用預分解技術(shù)處理工業(yè)廢渣的熱化學過程分析與實踐

1　概述
　　在水泥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展進程中，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，提高勞動生產(chǎn)率。事實上，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，以及對原料處理有特殊需求的新建項目。經(jīng)工藝方案的優(yōu)化既能達到治理環(huán)保的目的，又能獲得優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟效益。本文擬介紹的皖維1 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線項目（以下簡稱皖維項目）就是濕排工業(yè)廢渣綜合利用的成功案例。
2　皖維項目的背景及特點
　　安徽皖維化纖化工股份有限公司是一國有控股的集化工、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散，堿化土地，污染江河并危及巢湖水域。
　　20世紀50年代末，北京建材研究院曾對用電石渣生產(chǎn)水泥做了大量的試驗研究，并在濕法生產(chǎn)線上進行了應用實踐、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致的污染。該公司為了落實安徽省政府制定的“一九九九年底巢湖流域所有污染物必須達標排放”的環(huán)保政策，針對上述問題就其工業(yè)廢渣綜合治理技改項目進行了工程立項，并委托南京水泥設計研究院進行新工藝技術(shù)的研究和工程設計。經(jīng)分析研究確定，建設規(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)境保護的壓力，還可為公司創(chuàng)造相當利潤，使公司走上可持續(xù)發(fā)展的道路，很有意義。
　　該項目的投資建設具備了如下特點：
　　(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、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)線的工藝過程設計中，要兼顧所排各種廢渣的物理、化學特性，采取相應的技術(shù)措施。
3　原、燃料的特殊性
　　該項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。其化學成分見表1。其中：
　　(1)電石渣系電石水解后產(chǎn)生的殘渣。其特點是顆粒細，其細度為0.08mm方孔篩篩余小于8%；水分高，剛排出時的水分在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)電石時篩選下來的細小顆粒的焦炭末。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突出，給水泥生產(chǎn)帶來的影響大，故對其進行重點研究。電石渣分散度很高，具有多孔狀結(jié)構(gòu)，保水性極強，脫水極為困難，經(jīng)長期自然沉降濃縮后的含水率高達65%以上。對其脫水方式的確定進行了試驗研究，若采用吸濾會將濾網(wǎng)堵塞而使脫水率很低。采用壓濾其效果優(yōu)于吸濾。對純電石渣的壓濾實驗結(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系見圖1。

5　電石渣配料與普通配料的差異及熱化學分析
　　利用新型干法預分解窯煅燒以電石渣參與配料的水泥熟料生產(chǎn)工藝，當時在國內(nèi)尚屬首例，涉及一系列新的技術(shù)問題。理論分析表明，900℃以下時它與常規(guī)配料的差異如下：
　?。?）系統(tǒng)內(nèi)主要的化學反應及發(fā)生反應的溫度區(qū)域不同。電石渣的主要化學成分是Ca(OH)2，在脫水溫度前，會吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3；當升溫至550℃左右，Ca(OH)2開始分解；生成的CaO仍會吸收煙氣中的CO2生成難分解的CaCO3，直至900℃以上的高溫區(qū)域，CaCO3分解的逆向反應才得到完全抑制，分解過程得以加速。電石渣生料在預熱、煅燒過程中發(fā)生的主要化學反應如下：
　　Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O(g) （放熱反應） （1）
　　Ca(OH)2的反應熱：ΔHo298K= －224.19kcal/kg Ca(OH)2
　　Ca(OH)2 ＝CaO＋H2O(g) （吸熱反應） （2）
　　Ca(OH)2的正向反應熱：ΔHo298K=353.5kcal/kg Ca(OH)2
　　CaCO3＝CaO＋CO2(g) （吸熱反應）（3）
　　CaCO3 的正向反應熱：ΔHo298K= 427.5kcal/kg CaCO3
　?。?）熟料的形成過程不同。由于采用的原料其化學物質(zhì)不同，因而熟料的形成過程也不同。從上面的化學反應也可以看出區(qū)別之一：采用電石渣配料的生料與普通生料發(fā)生分解反應溫度區(qū)域不同，分解反應提前在預熱器中發(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會吸收CO2生成CaCO3并需重新分解的可能性，而在預熱器系統(tǒng)中由550℃上升到850℃的物料與煙氣的接觸時間很短，只有少量的物料發(fā)生吸收反應。而由于電石渣的分解溫度及分解反應熱降低，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，熟料的形成熱會降低。圖2表示了電石渣摻量與其配料生料的形成熱關系。

摘自《中國水泥》2005年 01月號