磷石膏流态化煅烧制备建筑石膏装置工业化应用

2023-10-20张建国郭旭东

磷肥与复肥 2023年8期

张建国，郭旭东，钟晋，刘海

（云南云天化环保科技有限公司，云南昆明 650000）

0 引言

磷石膏是湿法磷酸生产过程中产生的副产物。随着《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中相关磷石膏综合利用要求的实施，以及磷化工行业“以渣定产”政策逐步落地，磷石膏规模化利用势在必行。

磷石膏主要成分为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），其质量分数普遍在80%以上，是生产建筑石膏、Ⅱ型无水石膏优良的原料，其产品可广泛应用于砂浆、自流平、条板等建材领域。当前磷石膏制备建筑石膏生产工艺主要是以回转窑、沸腾炉为代表的一步法、两步法，该工艺具有技术成熟、流程短、能耗低、产品质量相对稳定等优势，但单套装置最大产能仅为30 万t/a，且随着产能提升产品无水相（AⅢ）含量逐步增加，产品质量稳定性显著下降，制约其生产规模扩大。对此云南云天化环保科技有限公司与国内科研院所开展新技术研发，研制出磷石膏流态化煅烧制备建筑石膏/Ⅱ型无水石膏三步法新工艺，并在云南省安宁市建成36万t/a建筑石膏（21.6万t/a Ⅱ型无水石膏）生产线。

1 磷石膏流态化煅烧三步法工艺简介

磷石膏流态化煅烧三步法工艺，分烘干预热、煅烧、冷却陈化三段（见图1）。其中：（1）烘干预热段为破碎原料磷石膏与经文丘里干燥器加速后300～400 ℃热烟气直接接触，产生热量交换，除去磷石膏中大部分附着水，之后进入旋风预热器，与130～160 ℃热烟气直接接触，进行二次热量交换，除去剩余附着水及少许结晶水；若生产Ⅱ型无水石膏则将热烟气温度提高至400～600 ℃。（2）煅烧段为二水石膏向建筑石膏（β-CaSO4·0.5H2O）/Ⅱ型无水石膏（CaSO4）转晶过程。经烘干预热物料在流化床内与120～150 ℃热烟气直接接触，实现1.5 个结晶水脱除及晶型生长，生成β型半水石膏，即建筑石膏；生产Ⅱ型无水石膏则根据后端产品需求，将热烟气温度在500～800 ℃做调整。（3）冷却陈化段为产品冷却余热回收、建筑石膏陈化过程，煅烧炉出口热态粉料在3 级旋风分离器、冷却流化床内进行冷风与热物料梯级逆流接触，完成热粉冷却、冷风加热（燃料助燃风），其中冷却流化床内热粉与冷风完成直接/间接（壳程、管程）换热的同时，建筑石膏粉利用直接换热冷风中微量水分实现Ⅲ型无水石膏向β型半水石膏转变，确保产品中w（Ⅲ型无水石膏）≤8%。冷却陈化后产品经过改性磨激活处理，除去晶型表面棱角实现降标稠提升抗折/抗压物理强度，进一步提升产品质量。

图1 三步法工艺流程

2 工艺优势

2.1 多级烘干预热，高效去除原料附着水

原料依次经过文丘里干燥器、旋风预热器，温度呈阶梯形升高趋势，针对建筑石膏，原料在该过程中逐步、均匀脱除附着水，确保烘干原料w（附着水）≤1%、w（半水石膏）≤5%；Ⅱ型无水石膏则在前端脱除全部附着水、大部分结晶水，生成以Ⅲ型无水石膏为主的过程产品；多级烘干预热确保了进入煅烧炉前物料组分一致，为煅烧产品一致性、稳定性提供有利条件。

2.2 流态化煅烧，产品组相稳定

流态化煅烧具有受热均匀、强传热传质、反应迅速等特点，烘干后的磷石膏进入流态化煅烧炉，在充分流化、适当煅烧温度条件下，悬浮态粉料均匀分布，并与热烟气直接充分接触，高效吸收热烟气传递热量，二水硫酸钙快速脱水转晶生成β型半水硫酸钙/Ⅱ型无水石膏，大幅度降低“欠烧”“过烧”情况发生，确保物料煅烧的充分性、一致性、稳定性。

2.3 流化床冷却陈化，降能提质

煅烧后产品依次经过3级旋风分离器、冷却流化床，与冷风逆流接触换热后确保出料温度≤60 ℃，实现余热回收降能耗；同时结合冷却流化床鼓泡状态、风量≥3 万m3/h 特点，利用冷风中微量游离水将建筑石膏产品中Ⅲ型无水石膏向β型半水石膏转变，确保w（Ⅲ型无水石膏）≤6%，保证产品质量。

2.4 单套生产装置可生产两种产品

该装置通过切换工艺路线、调整工艺指标，低温煅烧可生产建筑石膏，高温煅烧可生产Ⅱ型无水石膏，解决当前磷石膏制建材行业单套装置只能生产一种产品的瓶颈，大幅度降低项目投资费用，实现单套生产装置生产两种产品，提升了装置综合竞争力。

2.5 工艺可调性好，调控空间大

建筑石膏生产根据产品后端需求情况，选择性开展“闪烧”“慢烧”两种工艺，其中“闪烧”工艺通过提高前端烘干温度，以烘干段转晶为主、煅烧段转晶为辅，生产快凝复合相建筑石膏（初凝时间2～3 min），应用于手工石膏切块领域；“慢烧”工艺则按常规烘干脱水+煅烧转晶思路，生产初凝时间≥3.5 min的慢凝单相建筑石膏，应用于石膏砂浆领域；Ⅱ型无水石膏依据产品煅烧温度需求，通过调节天然气用量，快速实现煅烧温度的精准调控。

3 煅烧产品情况

3.1 原料质量

本装置原料取自云南天安化工有限公司磷石膏渣场，其中建筑石膏主要挖采老石膏或经预处理后的石膏，要求石膏pH≥4.5，以减少磷、氟、有机质等杂质影响［1］，其主要成分见表1，从表1 中发现该磷石膏为高硅石膏，w（二水硫酸钙）在80%左右。Ⅱ型无水石膏则因煅烧温度较高（500～800 ℃），可实现干法除杂［2］，大幅度降低原料中总磷、总氟、有机质含量，原料可选用新鲜石膏（pH≈3）。

表1 原料磷石膏检测分析结果（老石膏）

3.2 产品质量

建筑石膏：原料磷石膏，按“慢烧”工艺煅烧后，其产品质量如表2、表3所示，从表2、表3看出，该建筑石膏以单一相（半水石膏）为主，其标稠为70%～73%，初凝时间为3.5～4.5 min，2 h 抗折强度为2.5～3.0 MPa，产品三相中w（二水石膏）≤4%，w（Ⅲ型无水石膏）≤6%，各项指标均达到GB/T 9776—2022 要求，且产品质量指标一致性高、稳定性强；若按“闪烧”工艺生产建筑石膏粉，其标稠为72%～76%，初凝时间为2.00～2.67 min，2 h 抗折强度为2.3～2.8 MPa，产品三相中w（二水石膏）≤4%，w（Ⅲ型无水石膏）在10%～25%，产品为初凝时间短、三相波动大复合相石膏，满足手工切块快凝产品2.0级强度需求。

表2 建筑石膏物理指标检测结果

表3 建筑石膏三相指标检测结果 %

无水石膏：Ⅱ型无水石膏目前国内还无产品质量标准，依据煅烧温度及产品总水含量进行判定（见表4）。从表4中可以看出，Ⅱ型无水石膏总水质量分数0.04%～0.15%，达到总水质量分数≤0.35%的设计指标，且流态化煅烧炉温度500～600 ℃，满足二水石膏向Ⅱ型无水石膏转晶温度要求，该煅烧温度可根据实际需求在500～800 ℃精准调控。

表4 Ⅱ型无水石膏水分检测结果 %

4 生产能耗

该装置目前已运行1年多时间，从装置生产消耗数据统计结果及外部调研情况来看，生产建筑石膏能耗相对目前主流锤式烘干+炒锅工艺微高（见表5），其主要原因为工艺流程设计兼顾高温煅烧Ⅱ型无水石膏产品回收热量的工艺需求，导致低温生产建筑石膏时能耗稍高。但需综合考虑装置工艺调控优越性、产品质量稳定性、规模易扩大性等优点，且随着后期工艺指标优化、装置长周期运行，降能空间较大；生产Ⅱ型无水石膏能耗相对锤式烘干+炒锅+回转窑工艺偏低（见表6），其主要原因为本装置设有3 级余热回收系统，最大限度利用煅烧烟气、产品余热，高效节约燃料消耗。