干法電石渣性質分析及乙炔氣逸出行為研究

曹瑋儒　劉雪梅

摘要：聚氯乙烯（PVC）是一種應用廣泛的化工產品，主要用于建筑材料、管材、薄膜、電線電纜等方面，我國PVC產能占全世界60%以上，2019年總產能達到2498×104t/a[1]。電石渣是聚氯乙烯行業電石法制乙炔氣過程產生的廢渣，生產1tPVC約排放電石渣1.5～1.9t（干基），造成國內電石渣年產生量達到3000×104t/a。電石渣主要成分為Ca（OH）2及少量CaCO3，粒徑一般小于200μm，易于揚塵造成大氣及粉塵污染，此外電石渣利用率較低，大量堆存造成鈣資源的浪費，而電石渣的規模化消納與有效利用將促進上游產業的綠色持續發展。

關鍵詞：干法電石渣;乙炔氣;廢物處理;擴散;平衡

1干、濕電石渣性質分析

1.1干、濕電石渣儲存安全環保風險

化工電石渣漿經壓濾后，含水分約30%的渣進入水泥生產線，除直接上料進入烘干破碎機外，多余的料就儲存在堆棚內做調整用。電石渣揮發物、渣漿、粉塵屬于強堿性物質，對鋼構、人體皮膚、呼吸道、眼睛有很強的腐蝕性。堆積時間長了容易板結，無形中增加了勞務費用，所以物料平衡是降本增效和安全環保的關鍵。化工干法乙炔含水5%～7%，含有少量的殘余乙炔，經輸送設備進入水泥六個電石渣儲存庫，如何調整出入庫是防止庫內掛壁、控制殘余乙炔的措施。庫頂除塵器防止冬季結露，是保證庫內安全環保運行的關鍵。

1.2干、濕電石渣在使用過程中存在物料、熱量的不平衡性

兩條水泥生產線建成投運后，1#線回轉窯采用三級預熱器，窯尾預熱器出口溫度550℃，窯尾管道連接兩臺電石渣烘干破碎機。由于烘干熱量不足，烘干渣量不能滿足窯的投料需求，而化工產生的濕渣又有富余。2#線回轉窯采用五級預熱器，預熱器出口溫度350℃，在窯尾干燥管內烘干化工干渣工藝產生的電石渣，富余的熱量靠窯尾管道噴淋降溫，保護電袋除塵器的安全使用，造成熱量的損失。干法乙炔產生的電石渣不能滿足2#回轉窯的投料需要，加之化工干、濕乙炔產能調整有一定局限性，水泥兩臺窯干渣庫因設計工藝缺陷不能互用，出現干、濕電石渣物料和熱量的失衡。

1.3干、濕電石渣輸送過程中的弊端

濕渣經輸送設備、喂料機進入1#回轉窯尾烘干破碎機，利用窯尾余熱烘干后，通過旋風分離器進入成品干粉庫。濕渣在輸送過程中粘性大，料倉、下料溜管、烘干破碎機、喂料器、螺旋絞刀等設備設施易堵塞，在冬季易結露，嚴重影響正常運行。干粉中矽鐵含量大，在輸送和除渣過程中易產生揚塵。

2干法電石渣中乙炔氣逸出影響因素

考察外部環境變化會對干法電石渣和夾雜乙炔氣的相對狀態產生影響，一方面根據分子熱運動原理，環境溫度會對氣體分子的相對運動速度有較大的影響，另一方面根據擴散原理，外界機械振蕩可能在一定程度上使得乙炔氣逸出速率加快。因此首先考察了不同溫度（25、45℃）環境及機械振蕩條件對電石渣乙炔氣逸出行為的影響規律，環境溫度由室溫25℃升至45℃后乙炔逸出量有顯著提升，45℃條件下1h內乙炔氣的逸出量與室溫相比從0.23m³/t提升到0.39m³/t，2h逸出量則由0.25m³/t提升到0.44m³/t，溫度升高對乙炔氣的逸出速率有明顯的促進作用;另外一方面，1～2h的過程中，低溫環境下干法電石渣的乙炔氣逸出增量較高溫環境條件下小，表明低溫環境下干法電石渣中的乙炔氣逸出量小，且更快達到平衡。原因可能在于溫度較高時，氣體熱運動速率較快，相較于電石渣固體表面與氣體的黏附作用，乙炔可以更加有效地逸出;同時高溫狀態下殘余電石與體系中的水分能夠更快反應，從而提高逸出量和逸出速率。在低乙炔夾帶情況下，振蕩對于乙炔氣的逸出沒有明顯作用，而在高乙炔夾帶情況下，振蕩使得乙炔的逸出有小幅提升，但總體來說機械振蕩對乙炔氣逸出行為的促進或抑制作用不明顯。

3干法電石渣中乙炔氣高效逸散方案

由干法電石渣3h自然逸出行為規律可知，電石渣中乙炔氣在取出后1h內快速逸出，因此考慮通過對干法電石渣在自然敞開體系中進行晾置，實現夾帶乙炔氣的自然逸散，然后考察封閉體系中的干法電石渣乙炔氣逸出行為變化規律。干法電石渣在敞開體系晾置10min后封閉，乙炔氣逸出量大幅降低，晾置時間進一步延長至20min時，乙炔氣逸出量的減少趨勢不太明顯。從晾置后的乙炔逸出總量可以看出，經過一段時間的敞開晾置，乙炔氣的逸出量由0.26mm³/t降低至0.07m³/t，晾置過程乙炔氣逸散73.16%，封閉體系中的乙炔氣濃度仍然會緩慢提升，并上升至爆炸極限濃度2.1%～80%（體積比）。為了能夠更好地為實際工業生產過程中乙炔氣的儲運和利用過程的安全風險規避提供參考，模擬現場封閉體系中快速充氣和氣體置換行為，考察了前期敞開體系晾置和中間快速氣體置換相結合的方式對乙炔氣逸散的影響效果。

在乙炔氣大量快速逸出的1h內，晾置30min相比直接密封操作，乙炔氣富集最高濃度降低50%，對乙炔氣逸出2h后的封閉體系進行氣體置換，體系內乙炔氣含量迅速降低，體系中乙炔氣總含量由直接封閉條件下的1.00m3/t降至0.09m3/t，逸散量達到91.40%，且經晾置及氣體置換后體系內乙炔氣濃度大幅下降，遠低于乙炔氣的爆炸極限濃度。自然狀態下電石渣顆粒表面附著少量電石，其內部有大量不規則孔道結構使得其夾帶大量乙炔氣，后經封閉空氣中的水分及其自身水汽與電石反應產生部分乙炔氣，孔道內夾帶及吸附的氣體隨之逸出，封閉系統內的乙炔氣濃度迅速提升，對系統進行強制通風使得孔道內氣體及密封系統內的氣體得以置換，使得該系統內乙炔氣達到低濃度穩定狀態。

結束語：干法電石渣是電石法制乙炔過程中產生的大宗鈣基固廢，其中殘留電石及乙炔氣對資源化利用影響較大。針對利用過程乙炔氣富集的安全隱患問題，對電石渣的粒徑分布、礦相組成、微觀形貌等進行了系統分析和表征，考察了殘留電石含量變化及不同溫度、濕度、振蕩、晾置時間、氣體置換等因素對乙炔氣逸出行為影響。

參考文獻

[1]張國文，羅宏浩，劉小正.干法乙炔電石渣漿系統改造總結[J].聚氯乙烯，2020，48（09）：38-40.