堿企業電石渣中的C1-含量普遍偏高，在0.023%～0.3%之間波動，有些企業的電石渣C1-含量居高不下。應從源頭上對電石渣中C1-含量進行嚴格控制，包括采取減少次氯酸鈉循環次數等措施，因為一旦在化工的生產工序中無法降低電石渣中的C1-含量，那就意味著水泥廠在生料配料中只能減少電石渣的摻加比例甚至放棄使用。否則會增加預熱器和分解爐結皮、堵塞的頻率，嚴重時使水泥生產無法進行。

目前，我公司電石渣中的C1-含量較低，也比較穩定，能滿足100%電石渣的生產。

第二，降低電石渣中的水分。

該項工作仍然要從源頭抓起，化工電石渣壓濾車間優化操作，包括適當提高壓濾壓力、延長保壓時間，嚴禁將沖洗濾布的水帶入壓濾好的電石渣中，以免造成電石渣的水分再次上升。

我公司在2010年冬天到2011年前半年，電石渣水分很高而且不穩定，基本平均在38%左右，上40%也較多，給生產造成很大影響，經過壓濾車間增強過程控制和對刮板機進行改造后，目前水分大多數在30%左右。對于輸送、烘干來說相對比較容易。

第三，提高生料三率值合格率。

生料的三率值直接決定了熟料的三率值，優良的熟料源于合格穩定的生料與精心煅燒。在生料配料上，我們現在主要采用5種組分，即電石渣、黃矸石、砂巖、鐵粉、粉煤灰。在原材料礦點確定以后，成分波動基本不大，主要是各計量系統的使用。黃矸石、鐵粉、砂巖采用的是皮帶秤，相對準確，電石渣與粉煤灰采用的是粉體轉子計量稱，波動較大。我公司在生產期間更換了粉煤灰轉子秤，把滁州匯龍的轉子秤換為北京燕山的轉子秤，對負壓系統進行了改造，增加了緩沖裝置，粉煤灰計量基本處于平穩，目前，生料的飽和比合格率由原來的40%左右提高到了70%左右。

第四，控制生料與煤粉細度。

事實證明，生料與煤粉的細度會對熟料的流動性產生影響，生料細度一般控制10%左右，煤粉細度15%以內。

3.4 效果評價

通過三大系統的改造，成功實現了100%電石渣代替石灰石生產水泥熟料，帶來的效益也非常大。

首先，用石灰石配料時，生料磨的臺時產量在130～140t/h，用純電石渣后，臺時產量平均在185t/h左右，每小時提高45t左右。

其次，電石渣上料到烘干相對順暢，基本不堵料，每小時能烘干干粉160t，保證了磨機正常使用。

再次，回轉窯運行水平提高，熟料質量符合國家標準，流動度200mm以上，平均每天生產熟料2500t。

4 結束語

4.1 主要結論

本文通過對用電石渣生產水泥熟料的工藝研究，提出了多項生產技改，實現了100%電石渣代替石灰石的配料與煅燒，并產出優質熟料，具體如下：

（1）由于濕電石渣水分相對大，粘性也大，輸送設備需選用膠帶輸送機，而不能用螺旋輸送機等，流程簡單點比較好。

（2）電石渣配料的生料在預熱器和窯系統中與石灰石生料反應不同，消耗能量也不同，需合理控制窯頭與分解爐喂煤。

（3）電石渣燒失量小于石灰石，所以電石渣配料生產熟料料耗低。

（4）電石渣易粉磨，提高電石渣的摻加量，可以提高生料磨臺時，降低熟料電耗。

（5）由于電石渣配料的生料在煅燒時容易結皮，所以生產中需特別觀察預熱器各溫度與負壓的變化，定期清理煙室結皮。

4.2 需進一步解決的問題

電石渣計量系統為粉體轉子秤，由于干粉中混有一定的垃圾，導致稱體波動較大，影響生料配料，目前，合格率還不能達到行業平均水平，需要研究一種設備，將垃圾除去，而且電石渣計量既環保又比較穩定。

[1]衛耕.新型干法水泥生產工藝實現電石渣制水泥熟料的研究與生產實踐（J）.總工論壇，68～80.

]2]陳剛.100%電石渣替代石灰石生產水泥的開發與設計（J）.水泥技術，2010（4）:108～110.

[3]蔣曉曙等.電石渣100%代替石灰石煅燒水泥熟料的易磨性（J）.水泥，2009（7）：35.

[4]許京法.利用電石渣煅燒水泥熟料的生產工藝（J）.水泥，2005（9）：13～18.

[5]張海峰.優化電石渣制水泥工藝的幾點建議（J）.水泥，2009（10）:29～30.