磷石膏生产建筑石膏粉的双温联控煅烧工艺与应用

2018-08-03王俊杰方炎章

水泥技术 2018年4期

王俊杰，方炎章

1 引言

工业副产石膏的种类繁多，其中磷石膏、脱硫石膏占总量的90%。目前磷石膏堆存量已超过3亿吨，而且每年以8 000万吨的排放速度增加，其中90%以上集中在云南、贵州、四川和湖北四省，其废渣综合利用率不到20%。目前磷石膏均以堆存方式排放，不仅占用大量土地，而且磷石膏中的可溶磷渗入水体后，导致水体出现严重的富营养化问题，严重污染了环境。

磷石膏是磷肥厂生产磷肥时伴生的工业废渣，主要成分为CaSO4·2H2O，含量在70%～80%，pH值为1.5～4.5，主要杂质一般为可溶磷、共晶磷、可溶氟、难溶氟、有机化合物和各种无机盐等，并有以下特点：含有一定比例的物理附着水分，含湿率一般在8%～25%；含游离磷酸、无机氟化物、磷酸一钙、有机物等杂质，这些杂质严重影响建筑石膏产品质量和性能，且难以用经济手段去除；具有低温脱水特性，高温段脱水和沸腾能力减弱，成品品质降低。与天然石膏粉相比，磷石膏颗粒级配不合理，颗粒大小和物理外观形状差异较大；磷石膏原料生产的建筑石膏粉标准稠度需水量偏高；与天然石膏粉相比，磷石膏干湿强度的比值低20%左右。每年排放和历年堆积的大量磷石膏所造成的环保问题已成为制约磷化工行业可持续发展的重要因素，综合利用磷石膏，实现节能减排是磷肥行业当前面临的重要任务。

2 磷石膏双温联控煅烧工艺

2.1 磷石膏煅烧工艺现状及存在问题

工业副产磷石膏经烘干、煅烧改性处理后生成的石膏粉和石膏制品在水化动力、凝结特性、物理性能上与天然石膏基本一致，但因各种杂质的存在和原始状态不同以及具有再生石膏的部分特征，磷石膏又有别于天然石膏。目前国内磷石膏的处理一般先采用水洗或石灰中和反应的方式去除部分杂质，再采用“一步法”或“二步法”的煅烧工艺生产建筑石膏粉。

采用工业副产磷石膏生产建筑石膏粉，按生产方式主要划分为两大工艺类型：一类为“一步法”工艺，采用高温热烟加热的锤式快速粉碎烘干机，同时完成烘干和脱水（有的称为“闪烧法”）；另一类为“二步法”工艺，先烘干物理水，再炒制脱去结晶水。除了这两大主要工艺类型外，还有一种介于两者之间的工艺，如采用高温热烟加热的回转式烘干机，同时完成烘干和脱水（也可以称为“一步法”）。仅从工艺设备看，采用回转烘干机“一步法”工艺最简单，“闪烧法”工艺次之，“二步法”工艺最复杂。但从产品质量指标（如强度和标准稠度需水量）和使用性能指标（如初终凝时间和变化范围）角度看，采用“闪烧法”工艺生产的产品，初终凝时间较短且容易随存放时间长短而变化，采用“二步法”工艺生产的产品，初终凝时间可以在一定范围内调节且比较稳定。“闪烧法”工艺生产的产品一般标准稠度需水量偏大，“二步法”工艺生产的产品一般标准稠度需水量偏小。“二步法”工艺最优，“闪烧法”工艺次之，回转烘干机“一步法”工艺排第三位。

“一步法”工艺使用高温热烟直接加热生产建筑石膏粉，如采用高温热烟加热的锤式快速粉碎烘干机或回转烘干机直接生产。一步法直热回转窑与一步法闪烧回转窑是类似的煅烧技术，流程简单，设备投资低，容易操作。但对于煅烧游离水含量大的磷石膏原料，很难保证产品质量的稳定性，煅烧排放尾气温度高（能耗高），实现自控生产较难。

“二步法”工艺使用一套或两套高温热烟发生装置为烘干装置，和炒粉装置同时或分别供热生产建筑石膏粉，如二步法分室流化床与二步法沸腾炉均属流态化慢速煅烧技术。二步法慢速煅烧先将原料大部分游离水烘干脱去，再进行石膏粉煅烧，有利于生产工艺的稳定，有利于烧出高品质的石膏粉，尤其适应于附着水含量较高的磷石膏原料。流态化煅烧，床层温度均匀，易调节，能保证产品的低温煅烧；石膏脱出的水分与物料层快速分离，煅烧效率高；煅烧排放尾气不与物料掺混，温度低（能耗低），除尘负荷小。由于分室流化床与沸腾炉采用的煅烧载热体不同，在煅烧设备的生产效率和投资上也有所不同。分室流化床采用热风做煅烧载热体，热风热容和传热系数小，热风需要量大（煅烧热管体积大），造成分室流化床体积较大，占地面积大；沸腾炉采用导热油或蒸气做载热体，载热体的热容和传热系数大（煅烧热管体积可较小），同等煅烧负荷的沸腾炉体积可比分室流化床小很多，占地少。

无论是“一步法”还是“二步法”，均存在因燃烧所需风量过量导致烟气排放量大和能耗高的问题。高温热烟直接加热生产建筑石膏粉，一般采用高温沸腾炉提供高温热烟气。燃煤沸腾炉燃烧温度通常≯950℃，受限于生产设备（无论是锤式快速粉碎烘干机还是回转烘干机）的安全使用温度（通常为700℃左右），燃烧所需过量风系数应＞4，实际尾烟气排放量是理论燃烧烟气排放量的2.5～3.5倍。综合考虑干燥脱水设备效率和低温腐蚀问题，一般尾烟排放温度≮120℃，多余排放的1.5～2.5倍尾烟气，排放热损失高达20%～25%。过量的烟气不仅使生产系统电耗增加20%以上，还使除尘环保设备投入增加30%以上。

2.2 磷石膏双温联控煅烧工艺

针对目前磷石膏生产石膏粉煅烧工艺存在的问题，经公司多年研究，开发了以高效快速干燥机、热能中心、双温联控脱水机和改性磨机组成的磷石膏双温联控煅烧工艺技术，即将含湿化学磷石膏干燥后炒制成建筑石膏粉的一体化双温联控煅烧工艺。

（1）通过式含湿原料锁风给料设备

磷石膏生产建筑石膏粉，需要烘干部分物理附着水，出于安全和节能环保考虑，一般需要在负压状态下工作。没有锁风装备的生产系统，正常负压工作状态下的热损失很大，一般会达到10%～30%左右。为了降低热损失和避免烧损生产设备，生产给料系统有锁风给料的要求，以阻止降低热效率的冷空气进入，使系统处于微正压和微负压之间的状态下工作。公司的高效快速干燥机能有效消除粘接影响，具有自锁风、经济可靠、产量大、生产稳定、高效节能和消除漏冷风带来的热效率损失等特点。

（2）热能中心

磷石膏的部分物理附着水或结晶水脱水采用燃煤供热烘干方式，通常采用热烟沸腾炉和锅炉（目前一般使用导热油锅炉）两类供热设备。快速脱水工艺只需使用沸腾炉供热设备，慢速脱水工艺一般同时采用沸腾炉和锅炉两种供热设备。慢速脱水工艺设置有两种供热设备，再加上烘干和脱水分离的中间缓冲储存调节系统，生产线生产和控制相对复杂，设备投资大，单条生产线规模受限（一般年产能力≯20万吨）。目前大型生产线采用的快速脱水工艺存在能耗（主要是热能）高、产品质量和性能指标达不到要求的问题。

根据研究和实践，公司的热能中心采用烘干装置和炒粉装置同时供热的方式，并由改进设计的导热油锅炉同时提供生产系统所需的热烟和热油介质，不仅取消了中间缓冲储存调节系统，简化了生产工艺流程，还消除了导热油锅炉固有的排烟温度高和热损失相对较大的缺点，供热（通过蒸汽或有机导热油传热介质）燃烧所需的过量风系数通常只取1.5。

（3）双温联控石膏脱水机

针对磷石膏的低温脱水特性，双温炒制技术可以大幅度提高产品质量，降低磷石膏低温脱水特性影响。

热能中心提供给双温联控石膏脱水机的热源温度≯250℃，干燥后的磷石膏进入双温联控石膏脱水机的温度为100℃左右，双温联控石膏脱水机返回热能中心的温度为160℃左右。

双温联控石膏脱水机与高温袋除尘器结为一体，能有效克服热湿气体的结露，净化炒粉设备和热烟尾气，大大简化了建筑石膏粉生产工艺，提高了生产线运行的可靠性。

由于炒粉设备具有热工内平衡调节功能，热能中心、化学石膏干燥脱水机和快速烘干机作为一体化设备系统，保证了产品质量和性能指标稳定，不再需要中间缓冲系统。由于热工内平衡调节功能，原料干燥已经不是传统意义上的单纯干燥，可以是部分干燥和部分过干燥，和炒粉设备共同自平衡调节，有利于提高产品质量和扩大产品性能指标调节范围。

（4）改性粉磨与成品冷却

目前利用工业副产磷石膏生产建筑石膏粉采用的是改性粉磨设备。改性粉磨的主要目的是改变磷石膏中不合理的颗粒物理外表结构和颗粒级配，使其使用性能和物理性能更接近天然石膏粉。

通常改性粉磨设备使用的是建材行业通用的球磨机，由于通用球磨机不是为改性粉磨工艺专门设计的，实际使用时经常出现为满足进出料要求，选型过大造成电耗过大，甚至产生过粉磨影响产品性能指标（如初终凝间隔时间过短等）的问题。如选用标准通用球磨机，年产20万吨规模需要配置动力300kW左右的球磨机。根据公司多年实践和理论计算优化设计的专用改性粉磨机，动力只需100kW左右，可降低约2倍的电耗。

炒粉成品温度一般＞150℃，但＞80℃的成品粉直接入仓会使建筑石膏粉的质量和性能指标发生较大的不可控变化，也容易结仓。而经流化冷却和负压输送入仓，改性后的石膏粉入仓温度＜60℃，产品性能指标不发生变化，并省略了陈化处理工艺，使工艺流程更加简单。生产工艺流程如图1所示。

3 磷石膏双温联控煅烧工艺在生产线中的应用

图1 生产工艺流程

2012年公司与四川蓥峰实业有限公司成立四川云河新型建材有限公司，投资5 000余万元建设了一条年产20万吨建筑石膏粉的生产线（设计年消耗26万吨磷石膏）和一条年产100万平方米石膏砌块的生产线，于2013年5月一次性投料试产成功并运行至今。该生产线具有以下特点：

（1）整个生产系统采用负压生产，专门研发了含湿原料锁风给料机，防止了进料过程中漏冷风带来的热损失，达到了节能环保效果。

（2）采用一个加热设备提供干燥所需的热烟气和炒粉所需的导热油，仅通入＜2过剩空气通风量，减少热烟尾气排放量1～2倍，同时降低排放温度，热利用率提高15%以上，系统电耗降低20%～30%。

（3）加热设备、双温联控自除尘石膏脱水机（炒锅）和快速粉碎干燥机形成一体化设备系统，取消了中间缓冲系统，提高了产品产量、质量，扩大了产品性能指标调节范围。

（4）设计了专用改性粉磨机，在降低电耗的同时实现了产品性能指标达到甚至超过天然石膏炒制的建筑石膏粉。

（5）采用冷空气气力输送热成品粉入成品仓，使热成品粉入仓温度＜60℃，防止了结仓及性能指标发生变化。

（6）采用了模块化设计的自动化控制系统，整条生产线每班生产人员只需5人。

（7）采用磷石膏双温联控煅烧工艺生产的石膏粉，其性能达到或超过了天然石膏制的建筑石膏粉。

性能指标如下：2h湿抗折强度：3.0～3.8MPa；2h湿抗压强度：5.6～7.2MPa；初凝时间调节范围：3～12min；终凝时间调节范围：5～25min；初凝时间稳定性：＜1min；终凝时间稳定性：＜1.5min；石膏砌块断裂载荷：6 800～9 200N；煤耗：38kg标准煤/t粉；电耗：19kWh/t粉；粉尘排放浓度达到＜30mg/m3（标）；SO2排放浓度＜200mg/m3（标）。