脱硫石膏蒸汽二步法生产建筑石膏粉工艺简介

1 概述脱硫石膏主要成分为二水硫酸钙，是采用石灰-石灰石回收燃煤烟气中的二氧化硫后得到的工业副产品。脱硫石膏通过烘干、煅烧、陈化、改性等，使二水石膏脱水分解,脱掉1.5个结晶水，得到的以β半水石膏为主要成分的产品，即为建筑石膏粉。随着石膏产业的发展和进步，各行各业对石膏粉的需求越来越大，对质量要求也越来越高，石膏粉的生产制造工艺也在不断进步。目前脱硫石膏生产建筑石膏粉主要以蒸汽、天然气、煤等为热源。其中以煤炭为最便宜，但污染严重；天然气较清洁，但成本较高；蒸汽清洁又经济，但周边需有供热电厂。由于脱硫石膏主要是由电厂烟气脱硫得到的副产品，紧邻电厂，所以主要选择蒸汽作为热源。以蒸汽为热源的生产工艺分为一步法和二步法两类。一步法是将石膏的干燥、煅烧两个工艺过程在一台装备中完成。该工艺生产适用于规模小、附着水含量多在10%以内的脱硫石膏。生产工艺流程具有简单、热损失小、投资成本少等特点；二步法是把石膏的干燥、煅烧两个工艺过程分别在二台装备中完成。烘干+煅烧的二步法模式，对于采用蒸汽作为热源、大规模(年单机产能大于10万t)及高含水量(附着水含量大于10%)的生产线，具有较明显的优势。以下主要对脱硫石膏蒸汽二步法生产建筑石膏粉工艺进行简介。2 工艺流程简介2.1 原料品质及均化（1）原料品质。脱硫石膏主要品质要求：湿度＜15%、pH值为6～9、纯度（二水硫酸钙）＞90%、Cl（水溶性）＜0.1%、白度＞80%、MgO（水溶性）＜0.021%、烟灰＜1.6%、Al2O3＜0.2%、SiO2＜1%、CaCO3＜3%。其中氯离子作为脱硫石膏中主要的杂质元素，对脱硫石膏及其制品性能的影响最大。由于氯离子会与钙离子结合形成结晶水合物，其吸湿性很强，造成脱硫石膏的附着水含量高，其深加工过程中脱水难度增大；且氯离子具有腐蚀性，对后期石膏制品的影响也较大。（2）均化。由于同一电厂的脱硫石膏，其各批次的品质也不尽相同，这样就造成脱硫石膏原料质量的不均匀性。原料质量的不均匀性给石膏煅烧工艺控制及产品质量的稳定性带来了非常大的困难，因此脱硫石膏原料煅烧前必须进行均化处理。目前主要有两种处理方式：①根据场地情况，必须有足够大的原料均化堆场，在原料进场时每批次采用纵向堆料，取料时在垂直的纵向方向的横截面上取料；②对堆场内的原料进行多点取样分析，根据分析的结果进行搭配取料，混合使用，以保证原料水分及成分的均匀性。2.2 烘干工序脱硫石膏进入烘干机预烘干后，需控制温度小于75℃（因温度大于75℃，结晶水会开始脱水），使表面水分开始蒸发，干燥去掉游离水，出料附着水控制小于3%，下步供煅烧工序应用（若含水量太高，石膏粉无法在煅烧炉中处流态化)。在石膏粉的生产加工环节中烘干脱水是关键环节，故选择烘干机类型是最为关键的部分。目前低压过热蒸汽作为热源的烘干机，主要有桨叶式、管束式、回转式等。（1）桨叶烘干机。设备内部轴上密集排列着中空桨叶，蒸汽通过中空桨叶，使湿物料在桨叶的搅动下，与热表面充分接触，从而与石膏换热干燥。优点是热量利用率高，设备结构紧凑，占地面积小，投资低；缺点是浆叶在滚筒旋转时受力，容易磨损开裂，维护维修量较大，物料粘性较强，若不及时清理的情况，会影响干燥效果和设备干燥能力，产能较低；适用于单体产能要求不高的生产线。（2）管束烘干机。在壳体内设置蒸汽换热管道，电机通过传动装置带动管束外周抄板，把物料抄起，运行时壳体不动，并搅拌壳体内物料换热及运动。优点是动力消耗低，热效率高，产能大，换热管在滚筒旋转时不承受扭矩，管道焊缝开裂、泄漏的情况较少；缺点是对于水分高、易粘的物料，壳体粘料后对管道的旋转产生很大的阻力，易造成轴损坏或管道变形，粘料后清理较困难，容易发生堵磨糊磨事故；适用于物料粘性较低的生产线。（3）回转式烘干机。内部按照圆周方向设置多根换热管道，蒸汽通过换热管道，在窑体的转动下不断接触原料，热量传递给原料，以达到烘干的目的。优点是生产能力较大，管道基本不受其他外力作用，不易损坏，故障少，维修费用低；缺点是投入成本高，占地面积大，物料的温度不容易控制，无搅拌功能，原料进入设备时粘性较大，容易粘成团，使有效换热面积变小，蒸发效率低；适用于物料粘性较低的生产线。2.3 煅烧工序（1）煅烧温度的控制。煅烧工艺是决定建筑石膏性能及品质的关键因素，若脱硫石膏煅烧温度过低（欠烧）,则二水硫酸钙含量会较高，产品质量下降；若煅烧温度过高（过烧）,则硫酸钙含量会较大。结合实验表明，煅烧温度在105℃左右时，脱硫石膏结晶水开始脱水；加热到170～190℃，会迅速脱掉1.5个结晶水，形成半水石膏，此时石膏晶体发育完整、生长致密，在凝结时间、标准稠度及强度等方面品质最佳；若加热到200～220℃，半水石膏继续脱水，转变为Ⅲ型无水石膏，转化率下降。选定不同的煅烧温度分别对脱硫石膏进行煅烧，及时对设备温度和压力等参数进行调节，可以使建筑石膏粉产品质量达到不同品质指标的需求。（2）煅烧设备的选择。煅烧设备一直是影响建筑石膏制品质量和应用的主要因素，目前生产常用的煅烧设备有炒锅、回转窑、沸腾炉等。①炒锅。优点是物料温度容易控制、产品均匀、结构简单；缺点是热效率较低，设备维护费用高，工作环境较差。②回转窑。优点是可连续进料、连续出料，能适应原料粒度的不同变化，运转稳定，可靠性高；缺点是占地面积较大、流程长、初期投资较大、物料的温度不容易控制，煅烧的产品质量不容易控制，能耗较高。③沸腾炉。优点是有效换热面积大、操作控制准确。无机械搅拌装置和采用内管换热，使设备易于维修；缺点是物料易粘壁、堵塞，需经常清理。适用于过热蒸汽作为热源的生产线。若以蒸汽作为热源，较常使用沸腾炉，其工作原理是：沸腾炉在床层内装有大量的加热管，蒸汽由加热管向物料传递大量的热量，通过蒸汽与炉底鼓入的空气混合在一起，使连续投入的二水石膏粉，一进入床层几乎瞬间就与里面大量热粉料混合均匀，二水石膏粉处于流态化，脱水分解，脱掉1.5个结晶水后，即为建筑石膏粉。2.4 建筑石膏粉的改性建筑石膏粉颗粒主要集中在40～60μm,存在颗粒级配差，分布比较集中，没有细粉，比表面积比较小，其比表面积只有天然建筑石膏粉磨后的40%～60%。试验结果表明，粉磨改性是改善建筑石膏粉颗粒级配的有效手段。有利于石膏活性发挥的破碎力中冲击、劈裂为最好，其次是折断和磨剥，最差的是挤压力。球磨机内物料所受的力主要是冲击的磨剥，而辊压式磨机则以挤压力的磨剥为主，所以两者磨出的物料在性质上具有较大差别。目前主要使用有雷蒙磨、球磨、冲击磨、涡轮磨等粉磨机。从实际使用情况看，冲击式磨粉机比较合适，其产量大、并可根据需要调节建筑石膏粉的粒径范围，其粉磨效果好，能够满足各种石膏制品的要求。2.5 石膏粉的陈化、冷却等后处理陈化即将新制的建筑石膏改善其物理性质的存放过程。生产过程中，尽管原料已进行均化，但煅烧过程不同时间段、不同批次的成品质量还是有差别的，因此对煅烧后的石膏粉进行陈化冷却是必要的。由于在220℃条件下生成的无水石膏比较容易在空气中吸水变成半水石膏，陈化过程中，Ⅲ型无水石膏在水蒸气或水的作用下会还原为半水石膏，而同时二水石膏脱水转化成半水石膏。经过一定时间的陈化后，可使石膏粉的相变过程趋于稳定，提高半水石膏的含量，降低其标准稠度需水量，大大改善了建筑石膏粉的物理性能，提高了产品质量。实际应用中，常用的陈化方式有机械陈化法和自然陈化法。机械陈化法的陈化时间短、效率高，但需要增加机械设备，如风动、螺旋冷却或回转筒冷却陈化设备，因此设备投资和能耗都比较高。自然陈化法是利用自然条件来陈化以达到稳定建筑石膏粉质量的目的，具有周期长、效率低，简便实用耗能低等特点。但容易使陈化仓内料层堆积，造成陈化作用不均匀，难以使相变过程趋于稳定,其可采用自然陈化并辅以机械倒库等手段，使料层与冷空气、余热等进行充分交换，以达到冷却、陈化的效果。3 主要设备、能耗及产品性能介绍（以年产10万t产能为例）3.1 主要设备（1）上料系统：原料斗、皮带计量称、除铁器、皮带机。（2）烘干系统：干燥机、斗式提升机、打散机。（3）煅烧系统：沸腾炉、斗式提升机。（4）陈化、冷却；螺旋输送机、斗式提升机、陈化库。（5）改性系统：振动给料机、改性磨。（6）包装系统；袋式包装机系统散装系统装车机。（7）除尘系统；旋风除尘器布袋除尘器。（8）其他；空压机、冷干机、配气、电气控制等。3.2 能耗情况（1）总功率约为500kW，实际生产无满负荷负载，依经验电耗≤20kW/t成品粉。（2）蒸汽耗能。使用蒸汽作为加热介质，主要分为饱和和过热蒸汽。过热蒸汽热效果、传热系数均较差，其过热度与换热面积成正比，过热度每增加2℃，约需增加1%的换热面积，故尽量选择饱和蒸汽。当蒸汽参数为0.9～1.3MPa、180～250℃蒸汽时，蒸汽耗量为650～800kg/t成品粉。3.3 生产成品指标按照建筑石膏粉应用于制作石膏砂浆为例，应符合以下要求：二水石膏≤3%、半水石膏≥75%、无水石膏Ⅲ≤5%；初凝时间≥6min（可调）、终凝时间≤30min（可调）；抗折强度(2h)≥2.5MPa、抗压强度（2h）≥3.9MPa；标稠为62％～75％（可调）。4 生产线特点（1）生产线采用烘干+煅烧二步法工艺，优点是换热面积大，换热效率高，生产工艺简单，投资省，易操作。（2）该系统对不同原料的适应性广，特别是以水分高、粘度大的脱硫石膏为原料的生产线具有明显的优势。（3）在生产过程中可根据市场要求适当调整生产参数，稳定生产出符合国家标准技术指标要求的合格建筑石膏产品。