用电石渣配料生产水泥熟料的工艺设备优化

2014-09-10曹辉辉

四川水泥 2014年1期

曹辉辉

（陕西北元集团水泥有限公司，陕西榆林 719319）

0 前言

近年来世界水泥工业迅猛发展，新型干法水泥的生产已经成为主导，而且正在向大型化、高效化发展。概括其有三大特点：一是以悬浮预热技术和预分解技术为核心；二是将数控技术应用于原料的破碎和预均化、生料的粉磨和均化、熟料的煅烧及水泥粉磨等生产的全过程；三是使水泥的生产成为高效、优质、节约能源、清洁生产和符合环保要求的现代化绿色产业[1]。

近几年，与生产pvc的化工企业配套的电石渣水泥生产线逐步发展起来，技术到目前相对成熟，如吉林化工厂、天津化工厂、贵州有机化工总厂、山西省化工厂、新疆天业等，有的在70年代就建成工业规模装置，专有一条水泥生产线消化电石废渣。电石渣是电石水解获取乙炔气后的以氢氧化钙为主要成分的废渣。乙炔（C2H2）是基本有机合成工业的重要原料之一，以电石（CaC2）为原料，加水（湿法）生产乙炔的工艺简单成熟，至今已有60余年工业史，目前在我国仍占较大比重。1t电石加水可生成300多kg乙炔气，同时生成10 t含固量约12%的工业废液，俗称电石渣浆，呈碱性，如果露天堆积，会对周围环境造成污染，耕地受到严重破坏。

利用电石渣生产水泥不仅处理了电石渣这个“污染物”，而且会减少CO2的排放，我公司年产100万吨的聚氯乙烯项目配套两条3000t/d熟料的新型干法水泥生产线，有着成本低、规模大、政府支持补贴的优势。

1 国内电石渣生产线的发展情况

我国早期电石渣生产线主要以湿法为主，而且规模在1000t/d左右，2007年以后，新型干法电石渣生产线发展较快，先后有新疆天业、内蒙古伊利冀东等，规模也在逐步扩大，目前4600t/d熟料、5000t/d熟料的生产线不断涌现。乙炔生产有湿法与干法两种，与之对应的水泥生产线也有湿电石渣与干电石渣之分，湿电石渣浆通过压滤后的水份一般在30%～40%左右，干电石渣的水份在3%～10%左右。湿电石渣由于水份较大，输送与烘干是难题，干电石渣中由于存在反应不完全的现象，在储存、输送中容易爆炸，这在我国几个企业就发生过，所以难题就是防爆、粉尘收集与处理。

2 我公司工艺布置的设计分析

2.1 公司简介

陕西北元集团水泥有限公司成立于2009年9月12日，是陕西北元化工集团的全资子公司。厂址位于神木锦界工业园南区，占地400亩，总投资7.6亿元，设计规模为年产通用硅酸盐水泥240万吨，硅酸盐水泥熟料180万吨，是北元集团化工、电厂配套项目，属于国家循环经济、资源综合利用低碳型建材企业。项目以化工100万吨/年PVC装置所产生的电石渣，电厂排出的粉煤灰、炉渣为原材料，电石渣100%代替石灰石，不仅纯度高、钙含量大，而且粉磨、煅烧能耗低，每年可减排二氧化碳气体100万吨，可降低温室气体给人类带来的灾害。产品有普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等系列，规格有P.O52.5R、52.5、42.5R、42.5、P.F32.5R、32.5、P.C42.5R、42.5不同等级强度水泥，充分满足了客户需求，实现资源综合利用，节能减排，带来经济效益和社会效益双丰收。其中一期50万吨聚氯乙烯为湿法乙炔生产，二期50万吨为干法乙炔生产，这里主要研究的是一期湿法乙炔生产线。

2.2 公司生产工艺流程及主要设备布置情况

生产工艺流程如图1，主要设备情况见表1。

图1 公司1#线生产工艺流程图

表1 公司主机设备一览表

2.3 公司实际生产中遇到的问题

2.3.1 湿电石渣上料与烘干

化工生产乙炔气体产生的电石渣浆经过压滤机后水份在30%～36%左右，物料输送的具体流程如图2：

实际生产中存在如下问题：

（1）所有螺旋输送机能力不足，容易压死，故障频繁，严重影响生产运行；

（2）电石渣外加口太小，储存不下多少料，装载机耗量大；

（3）工艺布置比较复杂，流程弯道多，不利于物料输送与烘干，如皮带秤就不适合计量水份很大的物料，1#～4#胶带输送机弯道较多，故障也多；

（4）部分溜子很容易堵料，滤饼喂料机经常过负荷跳停。

这些问题导致烘干破的台时产量只有30～40t，无法实现用100%电石渣代替石灰石配料，生产成本也比较高，生料磨台时140～160t。

2.3.2 电石渣配料与粉磨

与普通石灰石配料相比，电石渣配料在工艺上有如下特点[2]：

（1）电石渣主要成分为Ca（OH）2，CaO含量高，电石渣及其生料中镁、碱含量很低，液相量偏低，易烧性稍差。

（2）电石渣细度较细，与水泥生料相比，颗粒较为均匀，粉磨过程主要是电石渣的烘干与辅助原料的均匀混合过程，易磨性很好。

（3）干电石渣及其生料的容重较轻，冷态下其流动性较好，高温下流动性较差，堆积压力较小。湿排含水量很高约在35%～45%，干排含水量在5%～10%。

（4）Ca（OH）2的分解温度远低于CaCO3。

（5）适当条件下，Ca（OH）2和生成的CaO会吸收部分CO2，部分重新生成CaCO3。

（6）Ca（OH）2的分解热远低于CaCO3，因此电石渣配料熟料的形成热大幅度降低。

（7）由于电石渣的烧失量小，故其生料的理论料耗低。

（8）窑尾系统废气成分中含水量较高，CO2含量较低，废气量与废气比热较小。

（9）电石渣熟料的颜色大多呈微黄或土色。

（10）由于电石渣中有效成分较高，故一般电石渣熟料的强度较高。

（11）不同电石渣的硫和氯的差别很大，如硫和氯含量较高，会使窑尾系统堵塞，影响熟料煅烧和熟料质量。

我公司其他原料为黄矸石、粉煤灰、铁粉、砂岩，电石渣干粉先通过组合式选粉机，细度合格的就直接入均化库，细度不合格然后进磨与其他原料一起在生料磨中粉磨。在生产中主要遇到如下问题：

（1）电石渣干粉温度较高，导致选粉机下轴承、磨机滑履等温度较高，有时因为温度超过警界而被迫停磨。

（2）公司选用的电石渣计量设备为科氏力称，能力15～150t/h，由于湿电石渣在输送与储存中经常会混进去垃圾，造成称体经常堵料、卡料，传感器损坏频繁，称体波动大，直接影响生料制备。

（3）由于电石渣先经过选粉机，后入磨，经观察测量，60%的电石渣会直接进入成品输送斜槽，这样导致磨机内只有少量的其他原料，磨机始终处于一种空砸状态，衬板、隔仓板等更换频繁。

（4）我公司自生产以来，生料饱和比合格率平均在55%，严重影响熟料煅烧的稳定性。

2.3.3 熟料煅烧

用100%电石渣代替石灰石配料，一方面容易造成预热器系统与窑尾烟室结皮堵塞，另一方面易烧性差[3]，熟料烧结范围窄，三者随着烘干破投料量的大小，整体负压在不停的变化，极易引起窑皮脱落，窑砖寿命短。四者电石渣烘干系统与窑系统漏风较大，窑内负压会出现不足的情况。

我公司生产以来最快的两个月烧毁一批砖，整体窑砖消耗高于行业水平，熟料生产成本自然也高。

3 工艺设备优化

3.1 湿电石渣上料与烘干系统的工艺优化与设备技改

针对存在的问题，我公司对湿电石渣上料与烘干系统做了很多优化改造，现在整体运行稳定。

3.1.1 电石渣外加口的改造

将两台45kW的双管螺旋输送机改为两台22kW的变频胶带输送机，胶带输送机为平式，上行托辊比较密，在胶带输送机上做了一个能容纳5t电石渣的料仓，保证装载机能正常加料。将两条皮带秤直接去掉，用溜子直接引下去，减少了设备数量，如图3。

3.1.2 电石渣外排与4#胶带输送机的改造

在原设计中，只要3#或4#胶带输送机出现故障，就会导致化工压滤被迫停车，问题如果一时解决不了，直接影响到化工乙炔的流量。考虑到这个问题，我们在1#与2#胶带输送机机头各增加了一个外排口，如果需要外排，就直接从新外排口外排到堆场，如果需要在线上料，就开启3#和4#胶带输送机。这里我们也把4#胶带输送机的驱动做了改造，两个电机同时正转或同时反转，并实现中控远程控制，操作员可以根据烘干破出口温度，调节4#皮带正反转或5#或6#胶带输送机的频率。

3.1.3 电石渣烘干系统的优化与改造

第一，将移动式双管螺旋输送机彻底取掉，将3#、4#双管螺旋输送机改为两条胶带输送机，原铰刀的功率为45kW，新换胶带输送机的功率为22kW。将两台胶带输送机基础整体抬高，腾出空间，把滤饼喂料机由三楼提高到四楼。9#胶带输送机过来的电石渣通过“八”字溜子进入下面两条胶带输送机，分料阀由现场自己制作，见图4。

第二，在烘干破每套喷淋系统下方1米的位置等距安装4台空气炮，定时敲打，尤其是开喷淋的时候增加敲打次数，避免物料挂壁。

第三，针对电石渣中掺杂的废铁等卡死滤饼喂料机，在9#胶带输送机机头处增加了一台除铁器，见图5。

第四，在入电石渣干粉库的每一个溜子上设计安装了自制“宝塔垃圾分离器”，将电石渣中的大部分垃圾拦住，很大程度解决了电石渣计量系统被堵或卡的现象，提高了称体流量的均匀性，生料质量也得到同步提高。

改造后，流程比以前简单，见图6，烘干破的台时产量最高能达到90t/h，完全实现了100%电石渣代替石灰石的配料，系统运行稳定，故障率低。电石渣上料连续均匀，环保得以保证。

图4 烘干破四平台改造后

图5 新增除铁器

图6 电石渣输送与烘干系统改造后

3.2 电石渣配料与粉磨系统的改进

3.2.1 电石渣配料与石灰石配料的差异

除电石渣的物理性能及化学成分与石灰石不一样外，生料煅烧时两者的化学反应过程有所不同[4]。

石灰石的主要成分是CaCO3，加热至750℃就开始分解，900℃时分解剧烈而快速进行，反应式如下：

CaCO3→CaO+CO2↑

CaCO3分解时，需要吸收大量的热量，反应热为1787.8kJ/kg，（以25℃为基准，下述均如此），是水泥熟料形成过程中消耗热量最大的一个过程。

电石渣的主要成分是Ca（OH）2，在加热过程中部分Ca（OH）2会吸收气体中的CO2生成CaCO3。加热至550℃时Ca（OH）2开始分解，生成的部分CaO又会吸收气体中的CO2生成CaCO3。在900℃以上时，上述两部分生成的CaCO3会重新分解。上述反应式如下：

Ca（OH）2+ CO2→ CaCO3+H2O↑（放热反应，1kg Ca（OH）2反应热为937.6kJ）

Ca（OH）2→CaO+H2O↑（吸热反应，1kg Ca（OH）2反应热为1478.3kJ）

CaO+CO2→CaCO3（放热反应，1kgCaO反应热为1787.8kJ）

CaCO3→CaO+CO2↑（吸热反应，1kgCaCO3反应热为1787.8kJ）

同时可得出，电石渣配料生料分解反应后的废气成分和废气量也与石灰石配料的不同。

3.2.2 生料粉磨系统工艺与设备优化

针对电石渣的特性，结合生产实际存在的问题，我们做了如下改进：

首先，控制烘干破碎机的出口温度，一般在100℃～130℃，这样就保证了干电石渣的温度不至于过高，一般在70℃左右，水份≤1.5%。

其次，增大选粉机稀油站冷却器的换热面积，现在的是原来的3倍，这样到夏季的时候保证选粉机下轴承温度在65℃以内。对电石渣计量系统等设备轴承增加外置大油杯，每班进行润滑，确保设备轴承及时得到补油。

再次，由于很大一部分电石渣不入磨机，直接进入成品斜槽，需要调整磨机钢球级配，钢球最大用到Φ80，最小Φ30，其中粗磨仓为Φ80，Φ70，Φ60，Φ50，细磨仓为Φ50，Φ40，Φ30。实际生产中烘干仓护板磨损严重，磨头灰尘比较多，经过研究，我们对生料磨烘干仓进行了改造，将两排扬料板错位排开，在中间的位置全部安装波纹衬板，这样减轻了物料对磨机护板和筒体的磨损，烘干仓螺栓寿命延长。

3.3 熟料煅烧系统的优化

我公司采用三级旋风预热器带管道式分解炉，见图7，生产能力3000t/d，其中一级旋风筒（C1）内径Ф5100mm，二级与三级旋风筒（C2、C3）内径均为Φ7400mm，分解炉内径为Ф6100mm。回转窑规格为Ф4.3×66m，冷却系统为控制流篦式冷却机，型号∶ HCFC-3800，产量∶3800t/d。

图7 公司窑尾预热器与回转窑系统

3.3.1 稳定电石渣上料量

为了保证窑系统负压稳定，烘干破碎机电石渣的喂料量必须稳定，在这里我们主要控制两个参数，一者是烘干破的出口温度，二者就是烘干破的电流。平时运行中我们主要靠调节外加电石渣的量来控制，把这些温度与电流参数引到现场烘干破四平台，便于现场岗位工监控。这块主要问题就是电石渣堵料问题，如果堵料，将会中断上料，窑系统负压下降，调节不及时，直接会造成窑皮脱落等。经过研究，我们发明了一种新型非标溜子，即“皮带溜子”。所谓皮带溜子就是用角钢把溜子的框架做出来，四面由原来的钢板换为胶皮（胶皮来源于换下来的废旧皮带）。这种溜子的好处不容易沾料，即使沾料，用锤子轻微敲一下，物料就会失去粘附力掉落。这样改过以后，电石渣上料与烘干系统非常稳定，连续稳定运转率达98%以上。

3.3.2 在易堵塞位置增加空气炮并增加喷吹次数

针对电石渣配料煅烧时预热器易结皮现象，公司在旋风筒锥体，窑尾烟室，下料管增加了空气炮，并配置了高压水枪，每班定时清理烟室结皮。操作中严格控制温度，发现异常及时处理，自生产以来，预热器结皮堵塞在我公司不是很突出，目前，这块基本影响不到正常运行。

3.3.3 从源头上控制，给煅烧提供优良的生料与环境

我们知道，用电石渣为原料生产水泥熟料存在很多问题，其中有些技术到现在也不是很成熟，做为一个循环产业链，我们需本着上道工序为下道工序服务的原则，严把质量关，具体如下：

第一，严格控制电石渣中的C1-含量[5]。

经检测大部分氯碱企业电石渣中的C1-含量普遍偏高，在0.023%～0.3%之间波动，有些企业的电石渣C1-含量居高不下。应从源头上对电石渣中C1-含量进行严格控制，包括采取减少次氯酸钠循环次数等措施，因为一旦在化工的生产工序中无法降低电石渣中的C1-含量，那就意味着水泥厂在生料配料中只能减少电石渣的掺加比例甚至放弃使用。否则会增加预热器和分解炉结皮、堵塞的频率，严重时使水泥生产无法进行。

目前，我公司电石渣中的C1-含量较低，也比较稳定，能满足100%电石渣的生产。

第二，降低电石渣中的水分。

该项工作仍然要从源头抓起，化工电石渣压滤车间优化操作，包括适当提高压滤压力、延长保压时间，严禁将冲洗滤布的水带入压滤好的电石渣中，以免造成电石渣的水分再次上升。

我公司在2010年冬天到2011年前半年，电石渣水分很高而且不稳定，基本平均在38%左右，上40%也较多，给生产造成很大影响，经过压滤车间增强过程控制和对刮板机进行改造后，目前水分大多数在30%左右。对于输送、烘干来说相对比较容易。

第三，提高生料三率值合格率。

生料的三率值直接决定了熟料的三率值，优良的熟料源于合格稳定的生料与精心煅烧。在生料配料上，我们现在主要采用5种组分，即电石渣、黄矸石、砂岩、铁粉、粉煤灰。在原材料矿点确定以后，成分波动基本不大，主要是各计量系统的使用。黄矸石、铁粉、砂岩采用的是皮带秤，相对准确，电石渣与粉煤灰采用的是粉体转子计量称，波动较大。我公司在生产期间更换了粉煤灰转子秤，把滁州汇龙的转子秤换为北京燕山的转子秤，对负压系统进行了改造，增加了缓冲装置，粉煤灰计量基本处于平稳，目前，生料的饱和比合格率由原来的40%左右提高到了70%左右。

第四，控制生料与煤粉细度。

事实证明，生料与煤粉的细度会对熟料的流动性产生影响，生料细度一般控制10%左右，煤粉细度15%以内。