干法电石渣性质分析及乙炔气逸出行为研究

曹玮儒　刘雪梅

摘要：聚氯乙烯（PVC）是一种应用广泛的化工产品，主要用于建筑材料、管材、薄膜、电线电缆等方面，我国PVC产能占全世界60%以上，2019年总产能达到2498×104t/a[1]。电石渣是聚氯乙烯行业电石法制乙炔气过程产生的废渣，生产1tPVC约排放电石渣1.5～1.9t（干基），造成国内电石渣年产生量达到3000×104t/a。电石渣主要成分为Ca（OH）2及少量CaCO3，粒径一般小于200μm，易于扬尘造成大气及粉尘污染，此外电石渣利用率较低，大量堆存造成钙资源的浪费，而电石渣的规模化消纳与有效利用将促进上游产业的绿色持续发展。

关键词：干法电石渣;乙炔气;废物处理;扩散;平衡

1干、湿电石渣性质分析

1.1干、湿电石渣储存安全环保风险

化工电石渣浆经压滤后，含水分约30%的渣进入水泥生产线，除直接上料进入烘干破碎机外，多余的料就储存在堆棚内做调整用。电石渣挥发物、渣浆、粉尘属于强碱性物质，对钢构、人体皮肤、呼吸道、眼睛有很强的腐蚀性。堆积时间长了容易板结，无形中增加了劳务费用，所以物料平衡是降本增效和安全环保的关键。化工干法乙炔含水5%～7%，含有少量的残余乙炔，经输送设备进入水泥六个电石渣储存库，如何调整出入库是防止库内挂壁、控制残余乙炔的措施。库顶除尘器防止冬季结露，是保证库内安全环保运行的关键。

1.2干、湿电石渣在使用过程中存在物料、热量的不平衡性

两条水泥生产线建成投运后，1#线回转窑采用三级预热器，窑尾预热器出口温度550℃，窑尾管道连接两台电石渣烘干破碎机。由于烘干热量不足，烘干渣量不能满足窑的投料需求，而化工产生的湿渣又有富余。2#线回转窑采用五级预热器，预热器出口温度350℃，在窑尾干燥管内烘干化工干渣工艺产生的电石渣，富余的热量靠窑尾管道喷淋降温，保护电袋除尘器的安全使用，造成热量的损失。干法乙炔产生的电石渣不能满足2#回转窑的投料需要，加之化工干、湿乙炔产能调整有一定局限性，水泥两台窑干渣库因设计工艺缺陷不能互用，出现干、湿电石渣物料和热量的失衡。

1.3干、湿电石渣输送过程中的弊端

湿渣经输送设备、喂料机进入1#回转窑尾烘干破碎机，利用窑尾余热烘干后，通过旋风分离器进入成品干粉库。湿渣在输送过程中粘性大，料仓、下料溜管、烘干破碎机、喂料器、螺旋绞刀等设备设施易堵塞，在冬季易结露，严重影响正常运行。干粉中矽铁含量大，在输送和除渣过程中易产生扬尘。

2干法电石渣中乙炔气逸出影响因素

考察外部环境变化会对干法电石渣和夹杂乙炔气的相对状态产生影响，一方面根据分子热运动原理，环境温度会对气体分子的相对运动速度有较大的影响，另一方面根据扩散原理，外界机械振荡可能在一定程度上使得乙炔气逸出速率加快。因此首先考察了不同温度（25、45℃）环境及机械振荡条件对电石渣乙炔气逸出行为的影响规律，环境温度由室温25℃升至45℃后乙炔逸出量有显著提升，45℃条件下1h内乙炔气的逸出量与室温相比从0.23m³/t提升到0.39m³/t，2h逸出量则由0.25m³/t提升到0.44m³/t，温度升高对乙炔气的逸出速率有明显的促进作用;另外一方面，1～2h的过程中，低温环境下干法电石渣的乙炔气逸出增量较高温环境条件下小，表明低温环境下干法电石渣中的乙炔气逸出量小，且更快达到平衡。原因可能在于温度较高时，气体热运动速率较快，相较于电石渣固体表面与气体的黏附作用，乙炔可以更加有效地逸出;同时高温状态下残余电石与体系中的水分能够更快反应，从而提高逸出量和逸出速率。在低乙炔夹带情况下，振荡对于乙炔气的逸出没有明显作用，而在高乙炔夹带情况下，振荡使得乙炔的逸出有小幅提升，但总体来说机械振荡对乙炔气逸出行为的促进或抑制作用不明显。

3干法电石渣中乙炔气高效逸散方案

由干法电石渣3h自然逸出行为规律可知，电石渣中乙炔气在取出后1h内快速逸出，因此考虑通过对干法电石渣在自然敞开体系中进行晾置，实现夹带乙炔气的自然逸散，然后考察封闭体系中的干法电石渣乙炔气逸出行为变化规律。干法电石渣在敞开体系晾置10min后封闭，乙炔气逸出量大幅降低，晾置时间进一步延长至20min时，乙炔气逸出量的减少趋势不太明显。从晾置后的乙炔逸出总量可以看出，经过一段时间的敞开晾置，乙炔气的逸出量由0.26mm³/t降低至0.07m³/t，晾置过程乙炔气逸散73.16%，封闭体系中的乙炔气浓度仍然会缓慢提升，并上升至爆炸极限浓度2.1%～80%（体积比）。为了能够更好地为实际工业生产过程中乙炔气的储运和利用过程的安全风险规避提供参考，模拟现场封闭体系中快速充气和气体置换行为，考察了前期敞开体系晾置和中间快速气体置换相结合的方式对乙炔气逸散的影响效果。

在乙炔气大量快速逸出的1h内，晾置30min相比直接密封操作，乙炔气富集最高浓度降低50%，对乙炔气逸出2h后的封闭体系进行气体置换，体系内乙炔气含量迅速降低，体系中乙炔气总含量由直接封闭条件下的1.00m3/t降至0.09m3/t，逸散量达到91.40%，且经晾置及气体置换后体系内乙炔气浓度大幅下降，远低于乙炔气的爆炸极限浓度。自然状态下电石渣颗粒表面附着少量电石，其内部有大量不规则孔道结构使得其夹带大量乙炔气，后经封闭空气中的水分及其自身水汽与电石反应产生部分乙炔气，孔道内夹带及吸附的气体随之逸出，封闭系统内的乙炔气浓度迅速提升，对系统进行强制通风使得孔道内气体及密封系统內的气体得以置换，使得该系统内乙炔气达到低浓度稳定状态。

结束语：干法电石渣是电石法制乙炔过程中产生的大宗钙基固废，其中残留电石及乙炔气对资源化利用影响较大。针对利用过程乙炔气富集的安全隐患问题，对电石渣的粒径分布、矿相组成、微观形貌等进行了系统分析和表征，考察了残留电石含量变化及不同温度、湿度、振荡、晾置时间、气体置换等因素对乙炔气逸出行为影响。

参考文献

[1]张国文，罗宏浩，刘小正.干法乙炔电石渣浆系统改造总结[J].聚氯乙烯，2020，48（09）：38-40.