采用電石渣以廢治廢新型節(jié)水脫硫工藝的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：電石渣；干法脫硫；以廢治廢；節(jié)水；活性處理

電石渣的主要成分為Ca（OH）₂，是煤炭-電石化工產(chǎn)品，如溶解乙炔、PVC 和PVA 等的工業(yè)廢渣，全國(guó)許多大、中型化工企業(yè)都有大量的電石渣產(chǎn)生。由于電石渣易溶于水，長(zhǎng)期露天堆放不但會(huì)污染土壤和淺層地下水，使土壤鹽漬化和鹽堿化，而且大量電石渣的堆放還擠占寶貴的土地資源[1]。為此，國(guó)家發(fā)展改革委針對(duì)電石渣的應(yīng)用出臺(tái)了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，規(guī)定“新建、改擴(kuò)建電石法聚氯乙烯項(xiàng)目，必須同時(shí)配套建設(shè)電石渣生產(chǎn)水泥等電石渣綜合利用裝置，同時(shí)鼓勵(lì)規(guī)模較小的電石法聚氯乙烯企業(yè)通過(guò)與周邊水泥企業(yè)或其他可消納電石渣的企業(yè)合作，使電石渣得到充分利用”。另外，國(guó)家還鼓勵(lì)各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)的廢物交換利用。

從電石渣干法煙氣脫硫的“以廢治廢”，到干法煙氣脫硫副產(chǎn)物的“變廢為寶”，這是一個(gè)具有巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的、真正實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈。隨著循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)（CFB-FGD）的近百個(gè)項(xiàng)目在世界各地成功實(shí)施，CFB-FGD循環(huán)流化床干法脫硫越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外同行的重視。利用電石渣進(jìn)行脫硫，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳減排”的發(fā)展模式，符合國(guó)家環(huán)保及相關(guān)部門的規(guī)定，在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排降耗的形勢(shì)下，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益。

1電石渣的性質(zhì)

電石渣是電石（CaC₂） 與水反應(yīng)制備乙炔氣后的廢棄物，電石渣的主要成分為Ca（OH）₂， 還有其他少量的SiO₂、Al₂O₃、Fe₃O₄、MgO、K₂O、Na₂O 等雜質(zhì)。電石渣的化學(xué)成分和粒徑分布如表1、表2所示。

由表2 可知，電石渣中顆粒微細(xì)，1～50μm顆粒為80% 以上，由于其多孔狀結(jié)構(gòu)和比表面積大的原因，使得其保水性極強(qiáng)。

吸收劑的比表面積也是電石渣活性高低的一個(gè)重要指標(biāo)，為此對(duì)新疆天業(yè)出產(chǎn)的電石渣進(jìn)行取樣分析，其BET實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

從圖1上的數(shù)據(jù)可以看出，此次電石渣樣品的比表面積為12.8444m²/g，雖然比不上消化器制備出來(lái)的消石灰（比表面積約為20m²/g），但也能滿足干法脫硫的要求，因此在對(duì)其含水率做適當(dāng)控制和調(diào)整后可用于煙氣脫硫。

2電石渣的來(lái)源

國(guó)內(nèi)電石渣的主要來(lái)源是聚氯乙烯（PVC）行業(yè)。聚氯乙烯（PVC）是5大通用合成樹(shù)脂之一，在塑料行業(yè)中占有重要地位，2019年我國(guó)PVC 產(chǎn)能達(dá)到2498 萬(wàn)t，產(chǎn)量1933萬(wàn)t。PVC生產(chǎn)主要有乙烯法和電石法2個(gè)原料路線。由于我國(guó)電石來(lái)源廣泛，因而在我國(guó)電石乙炔法生產(chǎn)的PVC占總產(chǎn)量的80%[2]。按生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，電石乙炔法每生產(chǎn)1t PVC產(chǎn)品需耗用電石1.5～1.6t，同時(shí)每噸電石也會(huì)產(chǎn)生1.2t 電石渣（干基）。按2019年P(guān)VC產(chǎn)量計(jì)算， 我國(guó)每年電石渣（干基）產(chǎn)量約為2800 萬(wàn)t。

電石乙炔法生產(chǎn)PVC的主要化學(xué)反應(yīng)為焦炭（C）和生石灰（CaO）在高溫條件下生成CaC₂ 、CaC₂與水反應(yīng)生成乙炔氣（C₂H₂）和Ca（OH）₂ 。

由焦炭（C）和生石灰（CaO）在高溫條件下反應(yīng)生成CaC₂的化學(xué)式如下所示。

3C + CaO = CaC₂ + CO ↑

電石與水反應(yīng)生成乙炔氣（C₂H₂）和Ca（OH）₂的化學(xué)式如下所示。

CaC₂+ H₂O = Ca （OH） ₂ + C₂ H₂ ↑

電石乙炔法生產(chǎn)按照用水量的多少可分為干法電石乙炔與濕法電石乙炔2種工藝。濕法工藝是采用多于理論量17倍的水與電石反應(yīng)，產(chǎn)生含水量為90% 的漿體，經(jīng)重力沉降分離后進(jìn)一步脫水，得到含水率為35%～40% 粘土狀的濕排電石渣。干法工藝是用略多于理論量的水以霧態(tài)噴在電石粉上使之水解，產(chǎn)生含水量4%～15% 干態(tài)粉末狀的干排電石渣[3] [4]。

3電石渣在煙氣脫硫的應(yīng)用情況

目前，國(guó)內(nèi)電石渣應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)普通水泥、建筑材料、化工原料、中和酸性廢水、煙氣脫硫等方面。電石渣脫硫主要途徑有2 種，即一是爐內(nèi)脫硫技術(shù)，將電石渣經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理，代替生石灰作為爐內(nèi)脫硫劑，但脫硫率有限，難以滿足較高的環(huán)保要求；二是作為煙氣脫硫技術(shù)（FGD）的脫硫劑，與其他鈣基脫硫技術(shù)一樣，電石渣煙氣脫硫可以分為濕法和干法。

電石渣濕法利用電石渣制成合格的漿液貯存在成品電石渣漿液罐中；新鮮的電石渣漿液經(jīng)管路送入吸收塔底部的反應(yīng)池，在反應(yīng)池中由循環(huán)泵送至吸收塔上部的噴淋系統(tǒng)；在吸收塔內(nèi)，煙氣折流向上，穿過(guò)噴淋系統(tǒng)噴出的電石渣漿液霧滴區(qū)域逆流而上，脫去其中的SO₂；經(jīng)過(guò)除霧后的煙氣再返回原煙道進(jìn)入煙囪，排至大氣。電石渣濕法煙氣脫硫工藝流程如圖2所示。

電石渣作為濕法煙氣脫硫的吸收劑，其具有石灰石- 石膏法的脫硫率高、適用范圍廣等特點(diǎn)，但也帶來(lái)了濕法的不足之處，如制漿及噴入系統(tǒng)易結(jié)垢堵塞、系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、脫硫副產(chǎn)物難以綜合利用、有廢水排放、需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行防腐處理等。

新型高效電石渣循環(huán)流化床干法脫硫工藝，是在總結(jié)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干法脫硫除塵一體化工藝，可將電石渣的含水率調(diào)節(jié)在允許的范圍內(nèi)，取代消石灰作為干法脫硫的吸收劑。目前，新型高效電石渣循環(huán)流化床干法脫硫工藝已在榆社電廠項(xiàng)目、北元化工項(xiàng)目、新疆天富西熱電項(xiàng)目等項(xiàng)目中成功投運(yùn)，脫硫率達(dá)到95%以上。另外，采用電石渣進(jìn)行煙氣脫硫，不僅具有干法脫硫的系統(tǒng)無(wú)需防腐、工藝簡(jiǎn)單可靠、電耗水耗低、無(wú)廢水排放、運(yùn)行維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，還大大降低了干法脫硫的運(yùn)行成本，真正實(shí)現(xiàn)了“以廢治廢、節(jié)能降耗”的環(huán)保理念。

4電石渣在干法煙氣脫硫上的應(yīng)用

為了驗(yàn)證電石渣在干法煙氣脫硫上的應(yīng)用情況，筆者在新疆天富西熱電項(xiàng)目的新型高效循環(huán)流化床干法脫硫裝置上，利用附近新疆天業(yè)化工的電石渣粉進(jìn)行干法脫硫性能考核，成果喜人，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于預(yù)期值。利用電石渣進(jìn)行干法脫硫，脫硫率高達(dá)96%以上。

4.1 脫硫除塵島出口SO₂濃度與電石渣加入量的關(guān)系

經(jīng)化驗(yàn)分析，新疆天業(yè)化工的電石渣粉能直接替代消石灰作為脫硫劑使用，故將脫硫島的出口溫度控制在定值，考察脫硫除塵島出口SO₂濃度隨電石渣投入量的變化情況。將吸收塔出口溫度調(diào)節(jié)至73℃，在此溫度下，調(diào)整至吸收塔的電石渣加入量，觀察并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，脫硫除塵島出口SO₂濃度與電石渣加入量的關(guān)系如表3所示，脫硫除塵島出口SO₂濃度與電石渣加入量如圖3所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，保持吸收塔出口溫度不變的情況下，脫硫除塵島出口SO₂濃度隨著電石渣加入量的增加而逐漸減小，在吸收塔出口溫度點(diǎn)為73℃時(shí)，最大脫硫率可達(dá)到96.58%。因此，可以預(yù)見(jiàn)，經(jīng)過(guò)活性處理的電石渣，由于其比表面積及顆粒度等均優(yōu)于實(shí)驗(yàn)中使用的電石渣，脫硫率必將有更大的提高。

4.2吸收塔出口溫度與電石渣加入量的關(guān)系

在持續(xù)恒定往吸收塔加入電石渣的條件下，同時(shí)穩(wěn)定鍋爐的負(fù)荷，調(diào)節(jié)吸收塔的出口溫度，記錄各個(gè)溫度下脫硫除塵島出口SO₂濃度降至100mg/m3 所需投入的電石渣量。吸收塔出口溫度與電石渣加入量的關(guān)系如表4所示，吸收塔出口溫度與電石渣加入量如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，保持脫硫除塵島出口SO₂濃度為100mg/m3 時(shí)，隨著吸收塔出口溫度的降低，所需投入的電石渣量急劇減少，耗量從2.1t 減少為0.14t。這一結(jié)果與預(yù)期相吻合，即反應(yīng)溫度越接近煙氣露點(diǎn)反應(yīng)效率提高越快，吸收劑的耗量則顯著減少。

4.3電石渣脫硫水耗分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果電石渣活性及品質(zhì)在脫硫運(yùn)行所要求的范圍內(nèi)，加大其含水率，將有助于提高脫硫運(yùn)行的溫度，即能在較高的溫度下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的脫硫效率。從天富西熱電項(xiàng)目可以看出，在吸收塔出口溫度為80℃時(shí)，布袋出口的二氧化硫濃度為260mg/m3，這對(duì)于非重點(diǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，出口二氧化硫的排放濃度已經(jīng)達(dá)到國(guó)家環(huán)保排放要求，與平時(shí)運(yùn)行的溫度75℃相比，降溫用水量從24.59t/h 減少為22.53t/h，可節(jié)約用水量2.06t/h，年節(jié)約用水量16480t（年運(yùn)行時(shí)間按8000h 計(jì)），對(duì)于我國(guó)西北部富煤缺水地區(qū)有著極為重要的意義。因此，不僅可用干電石渣進(jìn)行脫硫，也可將濕電石渣進(jìn)行干燥處理后再用于脫硫；同時(shí)，將含水率控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，既可實(shí)現(xiàn)脫硫的目的和效果，又能在一定程度上降低降溫用的水耗，進(jìn)一步減少整個(gè)脫硫系統(tǒng)的用水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水效益。

5電石渣應(yīng)用于干法脫硫的活性處理

綜上所述，電石渣應(yīng)用于干法脫硫不僅能夠完全滿足脫硫劑的要求，還具有高效率、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)。因此，為了更進(jìn)一步地發(fā)揮電石渣的優(yōu)勢(shì)，需針對(duì)不同工藝產(chǎn)生的電石渣采用不同的活性處理方法。

5.1濕法電石渣的活性處理

濕法工藝產(chǎn)生的電石渣壓濾后濾餅水分仍有35%左右，為得到含水率在2% 左右的電石渣，活性處理措施采用烘干制粉系統(tǒng)的流程如圖5所示。熱煙氣與電石渣進(jìn)行混合后進(jìn)入底部攪拌機(jī)，在底部攪拌機(jī)中，板結(jié)在一起的濕電石渣被烘干并破碎，與煙氣一起進(jìn)入旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，大部分的電石渣粉由此進(jìn)入電石渣庫(kù)存儲(chǔ)，尾氣則通過(guò)高溫風(fēng)機(jī)，進(jìn)入電除塵器后直接排空，電除塵器收集下來(lái)的電石渣再送返電石渣庫(kù)。

5.2干法電石渣的活性處理

干法電石渣的含水率在8%左右，其活性處理采用自主研發(fā)的電石渣濕度整定裝置，利用CaO與水反應(yīng)生成Ca（OH）₂ 并放出大量熱量的[ 放熱反應(yīng)：CaO + H₂O = Ca （OH） ₂] 原理，通過(guò)生石灰吸收電石渣中的水分，同時(shí)反應(yīng)放出的熱量可蒸發(fā)部分電石渣中的水分，以達(dá)到電石渣干燥和消化生石灰的作用。

通過(guò)前期電石渣濕度整定裝置的試驗(yàn)和中試，根據(jù)電石渣的含水量和生石灰CaO含量，選擇合適的電石渣與生石灰配比進(jìn)行混合攪拌，濕度整定時(shí)生成細(xì)度良好且含水量為2%左右的消石灰粉作為干法脫硫需要的脫硫劑。電石渣濕度整定流程如圖6所示。

從化工廠運(yùn)來(lái)的干法電石渣儲(chǔ)存于電石渣倉(cāng)中，經(jīng)稱重系統(tǒng)后通過(guò)皮帶輸送機(jī)送入預(yù)混合器與定量加入的生石灰進(jìn)行初步混合；混合均勻后的物料進(jìn)入電石渣濕度整定消化器；在濕度整定消化器內(nèi)發(fā)生CaO與水的消化反應(yīng)，反應(yīng)放出熱量使電石渣中部分水分蒸發(fā)，并和鼓入的熱空氣一起排出；濕度整定和消化合格的消石灰粉經(jīng)稀相氣力輸送至消石灰倉(cāng)；濕度整定消化過(guò)程中的不合格粗顆粒通過(guò)消化器的溢流堰控制，定期外排。

6結(jié)束語(yǔ)

從用電石渣脫硫試驗(yàn)和項(xiàng)目應(yīng)用電石渣作為脫硫劑長(zhǎng)期投運(yùn)的結(jié)果看，采用電石渣進(jìn)行干法脫硫具有較高的性能，脫硫效率能夠達(dá)到較高的水平。因此，煙氣干法脫硫用戶可通過(guò)專門的技術(shù)改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及依據(jù)各個(gè)地方電石渣不同的特性，通過(guò)活性處理，提高電石渣比表面積及控制合適的含水率等增大電石渣的活性，保障脫硫設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，以此進(jìn)一步降低脫硫的運(yùn)行成本。電石渣脫硫既符合國(guó)家的相關(guān)規(guī)定，又能同時(shí)降低系統(tǒng)水耗，在水資源匱乏的地區(qū)更具有其優(yōu)越性。

在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排降耗的形勢(shì)下，合理科學(xué)地利用電石渣進(jìn)行脫硫更顯出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)PVC 行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)電石渣產(chǎn)量急劇增加，大量電石渣的堆積不但占用寶貴的土地資源，而且電石渣的強(qiáng)堿性及其中含有的少量硫、氰化合物等也會(huì)對(duì)地下水資源造成嚴(yán)重危害。因地制宜地將現(xiàn)有電石渣大部分應(yīng)用于煙氣循環(huán)流化床干法脫硫，在我國(guó)大力倡導(dǎo)“以廢治廢、循環(huán)經(jīng)濟(jì)”“可持續(xù)、綠色發(fā)展”的今天具有十分重大的意義。電石渣干法煙氣脫硫可在幾個(gè)不同的生產(chǎn)線間實(shí)現(xiàn)鏈條式“以廢治廢”的環(huán)保之路，開(kāi)創(chuàng)了煙氣治理的新里程。

作者簡(jiǎn)介

游峰燁（1984—），男，漢族，福建龍巖人，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楣I(yè)煙氣污染物排放控制的設(shè)計(jì)、應(yīng)用。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-09