电石渣中硅铁处理及对水泥影响
水泥 2012-08-16
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我们通常所说的硅铁(FeSi2)是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料，用电炉冶练制成的。硅铁是硅与铁互熔形成的固熔体，硅和铁能以任意比例互熔并生成一系列硅化物。其性质：硅和铁的合金。外表呈亮灰色，密度小，含硅量愈高比重愈小；含铁量越高，磁吸附性越强，比重愈大。根据含硅量可分为工业硅铁(Si>97%，铁最高不超过1.5%)及含硅95%、75%、72%、65%和45%等硅铁。牌号72#硅铁，熔点为1280℃，比重为3.11；牌号75#硅铁熔点为1300℃，比重为3.01。
硅铁应用领域广泛。在炼钢工业中用作脱氧剂和合金剂，在铸造工业中用作孕育剂和球化剂，在铁合金工业中用作还原剂，它们共消耗约90%以上的硅铁。在各种不同牌号的硅铁产品中，目前应用最广的是72#和75#硅铁。由于市场需求量大，今年四月份国内72#硅铁价格在6400~7000元/吨，75#硅铁价格在7500~8000元/吨，利润约为40%左右，并且仍有上涨空间。
电石(CaC2)是用石灰石与焦炭或优质煤通过高温电炉冶炼所得的化合物。它是有机合成工业的重要基本原料，以电石乙炔为原料可制取乙烯、氯丁橡胶、氰氨化钙、乙酸、三氯乙烯等，电石也作钢铁的脱硫剂，还用于金属的切割和焊接。电石工业品是灰色、黄褐色或黑色固体，含碳化钙较高的呈紫色，密度2.22g/cm3(18℃)，熔点2300℃，在空气中能吸收水份，能导电，纯度越高，导电越易，在水中分解生成乙炔和以氢氧化钙为主的电石渣副产品。
由于电石生产原料中仍含有一定量的Fe2O3、SiO2、Al2O3等杂质，在高温还原条件下，Fe2O3和SiO2反应生成硅铁。根据我们对某一企业电石渣中硅铁的测定，其重量约占电石渣的1.2%左右，硅铁中Fe含量为51.73%，Si含量为23.66%，并含有Al、Ca、Mg等元素，密度为4.79g/cm3。不同于通常的工业制硅铁产品，电石渣中硅铁Si含量不高，Fe含量较高，原因是此类硅铁是电石的副产品，其成分完全取决于电石原料的杂质含量，并随电石的品质不同而变化较大。
近年来由于国内煤基电石乙炔法生产PVC产量的迅速增长，对电石的需求量不断增加，到2007年底，国内对电石的年需求总量超去千万吨，其主要副产品电石渣年总排量超过两千万吨(干基)，如果电石渣中的硅铁全部得以回收利用，初步估算每年将有20万吨以上硅铁可以变废为宝。
同时，近几年来由于建材行业的技术进步，昔日作为PVC化工企业头痛的废弃物电石渣已成功替代石灰石原料被大量用于新型干法水泥熟料生产线。
鉴于目前的状况，本文就电石渣中硅铁的如何处理利用以及其对水泥生产的影响进行初步探讨。
1.电石渣中硅铁的处理利用
(1)电石渣的排出方式
我国目前主要采用乙炔发生器水解电石法生产乙炔。乙炔发生器按电石与水接触的方式分湿式、排水式和干式。
湿式发生器是把电石投入大量的水中进行反应，绝大部分反应热被水吸收，反应后的渣呈泥浆状。该法易操作，安全性能好，乙炔的质量也好，但用水量大，电石渣呈浆状(含水80~90%)，给电石渣的后处理带来很大不便，且乙炔溶解在水中损失量大。
排水式发生器，其电石装料设备是固定的，水位随着发生器内的压力变化而改变，以水和电石断续接触的时间来调节乙炔的生产量，这种发生器需经常开启补充电石，生产状况不稳定，不安全因素多，乙炔损失量也大，同样电石渣呈浆状(含水80%以上)，给电石渣的后处理带来很大不便。
干式发生器是将少量水加入到电石中使电石发生分解反应，反应放出的热量利用水分的蒸发带出，反应后的渣呈较干燥粉末状态(一般含水≤10%)。该法与湿式发生器相比，电石渣总排出量少，每1吨电石约产生2吨电石渣，而且呈干粉状，装运和应用都比较方便。但是这种设备较为复杂，操作不方便，如果操作不当电石表面会局部过热，带来危险，乙炔气中杂质也较多。
(2) 电石渣中硅铁的处理利用
已有部分企业采取相应的技术措施，对电石渣中的硅铁进行处理和利用。
目前乙炔生产以采用湿式和排水式乙炔发生器居多。此类生产工艺处理硅铁的技术措施是：大块的电石原料通常采用一级颚式破碎机和二级锤式破碎机破碎后颗粒达到≤50 mm，在一级和二级破碎之后均设有磁性除铁器，小部分含硅铁颗粒被除去。但由于破碎后的电石颗粒仍较大，绝大多数硅铁包含在电石块中，需经过乙炔发生器水解后随电石渣排出。电石渣排出后可以通过水洗获得较大颗粒硅铁(颗粒一般≥3mm);也可以通过对电石渣浆浓缩、压滤和烘干(一般含水≤15%)，通过振动筛等设备获得硅铁(颗粒一般≥1mm)。上述措施流程比较复杂，操作不方便，小颗粒硅铁处理不干净，硅铁利用率低。
干式发生器生产乙炔技术近年来在不断地发展和完善，并有逐步取代湿式发生器的趋势。此类生产工艺处理硅铁的技术措施是：大块的电石原料通常采用一级颚式破碎机、二级锤式破碎机或三级细碎机破碎后颗粒达到≤5mm，在每级破碎之后均设有磁性除铁器，由于破碎粒度较小，有部分含硅铁颗粒被除去。剩余的硅铁包含在电石块中，经过干式乙炔发生器水解后随粉状电石渣排出。粉状电石渣中的硅铁也可再次采用磁性除铁器除去部分硅铁，但最有效的技术措施是采用风选分离装置，可以将颗粒≥80μm的硅铁细粉除去，分离硅铁的效率最高，设备简单，操作方便，并且对电石渣的装运和应用有利。
从电石渣中回收的硅铁和通常的工业制硅铁一样，在多领域广泛应用，且供不应求。
2.电石渣中硅铁对水泥生产的影响
(1)对熟料烧成的影响
近年来随着国家的产业政策要求和水泥生产技术进步，利用电石渣替代石灰石生产水泥熟料技术正在全国范围内大力推广应用。生产方式主要有传统的湿法工艺和由合肥院创新的新型干法预分解生产工艺。生产实践表明，无论是湿法工艺还是新型干法预分解生产工艺，电石渣替代石灰石量从15%左右到100%全部替代，电石渣中硅铁对水泥熟料生产均没有显现负面的影响。以电石渣为钙质原料生产出来的熟料质量等同或超过以石灰石为钙质原料的熟料质量，特别是电石渣用于新型干法预分解生产工艺，其特点表现为：电石渣利用量大、生料易烧性好、熟料产质量高、单位能耗低。分析其原因，电石渣起到主要作用。
一方面，电石渣中硅铁起到一定的积极作用。因为：水泥熟料主要由硅酸盐矿物(C3S+C2S)和溶剂矿物(C3A+C4AF)组成，Ca、Si、Al、Fe是组成熟料的四大主要元素。电石渣中硅铁含有的Si、Fe正是熟料形成所需要的，可替代生料中的一部分硅质和铁质原料，并且硅铁的固溶体里还含有Al、Ca、Mg等其他元素，其内部是多元素的晶相结构，具有一定的活性。另一方面，粉磨后的细小硅铁颗粒在熟料煅烧过程中起到类似“晶种”的作用，改进生料易烧性、降低熟料形成热，有利于提高熟料产量、降低烧成能耗。
(2)对生料粉磨的影响
湿式乙炔生产工艺排出的电石渣中硅铁外观为亮灰色，具有磁吸附性，多数颗粒小于15mm，也有少数15~50mm的颗粒及极少数颗粒达100mm的长条状硅铁。干式乙炔生产工艺排出的电石渣中硅铁颗粒通常小于5mm。电石渣中硅铁因含铁量较高，具有较高的抗压强度，但抗折强度较低，也就是说脆性较大。
采用新型干法预分解生产工艺生产水泥熟料，可以利用电石渣100%替代石灰石。粉状电石渣(一般含水≤10%)占生料质量配比达70%以上。生料粉磨常采用改进型立式磨，利用窑尾预热器废气作为烘干和输送介质，实现烘干和粉磨的目的。对于2500t/d熟料生产线，如果电石渣中硅铁没有采取处理措施，按硅铁含量1%计，每小时进入立式磨中的硅铁总量达1200kg左右，这对磨机的产量和研磨体损耗将产生直接的影响。山东某厂原料中电石渣质量配比达60%以上，实际应用中立式磨的磨辊磨耗较快，分析其原因，除砂岩中结晶硅多难磨外，电石渣中硅铁的带入也加速了磨辊磨耗。
3.结束语
目前随着我国经济的快速发展，硅铁产品供不应求。PVC行业每年产生的电石渣中含有20余万吨硅铁，建议企业应采用积极和有效的技术措施，加以充分处理和利用，不仅为企业带来可观的经济效益，也为社会节约大量的能源和资源。
新型干法预分解生产工艺利用电石渣生产水泥熟料大量消耗电石渣，从根本上彻底解决了长期困扰化工企业的难题。生产实践表明，电石渣中硅铁对熟料烧成有积极的影响，但其作用机理和影响程度有待进一步深入研究。
电石渣中硅铁由于易磨性较差，在工程设计之前，对于电石渣中硅铁未做处理或处理不彻底的，建议预先做好相关原料的易磨性试验，合理选用粉磨设备，避免和减少其对水泥生产的影响。
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