脫硫石膏煅燒工藝及煅燒設(shè)備淺析

閆友靜，張賀，于世峰

（北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 100048）

0 前言

脫硫石膏煅燒后的產(chǎn)物具有水化活性，遇水后又凝結(jié)硬化成二水石膏，石膏工業(yè)生產(chǎn)正是應(yīng)用這種特性來(lái)制備各種石膏制品。在脫硫石膏的應(yīng)用中，煅燒是必不可少的一個(gè)過(guò)程。石膏煅燒是指通過(guò)加熱，使二水硫酸鈣脫去結(jié)晶水生成半水硫酸鈣或無(wú)水硫酸鈣的過(guò)程。由于脫硫石膏一般呈濕粉狀，主要成分為二水硫酸鈣，且含有一定量的游離水。廣義來(lái)講，脫硫石膏煅燒包含去除游離水的預(yù)烘干過(guò)程和脫去部分結(jié)晶水的煅燒過(guò)程。

脫硫石膏煅燒工藝按石膏加熱方式，可分為間接式煅燒和直熱式煅燒；按石膏脫水速度，可分為慢速煅燒和快速煅燒。近年來(lái)，隨著脫硫石膏資源綜合利用的發(fā)展，各種煅燒工藝呈現(xiàn)同時(shí)發(fā)展的趨勢(shì)。目前主要有直接加熱式回轉(zhuǎn)窯、間接加熱式回轉(zhuǎn)窯、氣流式快速煅燒、沸騰爐煅燒、炒鍋煅燒等工藝模式。從國(guó)內(nèi)總體水平來(lái)看，脫硫石膏煅燒設(shè)備的發(fā)展勢(shì)頭迅猛，裝置逐步大型化、自動(dòng)化，單位能耗越來(lái)越低，產(chǎn)品質(zhì)量也越來(lái)越穩(wěn)定。

1 脫硫石膏的性能

脫硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O，雜質(zhì)成分包括SiO2、A12O3、Fe2O3、MgO、CaO 等，其中 CaSO4·2H2O 含量一般達(dá)到85%以上，游離水含量10%～15%。脫硫石膏一般呈中性，是一種粉狀材料，濕粉狀脫硫石膏的密度為1.06～1.20 g/cm3，其顆粒直徑集中在30～60 μm，其品質(zhì)取決于石灰石的來(lái)源和煙氣脫硫過(guò)程的生產(chǎn)控制。

由于脫硫石膏呈濕粉狀，易結(jié)團(tuán)，因此在煅燒前不需要像天然石膏一樣進(jìn)行破碎，但需要對(duì)成團(tuán)的石膏粉進(jìn)行打散、分散，從而使石膏顆粒充分與加熱介質(zhì)均勻接觸，保證傳熱過(guò)程均衡連續(xù)；其次，脫硫石膏的顆粒粒度分布窄，在煅燒后需要增加粉磨措施，以保證顆粒級(jí)配；再次，脫硫石膏中含有少量的SiO2等高硬度雜質(zhì)對(duì)煅燒設(shè)備具有較強(qiáng)的磨損性，需對(duì)直接接觸及運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行耐磨處理。

2 脫硫石膏煅燒工藝

2.1 低溫慢速煅燒

低溫慢速煅燒指物料在煅燒設(shè)備中停留時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)出料時(shí)間至少為幾十分鐘，石膏顆粒的表面溫度均處于較低狀態(tài)，顆料內(nèi)外溫度較為接近，如炒鍋、間接式回轉(zhuǎn)窯、間接式沸騰爐均為低溫慢速煅燒設(shè)備。這些煅燒方式（設(shè)備）是通過(guò)內(nèi)置加熱管使脫硫石膏間接受熱，熱源一般采用蒸汽、導(dǎo)熱油或熱煙氣。因其是間接加熱，物料與熱源間的傳熱速度較慢，石膏慢慢加熱升溫后，緩慢脫水而成半水石膏。低溫慢速煅燒最突出的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定，由于低溫煅燒，其煅燒產(chǎn)品中絕大部分為半水石膏HH（約88%），極少量的無(wú)水石膏AⅢ（約2%）和二水石膏DH（小于1%），結(jié)晶水含量為5.5%～6.0%，所以低溫慢速煅燒生成的建筑石膏粉質(zhì)量穩(wěn)定，相組成穩(wěn)定，凝結(jié)速度慢，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量小。

2.2 高溫快速煅燒

高溫快速煅燒時(shí)熱源溫度多大于600℃，物料在煅燒裝置內(nèi)停留僅幾秒鐘，石膏顆粒的表面溫度較高，顆料內(nèi)部溫度根據(jù)成團(tuán)顆料大小的不同而不同，如氣流煅燒、直接式回轉(zhuǎn)窯煅燒等均采用高溫快速煅燒工藝。高溫快速煅燒方式（設(shè)備）是脫硫石膏與高溫?zé)煔庵苯咏佑|進(jìn)行換熱，快速脫水煅燒。由于細(xì)石膏粉升溫較快，極易生成無(wú)水石膏AⅢ和無(wú)水石膏AⅡ；中等細(xì)度的石膏粉主要生成半水石膏HH；而成團(tuán)的粗石膏粉則出現(xiàn)表面煅燒完成，內(nèi)部未達(dá)到煅燒溫度仍保持二水相。其相組分一般為半水石膏HH約70%、無(wú)水石膏AⅢ約10%，二水石膏約3%，表現(xiàn)出無(wú)水石膏AⅢ的比例較大，甚至?xí)a(chǎn)生一定量的無(wú)水石膏AⅡ，降低了石膏的活性成份。所以快速煅燒工藝控制難度較大，建筑石膏質(zhì)量波動(dòng)較大，產(chǎn)品相組成不穩(wěn)定，凝結(jié)速度過(guò)快，標(biāo)稠所需水量偏高，但生產(chǎn)效率較高。由于無(wú)水石膏AⅢ是不穩(wěn)定相，在空氣中很容易吸潮而成半水相，因此系統(tǒng)中需設(shè)陳化冷卻裝置。高溫快速煅燒最突出的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資低、生產(chǎn)效率高。

2.3 復(fù)合煅燒

復(fù)合煅燒是近年來(lái)脫硫石膏煅燒工藝發(fā)展的一種新工藝，特別是在紙面石膏板行業(yè)中應(yīng)用較多。復(fù)合煅燒主要是模擬慢速煅燒，將石膏煅燒的流程和時(shí)間適當(dāng)加長(zhǎng)，避免集中受熱，即將“一步煅燒”的方式改為“兩步煅燒”的方式。脫硫石膏在2個(gè)不同的煅燒設(shè)備中依次加熱，先脫去全部游離水和部分結(jié)晶水，再脫去剩余部分結(jié)晶水以生成合格的建筑石膏，這樣可以降低物料溫度和實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，以達(dá)到和低溫煅燒一樣的效果。目前通常的做法是氣流快速烘干煅燒與間接加熱式沸騰爐復(fù)合或氣流快速烘干與炒鍋煅燒復(fù)合等。

3 脫硫石膏煅燒設(shè)備

3.1 直接加熱設(shè)備

3.1.1 氣流煅燒設(shè)備

氣流煅燒設(shè)備是讓熱氣流與石膏粉料在風(fēng)管內(nèi)直接接觸，二水石膏迅速脫水而制成半水石膏，熱氣流可以采用燃煤或天然氣燃燒后生成的熱煙氣。這種設(shè)備一般在脫硫石膏進(jìn)料端布置打散裝置，一方面采用高速旋轉(zhuǎn)錘頭將物料擊碎并拋起，實(shí)現(xiàn)顆粒分散，另一方面利用轉(zhuǎn)子間的狹長(zhǎng)間隙均布熱氣流，保證石膏顆粒與熱氣流均勻接觸以完成換熱。氣流煅燒過(guò)程中石膏顆粒是懸浮態(tài)受熱，氣固兩相換熱面積大，物料與熱煙氣同向運(yùn)動(dòng)，初始溫差大，換熱效率高，同時(shí)也可以由直管氣流變?yōu)槊}沖氣流或者布置旋流器等方式，用于擾動(dòng)氣固兩相流動(dòng)，使顆粒與氣流產(chǎn)生相對(duì)速度差，強(qiáng)化傳熱效率。在氣流旋流段或擴(kuò)散段，氣流速度下降，相當(dāng)于增加了大顆料石膏與熱煙氣的換熱干燥時(shí)間，有利于煅燒過(guò)程。氣流煅燒設(shè)備主要特點(diǎn)是設(shè)備緊湊簡(jiǎn)約，設(shè)備造價(jià)低，換熱效率高。

3.1.2 直熱式回轉(zhuǎn)窯

直熱式回轉(zhuǎn)窯是熱氣流與生石膏粉在回轉(zhuǎn)窯筒體中直接接觸，二水石膏脫水成半水石膏。石膏粉料在傾斜回轉(zhuǎn)窯筒體緩慢旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，熱介質(zhì)一般與石膏粉料同向運(yùn)動(dòng)，由于石膏粉在回轉(zhuǎn)窯中部分處于堆積態(tài)，換熱效率相對(duì)較低，熱氣流可以采用燃煤、天然氣、重油燃燒后生成的熱煙氣。直熱式回轉(zhuǎn)窯中一般布置有揚(yáng)料板或者擋料板，保證石膏在筒體截面內(nèi)均勻分散后與熱氣流接觸，減少風(fēng)洞的產(chǎn)生，提高換熱效率。同時(shí)，由于進(jìn)口端物料蒸發(fā)強(qiáng)度高，濕度大，為了減少濕物料黏附在筒壁上，進(jìn)口熱氣流的溫度控制較高。整個(gè)窯體設(shè)備較長(zhǎng)，且是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體，系統(tǒng)排濕和收塵是控制難點(diǎn)。直熱式回轉(zhuǎn)窯其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

氣流煅燒設(shè)備和直熱式回轉(zhuǎn)窯作為直接換熱方式，煅燒過(guò)程主要是物料與熱氣流進(jìn)行對(duì)流換熱，使含濕脫硫石膏中的游離水和部分結(jié)晶水汽化吸熱，氣流自身溫度下降放熱并帶走水汽，傳質(zhì)與傳熱過(guò)程都在同一氣流中完成，所以氣流必須具備一定的風(fēng)量，且尾氣溫度必然高于煅燒溫度，這樣就導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)能耗的增加。

3.2 間接加熱設(shè)備

3.2.1 連續(xù)炒鍋

連續(xù)炒鍋是帶有橫穿內(nèi)換熱管的圓形鍋體，由鍋筒、鍋底及換熱管將熱能間接傳遞給鍋內(nèi)的二水石膏，由機(jī)械攪拌和石膏脫水所產(chǎn)生的水蒸汽擾動(dòng)，使石膏顆粒呈現(xiàn)流態(tài)化狀態(tài)，石膏顆粒與換熱管均勻接觸換熱，升溫脫水而成半水石膏，并通過(guò)溢流口排出鍋體。熱能可以由燃煤、天然氣、重油燃燒后生成的熱煙氣提供，鍋內(nèi)物料溫度較低，物料煅燒時(shí)間大多在1 h左右，屬于低溫慢速煅燒方式。連續(xù)炒鍋一般需要配套氣流干燥設(shè)備才能應(yīng)用于脫硫石膏的煅燒，并且需避免炒鍋設(shè)備的超大型化，選型時(shí)需考慮換熱管和攪拌裝置布置的影響。其總體造價(jià)高，但煅燒質(zhì)量穩(wěn)定[1]。

3.2.2 內(nèi)加熱管式蒸汽回轉(zhuǎn)窯

內(nèi)加熱管式蒸汽回轉(zhuǎn)窯適用于有蒸汽的地方，與直熱式回轉(zhuǎn)窯相比，內(nèi)部設(shè)有許多換熱管，管內(nèi)通蒸汽，石膏在筒體與換熱管接觸間接受熱，蒸汽在管內(nèi)放熱后凝結(jié)成水。內(nèi)加熱管式蒸汽回轉(zhuǎn)窯采用槳葉式輸送機(jī)進(jìn)料，隨回轉(zhuǎn)窯慢速（1～5 r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)而前行，石膏分布在筒體下截面，呈堆積態(tài)，不能與所有換熱管同時(shí)接觸，換熱效率較低，設(shè)計(jì)揚(yáng)料板或擋料板，可保證石膏在筒體截面內(nèi)均勻分散，提高與換熱管熱交換效率。整個(gè)窯體設(shè)備較長(zhǎng)，蒸汽系統(tǒng)較為復(fù)雜，造價(jià)較高[1]。

3.2.3 內(nèi)加熱管式（導(dǎo)熱油、蒸汽、煙氣）沸騰煅燒爐

內(nèi)加熱管式（導(dǎo)熱油、蒸汽、煙氣）沸騰煅燒爐是立式直筒狀容器，采用流態(tài)化干燥的原理，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：一是容器底部裝有多孔氣體分布板或者配置風(fēng)帽，目的在于支撐固體物料，同時(shí)羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)生鼓風(fēng)氣流從分布板均勻進(jìn)入床層，布風(fēng)板可以單塊或者多塊單元組合；二是容器內(nèi)布置有隔板，物料可以在內(nèi)部長(zhǎng)行程受熱；三是容器內(nèi)裝有大量的加熱管，管內(nèi)熱介質(zhì)為飽和蒸汽、導(dǎo)熱油或熱煙氣；四是容器床層的上界面布置進(jìn)料口和溢流口，石膏從進(jìn)料口進(jìn)入，脫水后進(jìn)入隔板的另一個(gè)區(qū)域到溢流口出料。整個(gè)沸騰煅燒爐內(nèi)石膏的流態(tài)化主要是依靠石膏脫水產(chǎn)生的蒸汽來(lái)實(shí)現(xiàn)，此設(shè)備可以采用低溫或高溫?zé)嵩?，石膏進(jìn)料的均衡及分散、換熱管設(shè)計(jì)、鼓風(fēng)預(yù)熱及氣流分布、內(nèi)部隔板位置及高度、熱介質(zhì)的水平或垂直的流向布置等是內(nèi)加熱管式沸騰煅燒爐設(shè)計(jì)與應(yīng)用時(shí)需要考慮的重點(diǎn)。其中采用煙氣為熱介質(zhì)的沸騰爐配套氣流烘干裝置，設(shè)備造價(jià)低，煅燒質(zhì)量穩(wěn)定，運(yùn)用較廣[2]。

3.2.4 間接加熱設(shè)備主要特點(diǎn)

間接加熱設(shè)備的熱量都是通過(guò)物料與加熱管直接傳遞，物料對(duì)加熱管的沖刷，使加熱管表面的邊界層大部分消除，減少了傳熱熱阻，增強(qiáng)了換熱效率。

煅燒過(guò)程不需要大氣流和物料接觸換熱，外排的濕熱空氣量少，外排的濕熱空氣溫度低，所以整個(gè)系統(tǒng)熱能可實(shí)現(xiàn)梯級(jí)利用，大大降低生產(chǎn)的綜合能耗。

4 脫硫石膏煅燒工藝和設(shè)備選擇的原則

（1）應(yīng)根據(jù)建筑石膏終端用品的種類來(lái)確定合適的煅燒工藝和煅燒設(shè)備，若用于生產(chǎn)紙面石膏板、石膏砌塊等石膏建材制品，可選用快速或復(fù)合煅燒設(shè)備?？焖俜ㄉa(chǎn)的建筑石膏凝結(jié)硬化快，可提高生產(chǎn)效率，適合于流水線生產(chǎn)；若用于生產(chǎn)粉刷石膏、粘結(jié)石膏等石膏膠凝材料，宜選用慢速或復(fù)合煅燒設(shè)備，慢速法的建筑石膏凝結(jié)硬化較慢，性能穩(wěn)定[3]。

（2）應(yīng)根據(jù)熱源來(lái)確定合適的煅燒工藝和煅燒設(shè)備，不同設(shè)備對(duì)熱源有不同要求。由于在高溫狀態(tài)下快速煅燒，建筑石膏產(chǎn)品中不可避免的會(huì)產(chǎn)生無(wú)水石膏AⅢ和AⅡ，導(dǎo)致建筑石膏制品性能的不穩(wěn)定，因此有蒸汽或?qū)嵊偷鹊蜏責(zé)嵩创嬖诘臈l件下，可優(yōu)先考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

石膏煅燒方式和煅燒設(shè)備的選擇決定了建筑石膏的品質(zhì)。應(yīng)結(jié)合各種煅燒工藝和設(shè)備的特點(diǎn)，根據(jù)建筑石膏終端用品需求和既定熱源的條件，選用不同煅燒工藝和煅燒設(shè)備，以滿足不同要求的建筑石膏生產(chǎn)需求。

[1] 陳燕，岳文海，董若蘭，等.石膏建筑材料[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2003.

[2] 郭泰民.工業(yè)副產(chǎn)石膏應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2010.

[3] 肖潔.脫硫石膏干燥煅燒工藝及設(shè)備的選擇[J].新型建筑材料，2007，34（10）：32-33.