电石行业固废无害化与资源化工艺开发及研究

电石行业固废无害化与资源化工艺开发及研究

李家兴  ,滕彦凯

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摘要：本文介绍了电石行业三种典型的固废，以西北某电石厂的净化灰、炭材固废、除尘灰为研究对象，针对性的提出了焚烧处置的工艺路线，从工艺、资源化、经济效益和社会效益等多方面讨论了技术的可行性。

一、电石行业固废概述

电石行业属于高耗能、高污染行业，是我国重点耗能产业之一，在“十四五”国家“能耗双控”全面规划部署和“碳中和”背景下，节能降碳显得尤为重要[1]。电石生产工艺为：生石灰和炭材在电石炉内通过电弧产生的高温环境（2000-2600℃）推动反应而得到电石，并副产CO。在此生产过程中消耗了大量的电能，同时也产生了大量的固废。

电石行业产生的固废主要包括净化灰、炭材固废和除尘灰[2]等。以西北某电石厂为例，其物料的检测数据如表1所示。

表1 固废物性数据

1、净化灰：

密闭电石炉产生的温度为500℃～800℃烟气（主要为CO）从炉盖水冷烟管经净化系统水冷套管引入旋风沉降器，再经一、二级多管冷却器冷却，然后再经布袋除尘器过滤除尘后引入气柜。多级除尘产生的飞灰即为净化灰。

2、炭材固废：

炭材经烘干后将水分降至1%以下，利用3-5mm的筛网对其进行筛分，过筛后＞5mm的炭材进入电石炉参与反应制取电石，＜5mm的炭材粉末即为炭材固废。主要组分为兰炭或焦炭。

3、除尘灰：

烘干炭材过程中，热烟气经除尘器收集的灰即为除尘灰。炭材转运、储存等过程中仓顶除尘器、车间除尘器等收集的灰也为除尘灰。主要组分为兰炭、焦炭和煤焚烧飞灰的混合物[3]。

二、处置工艺

炭材固废和除尘灰的主要组分为固定碳，其具有较高的热值。而净化灰中也含有20-40%的固定碳，Mg的存在对于焚烧过程可以起到助燃作用。这些固废均具有较大的利用价值，采用如下的处理技术，对三种固废进行焚烧处置，其粒径较细，物性稳定，利用流化床对其进行流化焚烧是焚烧炉的首选方案[4]。流化床焚烧产生的烟气温度为850-950℃，通过SNCR进行高温脱硝，然后通过余热锅炉产生高压蒸汽，高压蒸汽通过汽轮发电机组进行发电。经过锅炉换热降温后的烟气经急冷塔进一步降温至除尘器适合的温度（140-200℃左右）后进入除尘器内，经除尘器除尘后满足国家规范的要求，进而经烟囱排烟。流化床、锅炉、急冷塔、除尘器等多处产生飞灰经统一收集后作资源化利用。

图1 电石固废处置工艺流程框图

三、烟气排放指标

1、NOx指标控制：三种固废在流化床中燃烧试验发现，通过氧含量控制、炉膛温度控制、增加炉内颗粒团聚物等技术，可将原始NOx排放浓度可以控制300mg/Nm3以内，辅以SNCR脱硝技术，可以实现NOx的排放浓度低于100mg/Nm3。

2、SO2指标控制：考虑到固废中含有大量的CaO和MgO，而固废本身的含硫量均小于1%，炉内自脱硫就可以实现SO2的超低排放。

四、燃烧后飞灰资源化

三种固废燃烧的飞灰中CaO含量为46.05%，MgO含量为32.72%，总和达到78.77%，对比优质碳酸钙煅烧后CaO+MgO总和大约52-55%，可看出此飞灰为优质脱硫剂。从粒径角度来看，飞灰粒径小于25μm，刚好满足循环流化床超细粉（d50=15-20μm）脱硫剂的要求。

炭材固废和除尘灰混烧的飞灰中CaO含量为43.45%，SiO2含量为21.50%，Al2O3含量为8.74%，Fe2O3含量为10.42%，说明灰分中以硅酸盐和硫铁酸盐为主，是优质的水泥添加剂或者建筑材料。

五、经济和社会效益分析

1、经济效益

固废总处理量以6t/h计，年运行时间8000h。每小时可发电量为7MW，年发电总量0.56亿度。如电价以0.7元/度计，发电收益为3920万元/年。考虑到电石行业属于高能耗行业，在能耗双控背景下电价上涨是将来的趋势，发电收益将会更高。

焚烧后产生的灰作为脱硫剂出售，总量为14880t，如脱硫剂以500元/吨计，产生的经济效益为744万元/年。

如果固废未经处置直接去填埋，填埋费用为100元/t，全年填埋费用为480万元/年。

全年总的经济效益明显，具体为3920+744+480=5144万元/年。

2、社会效益

在碳达峰、碳中和的背景下，将固废进行资源化利用，不仅减少了填埋对环境的破坏，而且有效降低碳排放量，每年可减排二氧化碳量约4万吨/年。

六、结语

本文以电石行业的三种典型固废：净化灰、炭材固废和除尘灰为研究对象，通过研究其物性，提出了具体的工艺处置路线，为电石行业的发展提出了无害化和资源化的思路。以我国西北某电石厂为例，将净化灰、炭材固废和除尘灰进行处置可解决环保问题并节省填埋费用，焚烧后的飞灰可做脱硫剂等。焚烧过程产生的热能可用于发电。综合全年经济效益可达5144万元/年。社会效益显著，可减少CO2排放量约为4万吨/年。

参考文献：

[1]周鹏飞,平寒锐,张方,等.固废电石渣发展循环经济的工艺研究[J]. 化工管理, 2019(17):2.

[2]王燕.电石生产主要固体废弃物综合利用研究[D]. 北京化工大学, 2016.

[3]马保国,张昺榴,谭洪波,等.利用电石生产的废弃物制备水泥熟料的方法:, CN105110666A[P]. 2015.

[4]张海,苏天科,李东,等.以电石炉净化灰为燃料烘干兰炭的方法:, CN110553504A[P]. 2019.

[5]吕清刚,王俊,朱建国,等.循环流化床预热的无烟煤粉燃烧特性试验研究[J]. 锅炉技术, 2011, 42(5):23-27.