電石爐凈化除塵灰作炭材烘干燃料的工藝設計研究

馮召海,李歡，張佳

(新疆中泰礦冶有限公司，新疆 烏魯木齊 831500)

為了保護環境，一般都要求對電石爐尾氣進行除塵和回收利用。電石爐尾氣通過多級降溫除塵后，收集的固體粉塵通過鏈式刮板機輸送到卸灰罐。該固體粉塵一般稱之為凈化除塵灰(以下簡稱凈化灰)，外觀呈深黑色，其溫度在200 ℃左右，10 μm以下粒徑成分約占80%，含有焦油及較高含量的揮發性成分，另外，還含有少量的電石粉末、硫及磷，故其接觸空氣后易燃，存在一定的安全隱患。目前主要的處理方式為填埋，卡車運輸時常燒壞車輛，傾倒時粉塵極易飄散，嚴重污染空氣。此外，其灰分中含有較多的氧化鈣、氧化鎂，任意堆放或填埋對環境及地下水易造成嚴重的污染[1]。

統計結果表明：凈化灰占電石產量的5%～7%。新疆中泰礦冶有限公司在新疆阜康市西溝路口建有120萬t/a電石生產線，副產凈化灰7萬t/a左右。如何有效處理這類凈化灰，成為生產廠家和環保工作者急需解決的問題[2]。

新疆中泰礦冶有限公司與相關科研院所合作，對凈化灰的化學成分和理化性質進行了詳細的分析與研究。結果表明：凈化灰具有碳含量低、揮發分含量高、燃點低的特點，含有的氧化物等成分具有助燃作用。電石生產企業一般使用焦炭或蘭炭末作為炭材烘干燃料，焦炭、蘭炭末碳含量高，但揮發分含量低、燃點高。故此，根據新疆中泰礦冶有限公司的實際情況，結合凈化灰和焦炭、蘭炭末的特點，用其部分取代烘干用的焦炭、蘭炭末作為炭材烘干用的燃料。全程采用氮氣密閉管道輸送，防止凈化灰的自燃和污染。通過該方法，不僅解決了凈化灰的安全和環保問題，同時還節省了燃料，實現了凈化灰的循環利用，具有明顯的環保效益和經濟效益[3]。新疆中泰礦冶有限公司經過半年的反復試驗和實踐，目前整套系統運行平穩，各項參數達到當初的設計要求。現將凈化灰的處理工藝總結如下。

1 凈化灰的理化性質分析

凈化灰的組成受原料成分及電石爐生產工藝的影響有一定的變化。收集一定時間段內的凈化灰，并進行均化處理，然后測試凈化灰的碳含量和細度等，并對焚燒后的凈化灰進行成分分析，結果見表1和表2。

表1 凈化灰的理化性質Table 1 Physicochemical properties of purified ash

表2 凈化灰焚燒后的化學成分Table 2 Chemicals generated after purified ash is burned %

從表1可以看出:凈化灰揮發分含量較高，發熱量只有蘭炭末的1/3左右，同時其粒徑小，加之揮發分中含有焦油等，很容易黏附在容器壁上，給卸料和管道輸送帶來一定的困難。

根據前期試驗，若將凈化灰單獨作為烘干炭材的燃料進行焚燒，則因其熱值低，導致煙氣溫度低，甚至有熄滅的危險；同時，焚燒后的灰分因氧化物含量高，易黏結在焚燒爐的器壁上，難以清除，嚴重影響焚燒爐的安全。將凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干電石生產用炭材的燃料，則可以克服上述不足。

2 凈化灰用于炭烘干工藝

凈化灰部分取代焦炭、蘭炭用作炭材烘干燃料，工藝流程簡圖見圖1。

圖1 凈化灰用于炭材烘干燃料的工藝流程

按照圖1工藝流程，凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干電石生產用炭材的燃料，其工藝主要分為5部分：凈化灰收集系統、凈化灰管道輸送系統、凈化灰存儲系統、凈化灰焚燒系統、焚燒灰分回收系統。其中收集系統、管道輸送系統和存儲系統均在氮氣的保護下運行，以防止凈化灰自燃。下面分別詳細描述各工藝流程系統。

2.1 凈化灰收集系統

目前，密閉電石爐氣中的粉塵一般通過重力除塵、旋風冷卻除塵和布袋收塵后，得到的凈化灰通過鏈式刮板機輸送收集到卸灰罐。因凈化灰易自燃，不能直接與空氣接觸，一般通入氮氣保護。當卸灰罐中凈化灰積累到一定量后，通過卸灰閥進行卸灰，一般采用板車拉運填埋。圖2為凈化灰收集系統的工藝流程圖。

圖2 凈化灰收集系統工藝流程

在不大幅度改變上述凈化灰回收工藝的基礎上，在卸灰罐的錐底部分加裝4個流化板，并通過管道與氮氣罐相連。所用氮氣罐的最高壓力為0.8 MPa,工作壓力為0.6 MPa。卸灰時，具一定壓力的氮氣通過流化板，防止凈化灰黏附在卸灰罐內壁上影響卸灰。流化板下部安裝自動卸灰閥，該卸灰閥與卸灰罐中料位器相連，當達到一定料位或人為控制時，會自動打開進行卸料。同時，在原有卸灰罐流化板上部約10 cm處的側面開1個斜位卸灰管，當卸料出現問題時，可以從旁路進行卸灰，不至于影響卸灰作業。

通過原有卸料罐的手動旋流卸灰閥管口，在正下方連接倒錐形可密封式儲灰倉，該儲灰倉容積為1.5 m3,與氮氣罐相連接，保證足夠的氮氣濃度，防止凈化灰的自燃。當卸灰罐中的凈化灰量達到料位器預設位置時，系統自動啟動卸灰輸送程序，凈化灰進入儲灰倉，達到一定料位后關閉卸灰罐的卸灰閥，自動啟動儲灰倉輸送程序，輸送完畢后再次卸灰，如此間歇輸送。

2.2 凈化灰管道輸送系統

在錐形可密封式儲灰倉下部連接直徑100 mm的鋼制輸灰管道，同時連接氮氣源。儲灰倉內的料位計未被覆蓋時，發送器處于空的狀態，入口進料閥關閉并被密封，此時不消耗氮氣；當儲灰倉儲灰量達到料位計時，系統自動啟動輸送程序，儲灰倉入口進料閥按順序關閉，同時電磁閥被加壓密封。輸送管道上泵的輸送氣閥門打開，氣體進入輸灰管道中，將凈化灰從儲灰倉通過管道輸送到儲灰罐。正常情況下，1.5 m3儲灰倉里的凈化灰可在30～40 s內輸送完畢。

為避免凈化灰在管道輸送時與氧氣接觸發生自燃，使用氮氣作為輸送氣源。同時，因凈化灰中含有焦油，具有較強的黏性，為避免凈化灰黏附在輸送管道壁上，管道上每隔8 m安裝1個增壓器。故在輸灰管道的旁邊，同時建有1條氮氣管道，并有接口與增壓器相通，以便為增壓器提供氮氣。

在輸灰管管道上設有壓力開關，輸灰時一般保持管道內壓力為0.1～0.2 MPa，當檢測到管道內壓力下降到0.06 MPa時，此時管道已清空，關閉氣體入口閥。輸灰系統進入等待狀態，等待下一個循環的開始。

2.3 凈化灰存儲系統

由管道輸送過來的凈化灰一般儲存在錐形儲灰罐中。該儲灰罐容積較大，至少保持20～30 m3的有效容積，以便容納較多的凈化灰，同時加裝料位器以便監測凈化灰的量。在儲灰罐頂端安裝布袋除塵器防止凈化灰的飄散，并向罐中通入一定壓力的氮氣，防止自燃。在儲灰罐錐底加裝4塊流化板，并連通氮氣作為氣源，防止凈化灰下泄時粘連內壁，影響下灰。

儲灰罐下料口安裝2組方向相反的自動星型下料調節器，以控制下料時間和下料量。星型下料調節器下部與混流室呈直角相連。

2.4 凈化灰焚燒系統

混流室中間與星型下料調節器相連，再與羅茨風機出氣口管道相連。利用羅茨風機作為凈化灰輸送至焚燒爐的氣源。羅茨風機出氣口管道出口閥一端連接混流室的左端口，另一端連接混流室的右端口，即羅茨風機出口、混流室的左端口及右端口相互連接為一條水平直線，這樣羅茨風機的高壓輸送氣源便能夠最大程度地作用在混流室內的凈化灰上，使凈化灰高速而流暢地通過輸送管被噴入沸騰焚燒爐中進行焚燒發熱。調整噴管的位置和角度，使凈化灰均勻地噴在焚燒爐的中心位置。

圖3 凈化灰焚燒系統工藝流程

凈化灰部分取代蘭炭末焚燒烘干炭材時的操作順序為：首先向沸騰焚燒爐中噴入蘭炭末，待爐膛溫度上升到需要的溫度后(一般爐膛溫度為850～950 ℃)，通過中控系統再慢慢噴入凈化灰，噴入量由少逐漸增加。在保持沸騰爐內溫度的情況下，凈化灰取代蘭炭末的量可以達到50%，最大可達70%。

凈化灰盡量噴入焚燒爐的中間部位，避免凈化灰和焚燒后的殘渣黏附在焚燒爐的內壁上。為防止對焚燒爐的結構造成影響，一般在停爐后，利用空氣炮對焚燒爐的內壁進行清洗，一般1～2天進行1次空氣炮清洗，爐體結構基本保持穩定。

2.5 焚燒灰分回收系統

由表2可知：經過焚燒后的凈化灰灰分中含有較多的CaO、 MgO，該灰分具有較強的堿性，會降低燃料灰熔點。在1 000 ℃焚燒后，灰分溫度接近熔點，經過重力下沉、冷卻等過程后得到球形顆粒，粒徑多在1～3 mm(見圖4)。該顆粒物密度近2.2 g/cm3,不起塵，無粉塵污染，由沸騰焚燒爐爐底排出，進入一敞口方形鐵制儲槽，體積約1 m3,當達到一定的料位后，使用羅茨真空泵進行負壓吸送，經過2級旋風除塵后進入灰渣顆粒儲罐，達到一定料位后利用普通翻斗車拉運出廠再利用或是填埋。此時，灰渣顆粒已無易燃成分，性質穩定，加之呈顆粒狀，基本不會生產粉塵污染。

3 凈化灰焚燒的環保效益與經濟效益

凈化灰經收集后作為燃料使用，不但徹底解決了凈化灰在空氣中易燃的問題，消除其在運輸、儲存過程中對環境的污染，而且對其后續處理提供了極大的便利條件，環保效益和安全效益巨大。

在經濟上每臺炭材旋轉烘干窯每天需用約8.7 t蘭炭末，利用電石爐凈化灰部分取代蘭炭末后，蘭炭末使用量降為5.4 t，可節省3.3 t蘭炭末。若12臺沸騰爐使用凈化除塵灰，每天使用凈化除塵灰能夠代替蘭炭粉末的量為：3.3×12=39.6(t)。

以2014年蘭炭末平均價格120元/t計算，則1年產生的經濟效益為：

39.6×120×365=173.45萬(元)。

氮氣價格為0.38元/m3，輸送1 t凈化灰所用的氮氣為45 m3，每天產生的凈化灰量為170 t，則每年輸送凈化灰使用的氮氣成本為：

0.38×45×170×365=10.6萬(元)。

使用凈化灰后，1年產生的經濟效益為：

173.45-10.6=163.45(萬元)。

4 結論

(1)將凈化灰部分取代蘭炭末作為烘干炭材的燃料，不但解決了其易燃的難題，同時也具有良好的環保效益和經濟效益。

(2)凈化灰作為電石廠炭材烘干燃料的工藝主要包括5部分：凈化灰收集系統、凈化灰管道輸送系統、凈化灰存儲系統、凈化灰焚燒系統和焚燒灰分回收系統。通過5個系統的有機組合、協調，實現了凈化灰的無害化處理和循環利用。

(3)對凈化灰焚燒后的固體顆粒有必要進行進一步的分析和研究，以實現其循環利用。