磷石膏生產(chǎn)建筑石膏粉的雙溫聯(lián)控煅燒工藝與應(yīng)用

王俊杰，方炎章

1 引言

工業(yè)副產(chǎn)石膏的種類繁多，其中磷石膏、脫硫石膏占總量的90%。目前磷石膏堆存量已超過3億噸，而且每年以8 000萬噸的排放速度增加，其中90%以上集中在云南、貴州、四川和湖北四省，其廢渣綜合利用率不到20%。目前磷石膏均以堆存方式排放，不僅占用大量土地，而且磷石膏中的可溶磷滲入水體后，導(dǎo)致水體出現(xiàn)嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題，嚴(yán)重污染了環(huán)境。

磷石膏是磷肥廠生產(chǎn)磷肥時(shí)伴生的工業(yè)廢渣，主要成分為CaSO4·2H2O，含量在70%～80%，pH值為1.5～4.5，主要雜質(zhì)一般為可溶磷、共晶磷、可溶氟、難溶氟、有機(jī)化合物和各種無機(jī)鹽等，并有以下特點(diǎn)：含有一定比例的物理附著水分，含濕率一般在8%～25%；含游離磷酸、無機(jī)氟化物、磷酸一鈣、有機(jī)物等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)嚴(yán)重影響建筑石膏產(chǎn)品質(zhì)量和性能，且難以用經(jīng)濟(jì)手段去除；具有低溫脫水特性，高溫段脫水和沸騰能力減弱，成品品質(zhì)降低。與天然石膏粉相比，磷石膏顆粒級(jí)配不合理，顆粒大小和物理外觀形狀差異較大；磷石膏原料生產(chǎn)的建筑石膏粉標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量偏高；與天然石膏粉相比，磷石膏干濕強(qiáng)度的比值低20%左右。每年排放和歷年堆積的大量磷石膏所造成的環(huán)保問題已成為制約磷化工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，綜合利用磷石膏，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是磷肥行業(yè)當(dāng)前面臨的重要任務(wù)。

2 磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝

2.1 磷石膏煅燒工藝現(xiàn)狀及存在問題

工業(yè)副產(chǎn)磷石膏經(jīng)烘干、煅燒改性處理后生成的石膏粉和石膏制品在水化動(dòng)力、凝結(jié)特性、物理性能上與天然石膏基本一致，但因各種雜質(zhì)的存在和原始狀態(tài)不同以及具有再生石膏的部分特征，磷石膏又有別于天然石膏。目前國內(nèi)磷石膏的處理一般先采用水洗或石灰中和反應(yīng)的方式去除部分雜質(zhì)，再采用“一步法”或“二步法”的煅燒工藝生產(chǎn)建筑石膏粉。

采用工業(yè)副產(chǎn)磷石膏生產(chǎn)建筑石膏粉，按生產(chǎn)方式主要?jiǎng)澐譃閮纱蠊に囶愋停阂活悶椤耙徊椒ā惫に?，采用高溫?zé)釤熂訜岬腻N式快速粉碎烘干機(jī)，同時(shí)完成烘干和脫水（有的稱為“閃燒法”）；另一類為“二步法”工藝，先烘干物理水，再炒制脫去結(jié)晶水。除了這兩大主要工藝類型外，還有一種介于兩者之間的工藝，如采用高溫?zé)釤熂訜岬幕剞D(zhuǎn)式烘干機(jī)，同時(shí)完成烘干和脫水（也可以稱為“一步法”）。僅從工藝設(shè)備看，采用回轉(zhuǎn)烘干機(jī)“一步法”工藝最簡(jiǎn)單，“閃燒法”工藝次之，“二步法”工藝最復(fù)雜。但從產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（如強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量）和使用性能指標(biāo)（如初終凝時(shí)間和變化范圍）角度看，采用“閃燒法”工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，初終凝時(shí)間較短且容易隨存放時(shí)間長(zhǎng)短而變化，采用“二步法”工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，初終凝時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)且比較穩(wěn)定?！伴W燒法”工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品一般標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量偏大，“二步法”工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品一般標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量偏小。“二步法”工藝最優(yōu)，“閃燒法”工藝次之，回轉(zhuǎn)烘干機(jī)“一步法”工藝排第三位。

“一步法”工藝使用高溫?zé)釤熤苯蛹訜嵘a(chǎn)建筑石膏粉，如采用高溫?zé)釤熂訜岬腻N式快速粉碎烘干機(jī)或回轉(zhuǎn)烘干機(jī)直接生產(chǎn)。一步法直熱回轉(zhuǎn)窯與一步法閃燒回轉(zhuǎn)窯是類似的煅燒技術(shù)，流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，容易操作。但對(duì)于煅燒游離水含量大的磷石膏原料，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，煅燒排放尾氣溫度高（能耗高），實(shí)現(xiàn)自控生產(chǎn)較難。

“二步法”工藝使用一套或兩套高溫?zé)釤煱l(fā)生裝置為烘干裝置，和炒粉裝置同時(shí)或分別供熱生產(chǎn)建筑石膏粉，如二步法分室流化床與二步法沸騰爐均屬流態(tài)化慢速煅燒技術(shù)。二步法慢速煅燒先將原料大部分游離水烘干脫去，再進(jìn)行石膏粉煅燒，有利于生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定，有利于燒出高品質(zhì)的石膏粉，尤其適應(yīng)于附著水含量較高的磷石膏原料。流態(tài)化煅燒，床層溫度均勻，易調(diào)節(jié)，能保證產(chǎn)品的低溫煅燒；石膏脫出的水分與物料層快速分離，煅燒效率高；煅燒排放尾氣不與物料摻混，溫度低（能耗低），除塵負(fù)荷小。由于分室流化床與沸騰爐采用的煅燒載熱體不同，在煅燒設(shè)備的生產(chǎn)效率和投資上也有所不同。分室流化床采用熱風(fēng)做煅燒載熱體，熱風(fēng)熱容和傳熱系數(shù)小，熱風(fēng)需要量大（煅燒熱管體積大），造成分室流化床體積較大，占地面積大；沸騰爐采用導(dǎo)熱油或蒸氣做載熱體，載熱體的熱容和傳熱系數(shù)大（煅燒熱管體積可較?。?，同等煅燒負(fù)荷的沸騰爐體積可比分室流化床小很多，占地少。

無論是“一步法”還是“二步法”，均存在因燃燒所需風(fēng)量過量導(dǎo)致煙氣排放量大和能耗高的問題。高溫?zé)釤熤苯蛹訜嵘a(chǎn)建筑石膏粉，一般采用高溫沸騰爐提供高溫?zé)釤煔?。燃煤沸騰爐燃燒溫度通?！?50℃，受限于生產(chǎn)設(shè)備（無論是錘式快速粉碎烘干機(jī)還是回轉(zhuǎn)烘干機(jī)）的安全使用溫度（通常為700℃左右），燃燒所需過量風(fēng)系數(shù)應(yīng)＞4，實(shí)際尾煙氣排放量是理論燃燒煙氣排放量的2.5～3.5倍。綜合考慮干燥脫水設(shè)備效率和低溫腐蝕問題，一般尾煙排放溫度≮120℃，多余排放的1.5～2.5倍尾煙氣，排放熱損失高達(dá)20%～25%。過量的煙氣不僅使生產(chǎn)系統(tǒng)電耗增加20%以上，還使除塵環(huán)保設(shè)備投入增加30%以上。

2.2 磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝

針對(duì)目前磷石膏生產(chǎn)石膏粉煅燒工藝存在的問題，經(jīng)公司多年研究，開發(fā)了以高效快速干燥機(jī)、熱能中心、雙溫聯(lián)控脫水機(jī)和改性磨機(jī)組成的磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝技術(shù)，即將含濕化學(xué)磷石膏干燥后炒制成建筑石膏粉的一體化雙溫聯(lián)控煅燒工藝。

（1）通過式含濕原料鎖風(fēng)給料設(shè)備

磷石膏生產(chǎn)建筑石膏粉，需要烘干部分物理附著水，出于安全和節(jié)能環(huán)保考慮，一般需要在負(fù)壓狀態(tài)下工作。沒有鎖風(fēng)裝備的生產(chǎn)系統(tǒng)，正常負(fù)壓工作狀態(tài)下的熱損失很大，一般會(huì)達(dá)到10%～30%左右。為了降低熱損失和避免燒損生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)給料系統(tǒng)有鎖風(fēng)給料的要求，以阻止降低熱效率的冷空氣進(jìn)入，使系統(tǒng)處于微正壓和微負(fù)壓之間的狀態(tài)下工作。公司的高效快速干燥機(jī)能有效消除粘接影響，具有自鎖風(fēng)、經(jīng)濟(jì)可靠、產(chǎn)量大、生產(chǎn)穩(wěn)定、高效節(jié)能和消除漏冷風(fēng)帶來的熱效率損失等特點(diǎn)。

（2）熱能中心

磷石膏的部分物理附著水或結(jié)晶水脫水采用燃煤供熱烘干方式，通常采用熱煙沸騰爐和鍋爐（目前一般使用導(dǎo)熱油鍋爐）兩類供熱設(shè)備?？焖倜撍に囍恍枋褂梅序v爐供熱設(shè)備，慢速脫水工藝一般同時(shí)采用沸騰爐和鍋爐兩種供熱設(shè)備。慢速脫水工藝設(shè)置有兩種供熱設(shè)備，再加上烘干和脫水分離的中間緩沖儲(chǔ)存調(diào)節(jié)系統(tǒng)，生產(chǎn)線生產(chǎn)和控制相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備投資大，單條生產(chǎn)線規(guī)模受限（一般年產(chǎn)能力≯20萬噸）。目前大型生產(chǎn)線采用的快速脫水工藝存在能耗（主要是熱能）高、產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)達(dá)不到要求的問題。

根據(jù)研究和實(shí)踐，公司的熱能中心采用烘干裝置和炒粉裝置同時(shí)供熱的方式，并由改進(jìn)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱油鍋爐同時(shí)提供生產(chǎn)系統(tǒng)所需的熱煙和熱油介質(zhì)，不僅取消了中間緩沖儲(chǔ)存調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程，還消除了導(dǎo)熱油鍋爐固有的排煙溫度高和熱損失相對(duì)較大的缺點(diǎn)，供熱（通過蒸汽或有機(jī)導(dǎo)熱油傳熱介質(zhì)）燃燒所需的過量風(fēng)系數(shù)通常只取1.5。

（3）雙溫聯(lián)控石膏脫水機(jī)

針對(duì)磷石膏的低溫脫水特性，雙溫炒制技術(shù)可以大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低磷石膏低溫脫水特性影響。

熱能中心提供給雙溫聯(lián)控石膏脫水機(jī)的熱源溫度≯250℃，干燥后的磷石膏進(jìn)入雙溫聯(lián)控石膏脫水機(jī)的溫度為100℃左右，雙溫聯(lián)控石膏脫水機(jī)返回?zé)崮苤行牡臏囟葹?60℃左右。

雙溫聯(lián)控石膏脫水機(jī)與高溫袋除塵器結(jié)為一體，能有效克服熱濕氣體的結(jié)露，凈化炒粉設(shè)備和熱煙尾氣，大大簡(jiǎn)化了建筑石膏粉生產(chǎn)工藝，提高了生產(chǎn)線運(yùn)行的可靠性。

由于炒粉設(shè)備具有熱工內(nèi)平衡調(diào)節(jié)功能，熱能中心、化學(xué)石膏干燥脫水機(jī)和快速烘干機(jī)作為一體化設(shè)備系統(tǒng)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)穩(wěn)定，不再需要中間緩沖系統(tǒng)。由于熱工內(nèi)平衡調(diào)節(jié)功能，原料干燥已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的單純干燥，可以是部分干燥和部分過干燥，和炒粉設(shè)備共同自平衡調(diào)節(jié)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大產(chǎn)品性能指標(biāo)調(diào)節(jié)范圍。

（4）改性粉磨與成品冷卻

目前利用工業(yè)副產(chǎn)磷石膏生產(chǎn)建筑石膏粉采用的是改性粉磨設(shè)備。改性粉磨的主要目的是改變磷石膏中不合理的顆粒物理外表結(jié)構(gòu)和顆粒級(jí)配，使其使用性能和物理性能更接近天然石膏粉。

通常改性粉磨設(shè)備使用的是建材行業(yè)通用的球磨機(jī)，由于通用球磨機(jī)不是為改性粉磨工藝專門設(shè)計(jì)的，實(shí)際使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)為滿足進(jìn)出料要求，選型過大造成電耗過大，甚至產(chǎn)生過粉磨影響產(chǎn)品性能指標(biāo)（如初終凝間隔時(shí)間過短等）的問題。如選用標(biāo)準(zhǔn)通用球磨機(jī)，年產(chǎn)20萬噸規(guī)模需要配置動(dòng)力300kW左右的球磨機(jī)。根據(jù)公司多年實(shí)踐和理論計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用改性粉磨機(jī)，動(dòng)力只需100kW左右，可降低約2倍的電耗。

炒粉成品溫度一般＞150℃，但＞80℃的成品粉直接入倉會(huì)使建筑石膏粉的質(zhì)量和性能指標(biāo)發(fā)生較大的不可控變化，也容易結(jié)倉。而經(jīng)流化冷卻和負(fù)壓輸送入倉，改性后的石膏粉入倉溫度＜60℃，產(chǎn)品性能指標(biāo)不發(fā)生變化，并省略了陳化處理工藝，使工藝流程更加簡(jiǎn)單。生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

3 磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝在生產(chǎn)線中的應(yīng)用

圖1 生產(chǎn)工藝流程

2012年公司與四川鎣峰實(shí)業(yè)有限公司成立四川云河新型建材有限公司，投資5 000余萬元建設(shè)了一條年產(chǎn)20萬噸建筑石膏粉的生產(chǎn)線（設(shè)計(jì)年消耗26萬噸磷石膏）和一條年產(chǎn)100萬平方米石膏砌塊的生產(chǎn)線，于2013年5月一次性投料試產(chǎn)成功并運(yùn)行至今。該生產(chǎn)線具有以下特點(diǎn)：

（1）整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)采用負(fù)壓生產(chǎn)，專門研發(fā)了含濕原料鎖風(fēng)給料機(jī)，防止了進(jìn)料過程中漏冷風(fēng)帶來的熱損失，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保效果。

（2）采用一個(gè)加熱設(shè)備提供干燥所需的熱煙氣和炒粉所需的導(dǎo)熱油，僅通入＜2過剩空氣通風(fēng)量，減少熱煙尾氣排放量1～2倍，同時(shí)降低排放溫度，熱利用率提高15%以上，系統(tǒng)電耗降低20%～30%。

（3）加熱設(shè)備、雙溫聯(lián)控自除塵石膏脫水機(jī)（炒鍋）和快速粉碎干燥機(jī)形成一體化設(shè)備系統(tǒng)，取消了中間緩沖系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，擴(kuò)大了產(chǎn)品性能指標(biāo)調(diào)節(jié)范圍。

（4）設(shè)計(jì)了專用改性粉磨機(jī)，在降低電耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到甚至超過天然石膏炒制的建筑石膏粉。

（5）采用冷空氣氣力輸送熱成品粉入成品倉，使熱成品粉入倉溫度＜60℃，防止了結(jié)倉及性能指標(biāo)發(fā)生變化。

（6）采用了模塊化設(shè)計(jì)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線每班生產(chǎn)人員只需5人。

（7）采用磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝生產(chǎn)的石膏粉，其性能達(dá)到或超過了天然石膏制的建筑石膏粉。

性能指標(biāo)如下：2h濕抗折強(qiáng)度：3.0～3.8MPa；2h濕抗壓強(qiáng)度：5.6～7.2MPa；初凝時(shí)間調(diào)節(jié)范圍：3～12min；終凝時(shí)間調(diào)節(jié)范圍：5～25min；初凝時(shí)間穩(wěn)定性：＜1min；終凝時(shí)間穩(wěn)定性：＜1.5min；石膏砌塊斷裂載荷：6 800～9 200N；煤耗：38kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t粉；電耗：19kWh/t粉；粉塵排放濃度達(dá)到＜30mg/m3（標(biāo)）；SO2排放濃度＜200mg/m3（標(biāo)）。

4 結(jié)語

（1）工信部于2015年7月發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)化肥行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的指導(dǎo)意見》中提出，到2020年，磷石膏綜合利用量從目前年產(chǎn)量的30%提高到50%。工業(yè)副產(chǎn)磷石膏雙溫聯(lián)控煅燒工藝，為綜合利用工業(yè)副產(chǎn)磷石膏，實(shí)現(xiàn)磷化工的可持續(xù)發(fā)展提供了一種新思路、新技術(shù)、新途徑。

（2）工業(yè)副產(chǎn)磷石膏采用雙溫聯(lián)控煅燒工藝，所生產(chǎn)的石膏粉性能達(dá)到或超過了天然石膏制的建筑石膏粉，主機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，單線規(guī)?？蛇_(dá)到年產(chǎn)100萬噸，可廣泛運(yùn)用于紙面石膏板、石膏砌塊、粉刷石膏、自流平石膏砂漿等石膏制品的原料生產(chǎn)。

（3）為滿足國家日益嚴(yán)格的環(huán)保排放要求，可以燃?xì)饣蚴褂秒姀S蒸汽作為熱能中心的熱源?！?/p>