硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)混凝土膨脹劑裝置的設(shè)計與生產(chǎn)實踐

韓繼明， 袁寧衛(wèi)， 龍明強(qiáng)， 蒲志華

(1. 重慶三圣實業(yè)股份有限公司， 重慶 400718； 2. 江蘇慶峰國際環(huán)保工程有限公司， 江蘇揚(yáng)州 225115)

設(shè)備與自動化

硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)混凝土膨脹劑裝置的設(shè)計與生產(chǎn)實踐

韓繼明1， 袁寧衛(wèi)2， 龍明強(qiáng)1， 蒲志華1

(1. 重慶三圣實業(yè)股份有限公司， 重慶 400718； 2. 江蘇慶峰國際環(huán)保工程有限公司， 江蘇揚(yáng)州 225115)

介紹了150 kt/a硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)150 kt/a混凝土膨脹劑裝置設(shè)計規(guī)模、工藝原理、生產(chǎn)流程及運(yùn)行情況。裝置采用硬石膏在回轉(zhuǎn)窯分解出SO2氣體制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥熟料或膨脹劑(簡稱高鈣料)。燒成工序采用國內(nèi)成熟的回轉(zhuǎn)窯分解+4級懸浮預(yù)熱器方法，硫酸生產(chǎn)工序采用“3+1”、ⅣⅠ-ⅢⅡ二轉(zhuǎn)二吸加2級尾氣吸收處理工藝流程。詳述主要設(shè)備選型、經(jīng)濟(jì)技術(shù)運(yùn)行指標(biāo)，并分析經(jīng)濟(jì)效益。該裝置運(yùn)行時間超過半年，各項工藝指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

硬石膏 回轉(zhuǎn)窯 膨脹劑 工藝流程 設(shè)計 生產(chǎn)實踐

重慶三圣實業(yè)有限公司(以下簡稱重慶三圣)目前擁有1套150 kt/a硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)200 kt/a水泥裝置和1套150 kt/a硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)150 kt/a混凝土膨脹劑裝置。硫酸裝置由江蘇慶峰國際環(huán)保工程有限公司總承包，重慶三圣根據(jù)一期裝置生產(chǎn)經(jīng)驗，對二期裝置的設(shè)備、工藝、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證了整個裝置一次開車成功并達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。

1 裝置設(shè)計規(guī)模

重慶三圣二期項目設(shè)計規(guī)模為150 kt/aw(H2SO4)100%硫酸裝置，150 kt/aw(CaO)60%的游離氧化鈣膨脹劑裝置，可根據(jù)市場需求隨時調(diào)整水泥熟料和混凝土膨脹劑(簡稱高鈣料)。按1年開工8 000 h計，生產(chǎn)能力達(dá)450 t/d。一期項目中的污水處理、石膏原料破碎、儲存與預(yù)均化、原料調(diào)配、生料制備均化、熟料調(diào)配和粉磨站在設(shè)計中均已考慮到二期項目，因此二期項目不再新建。

2 工藝原理及生產(chǎn)流程

2.1 工藝原理

硬石膏(CaSO4)分解生產(chǎn)硫酸和水泥膨脹劑的基本原理是以焦炭為還原劑，在高溫下將硬石膏分解成熟料(CaO)和二氧化硫氣體。在生料中摻入頁巖(SiO2)、黃砂(Al2O3)和鐵粉(Fe2O3)反應(yīng)生成水泥熟料，通過調(diào)配生料成分，控制燒成條件，若生產(chǎn)的熟料游離氧化鈣w(CaO)≥60%時可作為膨脹劑熟料，而SO2氣體則通過窯尾4級懸浮預(yù)熱器預(yù)熱后，經(jīng)余熱鍋爐換熱后通過高溫風(fēng)機(jī)，依次進(jìn)入電除塵器除塵、硫酸生產(chǎn)洗滌、干燥、轉(zhuǎn)化和吸收工序制成硫酸，再經(jīng)2級堿液吸收尾氣達(dá)標(biāo)排放。CaO熟料在篦冷機(jī)急速冷卻，通過拉鏈機(jī)排入熟料庫中儲存，再去粉磨站磨制成混凝土膨脹劑，熱量由窯頭水加熱器吸收后進(jìn)入余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽供各用戶單位使用。

2.1.1 硬石膏還原分解反應(yīng)

850～1 000 ℃時，硬石膏分解成中間產(chǎn)物硫化鈣：

(1)

1 000～1 250 ℃時，中間產(chǎn)物CaS與硬石膏反應(yīng)生成CaO和SO2氣體：

(2)

總反應(yīng)式為：

(3)

2.1.2 水泥熟料和混凝土膨脹劑生成機(jī)理

硬石膏分解生成CaO熟料與摻入生料中的頁巖、黃砂和鐵粉等主要氧化物進(jìn)行多級固相礦化反應(yīng)生成水泥熟料。通過控制頁巖、黃砂、鐵粉摻入量來控制熟料中游離CaO含量，當(dāng)w(CaO)≥60%時，即可作為膨脹劑生產(chǎn)原料。其性能優(yōu)于硫鋁酸鈣類、氧化鎂類和金屬類等膨脹劑，其優(yōu)勢在于膨脹系數(shù)大、用量少、成本及價格低。氧化鈣類膨脹劑的膨脹機(jī)理主要是氧化鈣晶體水化形成氫氧化鈣晶體，體積增大而導(dǎo)致的。

2.1.3 硫酸生產(chǎn)原理

SO2在釩催化劑作用下生成SO3，同時放出大量熱以保證系統(tǒng)熱量平衡，多余的熱量可移走，再用w(H2SO4)98.3%硫酸吸收。

2.2 生產(chǎn)流程

硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)混凝土膨脹劑生產(chǎn)工藝流程可分為3個部分：生料制備、熟料燒成和窯氣制酸，而這3部分又以熟料燒成為中心，工藝流程如圖1所示。

圖1 硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)混凝土膨脹劑工藝流程

2.2.1 生料制備

石膏礦場送來的硬石膏塊度小于200 mm，通過板式輸送機(jī)送至錘式破碎機(jī)，破碎后粒度小于50 mm，由帶式輸送機(jī)和提升機(jī)送入碎石膏預(yù)均化庫，進(jìn)行均化庫存。外購焦粉、鐵粉和頁巖、黃砂其他輔助原料入庫待用。由庫底計算機(jī)系統(tǒng)DCS控制的帶式配料按工藝要求設(shè)定的質(zhì)量配比搭配計量后，通過帶式輸送機(jī)送至立式生料磨。利用熱風(fēng)爐送來的熱空氣烘干粉磨，熱空氣進(jìn)口溫度控制在200 ℃以下，出磨生料細(xì)度控制在80 μm，篩余率為13%，其中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.5%。硬石膏化學(xué)成分見表1。

表1 硬石膏化學(xué)成分

外購來的粒度小于40 mm、w(H2O)≤10%原煤經(jīng)帶式輸送機(jī)、給煤機(jī)送入立式煤磨與來自窯頭的熱風(fēng)混合烘干煤粉。出磨煤粉經(jīng)粗細(xì)分離后進(jìn)入煤粉倉儲存待用。出磨煤粉細(xì)度控制在80 μm，篩余率為10%。原煤工業(yè)分析指標(biāo)見表2，焦粉工業(yè)分析指標(biāo)見表3。

表2 原煤工業(yè)分析指標(biāo)

表3 焦粉工業(yè)分析指標(biāo)

為使窯氣中φ(SO2)≥9%，熟料礦物中組成C2S+C3A質(zhì)量分?jǐn)?shù)需接近70%，且熟料中低熔礦物C4AF盡量減少，以利于CaSO4分解。生料配比的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確分析各種摻和物料的成分，根據(jù)熟料分析結(jié)果，隨時對生料配比進(jìn)行調(diào)整。

水泥生料配比為：硬石膏(w)85%～89%,頁巖(w)0.3%～1.5%，黃砂(w)3%～5%，鐵粉(w)0.8%～1.2%，焦粉(w)5%～6%。生料控制指標(biāo)為：細(xì)度11%～15%，碳硫比m(C)/m(SO3)0.65～0.67，w(SO2)41%～43%,w(H2O)≤1.5%，石灰飽和系數(shù)KH 1.15～1.17。生料(水泥)化學(xué)成分見表4。

表4 生料(水泥)化學(xué)成分 w，%

膨脹劑(高鈣料)生料配比為：硬石膏(w)90%～93%,焦炭(w)5.5%～7%,鐵粉(w)1%～2.5%。膨脹劑(高鈣料)生料控制指標(biāo)為：細(xì)度11%～15%,碳硫比m(C)/m(SO3)0.65～0.67，w(SO2)46%～49%，w(H2O)≤1.5%。膨脹劑(高鈣料)生料化學(xué)成分見表5。

表5 膨脹劑(高鈣料)生料化學(xué)成分 w，%

2.2.2 熟料燒成

硬石膏分解及熟料燒成均在回轉(zhuǎn)窯完成，回轉(zhuǎn)窯的操作控制是整條生產(chǎn)線是否正常的關(guān)鍵。稍有不慎就有可能引起窯內(nèi)結(jié)圈、紅窯、掉窯皮以及產(chǎn)生升華硫、氮氧化物超標(biāo)、硫酸酸霧超標(biāo)、篦冷機(jī)易“堆雪人”等一系列現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。這不僅影響窯內(nèi)硬石膏分解程度，而且影響出窯氣體SO2濃度及熟料質(zhì)量。重慶三圣將一期項目所積累的生產(chǎn)經(jīng)驗應(yīng)用在二期項目。純石膏(CaSO4)在空氣中要達(dá)到1 470 ℃才能分解，分解熱值為265 kJ/mol，而石灰石(CaCO3)分解溫度僅為700～800 ℃，分解熱值只有159 kJ/mol，由此可見石膏比石灰石難分解，分解溫度越高，吸收的熱量就越大，產(chǎn)品能耗就越高，而且分解機(jī)理復(fù)雜，過程難以控制。石膏生料在窯內(nèi)分解溫度必須達(dá)到650 ℃才能進(jìn)行，且以焦炭為還原劑，并產(chǎn)生中間產(chǎn)物硫化鈣，因此生料需預(yù)熱到800 ℃才能分解，直到1 450 ℃才分解結(jié)束。由于分解溫度高，生料必須預(yù)熱。窯氣成分工業(yè)分析指標(biāo)見表6。

表6 窯氣成分工業(yè)分析指標(biāo) φ，%

水泥熟料控制指標(biāo)：w(CaO)≤2.5%，w(CaS)≤1.0%，w(SO3)≤2.0%；3 d后水泥強(qiáng)度大于或等于26 MPa；28 d后水泥強(qiáng)度大于或等于52.5 MPa；石灰飽和系數(shù)KH 0.94～0.98。膨脹劑(高鈣料)熟料控制指標(biāo)為：w(CaO)≥65%，密度大于或等于1 400 g/L。回轉(zhuǎn)窯正常操作控制指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速為0.39～3.9 r/min，窯尾氣溫為780～850 ℃，窯頭壓力為-20～-5 Pa，窯尾壓力為-150～-50 Pa，φ(SO2)為9%～11%，φ(O2)0.8%～1.5%，φ(CO)≤0.1%。

重慶三圣二期項目在一期項目生產(chǎn)經(jīng)驗上進(jìn)行了總結(jié)，對部分設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。回轉(zhuǎn)窯的規(guī)格為φ4.0 m×85 m，仍然采用先進(jìn)成熟的4級旋風(fēng)預(yù)熱器，利用回轉(zhuǎn)窯出來的大量顯熱、溫度約800 ℃窯氣對石膏生料預(yù)熱。生料經(jīng)計量后由鋼絲膠帶提升機(jī)、空氣斜槽送入2級(C2)旋風(fēng)筒氣體出口管道，生料在氣流作用下立即分散、懸浮在上升氣流中一并進(jìn)入一級(C1/C2)旋風(fēng)筒。氣、固分離且經(jīng)初步預(yù)熱后，通過自動翻板閥進(jìn)入三級(C3)旋風(fēng)筒氣體出口管道，并隨氣流進(jìn)入二級(C2)旋風(fēng)筒。這樣反復(fù)經(jīng)過3次熱交換后，生料得到充分預(yù)熱并隨氣流進(jìn)入四級旋風(fēng)筒，氣、固再次分離后進(jìn)入窯內(nèi)。正常情況下，預(yù)熱系統(tǒng)阻力降為1.2～1.5 kPa，總分離效率可達(dá)90%以上，出一級旋風(fēng)筒含塵量約為80 mg/m3，窯氣溫度為360～420 ℃，入窯生料溫度由常溫預(yù)熱到650 ℃以上。

來自生料均化庫的生料由鋼絲膠帶提升機(jī)，經(jīng)空氣斜槽一次進(jìn)入各級旋風(fēng)預(yù)熱器，將生料預(yù)熱至650 ℃由窯尾煙室進(jìn)入窯內(nèi)，在窯內(nèi)經(jīng)過預(yù)熱帶、分解帶、燒成帶和冷卻帶，硬石膏CaSO4在還原劑作用下分解成CaO和SO2氣體，CaO與生料中的Al2O3、Fe2O3和SiO2進(jìn)行反應(yīng)生成水泥膨脹劑熟料進(jìn)入篦冷機(jī)急速冷卻至150 ℃以下，然后由鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)送入熟料庫儲存?zhèn)溆?，最后進(jìn)入粉磨站配入輔料磨細(xì)合格后成為產(chǎn)品外賣。來自熟料冷卻后的熱空氣分2路：一路去煤磨給原煤加熱烘干；一路給窯頭水加熱器加熱后進(jìn)入余熱鍋爐，氣溫降至180 ℃左右經(jīng)窯頭袋式收塵器處理后經(jīng)煙囪達(dá)標(biāo)排放，塵質(zhì)量濃度低于15 mg/m3。經(jīng)分解后的氣體φ(SO2)為8%～10%，經(jīng)旋風(fēng)預(yù)熱器換熱后的SO2氣體在360 ℃時進(jìn)入窯尾余熱鍋爐，經(jīng)余熱鍋爐換熱后將蒸汽加熱到175 ℃左右的飽和蒸汽，氣溫降至200 ℃左右進(jìn)入電除塵器收集后進(jìn)入硫酸系統(tǒng)。

2.2.3 窯氣制酸

2.2.3.1 凈化工序

來自電除塵器的塵質(zhì)量濃度低于100 mg/m3，溫度低于200 ℃的窯氣進(jìn)入制酸裝置凈化工序。該工序采用適合煙氣制酸的絕熱蒸發(fā)封閉酸洗凈化工藝，主要設(shè)備配置是逆噴高效洗滌器、填料塔、2級電除霧器、稀酸板式換熱器、稀酸過濾器、脫吸塔及稀酸泵等。

流程為：電除塵器來的煙氣首先進(jìn)入逆噴洗滌器上部與從逆噴洗滌器下部噴射出的w(H2SO4)5%稀硫酸接觸，稀硫酸中的水分被絕熱蒸發(fā)，煙氣中的熱量由顯熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕?，煙氣溫度?00 ℃降低到70 ℃并除去大部分塵、三氧化硫等雜質(zhì)。經(jīng)過逆噴洗滌器的煙氣再進(jìn)入填料洗滌塔下部與填料洗滌塔上部淋降下來w(H2SO4)3%稀硫酸逆向接觸，進(jìn)一步除去煙氣中的雜質(zhì)，煙氣溫度由70 ℃降至38 ℃。煙氣中的水蒸氣被冷凝成水，煙氣中的熱量隨冷凝過程留在稀硫酸中使稀硫酸溫度升高。稀硫酸中的熱量由板式換熱器換熱經(jīng)循環(huán)水移出。出填料塔煙氣再進(jìn)入2級串聯(lián)電除霧器，除去殘余的酸霧等雜質(zhì)后再進(jìn)入干燥塔。

將逆噴洗滌器循環(huán)槽的稀硫酸經(jīng)循環(huán)泵出口送到過濾器進(jìn)行固-液分離，清液返回逆噴洗滌器循環(huán)使用。約0.5 t/h左右的稀硫酸濁液經(jīng)脫吸塔脫除溶解的SO2后，稀硫酸濁液送入污水處理站處理后達(dá)標(biāo)排放。

將填料洗滌塔底部流出的w(H2SO4)3%稀硫酸用循環(huán)泵打入板式換熱器與循環(huán)水間接冷卻后，溫度控制在36 ℃以下，進(jìn)入填料洗滌塔頂部循環(huán)洗滌降溫爐氣。

整個凈化工序的地坪沖洗水、設(shè)備沖洗水等收集后送到原污水處理站處理。因進(jìn)入逆噴洗滌器的煙氣溫度較高，配置應(yīng)急高位水槽防止逆噴器燒壞。

2.2.3.2 干吸成品工序

干吸工序采用塔—槽—泵—器—塔的流程，即3塔(干燥塔、一吸塔、二吸塔)、2槽(臥式干燥、一吸酸循環(huán)槽、臥式二吸酸循環(huán)槽)、3泵(干燥酸循環(huán)泵、一吸酸循環(huán)泵、二吸酸循環(huán)泵)、3器(干燥酸冷卻器、一吸酸冷卻器、二吸酸冷卻器)配置。

流程為：經(jīng)凈化工序電除霧器除霧后煙氣進(jìn)入干燥塔下部與塔頂噴淋的w(H2SO4)93%硫酸逆向接觸，吸收煙氣中的水分[ρ(H2O)≤0.1 g/m3]，經(jīng)塔頂金屬絲網(wǎng)除霧器除去酸霧后由二氧化硫鼓風(fēng)機(jī)加壓送入轉(zhuǎn)化工序。

一次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入一吸塔下部，與塔上部下來的酸溫約70 ℃、w(H2SO4)98%硫酸逆向接觸吸收煙氣中的SO3后，經(jīng)塔頂纖維除霧器除去酸霧，送入轉(zhuǎn)化器四段轉(zhuǎn)化后(總轉(zhuǎn)化率大于或等于99.85%)的二次轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二吸塔下部與塔上部下來的酸溫約70 ℃、w(H2SO4)98%硫酸逆向接觸吸收煙氣中的SO3，經(jīng)塔頂纖維除霧器除去酸霧送尾氣處理裝置。

干燥、吸收過后升溫的濃硫酸用酸冷卻器移去熱量。各循環(huán)槽的酸濃、液位通過串酸、加水和產(chǎn)出成品酸來維持。循環(huán)槽內(nèi)酸濃采用自動調(diào)節(jié)加水平衡酸濃。成品酸由上塔酸引出，經(jīng)成品酸冷卻器降溫后自流到成品酸地下槽，后用成品酸泵送成品酸大儲罐。酸冷卻器和上塔酸管道采用陽極保護(hù)合金管。濃硫酸循環(huán)槽之間用管道連通，減少或防止溢酸。

2.2.3.3 轉(zhuǎn)化工序

轉(zhuǎn)化工序為“3+1”ⅣⅠ-ⅢⅡ 2次轉(zhuǎn)化換熱流程。

流程為：來自SO2鼓風(fēng)機(jī)的氣體依次經(jīng)過Ⅳ換熱器及Ⅰ換熱器殼程，與轉(zhuǎn)化器四段、一段出口的高溫轉(zhuǎn)化氣換熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器一段；出一段SO3高溫?zé)煔膺M(jìn)入Ⅰ換熱器管程與Ⅳ換熱器殼程出來的SO2氣體換熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器二段；出轉(zhuǎn)化器二段SO3高溫?zé)煔膺M(jìn)入Ⅱ換熱器管程與出Ⅲ換熱器殼程SO2煙氣換熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器三段；出轉(zhuǎn)化器三段的SO3高溫?zé)煔膺M(jìn)Ⅲ換熱器管程與中間吸收塔來的SO2煙氣換熱降溫，后進(jìn)一吸塔底部。經(jīng)一吸塔吸收SO3后，SO2煙氣再經(jīng)Ⅲ、Ⅱ換熱器殼程與三段、二段出口的高溫?zé)煔鈸Q熱升溫后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器四段進(jìn)行二次轉(zhuǎn)化；出轉(zhuǎn)化器四段的SO3高溫?zé)煔膺M(jìn)入Ⅳ換熱器管程與SO2鼓風(fēng)機(jī)來的SO2煙氣換熱降溫后進(jìn)入二吸塔底部。

裝置開車時的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)需升溫，在轉(zhuǎn)化器一段和四段進(jìn)口設(shè)置電爐，直接加熱SO2煙氣進(jìn)行轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的升溫。為調(diào)節(jié)各段反應(yīng)溫度，轉(zhuǎn)化工序設(shè)置副線和閥門，轉(zhuǎn)化器一、四段進(jìn)口溫度采用自調(diào)控制。為適應(yīng)煙氣波動特點，SO2鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速增減風(fēng)量，并全部進(jìn)入DCS系統(tǒng)控制。

2.2.3.4 尾氣處理工序

尾氣處理工序采用鈉堿法2級尾氣吸收處理。來自二吸塔的φ(SO2)約0.01%和含少量酸霧的煙氣進(jìn)入一級尾氣吸收塔下部與塔上部噴淋下來的堿液逆向接觸反應(yīng)，除去煙氣中的部分SO2和酸霧后，經(jīng)塔頂進(jìn)入二級尾氣吸收塔下部；在二級尾氣吸收塔與塔上部噴淋下來的堿液逆向接觸反應(yīng)后，排放的尾氣中ρ(SO2)≤50 mg/m3，酸霧質(zhì)量濃度小于或等于30 mg/m3，低于國家環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)，再經(jīng)75 m煙囪排空。尾氣處理的母液含亞硫酸鈉，送焦亞硫酸鈉裝置使用。

3 主要設(shè)備選型

主要設(shè)備選型見表7。

表7 主要設(shè)備選型

裝置開車半年多以來，各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計要求，各工藝參數(shù)已趨于穩(wěn)定。目前硫酸產(chǎn)量基本保持在450 t/d。而且這套裝置通過調(diào)整工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)2種產(chǎn)品自由轉(zhuǎn)換。

3.1 回轉(zhuǎn)窯

二期回轉(zhuǎn)窯φ4 m，L=85 m，液壓擋輪，單邊齒輪傳動，4擋托輪，斜度3.5%，轉(zhuǎn)速為0.396～3.96 r/min。內(nèi)襯有磷酸鹽復(fù)合磚、硅鈣板和復(fù)合硅酸鋁保溫材料。這種磷酸鹽復(fù)合磚是將耐火耐磨工作層和輕質(zhì)隔熱層融為一體的新型材料，其特點是砌筑方便、抗剝落、耐侵蝕、易掛窯皮、保溫性能好，具有良好的隔熱性能，節(jié)能效果顯著。

3.2 4級懸浮預(yù)熱器

預(yù)熱器系統(tǒng)中，因各級旋風(fēng)筒按所在位置不同，其功能和作用也有所不同，它們分別采用不同的高徑比和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。一級旋風(fēng)筒采用高柱長內(nèi)筒形式可提高氣-固分離效果，減少窯氣帶走的灰量。各級旋風(fēng)筒均采用蝸殼進(jìn)口方式，減小旋風(fēng)筒直徑，使其進(jìn)入旋風(fēng)筒氣流通道逐漸變窄，有利于減少顆粒向筒壁移動的距離，這樣可將內(nèi)筒縮短并加粗，以降低阻力損失。各級旋風(fēng)筒之間連接風(fēng)管均設(shè)計為方接圓形式，以增加局部渦流，使氣-固能夠得到充分的混合和熱交換。4級懸浮預(yù)熱器內(nèi)設(shè)保溫層，從內(nèi)到外復(fù)合硅酸鋁保溫材料、硅鈣板、耐酸耐腐蝕、抗結(jié)皮保溫材料。內(nèi)筒采用高溫陶瓷掛片，該掛片具有強(qiáng)度高、高抗折、抗腐蝕、維修更換方便和密封性好等特點，使用壽命較耐熱鋼提高了2～3倍，降低了水泥生產(chǎn)成本。

3.3 余熱鍋爐

經(jīng)過4級預(yù)熱器后，窯氣溫度為360～420 ℃，利用好這部分熱量能進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。采用熱管余熱鍋爐投資小，熱效率高、更換方便，即使熱管泄漏，也不會對生產(chǎn)系統(tǒng)有任何影響。熱管是一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，通過密閉真空管殼內(nèi)工作介質(zhì)，依靠相變潛熱來傳遞熱量，其傳熱性能類似于超導(dǎo)體導(dǎo)電性能。熱管是在密閉的管內(nèi)先抽成(1～2)×10-4Pa真空，在該狀態(tài)下充入少量工質(zhì)，在熱管下端加熱，工質(zhì)吸收熱量汽化為蒸汽，在微小的壓差下，上升到熱管上端，并向外界放熱，且凝結(jié)成液體，冷凝液在重力作用下，沿?zé)峁軆?nèi)壁返回到加熱段，并再次受熱汽化，如此循環(huán)往復(fù)，連續(xù)不斷地將熱量由一端傳向另一端。由于熱管呈單向?qū)嵝?，熱量傳輸只能由工藝氣傳至水中，而不會由水、汽傳到工藝氣中，可方便地控制壁溫，有效控制露點腐蝕。

由于相變傳熱管內(nèi)熱阻極小，所以能以較小的溫差獲得較大的傳熱率，且結(jié)構(gòu)簡單，具有單向?qū)岬奶攸c，特別是熱管特有機(jī)理，使冷熱流體間的熱交換均在管外進(jìn)行，可以方便地進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。熱管加熱段采用高頻焊翅片管強(qiáng)化傳熱，使整套設(shè)備傳熱效率高，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊和工藝氣體流動阻力??；工藝氣熱量由熱管傳給水套內(nèi)的飽和水，使其汽化，所產(chǎn)蒸汽(汽、水混合物)經(jīng)蒸汽上升管達(dá)到汽包經(jīng)集中分離以后再送往用戶，套管內(nèi)的水損耗則由下降管將汽包內(nèi)的水導(dǎo)入水套進(jìn)行補(bǔ)充，汽包內(nèi)的水耗由工序的100～104 ℃脫鹽水直接供給，或由熱管省煤器預(yù)熱后的水供給。這樣由于熱管不斷將熱量輸入水套，通過外部水-汽管道的上升及下降完成基本的汽-水循環(huán)，達(dá)到熱工藝氣降溫，并轉(zhuǎn)化為蒸汽。

3.4 激波吹灰器

由于余熱鍋爐由多根熱管組成，呈三角形布置，高頻焊翅片螺旋纏繞在每根熱管上，帶有粉塵的氣體經(jīng)過時易集聚在翅片上，若不及時清理，會導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加，嚴(yán)重時需停車清理。因此，激波吹灰器的作用就非常明顯，余熱鍋爐運(yùn)行是否正常與激波吹灰器密切相關(guān)。超音速激波是一種劇烈的壓縮波，在空氣(介質(zhì))中傳播產(chǎn)生劇烈擾動。空氣在經(jīng)過激波后受到急劇壓縮，對積灰產(chǎn)生先壓后拉的作用，使積灰面上的灰垢因沖擊而破碎；導(dǎo)入積灰層的折射波會在基底與灰層零界面處反射，與入射波相互作用產(chǎn)生剪力，使積灰與基底產(chǎn)生分離，達(dá)到徹底清灰的效果。

空氣型連續(xù)干涉激波場清灰技術(shù)是根據(jù)以上原理，將壓縮空氣勢能轉(zhuǎn)化為一次高速射流，通過2次加速并瞬時同頻釋放，產(chǎn)生2道同頻、同相、同向連續(xù)壓縮波或壓縮波，采用干涉裝置產(chǎn)生強(qiáng)度倍增的干涉激波。干涉激波通過加強(qiáng)管輸送至鍋爐積灰空間內(nèi)，激波發(fā)生器1 s產(chǎn)生46道干涉激波，激波在有限空間內(nèi)折射、反射、疊加、形成模糊等效激波場。在有效激波場內(nèi)，清除灰垢不留死角死區(qū)。從目前運(yùn)行狀況來看，各換熱段阻力降都在設(shè)計范圍內(nèi)，效果非常不錯，這種激波吹灰器解決了翅片管易集灰的難題，適用于各種鍋爐、省煤器、除塵器等，自動化程度高，運(yùn)行成本低。

3.5 離心式SO2風(fēng)機(jī)

離心式SO2鼓風(fēng)機(jī)是硫酸工序的主要運(yùn)行設(shè)備，Q=1 900 m3/min、總升壓Δp=40 kPa、電機(jī)功率N=1 600 kW、變頻調(diào)節(jié)、采用雙吸雙支撐結(jié)構(gòu)。運(yùn)行半年多，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了生產(chǎn)要求，未出現(xiàn)任何設(shè)備事故。

3.6 轉(zhuǎn)化器及換熱器

轉(zhuǎn)化器采用防漏氣、防銹、防熱變的最新設(shè)計，形式為立柱式，φi7 500 mm×18 900 mm，2次轉(zhuǎn)化，“3+1”式4層催化劑。整臺設(shè)備全部采用304不銹鋼，隔板用304合金簿板制作并襯輕質(zhì)保溫磚；每層氣體進(jìn)口設(shè)合金分布板，各段氣體進(jìn)出口設(shè)置不銹鋼波紋膨脹節(jié)，使管道不與轉(zhuǎn)化器直接焊接。換熱器采用高效、低阻力的新型縮放管換熱器。

換熱管采用10#鋼管，為防止冷凝酸對換熱器腐蝕，其中Ⅲa、Ⅳa換熱管下部2 m采用316L合金鋼，氣體進(jìn)出口采取擴(kuò)大分布、加膨脹節(jié)。催化劑采用巴斯夫04-110和04-111 2種型號，總轉(zhuǎn)化率超過99.85%，滿足了設(shè)計要求。

3.7 高效逆噴洗滌器

高效逆噴洗滌器的原理是充分有效地利用氣相能量，利用液相能量形成泡沫接觸界面。在達(dá)到高效捕集細(xì)粒效果的同時，也達(dá)到傳熱傳質(zhì)的目的。

由于洗滌液噴嘴的孔徑較大，循環(huán)液可在較高含固量下運(yùn)行而噴嘴不會被堵塞，因而稀硫酸排放量相應(yīng)減少，減輕了廢酸處理負(fù)荷，降低投資，同時降低水耗和生產(chǎn)成本。噴嘴孔徑大的另一大優(yōu)點是噴出的液體不霧化，因此氣體中含有較少使氣液難以分離的細(xì)小液滴，減小了電除霧器負(fù)荷。

高效逆噴洗滌器對煙氣波動適應(yīng)性較強(qiáng)，氣量變化范圍在50%～110%時，煙氣均保持較高的凈化率。且該設(shè)備外形小巧、制作簡單、配置靈活，同時由于采用落地式塔槽一體結(jié)構(gòu)，減少了凈化土建占地和投資，并降低了稀酸循環(huán)系統(tǒng)的動力消耗。

由于高效逆噴洗滌器設(shè)備內(nèi)部沒有任何活動部件，煙氣暢通無阻，操作維護(hù)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長。凈化效率高，尤其對脫除亞微粒子更為有效。

3.8 冷卻塔

冷卻塔容量為2×1 500 m3/h，配置3臺流量為1 250 m3/h、揚(yáng)程為32 m循環(huán)水泵。為節(jié)約能耗，冷卻塔利用循環(huán)水回水壓力(p≥0.05 MPa)來驅(qū)動水輪機(jī)葉片，帶動風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到降溫的目的。從運(yùn)行效果來看，節(jié)能效果顯著。

4 硫酸系統(tǒng)操作控制指標(biāo)

裝置開車半年多以來，各項經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計要求，目前各項工藝參數(shù)趨于穩(wěn)定。目前硫酸產(chǎn)量保持在450 t/d。而且這套裝置通過調(diào)整工藝參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)2種產(chǎn)品自動轉(zhuǎn)換。

硫酸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化率大于或等于99.85%，吸收率大于或等于99.99%，ρ(H2O)≤0.1 g/m3，排放尾氣酸霧質(zhì)量濃度小于或等于30 mg/m3，ρ(SO2)≤100 mg/m3。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

二期項目中普通(水泥)生料成本構(gòu)成見表8，普通(水泥)燒成成本構(gòu)成見表9，硫酸生產(chǎn)成本構(gòu)成見表10。

表8 普通(水泥)生料成本構(gòu)成

表9 普通(水泥)燒成成本構(gòu)成

表10 硫酸生產(chǎn)成本構(gòu)成

由表8～10可見：生產(chǎn)1 t熟料的成本為267.48元，再配成水泥需加上25%左右的摻和材，價格約在250元/m3左右，利潤約50元/m3左右。硫酸生產(chǎn)成本為248.35元/t，目前硫酸市場價格約為350元/t，利潤約為100元/t。經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。雖然石膏制酸經(jīng)濟(jì)效益不如其他行業(yè)，但作為一個資源綜合利用和環(huán)境治理的循環(huán)經(jīng)濟(jì)項目，社會效益不可低估。不管是磷石膏、鈦石膏、氟石膏和脫硫石膏等含硫石膏，石膏制酸聯(lián)產(chǎn)水泥熟料或膨脹劑仍是解決這一堆放帶來的環(huán)境污染、占用土地資源的最好辦法。

6 結(jié)語

生產(chǎn)實踐證明：這套150 kt/a硬石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)150 kt/a混凝土膨脹劑裝置從設(shè)計到運(yùn)行都較為成功，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，而且該套裝置技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。

[1] 寧愛民，劉珍如. 用硬石膏生產(chǎn)硫酸和高貝利特水泥工藝探析[J].硫磷設(shè)計與粉體工程，2013(6)：1-4.

[2] 丁竑廣，丁汝斌，楊興志.重慶三圣石膏制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥裝置的設(shè)計與生產(chǎn)實踐[J].硫酸工業(yè)，2011(3):7-12.

Designandproductionpracticeofco-productionofsulphricacidandconcreteswellingagentbyanhydrite

HANJiming1，YUANNingwei2，LONGMingqiang1，PUZhihua1

(1. Chongqing Sansheng Industrial Co., Ltd., Chongqing， 400718, China； 2. Jiangsu Qingfeng International Environmental Protection Engineering Co., Ltd., Yangzhou, Jiangsu, 225115, China)

Design scale, technology principal, production flow and operational aspect of co-production of 150 kt/a sulphric acid and 150 kt/a concrete swelling agent by gypsum are introduced. Sulphur dioxide decomposed in rotary kiln with anhydrite were utilized to co-produce sulphric acid and cement clinker or swelling agent. Firing process adopted matured technology rotary kiln decomposition plus four-grade suspension preheater, and sulphuric acid production process adopted “3+1”、ⅣⅠ-ⅢⅡ double absorption process plus two-grade tail gas absorption. Main equipment selection and economic and technical operation indicators are described in detail, and economic benefit are analyzed. The plant has run for more than half a year, each operation index reached design value.

anhydrite； rotary kiln； swelling agent； process flow； design； production practice

2017-08-21。

韓繼明，男，重慶三圣實業(yè)股份有限公司工程師，主要從事磷銨、硫鐵礦制酸、硫磺制酸、硬石膏制酸、液體二氧化硫、焦亞硫酸鈉及硫系列延伸產(chǎn)品的生產(chǎn)、研發(fā)和技改工作。電話：18725702688；E-mail：527803858@qq.com 。

TQ111.16; TQ111.3

B

1002-1507(2017)10-0041-08