利用磷石膏生產(chǎn)高強(qiáng)石膏粉試驗(yàn)研究

王英 馬榮華

(1.昆明冶金高等專(zhuān)科學(xué)?？萍继?，云南 昆明 650000；2.中礦新材料開(kāi)發(fā)云南有限公司，云南 昆明 650000)

磷石膏是磷酸生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢渣，我國(guó)是世界上第一大磷石膏副產(chǎn)國(guó)。據(jù)中國(guó)磷肥工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)磷石膏堆存量已超5億t，每年新產(chǎn)生大約7000萬(wàn)t左右，如何有效處置磷石膏成為磷化工行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。綜合利用是公認(rèn)的最佳路徑，我國(guó)政府近年來(lái)不斷加大力度推進(jìn)，雖取得階段性成效，但規(guī)?；靡恢蔽茨軐?shí)現(xiàn)。

我國(guó)“2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)已經(jīng)明確，水泥等建材行業(yè)等將會(huì)受到很大的影響。將要面對(duì)控制碳排放量、降低能源消耗的新課題，而由于水泥生產(chǎn)的大宗原料石灰石煅燒后不可避免地產(chǎn)生二氧化碳。因此，具有安全、節(jié)能環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)的石膏建材，將迎來(lái)快速發(fā)展的極好時(shí)機(jī)。再者，隨著國(guó)家大力推廣新型墻材的應(yīng)用及裝配式建筑的發(fā)展，根據(jù)國(guó)家《新型墻材推廣應(yīng)用行動(dòng)方案》規(guī)定，2020年，裝配式墻板的部品部件占建筑物比例達(dá)20%；新建建筑物中新型墻材應(yīng)用比例達(dá)90%。特別是在工業(yè)副產(chǎn)石膏豐富的云南地區(qū)，迫于環(huán)保的壓力，和極具成本低廉的優(yōu)勢(shì)，石膏建材產(chǎn)業(yè)必將得到快速發(fā)展，這其中高強(qiáng)石膏粉以其高力學(xué)性能將在相關(guān)領(lǐng)域成為應(yīng)用熱點(diǎn)。

業(yè)內(nèi)都知：高強(qiáng)度石膏粉一般要用高品位石膏原料進(jìn)行制作，目前主要使用二水石膏含量85%以上的天然石膏為原料，為了實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，同時(shí)減少環(huán)境污染，本文將研究用磷石膏來(lái)生產(chǎn)高強(qiáng)石膏粉。

1 生產(chǎn)工藝流程

1.1 工藝流程圖

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

1.2 工藝過(guò)程

1.2.1 磷石膏輸送及打散烘干工序

目前，磷石膏的加工利用大多采用磷石膏烘干機(jī)，其原理是將磷石膏輸送到烘干機(jī)內(nèi)，在烘干機(jī)端部配置噴火爐，利用噴火爐噴出的火焰產(chǎn)生高溫氣流，將磷石膏加熱烘干，從而達(dá)到石膏結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的目的，由于磷石膏的特性是粘性大，其轉(zhuǎn)換半水石膏的溫度不容易控制，現(xiàn)在提出了一種磷石膏轉(zhuǎn)換方法，也就是將磷石膏一部分轉(zhuǎn)換成半水石膏，一部分轉(zhuǎn)換為無(wú)水石膏，再將無(wú)水石膏轉(zhuǎn)換成半水石膏，現(xiàn)有石膏烘干機(jī)不能滿(mǎn)足以上的工藝要求，同時(shí)由于磷石膏在進(jìn)入外筒時(shí)溫度低，水分含量大，黏性較大，在烘干機(jī)外筒容易結(jié)成團(tuán)狀，使得磷石膏進(jìn)入外筒運(yùn)行時(shí)容易阻塞。故在此增設(shè)打散裝置，其原理是：團(tuán)聚性或結(jié)塊物料經(jīng)螺旋給料機(jī)送入打散腔內(nèi)，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子對(duì)物料進(jìn)行沖擊、剪切，使物料粉碎還原。打散后的物料被上升氣流輸送至物料收集區(qū)，被旋風(fēng)收集器和脈沖除塵器收集，凈化的空氣由引風(fēng)機(jī)排出。避免或減少了磷石膏進(jìn)入烘干機(jī)外筒時(shí)的堵塞，提高了工作效率。

磷石膏通過(guò)磷石膏倉(cāng)底部棒條閥，進(jìn)入調(diào)速定量皮帶秤，在皮帶傳送下進(jìn)入打散烘干機(jī)，利用從熱風(fēng)爐過(guò)來(lái)的高溫氣體進(jìn)行初步干燥，同時(shí)負(fù)壓把微小的磷石膏顆粒帶進(jìn)干燥換熱器。

磷石膏顆粒在干燥換熱器里停留時(shí)，大量高溫氣體從顆粒之間通過(guò)，帶走顆粒間水分，磷石膏顆粒進(jìn)入C1旋風(fēng)分離器，較大顆粒的磷石膏直接落入灰斗，含有微粒粉塵的氣體進(jìn)入布袋除塵器通過(guò)濾袋，粉塵被滯留在濾袋外表面，而氣體則經(jīng)凈化后排空。隨著過(guò)濾工作的不斷進(jìn)行，附著在濾袋外表面的粉塵不斷增多，除塵器運(yùn)行阻力增大，某一過(guò)濾單元的轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉，過(guò)濾單元停止工作，反吹壓縮空氣逆向進(jìn)入過(guò)濾單元，吹掉濾袋外表面的粉塵，然后轉(zhuǎn)換閥板打開(kāi)，該過(guò)濾單元重新工作，清灰轉(zhuǎn)向下一過(guò)濾單元。

1.2.2 燃燒爐工序

從C1旋風(fēng)分離器和布袋除塵器分離出來(lái)的磷石膏顆粒進(jìn)入煅燒爐脫水，生成無(wú)水硫酸鈣，進(jìn)入C2旋風(fēng)分離器旋風(fēng)分離區(qū)，當(dāng)含無(wú)水硫酸鈣顆粒氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離管后，氣流受導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流作用而產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，氣流沿筒體呈螺旋狀向下進(jìn)入旋風(fēng)筒體，密度大的塵粒在離心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁下落流出旋風(fēng)管排塵口至設(shè)備底部，從設(shè)備底部的出口流出。旋轉(zhuǎn)的氣流在筒體內(nèi)收縮向中心流動(dòng)，經(jīng)設(shè)備頂部出旋風(fēng)分離器口流出。流出的氣體溫度較高，繼續(xù)進(jìn)入打散烘干機(jī)干燥磷石膏，而旋風(fēng)分離器底部流出的固體顆粒經(jīng)過(guò)高溫分料閥，一部分回收，另一部分再次進(jìn)入流化床煅燒爐繼續(xù)煅燒。

1.2.3 燃煤輸送及熱風(fēng)爐工序

碎煤通過(guò)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)地，堆存在碎煤棚內(nèi)，通過(guò)人工手推車(chē)卸入錘式破碎機(jī)原料倉(cāng)內(nèi)，然后進(jìn)入斗式提升機(jī)受料倉(cāng)內(nèi)。經(jīng)斗式提升機(jī)提升入圓盤(pán)喂料機(jī)，經(jīng)圓盤(pán)喂料機(jī)送入熱風(fēng)爐進(jìn)行煅燒。通過(guò)煤在熱風(fēng)爐里燃燒獲得高溫氣體，用于磷石膏的干燥和調(diào)節(jié)煅燒爐溫度。

2 主要設(shè)備

主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備一覽表

10 1817 CXMFC煅燒爐尺寸：φ1450×6500 mm（直段高）有效內(nèi)徑：DN950mm（斷面風(fēng)速6m/s）廢氣量：3010Nm3/h，工況14960m3/h（800℃）1 11 1815 主風(fēng)機(jī)型號(hào)：9-26 No.80 Q=22640 M3/h，全壓：15112Pa轉(zhuǎn)速：2900r/min電機(jī)型號(hào)：Y2X315S-2功率：110kW 1 12 C1旋風(fēng)分離器直徑：φ1400mm分離效率：95%有效內(nèi)徑：DN1400mm（斷面風(fēng)速3m/s）工況風(fēng)量：14646m3/h（200℃）1 13 1822 C2旋風(fēng)分離器直徑：φ1800mm分離效率：95%有效內(nèi)徑：DN1300mm（斷面風(fēng)速3m/s）工況風(fēng)量：14250m3/h（700℃）1 14 1823 儲(chǔ)氣罐產(chǎn)品編號(hào)：Y13017-223儲(chǔ)氣量：2 m3，介質(zhì)：空氣設(shè)計(jì)溫度：110℃設(shè)計(jì)壓力：1.05MPa 1

3 試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

為試驗(yàn)順利，煅燒裝置需要石膏冷卻和活化、石膏及輔料儲(chǔ)存、計(jì)量混合、產(chǎn)品包裝等系統(tǒng)。

3.1 石膏冷卻系統(tǒng)

增加石膏冷卻及活化裝置，石膏粉冷卻機(jī)，風(fēng)冷裝置等這樣才能確保高強(qiáng)粉的質(zhì)量，做好熱能回收利用。

3.2 石膏及輔料儲(chǔ)存庫(kù)

高強(qiáng)粉離開(kāi)分解煅燒爐時(shí)，溫度達(dá)到280℃，需要進(jìn)行冷卻后存化才能保證質(zhì)量，根據(jù)不同用途的高強(qiáng)粉還需要在冷卻過(guò)程中進(jìn)行活化處理。

3.3 變頻器

在排風(fēng)機(jī)電機(jī)上增加變頻調(diào)節(jié)，有利于風(fēng)、料、熱量的穩(wěn)定與平衡，確保優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低成本運(yùn)行。

3.4 進(jìn)料裝置

降低進(jìn)料倉(cāng)高度提高進(jìn)料效率，在進(jìn)料倉(cāng)內(nèi)壁加裝聚氯乙烯板使磷石膏下料流暢；

改造輸送皮帶下的卸料鎖風(fēng)閥，加大鎖風(fēng)閥，改用寬葉片的鎖風(fēng)閥。在鎖風(fēng)閥前加裝破碎機(jī)。

3.5 清理熱風(fēng)管道系統(tǒng)

清理熱風(fēng)管道，修補(bǔ)脫落的澆筑料，減少熱損失，提高系統(tǒng)熱效率。

3.6 溫度控制

加裝熱電偶，加強(qiáng)系統(tǒng)溫度監(jiān)控，提高熱能利用效率。

4 未來(lái)技術(shù)提升空間

未來(lái)在供熱系統(tǒng)還有提升空間。因?yàn)槭褂锰烊粴鉄嵩?，既能提高產(chǎn)品質(zhì)量又能簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝降低生產(chǎn)成本，故未來(lái)可將供熱裝置沸騰爐燃煤供熱，改為燃燒天然氣供熱，經(jīng)測(cè)算利用磷石膏生產(chǎn)高強(qiáng)石膏粉，在760℃煅燒溫度條件下，生產(chǎn)1t高強(qiáng)粉需要35m天然氣。

5 試驗(yàn)先進(jìn)性

5.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

此試驗(yàn)裝置能讓二水石膏脫水完全，加之增強(qiáng)劑等的應(yīng)用，提高了高強(qiáng)石膏粉（本試驗(yàn)主要是Ⅱ型無(wú)水石膏）的產(chǎn)質(zhì)量，強(qiáng)度和耐水性均大大優(yōu)于建筑石膏，加入激發(fā)劑后有一定的應(yīng)用價(jià)值。

5.2 節(jié)能與環(huán)保

該裝置工藝緊湊，巧妙地利用了勢(shì)能，因而消耗的動(dòng)能少，所以節(jié)省電能。脫硫與收塵裝置，結(jié)合簡(jiǎn)單，少維修。既能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要又滿(mǎn)足了環(huán)保需要。