淺談脫硫石膏的煅燒工藝

婁廣輝

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

脫硫石膏是指對含硫燃料（煤、油等）燃燒后的煙氣進行脫硫處理得到的工業(yè)副產(chǎn)品。如果不能很好處置和綜合利用這些工業(yè)石膏,既浪費了資源，占用了大量的填埋土地，又會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重的污染，影響企業(yè)的良性發(fā)展。所以，研發(fā)和完善脫硫石膏的處理工藝，把它們合理利用起來，作為生產(chǎn)石膏建材的原料，不僅能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，而且有利于保護環(huán)境，節(jié)約能源和資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，具有廣泛的市場前景。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，由煤燃燒排入的二氧化硫成為大氣污染的主要物質(zhì)。隨著人們環(huán)境保護意識的逐步提高，對燃煤煙氣進行脫硫顯得尤為緊迫和重要。

西方發(fā)達國家對脫硫石膏綜合利用技術(shù)的研究始于二十世紀七十年代，目前脫硫石膏幾乎所有的應用都在建材行業(yè)，如α石膏粉、石膏制品、水泥添加劑等各種建筑材料中。其應用技術(shù)非常成熟，工藝設備已專業(yè)化。國內(nèi)火力發(fā)電廠及其他行業(yè)的煙氣脫硫項目起步較晚，雖然近年來對脫硫石膏的應用和研究越來越重視，未來幾年隨著大量的脫硫裝置投入運行,我國每年將產(chǎn)生3 000～10 000萬t脫硫石膏。但總體上缺乏成熟的新技術(shù)和新工藝，應用技術(shù)不很成熟，存在產(chǎn)量低、能耗高、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點。開發(fā)脫硫石膏的新技術(shù)和新工藝十分重要。本文對脫硫石膏的性能和煅燒工藝進行了總結(jié)和歸納,以期對該行業(yè)的發(fā)展提供一定的借簽意義。

1 脫硫石膏的性能

1.1 脫硫石膏的產(chǎn)生

脫硫石膏是濕式石灰石—石膏煙氣脫硫中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。石灰石經(jīng)破碎、制粉，加水制成漿液作為吸收劑泵入吸收塔與煙氣充分接觸混合，與煙氣中的二氧化硫發(fā)生反應生成亞硫酸鈣 （CaSO3·0.5H2O）,然后通入大量空氣強制將亞硫酸鈣氧化成硫酸鈣，硫酸鈣達到一定飽和度后，結(jié)晶形成二水石膏。經(jīng)吸收塔排出的石膏漿液經(jīng)過濃縮器和離心脫水,使其含水量小于20%,最終生成石膏晶體（Ca-SO4·2H2O），其分子式中有 2個結(jié)晶水，同時表面附著一些游離水。這個二水石膏的硫酸鈣晶體，就是脫硫石膏。

1.2 脫硫石膏的性質(zhì)

脫硫石膏的主要成分為二水硫酸鈣 （CaSO4·2H2O），顏色微黃，呈中性或略偏堿性，粒度分布窄，級配較差的細顆粒狀，比表面積較小，含較多的水溶性鹽。脫硫石膏成分穩(wěn)定，其化學成分與天然石膏比較接近，脫硫石膏的顆粒直徑主要集中在30～60μm之間，比天然石膏的小，煅燒后可明顯改善粒度級配問題。脫硫石膏的游離水分約為10%～15%，黏性強。脫硫石膏的主要雜質(zhì)為CaCO3，還有一些SiO2、MgO、Al2O3等雜質(zhì)，某些雜質(zhì)在超過一定含量時，會影響石膏制品的質(zhì)量。目前國內(nèi)尚無脫硫石膏的質(zhì)量標準。

2 脫硫石膏的煅燒工藝

2.1 脫硫石膏的煅燒機理

脫硫石膏不能直接進行應用，通常需要制備成半水石膏（CaSO4·0.5H2O，工業(yè)上稱為熟石膏）。二水石膏加熱到一定溫度容易失去部分結(jié)晶水，成熟石膏。煅燒工藝一直是影響脫硫石膏制品質(zhì)量和應用的主要因素。在脫硫石膏煅燒過程中，當溫度升高、脫水速度加快時，由于石膏導熱性能不良，容易造成石膏的內(nèi)外溫度分布不均勻,形成多相混合物。因此，需要選擇合適的煅燒工藝措施，才能保證煅燒后產(chǎn)品的質(zhì)量。有研究表明:煅燒溫度在180℃時，石膏水化晶體發(fā)育完整，生長致密，在凝結(jié)時間、標準稠度及強度等方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

2.2 脫硫石膏的煅燒方式和設備

根據(jù)不同鍛燒方式可分別獲得α型半水石膏和β型半水石膏。α型半水石膏是用飽和蒸汽在壓力狀態(tài)下蒸煮后烘干獲得，也叫高強度石膏，主要用于陶瓷、醫(yī)藥行業(yè)的模具制造;β型半水石膏是在氣相條件下加熱脫水獲得，也叫建筑石膏，主要用于制造石膏板、石膏砌塊、或加入添加劑后加工成粉刷石膏。石膏煅燒技術(shù)裝備主要有回轉(zhuǎn)窯、立式炒鍋、沸騰爐、彼得磨等。各種裝備的技術(shù)性能和煅燒產(chǎn)品的綜合指標分析，各有其優(yōu)缺點。脫硫石膏綜合利用技術(shù)應用是否成功，其關(guān)鍵在于干燥煅燒工藝技術(shù)和設備的先進性。目前我國主要采用回轉(zhuǎn)窯和炒鍋生產(chǎn)建筑石膏，近年來成功地將間歇式炒鍋改造成連續(xù)式炒鍋，并進行沸騰爐煅燒石膏。當今石膏煅燒工藝的發(fā)展趨勢為:從間歇出料到連續(xù)出料；從間接加熱到直接加熱；從慢速脫水到快速脫水?，F(xiàn)在石膏生產(chǎn)常用的煅燒方式和設備有如下幾種:

2.2.1 連續(xù)炒鍋煅燒技術(shù)

國內(nèi)煅燒化學石膏較理想的設備是炒鍋，但能耗比氣流煅燒設備要高。脫硫石膏可采用干燥管進行干燥，這種干燥器比較適合小顆粒的粉狀脫硫石膏，處理能力大，能耗低。脫硫石膏含水量10%以上，經(jīng)干燥后要求水分小于2%。干燥后的脫硫石膏可直接進入連續(xù)式炒鍋進行炒制。和天然石膏相比，可以省去顎式破碎、粉磨收塵等工序和設備，故工藝簡單，煅燒費用也低。綜合來看，較天然建筑石膏有競爭優(yōu)勢。炒鍋具有物料溫度容易控制、產(chǎn)品均勻、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。但必須保證石膏粉料在達到一次沸騰時保持流態(tài)化，否則炒鍋內(nèi)部會出現(xiàn)脫水速度不均一的情況。國內(nèi)大都使用傳統(tǒng)式的炒鍋，熱效率較低，設備維護費用高，而且工作環(huán)境較差。

2.2.2 回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)

回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)有直接煅燒回轉(zhuǎn)爐和間接煅燒回轉(zhuǎn)爐兩種方式。利用直接加熱式回轉(zhuǎn)窯可以直接煅燒石膏，在煅燒前，脫硫石膏不必進行預干燥處理，但窯體應有一定長度的干燥帶，并注意排潮和收塵。因為在窯體內(nèi)有較大分壓的水蒸汽，因此煅燒的石膏質(zhì)量好且穩(wěn)定。另外，煅燒石膏應用較多的是帶有一體化冷卻器的內(nèi)管加熱式回轉(zhuǎn)窯。這種回轉(zhuǎn)窯采用間接加熱且物料停留時間較長。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，通過煙氣管道將煙氣的熱量傳遞給物料，在其后的冷卻管中，物料得以陳化?；剞D(zhuǎn)窯具有連續(xù)進料、連續(xù)出料的特點，且能適應原料粒度的變化，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可靠性高。但回轉(zhuǎn)窯占地面積較大、流程長、初期投資較大、物料的溫度不容易控制，煅燒的產(chǎn)品質(zhì)量不容易控制，能耗較高。

2.2.3 沸騰爐煅燒技術(shù)

石膏沸騰煅燒爐的床層狀態(tài)屬于鼓泡床，因此將這種爐子形象地稱作“沸騰爐”。正常工作時，從沸騰爐底部鼓入空氣,通過氣體分布板進入流化床。向物料傳遞大量的熱量，使二水石膏粉達到脫水分解的溫度，二水石膏就在流化床中脫去結(jié)晶水并變?yōu)檎魵?這些蒸氣與爐底鼓入的空氣混合在一起，通過床層向上運動。由于在流化床中粉料激烈的翻滾、混合，所以在整個流化床中各處的物料溫度和成分幾乎是一致的。連續(xù)投入的生石膏粉，一進入床層，幾乎瞬間就與床層中大量熱粉料混合均勻，在熱粉料中迅速脫水分解。生石膏粉先進入大的部分，在此脫掉大部分結(jié)晶水，然后通過下部的通道進入小的部分，在這里完成最終的脫水過程，再由床層上部自動溢流出爐。

沸騰爐煅燒工藝的最大優(yōu)點是:有效換熱面積大及操作控制準確,從而保留了炒鍋煅燒的優(yōu)點，同時可方便地回收蒸汽或熱介質(zhì)油所攜帶的熱量，再循環(huán)利用。由于無機械攪拌裝置和采用內(nèi)管換熱，使設備維修工作簡單化，因而可延長設備本體的使用壽命。

2.2.4 彼得磨煅燒技術(shù)

脫硫石膏經(jīng)裝料車送入給料倉，然后通過皮帶機送入脫硫石膏濕料倉，再配合電子秤能精確地向錘式磨給料。錘式磨中脫硫石膏在錘頭的攪動下，分散后與熱煙氣直接充分地進行熱交換,并在3～5 s內(nèi)料溫迅速升高，使其快速脫去脫硫石膏自由水的同時，脫去石膏中的一個半結(jié)晶水，實現(xiàn)脫硫石膏的干燥與煅燒在同一臺設備中瞬間完成，生產(chǎn)出無水石膏Ⅲ含量較多的熟石膏。此石膏穩(wěn)定性較差，一般采取研磨與冷卻的手段，將建筑石膏的性能穩(wěn)定下來，為大型紙面石膏板生產(chǎn)又提供了一個新的原料生產(chǎn)工藝。此工藝過程輸送環(huán)節(jié)少，工藝流程簡單，雖然石膏的白度降低，但很好地適應紙面石膏板的生產(chǎn)。彼得磨具有將粉磨煅燒一體化，煙氣與物料直接接觸，換熱強度較高，設備比較簡潔緊湊，占地面積較小等優(yōu)點。但要求石膏的成分相對穩(wěn)定，系統(tǒng)的溫度控制及操作要求嚴格，特別對原料的雜質(zhì)含量和原料的品位波動要求較嚴。

2.2.5 蒸汽管回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)

脫硫石膏經(jīng)裝料車送入計量給料倉，定量的給回轉(zhuǎn)窯供料，與回轉(zhuǎn)窯的蒸汽通過齒片管進行間接熱交換，隨著料溫的升高，脫去脫硫石膏中的自由水，再升溫后脫去石膏中的一個半結(jié)晶水，實現(xiàn)脫硫石膏的干燥與煅燒在同一臺設備中完成，生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的半水石膏。此工藝過程減少了輸送環(huán)節(jié)，縮短了工藝流程，降低了蒸汽耗量，節(jié)省了電能,為大型紙面石膏板生產(chǎn)提供了一個新型的、先進的原料生產(chǎn)工藝。高溫氣流煅燒具有熱利用合理、設備緊湊、占地面積較小、初投資較小等特點。但同時具有物料停留時間較短、系統(tǒng)的熱惰性較差、煅燒產(chǎn)品的性能波動較大和排氣熱損失較大等缺點，煅燒過程中物料易牯壁、堵塞，影響系統(tǒng)的連續(xù)可靠運行。

2.2.6 流態(tài)代煅燒技術(shù)

流態(tài)化煅燒爐，它包括爐體、位于爐體下部的高溫煙氣入口、爐體上部的廢氣出口以及位于爐體內(nèi)部的流化床；還包括振動裝置以及安裝在振動裝置上的復合振動攪拌裝置，振動裝置以及復合振動攪拌裝置安裝在流化床的頂部或底部。本實用新型的流態(tài)化煅燒爐既改善了流化床層的流化質(zhì)量，又解決了物料在流化床內(nèi)壁粘附問題。流態(tài)化煅燒爐中氣流與物料直接接觸，具有換熱效率較高、設備比較緊湊、占地面積較小、前期投資較小等諸多優(yōu)點。缺點是設備本身對進料的狀態(tài)、粒級分布和水分要求比較嚴格，控制不當則容易造成騰涌、溝流、結(jié)塊等流態(tài)化惡化現(xiàn)象，嚴重時會板結(jié)、死床，影響生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運行。在流化床式焙燒爐的基礎上開發(fā)出的新型煅燒裝置-LD流化床石膏煅燒系統(tǒng)，初步解決了流態(tài)化技術(shù)在煅燒石膏過程中的適應性問題，可以大批量處理脫硫石膏、磷石膏、天然石膏,為當今國內(nèi)最為先進的石膏煅燒技術(shù)之一，投資省，運行成本低，在節(jié)能及環(huán)保方面都達到了令人滿意的效果。

3 結(jié)語

脫硫石膏現(xiàn)在已經(jīng)是一種應用廣泛的綠色環(huán)保材料，能夠很好的用于石膏板、石膏砌塊及其它石膏建材行業(yè)。我國的脫硫石膏綜合利用工作起步較晚，但已經(jīng)自主開發(fā)了一批適用的關(guān)鍵工藝技術(shù)及裝備,基本滿足現(xiàn)階段脫硫石膏處理的需要，應用效果較好。

為了進一步做好資源綜合利用，還需就脫硫石膏煅燒技術(shù)方面的一些關(guān)鍵問題，如對原料含水率的適應性，物料粒級組成，余熱利用等方面，進行針對性的深化研究，改善相關(guān)石膏制品的性能，滿足石膏建材行業(yè)發(fā)展的需要。隨著國內(nèi)電廠越來越廣泛采用石灰石-石膏法進行煙氣脫硫,脫硫石膏的產(chǎn)量必將越來越大。脫硫石膏綜合利用具有很大的發(fā)展?jié)摿?，工程技術(shù)人員應抓住機遇，對脫硫石膏等工業(yè)副產(chǎn)石膏進行更深入的研究，促進我國節(jié)能環(huán)保事業(yè)的發(fā)展及資源綜合利用工作。

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