用預(yù)分解技術(shù)處理工業(yè)廢渣的熱化學(xué)過程分析與實(shí)踐

1　概述
　　在水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，新型干法窯技術(shù)越來越被人們接受并得到快速推廣及發(fā)展。為解決濕法窯的改造而發(fā)展起來的濕磨干燒技術(shù)，是利用濕法廠的濕法生料制備系統(tǒng)，采用一定的料漿脫水、烘干手段，使之成為干生料粉后用新型干法窯煅燒。通過這種改造可降低熟料的燒成熱耗，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。事實(shí)上，濕磨干燒技術(shù)更適合濕排工業(yè)廢渣、污泥等的綜合利用，以及對(duì)原料處理有特殊需求的新建項(xiàng)目。經(jīng)工藝方案的優(yōu)化既能達(dá)到治理環(huán)保的目的，又能獲得優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。本文擬介紹的皖維1 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱皖維項(xiàng)目）就是濕排工業(yè)廢渣綜合利用的成功案例。
2　皖維項(xiàng)目的背景及特點(diǎn)
　　安徽皖維化纖化工股份有限公司是一國(guó)有控股的集化工、化纖、建材于一體的大型聯(lián)合企業(yè)。公司在采用電石法生產(chǎn)維綸的工藝過程中產(chǎn)生出電石渣、廢石灰、石灰石尾礦、粉煤灰及焦炭粉等工業(yè)廢渣，這些廢渣的堆放不僅占用土地，污染了周邊地區(qū)的環(huán)境。尤其是電石渣易于流失擴(kuò)散，堿化土地，污染江河并危及巢湖水域。
　　20世紀(jì)50年代末，北京建材研究院曾對(duì)用電石渣生產(chǎn)水泥做了大量的試驗(yàn)研究，并在濕法生產(chǎn)線上進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐、論證和推廣。皖維公司為了減少電石渣的排放，也曾建了一條濕法生產(chǎn)線以消耗電石渣等廢渣，但因濕法生產(chǎn)能提供的生產(chǎn)能力小，熱耗高，不能解決廢渣排放導(dǎo)致的污染。該公司為了落實(shí)安徽省政府制定的“一九九九年底巢湖流域所有污染物必須達(dá)標(biāo)排放”的環(huán)保政策，針對(duì)上述問題就其工業(yè)廢渣綜合治理技改項(xiàng)目進(jìn)行了工程立項(xiàng)，并委托南京水泥設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行新工藝技術(shù)的研究和工程設(shè)計(jì)。經(jīng)分析研究確定，建設(shè)規(guī)模為1 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線不僅可以完全消耗目前公司排放的工業(yè)廢渣，減輕環(huán)境保護(hù)的壓力，還可為公司創(chuàng)造相當(dāng)利潤(rùn)，使公司走上可持續(xù)發(fā)展的道路，很有意義。
　　該項(xiàng)目的投資建設(shè)具備了如下特點(diǎn)：
　　(1)必須綜合利用公司在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的全部廢渣，以徹底解決公司對(duì)巢湖水系產(chǎn)生的污染，優(yōu)化周邊環(huán)境；
　　(2)以綜合利用廢渣為中心，采用先進(jìn)、成熟的生產(chǎn)工藝，變廢為寶，生產(chǎn)高質(zhì)量的水泥，為公司創(chuàng)造產(chǎn)值；
　　(3)該生產(chǎn)線的工藝過程設(shè)計(jì)中，要兼顧所排各種廢渣的物理、化學(xué)特性，采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
3　原、燃料的特殊性
　　該項(xiàng)目主要利用的廢渣有：電石渣、廢石灰、石灰石尾礦、粉煤灰及焦炭粉等。其化學(xué)成分見表1。其中：
　　(1)電石渣系電石水解后產(chǎn)生的殘?jiān)?。其特點(diǎn)是顆粒細(xì)，其細(xì)度為0.08mm方孔篩篩余小于8%；水分高，剛排出時(shí)的水分在90%以上，經(jīng)沉降池濃縮后，水分仍有60%～65%。電石渣的主要化學(xué)成分是Ca(OH)2，其含量在90%以上。
　　(2)石灰石尾礦是生產(chǎn)石灰過程中排出的廢渣，粒度小于30mm，其中夾雜有泥土，品位要比石灰石原礦低，水分高。
　　(3)廢石灰是生產(chǎn)電石過程中排出的廢渣，粒度小于5mm，含有一定水分，部分以水解。
　　(4)粉煤灰是公司的供熱、供汽、發(fā)電鍋爐排出的廢渣，排放方式是濕排，水分很大，經(jīng)沉降池濃縮后，水分仍有70%。
　　(5)焦炭粉是生產(chǎn)電石時(shí)篩選下來的細(xì)小顆粒的焦炭末。焦炭粉的工業(yè)分析見表2。
在以上5種廢渣中，其中電石渣、廢石灰、石灰石尾礦可作為生產(chǎn)水泥的鈣質(zhì)原料，粉煤灰則作為硅、鋁質(zhì)原料，焦炭粉和煤混合作為燃料使用。
4　電石渣的性能及其影響
　　由于在上述諸多廢渣中電石渣的特點(diǎn)突出，給水泥生產(chǎn)帶來的影響大，故對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)研究。電石渣分散度很高，具有多孔狀結(jié)構(gòu)，保水性極強(qiáng)，脫水極為困難，經(jīng)長(zhǎng)期自然沉降濃縮后的含水率高達(dá)65%以上。對(duì)其脫水方式的確定進(jìn)行了試驗(yàn)研究，若采用吸濾會(huì)將濾網(wǎng)堵塞而使脫水率很低。采用壓濾其效果優(yōu)于吸濾。對(duì)純電石渣的壓濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果其脫水率在30%～40%。隨著其它物料的含量增加，脫水率提高。換句話說，原料中隨著電石渣含量的增加，原料的綜合水分增加，且機(jī)械脫水的難度亦增加。這無論是采用半干法或全干法都是生產(chǎn)工藝上需解決的難點(diǎn)之一。
　　眾所周知原料的初始水分愈大，烘干水分所需的熱焓就愈大。烘干所需的熱焓將有三個(gè)部分組成。即：水分蒸發(fā)的耗熱，蒸發(fā)出的水汽帶走的熱，煙氣帶走的熱。
假設(shè)其他原料的綜合水分為4%，經(jīng)過壓濾后的電石渣水分為40%，經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，隨著電石渣的摻量增加，料耗是下降的，而水分和熱耗將上升。如果用單位熟料耗熱表示，則電石渣的摻入比例與單位熟料耗熱關(guān)系見圖1。

5　電石渣配料與普通配料的差異及熱化學(xué)分析
　　利用新型干法預(yù)分解窯煅燒以電石渣參與配料的水泥熟料生產(chǎn)工藝，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)尚屬首例，涉及一系列新的技術(shù)問題。理論分析表明，900℃以下時(shí)它與常規(guī)配料的差異如下：
　?。?）系統(tǒng)內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)及發(fā)生反應(yīng)的溫度區(qū)域不同。電石渣的主要化學(xué)成分是Ca(OH)2，在脫水溫度前，會(huì)吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3；當(dāng)升溫至550℃左右，Ca(OH)2開始分解；生成的CaO仍會(huì)吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3，直至900℃以上的高溫區(qū)域，CaCO3分解的逆向反應(yīng)才得到完全抑制，分解過程得以加速。電石渣生料在預(yù)熱、煅燒過程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：
　　Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O(g) （放熱反應(yīng)） （1）
　　Ca(OH)2的反應(yīng)熱：ΔHo298K= －224.19kcal/kg Ca(OH)2
　　Ca(OH)2 ＝CaO＋H2O(g) （吸熱反應(yīng)） （2）
　　Ca(OH)2的正向反應(yīng)熱：ΔHo298K=353.5kcal/kg Ca(OH)2
　　CaCO3＝CaO＋CO2(g) （吸熱反應(yīng)）（3）
　　CaCO3 的正向反應(yīng)熱：ΔHo298K= 427.5kcal/kg CaCO3
　?。?）熟料的形成過程不同。由于采用的原料其化學(xué)物質(zhì)不同，因而熟料的形成過程也不同。從上面的化學(xué)反應(yīng)也可以看出區(qū)別之一：采用電石渣配料的生料與普通生料發(fā)生分解反應(yīng)溫度區(qū)域不同，分解反應(yīng)提前在預(yù)熱器中發(fā)生。電石渣配的生料不論呈Ca(OH)2狀態(tài)或呈分解后CaO的狀態(tài)，均有吸收CO2的現(xiàn)象，并在900℃以后再分解，重新生成CaO，這部分物料的分解溫度還有所提高。
　?。?）熟料形成熱不同。盡管存在著Ca(OH)2和新生態(tài)的CaO會(huì)吸收CO2生成CaCO3并需重新分解的可能性，而在預(yù)熱器系統(tǒng)中由550℃上升到850℃的物料與煙氣的接觸時(shí)間很短，只有少量的物料發(fā)生吸收反應(yīng)。而由于電石渣的分解溫度及分解反應(yīng)熱降低，因此電石渣配料的熟料形成熱，比普通生料的熟料形成熱低。也就是說，隨著電石渣摻量的增加，熟料的形成熱會(huì)降低。圖2表示了電石渣摻量與其配料生料的形成熱關(guān)系。

摘自《中國(guó)水泥》2005年 01月號(hào)