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國內首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產線的設計及調試

1  前言 

      博匯實業有限公司是淄博市最大的民營上市企業,集團固定資產約55億元,年銷售額約65億元。目前的主要產品是造紙和化工,離子膜燒堿工程年產26萬噸電石,每年產生約30萬噸(干基)電石渣。如何充分合理地利用電石渣,使之變廢為寶造福于社會和企業,已成為博匯集團決策者日夜焦慮的問題,集團公司組織科技人員對濕法回轉窯、帶壓濾系統的半濕法回轉窯、濕磨干燒、小型五級旋風預熱器窯以及電石渣摻量15%干磨干燒生產工藝進行調查、比較和研究,最終決定委托合肥水泥研究設計院對淄博寶生環保建材有限公司綜合利用電石渣生產水泥進行設計,要求使用高摻電石渣干磨干燒生產工藝,每年消耗掉30萬噸(干基)電石渣。 

     合肥水泥研究設計院十分注重各種工業廢渣在水泥生產中的綜合利用,一直致力于使用電石渣生產水泥的綜合技術與裝備的開發研究,并在成功采用電石渣摻量15%干磨干燒工藝生產水泥的基礎上,又專門成立了高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產線科研開發課題組,進行了大量的試驗研究、理論分析和技術方案論證,深入研究用60~70%高比例電石渣配料生產水泥熟料的特點,設計的國內首條1200t/d高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產線,采用電石渣預烘干、立磨烘干、新型干法預分解窯煅燒等一系列節能環保綜合技術,于2005年8月8日一次點火成功并生產出合格熟料,目前系統阻力 ≤5200 Pa,熟料熱耗 ≤760×4.18 kj / kg,出預熱器廢氣溫度320-360℃,電石渣摻量達50%以上,實現了穩定持續生產,達到國內目前最高水平。 

2  高摻電石渣生產水泥新型干法生產工藝 

       2.1  電石渣漿的脫水、壓濾及預烘干 

      含水90%左右電石渣液通過料漿泵送到2-Ф24m濃縮池中,經濃縮后的電石渣液含水80%左右。目前國內比較經濟、成熟、可靠的料漿過濾方式主要有兩種:真空吸濾和板框壓濾;真空過濾脫水能力相對較弱,濾餅水分較高,一般大于50%[ 1 ];帶隔膜板框壓濾的脫水能力較強,料餅水分較低,壓濾后的濾餅水分含量一般在40%[ 1 ]以下。高水分電石渣在生產中需要熱耗較高,經濟上不合算,同時給電石渣的輸送、儲存帶來困難,因此采用帶隔膜板框壓濾進行電石渣過濾脫水,可以排出濾餅顆粒間的微離水份;根據電石渣漿過濾性能試驗,壓濾機的規格型號確定為XMZ500/1500,過濾面積500m2,過濾總容積10.16m3,濾室的厚度30mm,壓濾后濾餅水分設計值為36%[ 1 ]。實際生產中料餅的水分最好狀態為25%,一般能保證在35%左右。 

      電石渣漿采用機械脫水后水分一般在28~36%范圍內波動,給電石渣的輸送、儲存和準確配料帶來困難,因此必須對電石渣進行預烘干;由于電石渣屬于高濕含量輕質廢渣,烘干處理難度非常大,需要解決以下技術難題: 

      1、解決喂料及防堵問題。壓濾后的電石渣呈“牙膏”狀態,輸送過程中無法儲存和喂料計量,不易送入烘干機內,落入烘干機后易出現堆料和粘堵現象。 

      2、電石渣烘干時需要克服蒸發速率低、料溫下降快及周圍環境濕含量過大的缺點。 

      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電石產生的廢氣,電石氣主要含CO、CH4等可燃氣體,易爆炸;電石氣本身有400~600℃溫度,含有200mg/Nm3灰塵,焦油含量大,不易輸送和利用。 

      4、電石渣烘干后廢氣濃度高,對收塵設備產生粘堵和腐蝕。 

      我們做了電石渣含水15%時的物理性能,根據實驗結果,確定電石渣烘干終水分控制在15%左右,在電石渣的輸送、儲存過程中不會發生粘堵,可以準確配料;年產6萬噸電石的電石爐每小時可以產生2500×104kJ電石氣,折合標準煤855公斤,能滿足烘干機熱量需求,這樣不但利用了電石氣的熱能,而且節省了一套電石氣處理系統,對電石廠來說節省了大量的投資;在電石氣輸送工藝布置上,采用強力送風,縮短輸送路徑和時間,防止管道結焦粘堵;壓濾后的電石渣其塑性、粘性均在表觀大幅度降低,具有一種類似水泥漿體 “假凝”現象的物理性質[2 ],經儲存風干后和采用防堵措施,解決了喂料及粘堵現象;供熱系統提供900~1100℃持續高溫煙氣,選擇長徑比較大的烘干機,安裝強化蒸發裝置,使電石渣在其有效烘干區域內有充裕的干燥強度和時間[3 ];系統選用能處理高濃度粉塵、抗結露、防腐蝕袋收塵器進行收塵,使其達標排放;系統設計能力為46t/h。實際生產中系統運行穩定,單機能力為26-30t/h。 

     2.2  原料烘干及粉磨 

     立式磨集粉磨、烘干、分級和氣力輸送于一體,特點是粉磨效率高、電耗低、烘干能力大、產品細度易于調節、粒度均齊、化學成分容易控制、噪音低、揚塵少、系統工藝流程簡單、設備布置緊湊、占地面積小、土建費用低等,特別是能充分的利用窯尾廢氣進行烘干,利用率達到90%。電石渣的主要化學成分是Ca(OH)2,其顆粒微細,10~40微米顆粒占90%左右,是一種含CaO純度(65%左右)較高、化學成分又比較穩定的工業廢渣,水分為15%左右的電石渣顆粒小于5mm,需要粉磨的量微乎其微,但要充分的利用立磨烘干能力強、均化效果好的優勢。本工程生產采用電石渣、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%,根據入磨物料綜合水分為11~13%的要求和原料易磨性實驗,我院專為粉磨電石渣研制的HRM1900/2200立式磨,保證磨機具有45~60t/h生料的研磨能力和80~90t/h生料的烘干能力。當水分為10~12%入磨混合料在磨輥的快速碾壓下,物料被粉碎并且向磨盤邊沿風環處拋灑,被70~90m/s的高速風環氣流帶起,產生強烈的熱交換,水分沒有來得及蒸發的大塊物料會再次沉落,反復帶起、沉落,充分進行熱交換,高速氣流在磨腔內流速很快降低,形成強烈的紊流場,特別適合于電石渣微細顆粒的烘干;粉狀物料隨氣流一起上升通過磨機上殼體進入分離器的分級區,在分離器轉子葉片的作用下,其中的粗粉落回磨盤與新喂入的物料一起重新粉磨,合格的細粉隨氣流一起出磨,經高效旋風收塵器收集后,與增濕塔和窯尾電收塵器收集的粉塵混合,由輸送設備送入均化庫內均化儲存。出磨的廢氣匯入窯尾電收塵器進行除塵后達標排放。 

      2.3  預分解系統 

      電石渣配料生產水泥熟料時,必須充分考慮預熱器、分解爐的結構;電石渣的摻入量越大,對預熱器、分解爐的結構設計影響也越大,900℃以下時電石渣配料與常規生料的差異如下: 

      1、系統內主要的化學反應及發生反應的溫度區域不同:電石渣的主要化學成分是Ca(OH)2,當溫升至450~550℃左右,Ca(OH)2開始分解;生成的CaO有可能會吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3,直至850℃以上的高溫區域,CaCO3分解的逆向反應才得到完全抑制,分解過程得以加速[4 ]。 

      2、 熟料的形成過程不同:采用電石渣配料的生料與普通生料發生分解反應溫度區域不同,分解反應提前在預熱器中發生;電石渣配料的生料不論呈Ca(OH)2狀態或呈分解后的CaO狀態,均有可能吸收CO2的現象,并在高溫段實現二次分解,重新生成CaO[4 ]。 

      3、熟料形成熱不同:電石渣在原料中占63.5 %時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。 

      4、電石渣顆粒較細,脫水較早,預分解系統出口廢氣成分中水分體積比占23%左右,在旋風筒和分解爐錐部易于產生粘附堵塞[ 5 ]。 

      經過對系統綜合分析和熱平衡計算,燒成熱耗確定為3100~3360kJ/kg,其中蒸發生料的物理水耗熱35kJ/kg,熟料形成熱1024kJ/kg,廢氣溫度按340℃考慮時,廢氣帶走熱700kJ/kg。入窯物料分解率按90~95%設計。我們對原料按JC/T735-88生料易燒性實驗方法進行了易燒性測試,原料配料為兩組,其配比見表1,熟料的礦物組成見表2,熟料的游離氧化鈣含量分析見表3;在此原料配合比的情況下說明易燒性能很好,均能燒出較少的游離鈣,在1450℃的煅燒溫度時均出現融熔狀態。 

表1 原料的配比

表2 熟料的礦物組成

表3 原料煅燒后的熟料游離氧化鈣含量分析

針對煅燒電石渣原料的特性,結合已經應用過的經驗,研制開發低阻型、高分離效率、顯著防堵的新型低壓損S型結構、3R大包角型式蝸殼、偏錐新型五級旋風預熱器,分解爐采用旋流、噴騰、懸浮原理,使燃料有充分的燃燒時間,物料與燃料充分混合,在爐內有較長的停留時間,燃料在較低溫度的SC室大量燃燒,全爐系統沒有產生局部高溫的條件,因而系統結皮堵塞現象少,預分解系統關鍵部位采用特殊的襯料,研制出RBH5/1300型預分解系統。 

3  生產調試 

       3.1  電石渣中有害成分的處理 

       在項目設計階段,對寶生公司的電石渣、粘土和砂巖、石灰石進行了化學成分全分析,根據廠方多次送來的樣品分析電石渣的氯離子均達0.11%以上。其化學成分全分析見表4,經和化工廠工程技術人員探討,認為是離子膜燒堿工程生產過程中使用循環水的原因,對送來非使用循環水的電石渣樣也進行了氯離子分析,其結果與其它來樣的氯離子一樣,含量仍在0.123%,電石渣中的氯離子基本上是以不溶于水的化合物形式存在。有的氯離子會在高溫下有部分揮發,為降低物料的氯離子含量,我們分析了不同溫度對電石渣氯離子濃度的影響見表5,可以看出隨著溫度的升高,氯離子揮發量有所增加,但由于電石渣樣品的氯離子絕對含量高,經過600℃溫度后電石渣的氯離子含量仍較高;由于原料中的氯離子會在回轉窯和分解爐內循環富集造成預熱器結皮堵塞,因此保證生料中氯離子含量小于0.015%是十分必要的[ 6 ]。

表4電石渣化學成分全分析

表5不同煅燒溫度對電渣氯離子濃度的影響

  經過對離子膜燒堿工程生產線的排查,最后確定是電石生產用水帶入氯離子,離子膜燒堿工程生產用水取自于300米深層承壓水,300米地下水氯離子含量1307mg/l,而500米地下水氯離子含量136mg/l,因此確定離子膜燒堿工程生產改用500米深層承壓水,補充20%處理水,斷開其它設備、工藝用循環水,降低電石渣氯離子濃度,原、燃料的化學成分分析見表6, 煤的工業分析見表7。 

表6 原、燃料的化學成分分析

表7 煤的工業分析

       3.2  配料設計 

       根據燒窯操作工的培訓情況,初期按電石渣15%的配料方案進行設計,經過一段時間煅燒摸索,掌握一定經驗后,將電石渣的配料以15%比例逐漸提高,直到滿足預熱分解窯煅燒的要求;原料配比見表8,生、熟料的化學成分見表9,熟料的礦物組成見表10。 

表8 原料配比

表9 生、熟料的化學成分

表10 熟料的礦物組成

       3.3  原料烘干及粉磨 

       原料立式磨HRM1900/2200是在HRM1900基礎上專為烘干粉磨電石渣而研制的產品,系統未設熱風爐,利用窯尾廢氣作為熱源;系統于2005年7月28日開始調試,由于是首次烘干粉磨電石渣配料,對擋料圈高度、吐渣、系統參數等缺乏經驗,經過不斷的摸索,控制好入磨原料粒度、入磨原料綜合水分、喂料量、吐渣及系統用風等環節,調整好擋料圈的高度對立式磨的運行至關重要;在正常情況下,磨內的料層厚度大約30~60mm,此時磨機運轉平穩,磨音柔和,外循環料量基本保持不變;料層太薄,磨機震動大;料層太厚,磨機負荷大而粉磨效率降低,嚴重時也會造成劇烈震動。由于生產初期,硅質原料全部用砂巖配料,造成立式磨運行半月后,磨輥部分磨蝕,產量開始下降,在電石渣摻量為30%時,磨機產量只有60t/h(0.08mm篩余12-14%),影響系統運轉;對原料進行易磨性測試見表11,其粉磨功指數為18.20Kwh/t,說明砂巖非常難以研磨,用眼睛觀察,砂巖結晶度完好而且含量多,后改成粘土和砂巖共同配料,系統于2005年8月22日正常平穩運行,產量穩定在76t/h以上,生料系統平均電耗19kWh/t;對于不同的原料配料與立式磨HRM1900/2200的產量關系見表12,立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制參數見表13。  

表11 原料易磨性測試

表12 原料配料與立磨的主要產量關系

表13 立式磨HRM1900/2200的主要操作及控制參數

      3.4  燒成系統 

      燒成系統于2005年8月8日點火烘窯,8月12日燒出合格熟料;8月12日至8月20日生料配料采用編號A,電石渣摻量為15%,燒成系統運行初期生料投料量控制在1600t/d左右,約合熟料產量1000t/d左右(生料理論料耗1.46),隨著操作人員操作水平的提高,在設備運轉良好的條件下,產量逐漸增加;8月21日至8月底生料配料采用編號B,電石渣摻量為30%,燒成系統生料投料量在1600t/d左右,約合熟料產量1100t/d左右(生料理論料耗1.40);2005年9月初生料配料采用編號C,電石渣摻量為45%,燒成系統生料投料量在1800t/d以上,燒成系統產量達1200t/d以上(生料理論料耗1.36),最高產量達1360t/d,熟料標號達58Mpa以上,熟料燒成熱耗3180kJ/kg(760kCal/kg),熟料f-CaO、升重合格率>85%;試生產期間燒成系統的實際操作參數見表14~16。 

表14 燒成系統喂料量及轉速

 

表15 燒成系統風溫分布(℃)

表16 燒成系統壓力分布(Pa)

       預分解系統從試生產初期發生3#筒下料管堵塞過一次,經處理后沒有再發生堵塞現象,整個系統運行平穩;在2005年8月26日發現窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結皮,大部分比較疏松呈綠色夾層,易于清理,靠近襯料處結皮致密呈黑色,內部夾層呈綠色,經對結皮、生料取樣進行有害成分分析見表17,發現氯離子和三氧化硫嚴重超標;一般情況下,生料的最低共熔溫度為1250℃,當CaSO4、K2SO4、Na2SO4和氯化物共同存在時,最低共熔溫度可接近700℃[ 6 ],這是造成窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結皮的重要原因。將增濕塔供水由300米深井水改用500米深層承壓水,窯尾煙室、分解爐錐部和縮口結皮的幾率大為減少。

表17 有害成分分析

 

      3   結束語 

      本項目是國內首條高摻電石渣干磨干燒新型干法水泥生產線,以電石渣為水泥工業生產原料,可以節省石灰石資源,減少CO2的排放和能源的消耗,減輕環境的污染;本項目與帶壓濾系統的濕法回轉窯生產工藝相比節煤46%,與濕磨干燒生產工藝相比節煤20%,即使加上電石渣的預烘干用劣質煤的能耗,其熟料的綜合熱耗也不超過3900kJ/kg。本項目的順利投產否定了不能用預分解系統煅燒高摻電石渣生料的觀點,為我國建材行業和化工行業的節約能源、保護環境開創了廣闊的前景,對石灰石資源的二次利用具有深遠的示范意義和實際推廣價值。 

參 考 文 獻 

[1]張平洪,周明,朱大來. 電石渣首次在新型干磨干燒生產線的成功利用 水泥工程. 2004.3 

[2]丁奇生, 張平洪.  電石渣配料在新型干法水泥熟料生產中的研究.  中國水泥. 2005.6 

[3]揚剛. 淺談高濕含量輕質廢渣的烘干處理問題.  水泥科技. 2004.5 

[4]潘炯.  濕磨干燒技術在廢渣治理中的應用.  水泥. 2002.3 

[5]黃少文,張志忠. 小型五級旋風預熱器窯對電石渣生料的適應性探討. 水泥. 2002.8 

[6]陳全德等編著《水泥預分解技術與熱工系統工程》 中國建材工業出版社. 1998

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