脱硫石膏煅烧工艺及其砌块的研究与展望

2013-04-09段爱萍

河南建材 2013年5期

段爱萍

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 引言

脱硫石膏是指对含硫燃料（煤、油等）燃烧后的烟气进行脱硫处理得到的工业副产品。未来几年随着大量的脱硫装置投入运行，我国每年将产生3 000～10 000万t脱硫石膏。如果不能很好地处置和综合利用这些工业石膏，既浪费资源，又会因填埋占用大量的土地,对生态环境产生严重的污染，影响企业和社会的良性发展。选择合理的脱硫石膏处理工艺，拓展工业副产石膏的利用空间，是节约资源、保护环境、实现可持续发展的当务之急。这里对脱硫石膏的煅烧工艺及利用脱硫石膏生产高性能石膏砌块的研究进行了阐述，以期对工业石膏的利用提供帮助。

1 脱硫石膏煅烧工艺技术

脱硫石膏的主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O），不能直接用来生产石膏制品，通常需要煅烧加热到一定温度使其失去部分结晶水，制备成半水石膏（CaSO4·0.5H2O），也称熟石膏。煅烧工艺是影响脱硫石膏制品质量和应用的主要因素。在脱硫石膏煅烧过程中，当温度升高、脱水速度加快时，由于石膏导热性能不良，容易造成石膏的内外温度分布不均匀，形成多相混合物。因此，合理选择煅烧干燥工艺及设备，才能保证石膏制品的质量。

石膏煅烧方式繁多，按加热方式分为间接加热和直接加热，按煅烧脱水速度分为慢速煅烧、中速煅烧和快速煅烧,按出料方式分为间歇式和连续式。低温慢速煅烧：指煅烧时物料温度小于150℃，物料在炉内停留几十分钟或1 h以上的煅烧方式，如连续炒锅、流化床式焙烧炉。中速煅烧：物料在窑内停留时间在几分钟、十几分钟，物料温度在140～165℃之间。快速煅烧：指煅烧物料温度大于160℃，物料在炉内停留几秒钟的煅烧方式。随着生产需要和技术进步，各种煅烧工艺和设备也在不断的完善和融合。

对石膏煅烧方式的选择一般有以下原则：1）按石膏的种类和性状选择，看原料石膏是天然石膏还是工业石膏，是颗粒状还是粉状。如果是粉状，宜选用快速煅烧设备，如果是颗粒状，则宜选用在窑内停留时间较长的设备。2）按终端产品的种类选择。如果是生产石膏建材制品，如各种石膏板材、砌块等，宜选用快速煅烧设备，因用快速法生产的建筑石膏凝结硬化快，可提高生产效率，加速模具的周转。如果是生产石膏胶凝材料，如粉刷石膏、石膏粘接剂、石膏接缝材料等，宜选用慢速煅烧设备，因为用慢速煅烧的产品凝结硬化较慢，有利于减少外加剂的掺量，降低生产成本。

目前，国内用于脱硫石膏生产线的煅烧工艺装备主要有回转窑、立式炒锅、沸腾炉、彼得磨等，各种装备的技术性能和煅烧产品的综合指标各有其优缺点。

1.1 回转窑煅烧工艺

回转窑煅烧技术有直接煅烧和间接煅烧两种方式。直接煅烧式回转窑，窑体有较长的干燥带，这种煅烧方式因为其窑体内有较大分压的水蒸汽，因此煅烧的石膏质量好且稳定,但要注意排潮和收尘。目前石膏煅烧工艺应用较多的是带有一体化冷却器的内管加热式回转窑，这种回转窑采用间接加热方式，物料停留时间较长。内管加热式回转窑是通过烟气管道将烟气的热量传递给物料，在其后的冷却管中，物料得以陈化，具有连续进料、连续出料的特点，且能适应原料粒度的变化，运转稳定，可靠性高。但这种回转窑由于入料的粒级范围较宽，不可避免地出现产品的多相组成，这种现象尤其在煅烧粒状原料的连续式回转窑中更为突出，从而在一定程度上限制了连续回转窑对低品位石膏原料的适用性。

1.2 炒锅煅烧工艺

煅烧脱硫石膏较理想的设备是炒锅，但能耗比气流煅烧设备要高。脱硫石膏含水率一般在10%以上,入炒锅炒制前需先对其进行干燥至水分小于2%。可选用干燥管进行前期干燥，这种干燥器比较适合小颗粒的粉状脱硫石膏,处理能力大,能耗低。炒锅在脱水过程中,锅内粉体保持了一定的脱水压力,产品中生成一定比例的α-半水石膏,这一比例,随炒锅高度/直径的比例增大而增大。炒锅具有物料温度容易控制、产品均匀、结构简单等优点,但必须保证石膏粉料在达到一次沸腾时保持流态化，否则炒锅内部会出现脱水速度不均一的情况，影响煅烧产品物化性能。目前国内的小型企业大多使用传统老式炒锅，热效率较低，设备维护费用高,工作环境较差。

1.3 沸腾炉煅烧工艺

石膏沸腾煅烧炉的床层状态属于鼓泡床，因此将这种炉子形象地称作“沸腾炉”。正常工作时，从沸腾炉底部鼓入空气,通过气体分布板进入流化床。鼓入空气使床层实现流态化，在流化床中的加热管向物料传递大量的热量，使二水石膏粉达到脱水分解的温度,二水石膏就在流化床中脱去结晶水，结晶水又变为蒸汽，这些蒸汽与炉底鼓入的空气混合在一起，通过床层向上运动。由于在流化床中粉料激烈的翻滚、混合，所以在整个流化床中各处的物料温度和成分几乎是一致的。连续投入的生石膏粉一进入床层，几乎瞬间就与床层中大量热粉料混合均匀，在热粉料中迅速脱水分解。

沸腾炉煅烧工艺的最大优点是有效换热面积大且操作控制准确，既具有炒锅煅烧的优点，同时还可方便地回收蒸汽或热介质油所携带的热量再循环利用，热效率高。由于无机械搅拌装置和采用内管换热，使设备维修工作简单化，因而可延长设备本体的使用寿命。

1.4 彼得磨煅烧工艺

彼得磨将粉磨煅烧一体化，烟气与物料直接接触，脱硫石膏分散后与热烟气直接充分地进行热交换，并在3～5 s内料温迅速升高，使其快速脱去脱硫石膏自由水的同时,脱去石膏中的一个半结晶水，实现脱硫石膏的干燥与煅烧在同一台设备中瞬间完成，生产出无水石膏Ⅲ含量较多的熟石膏。而Ⅲ型无水石膏是不稳定相，在含湿空气中很容易吸潮而成半水相。因此这种煅烧方式需加冷却装置降低料温，对物料做进一步陈化处理。此类快速煅烧炉煅烧的产品均处于“过火”状态，存有大量的无水石膏Ⅲ，只有经过冷却陈化，其相组成才能发生改变（增加半水相）。生产中配套良好的冷却陈化工艺措施是保证产品质量的必要条件。

彼得磨换热强度较高，设备简洁紧凑，占地面积小，但要求石膏的成分相对稳定，系统的温度控制及操作要求严格，特别对原料的杂质含量和原料的品位波动要求较严。这种煅烧工艺的最大优点是粉磨煅烧一体化、生产效率高，煅烧车间的设计简洁紧凑，更具节能化和效率化。

2 脱硫石膏砌块的应用及研究进展

2.1 脱硫石膏砌块的发展概况

石膏砌块是一种新型轻质墙体材料，它具有众多优良的建筑物理性能，如质轻、防水、抗震、保温隔热、隔声等，十分适合于砌筑各类工业与民用框架建筑物内隔墙，以及高层和超高层的框架结构建筑物的内隔墙。脱硫石膏砌块是以脱硫石膏为主要原料，将其进一步加工制成胶结材（也可掺加适量粉煤灰和水泥），再加少量增强纤维（也可加入适量膨胀珍珠岩），经料浆制备、浇注成型、初凝后抽芯、蒸养或自然养护和干燥等工艺制成的轻质板材。

国外20世纪40年代，国际上开始用天然石膏制取半水石膏作原料,以平模浇注法生产石膏砌块。20世纪50年代中期,改用立模浇筑、顶升技术生产,产量有明显提高。20世纪70年代以来，成型技术不断提高，立模顶升工艺由半自动向全自动发展。20世纪90年代以来用烟气脱硫石膏替代天然石膏作原料，并不断提高产品质量。目前全世界有60多个国家生产和使用石膏砌块，主要用于住宅、办公楼、旅馆等作为非承重内隔墙。国际上已公认石膏砌块是可持续发展的绿色建材产品，在欧洲占内墙总用量的30%以上。

石膏砌块自20世纪80年代引进中国。近30年来，石膏砌块虽然没有像其它水泥类墙体材料一样得到迅猛广泛的应用，但也在稳步发展。一些科研单位和生产厂家在湖北荆门和北京等地研制并生产了石膏砌块，用于多层、高层建筑的非承重内隔墙。对石膏砌块的开发，可认为是我国在建筑材料、施工方面的一大改革，符合住宅建设向现代化迈进的要求。

2.2 脱硫石膏砌块应用中存在的问题

按其结构特性，石膏砌块可分为实心、空心和夹心砌块。我国的石膏砌块行业主要以天然石膏为原料，但随着我国燃煤电厂脱硫的广泛采用，国家制订了推动电厂脱硫石膏综合利用的产业政策，一些企业开始把脱硫石膏作为研究和使用方向，脱硫石膏生产的砌块也陆续面市。但目前市面的脱硫石膏砌块，甚至天然石膏砌块都普遍存在产品强度不高、质量不稳定、产量低等现象，直接影响石膏砌块的使用和声誉，导致建筑业想用又不敢用的局面。

近年来,大部分脱硫石膏用来生产石膏板，纸面石膏板的迅速发展使得市场上的产品已基本饱和，而脱硫石膏砌块市场存在着很大的发展空间。但是，脱硫石膏砌块还存在诸多问题亟待解决，利用脱硫石膏生产出的砌块往往会出现泛碱现象，使得腻子、涂料等脱落，这是脱硫石膏砌块最大的应用难题。同时，脱硫石膏砌块筑成的墙表面还会出现发黄的现象。由于石膏材质较脆，在运输及安装中断裂，特别是用石膏空心砌块做门口板，更容易产生裂缝。另外，石膏砌块的耐水、防潮性能较差，也大大限制了使用。

2.3 脱硫石膏砌块的研究进展

随着环境保护的压力、墙改力度的加大以及绿色建材的需求，促使人们重新加大了对石膏砌块生产技术的深入研究和性能改进，并且取得了很大的进步，制品品质发生了质的飞跃。

许多生产厂家对石膏砌块做了改性措施，如掺加一定比例的珍珠岩粉及纤维来改善砌块的脆性和降低密度,掺加硅酸盐水泥改善制品的耐水、防潮性能。针对脱硫石膏生产石膏砌块过程中脱硫建筑石膏品质低及石膏砌块质量不稳定的缺点，研究人员也进行了大量的实验，认为合理控制煅烧温度和时间可以有效的提高脱硫建筑石膏的性能。以下是目前国内对脱硫石膏砌块及生产工艺具有代表性的研究实例：

柏玉婷、李国忠等对脱硫石膏的特性及煅烧工艺进行了研究，结果表明：采用预烘干+煅烧的方法煅烧脱硫石膏的试样性能较好，具体工艺为先在50℃下烘干2 h，进而在155℃下煅烧；此工艺条件下煅烧的脱硫石膏，各项性能指标均达到或超过了国家关于建筑石膏优等品的性能要求。

黄伟、陶珍东等对脱硫石膏作墙体材料的研究结果表明：165℃温度下炒制3.5 h所得的建筑石膏最佳。脱硫石膏加入一定量的水泥、矿渣、粉煤灰制成的复合墙体材料对其性能有较大的提高,最佳配料为水泥12.5%、矿渣12%、粉煤灰10%、养护时间7 d。

张俊生、路北战等研究了耐水型石膏砌块的制备工艺，得到的优化配比：脱硫建筑石膏74.9%、KD-3耐水剂 25%、缓凝剂 0.1%、泡沫 0.2 m3/m3（泡沫体积/料浆体积），砌块在80℃条件下养护16 h，制得砌块的表观密度1 087 kg/m3、软化系数0.68，符合标准要求。

张志国、高玲艳等在脱硫石膏制耐水石膏砌块的研究一文中提出用矿渣、高钙粉煤灰、熟料和复合激发剂制作耐水改性材料，用于提高石膏制品的耐水性；优化了耐水石膏的配比和工艺。膨胀珍珠岩的使用,解决了改性石膏表观密度大的问题,制备出了符合相关标准的石膏砌块。

3 脱硫石膏砌块研究的发展趋势

3.1 开发新型石膏砌块成型机组

目前利用“立模成型、液压顶升”原理设计开发的成型机组仍是世界上最先进的机组。其生产效率较高，每小时可达6～7个周期，每周期可顶出1～2排，每排模腔数可达10～30个。这就在提高产量的同时，也降低了能耗和成本。同时由于采用制造十分精密的模腔，并在里面电镀耐磨硬铬，因此砌块尺寸精度高、表面光洁，省去了砌墙时的抹灰工序。

3.2 利用废料、优化配方，降低制造成本

通过优化配方，在提高石膏砌块各项技术性能和使用性能的基础上，降低生产成本。开发多种形状、规格的石膏空心砌块，或在石膏砌块内掺加膨胀珍珠岩、超轻陶粒等轻集料，或在改用高强石膏（α-半水石膏）的同时掺入大比例的粉煤灰，或掺加炉渣等废料以提高产品强度及降低成本，或掺加水泥及用玻璃纤维增强，或在脱硫石膏中掺加粉煤灰及激发剂以提高制品耐水性等。