淺談電石渣在干法水泥生產線中的應用

薛希海，阮黎明

甘肅省金昌市氯堿化工產業鏈項目主要由金昌水泥集團有限責任公司（簡稱“金泥集團”）40萬噸電石、16萬噸干法乙炔，金川集團公司40萬噸離子膜燒堿、30萬噸聚氯乙烯（PVC）等項目組成。

金泥集團新型干法水泥二廠是該集團下屬的水泥分廠之一，位于金昌市新材料工業園區。2009年5月投產，年可生產各類水泥100萬噸以上，占到集團公司水泥銷售的70%。

金泥集團干法二廠是甘肅省金昌市氯堿產業鏈上的重要節點項目，利用金川集團公司、甘肅金泥化工公司和甘肅金泥干法乙炔公司排放的電石渣作為石灰質原料生產水泥，并將生產的水泥用于金川集團公司礦山井下填充，形成循環經濟產業鏈，徹底消除了電石廢渣排放對環境的污染。

1 電石渣固體廢物綜合利用項目

電石渣是氯堿化工生產PVC的過程中，電石與水在發生器中發生反應，生成乙炔氣體時產生的廢棄物。利用電石渣生產水泥，可實現大摻量、無害化利用電石渣，是電石渣最有效的處理途徑。但利用全部電石渣代替石灰質原料生產水泥，和傳統天然石灰質原料生產水泥相比，煅燒控制參數有很大差別。

1.1 電石渣的特性

1.1.1 電石渣的物理性能

干法制備乙炔產生的電石渣，水分在4%～12%，根據其中所含硅、鐵等雜質的不同，其密度在1.5～2.0kg/m3，容 積 密 度 為 0.5～1.0kg/m3，細 度（0.08mm方孔篩篩余）為9%～18%，呈白色細粉狀，比表面積為260～350m2/kg。隨著電石渣顆粒變小，其比表面積呈正比例關系。由于電石渣的主要化學成分為Ca（OH）2，水分含量低時呈現吸濕性，含水電石渣具有粘性和保水性，在常溫下晾曬會產生殼狀保護層，水分不易蒸發。

1.1.2 電石渣的化學成分

干法制備乙炔產生的電石渣化學成分見表1。電石渣的主要化學成分為CaO，其含量為68%～74%。

通過提高電石分解反應速度技術、多層層板反應技術、硫酸清凈技術，可避免干法制備乙炔生產線產生的電石渣中含有大量生電石，大大減少電石渣中氯離子和硫的含量，能使電石渣全部用于水泥生產。

表1 電石渣主要化學成分，%

1.2 電石渣的危害

電石渣的有效成分和主要成分都為氫氧化鈣（質量分數為90.1%），同時還含有氧化硅（質量分數為3.5%），氧化鋁（質量分數為2.5%），以及少量的碳酸鈣、三氧化二鐵、氧化鎂、二氧化鈦、碳渣、硫化鈣等雜質。電石渣呈灰色，并伴有刺鼻的氣味。電石渣呈強堿性，數量龐大，運輸成本高，若占用大量土地堆放，會污染堆放場地附近的水資源，風干易起飛灰，形成粉塵對大氣造成污染等，是我國清潔生產和資源循環利用的重點和難點。

1.3 電石渣與石灰石煅燒水泥的區別

天然石灰石的主要化學成分為CaCO3，分解溫度在700℃以上，急劇分解溫度在850℃以上。為了提高物料的分解率，保證入窯物料的易燒性，控制以石灰石作為石灰質原料的預分解系統中分解爐的正常煅燒溫度為850～900℃。

電石渣的主要化學成分為Ca（OH）2，在預熱器中的反應是Ca（OH）2脫去結合水生成CaO的過程。Ca（OH）2在500℃以上就可以分解，在650℃以上可以實現大量分解。

電石渣中的CaO含量在68%以上，遠高于石灰石中CaO的含量，屬于生產水泥的優質石灰質原料，具備生產高等級電石渣水泥熟料的能力。電石渣和石灰石在窯尾預熱器和分解爐的反應過程不同，相關研究人員的熱分析結果顯示，電石渣中Ca（OH）2和石灰石中 CaCO3分解熱耗分別為72.253kJ/mol和142.933kJ/mol，熱力學計算氫氧化鈣和碳酸鈣的理論分解熱耗分別為101.625kJ/mol和166.232kJ/mol。以上兩種結果顯示，單位質量的電石渣的分解熱即電石渣中Ca（OH）2分解生成CaO的熱耗，遠低于單位質量的石灰石中的CaCO3分解生成CaO的熱耗，電石渣在預分解系統實際熱耗為1 350～1 450kJ/kg熟料。

這就給金泥集團公司干法二廠的燒成煅燒帶來了困難，如何保證石灰石反應充分而電石渣又不反應過度，分解爐溫度的控制成為困擾窯系統穩定煅燒的一大難題。經過該廠的不斷摸索，預分解系統與窯頭的用煤比例由以前純石灰石的頭煤35%、尾煤65%，逐漸調整為現在的頭煤45%、尾煤55%，減少了預熱器的供熱，增加了窯內供熱，平衡了系統內供熱和需熱的問題，穩定了系統煅燒。

1.4 電石渣制水泥較石灰石制水泥的優勢分析

由于電石渣的化學成分與石灰石基本相同，理論上完全可以利用電石渣生產水泥。利用電石渣替代石灰石生產水泥這一工藝具有明顯的增產節能效果。

（1）電石渣中CaO含量高達70%左右，可改善生料的易燒性。

（2）電石渣中的Ca（OH）2分解溫度比石灰石中的CaCO3分解溫度低很多，燒成熱耗較低。

（3）利用電石渣減少石灰石用量，不僅能節約不可再生資源石灰石的用量，滿足水泥生產的原料需求，而且還能解決多年來因廢渣污染無法處理帶來的難題，使廢物得以利用，改善生態環境。

（4）傳統水泥工業不僅大量消耗資源和能源，而且對環境污染嚴重。水泥生產需采用石灰石、燃料等不可再生資源和能源，經歷破碎、粉磨、煅燒、再破碎和再粉磨等過程，因而在上述過程中不可避免會消耗資源、能源，排出廢氣，產生粉塵等污染物。傳統水泥企業排放污染物主要為粉塵和煙塵、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，而使用電石渣作為主要原料生產水泥后，各項污染物排放值明顯下降。

（5）電石渣制水泥相比石灰石制水泥能耗降低、成本減少。我廠目前使用的原燃材料價格情況如表2所示。

表2 原燃材料價格

a電石渣的用量每增加1.0%，石灰石用量降低0.85%，砂巖用量增加0.15%，每月我廠生產生料按10萬噸計算，可節約成本42萬元左右。

b當電石渣用量＜20%時，原煤（頭煤+尾煤）用量未發生變化；當電石渣用量在20%～30%之間時，頭煤用量從6.2t/h降低至5.8t/h，尾煤用量從8.2t/h降低至7.6t/h。

c使用石灰石為原料制水泥時，實物煤耗達到133kg/t熟料；電石渣使用量在20%～30%之間，實物煤耗為119kg/t熟料，每噸熟料可節約原煤14kg，每月可節約原煤成本50萬元左右。

我廠根據電石渣的化學、物理性能，先在小磨試驗中嘗試成功后，才投入到實際生產中。投產后發現，原煤和石灰石用量均有不同程度的降低，不僅變廢為寶，還節約了大量不可再生的原煤、石灰石資源，降低了水泥生產成本，減少了溫室氣體排放。而且電石渣水泥熟料形成熱較低，容易粉磨，有利于降低熟料煅燒過程中的熱耗、電耗，具有良好的經濟效益、社會效益與環境效益。

1.5 電石渣水泥熟料

以電石渣為主要原料煅燒所得熟料的化學成分見表3，礦物組成見表4，熟料物理性能見表5。

水泥各項指標滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》生產標準，重金屬等指標符合國家標準GB 30760-2014《水泥窯協同處置固體廢棄物技術規范》。

2 實際生產中遇到的困難及解決辦法

2.1 電石渣使用給生產、設備帶來的困難

（1）在電石渣使用過程中，使用量＜20%時，對預熱器系統及窯內煅燒影響不大，使用量＞20%后，窯尾系統、預熱器內物料有發粘現象，容易造成設備故障，并且出磨生料質量波動大，影響熟料煅燒質量。

（2）由于上游企業電石渣供應量不斷加大，生料原入磨斜槽輸送能力有限，只能滿足20%左右的輸送量，給生產帶來了困難。

表3 熟料化學成分，%

表4 熟料礦物組成（%）及率值

表5 熟料物理性能

（3）由于電石渣是輕質物料，在生產過程中容易出現分離現象。

2.2 解決辦法

（1）在生產中通過反復的試驗，并根據上游企業的電石渣供應量，電石渣使用量從10%逐步提高到30%。在相關人員的摸索和探討中，逐步調整頭尾煤的使用量及配料方案，并結合我廠工藝設計和系統的運行情況發現，電石渣使用量達到20%～30%時，系統需要的熱量明顯降低。在頭煤用量不變的情況下，尾煤用量明顯降低，頭、尾煤用量可控制在45%、55%，完全緩解窯尾系統、各級預熱器結皮嚴重的情況，保證熟料的正常煅燒和系統的正常運行。

（2）為解決電石渣供應量加大，我廠設備不能滿足生產需求的問題，廠部積極組織人員對生料入磨斜槽進行了改造，將原有?300mm×22m的斜槽改為?400mm×22m的斜槽，增大了輸送能力，完全能滿足生產需要。

（3）為緩解生料分層現象，對均化庫位進行了調整，盡量保證低庫位運行，給入庫生料粉的均勻布料提供合理空間，有效保證了生料磨的運轉率。

3 結語

水泥行業是電石渣無害化、大摻量、無殘留、資源化處理的最好途徑，電石渣生產水泥是電石渣清潔處理的最佳途徑。電石渣的分解熱遠低于石灰石的分解熱，電石渣分解排放的是水，而石灰石分解排放的產物為CO2，因此采用電石渣生產水泥，可實現低熱耗、低碳排放。實踐表明，部分電石渣代替石灰石配料，需要找準影響煅燒操作和設備運行的不利因素，并控制在合理的區間內。我們通過實踐摸索，總結出操作控制參數方面應注意以下幾點：（1）在電石渣摻量＞20%時，分解爐出口溫度嚴格控制在870℃以下；（2）用煤量一般控制在頭煤45%、尾煤55%，杜絕頭煤過多，避免窯內出現還原氣氛及滯后燃燒現象；（3）火焰長度適中，燒成帶長度一般在16～20m之間，窯皮均勻為宜，使煤粉有足夠的燃燒空間，縮短煤粉燃燒路徑，提高燃燒效率。同時，高氧化鈣含量的電石渣也為生產高等級水泥提供了可靠保障。■