您的當(dāng)前位置：“混燒法”煅燒工藝及脫硫石膏的資源化綜合利用的研究
“混燒法”煅燒工藝及脫硫石膏的資源化綜合利用的研究
王立明 于棣春 陳興福
(寧夏石膏工業(yè)設(shè)計研究院，銀川 750001)
摘要：本文通過對目前國內(nèi)脫硫石膏資源、應(yīng)用現(xiàn)狀和脫硫石膏原料特性的分析，對目前國內(nèi)常用的各種煅燒工藝、設(shè)備及所形成產(chǎn)品的特點進(jìn)行了比對分析，論述了在生產(chǎn)中開發(fā)適合于市場產(chǎn)品和脫硫石膏特性的各項專用技術(shù)和設(shè)備的重要性，同時詳細(xì)的介紹了一種能夠?qū)崿F(xiàn)脫硫石膏產(chǎn)業(yè)化的新技術(shù)一混燒法工藝技術(shù)及設(shè)備，通過對混燒法工藝技術(shù)及設(shè)備的工作原理及工藝特點介紹，論述了混燒法是能夠適應(yīng)目前市場及不同產(chǎn)品需求、有效實現(xiàn)脫硫石膏資源化和產(chǎn)業(yè)化、具有較高的環(huán)保節(jié)能意義的新技術(shù)。
關(guān)鍵詞：脫硫石膏;混燒法;資源化綜合利用;產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
1 脫硫石膏的現(xiàn)狀
1.1 脫硫石膏產(chǎn)生過程及現(xiàn)狀
脫硫石膏是指來自排煙脫硫工業(yè)，為除去煤燃燒后產(chǎn)生的S02氣體，采用磨細(xì)石灰/石灰石料漿噴淋吸收經(jīng)過除塵處理后的S02煙氣，使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的顆粒細(xì)、品位高的濕態(tài)二水硫酸鈣晶體。目前在我國排放的二氧化硫中，由火電廠排出的二氧化硫約占50%，2005年我國二氧化硫排放總量高達(dá)2549萬噸，具世界**，比2000年增長了27%。根據(jù)《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規(guī)劃》要求，各地必須嚴(yán)格執(zhí)行二氧化硫排放總量控制計劃，確保到2010年全國二氧化硫排放總量比2005年減少10%，有效控制酸雨污染，降低城市空氣二氧化硫濃度。而目前我國的電力在一個相當(dāng)長的時期內(nèi)仍然將以火電為主，而且隨著經(jīng)濟(jì)的增長、石油等能源的進(jìn)一步緊張，對電力供應(yīng)的依賴更為嚴(yán)重。僅2007年我國就有新投產(chǎn)電力裝機(jī)1億多千瓦，全國電力總裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到7億千瓦，其中火電占到了總量的78%。據(jù)《2007年中國電力工業(yè)統(tǒng)計快報》統(tǒng)計，截止2007年底全國火電廠煙氣脫硫裝置投運容量超過2.7億千瓦，占全國煤電機(jī)組容量的50%以上。今后幾年，還將有大量的脫硫裝置陸續(xù)投入運行，預(yù)計到2010年，煙氣脫硫裝置投運容量將超過4.5億千瓦，屆時年產(chǎn)生脫硫石膏約1500萬噸以上。
而目前采用的脫硫技術(shù)(大型燃煤企業(yè))，以濕式石灰/石灰石一石膏法為主，濕式石灰/石灰石一石膏法煙氣脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用*為廣泛、技術(shù)*成熟、設(shè)施的適用性*好的脫硫技術(shù)，約占目前所采用脫硫裝置容量的80%以上，該種工藝主要以石灰石為脫硫原料(二氧化硫吸收劑)，通過向吸收塔內(nèi)噴入石灰石漿液，使?jié){液與煙氣(二氧化硫)充分接觸、混合，使煙氣中的二氧化硫與石灰石漿液發(fā)生充分反應(yīng)，生成高純度的石膏。該工藝每吸收一噸二氧化硫就可以產(chǎn)生脫硫石膏2.7噸，因此每年產(chǎn)生的脫硫石膏的量非常巨大。
1.2 脫硫石膏的原料特性分析
脫硫石膏作為一種工業(yè)副產(chǎn)石膏，一般具有如下特點：
(1)高含水量。脫硫石膏大多都具有較高的附著水，呈濕渣排出(不采用脫水裝置的呈漿體排出，水含量可達(dá)40%以上)，經(jīng)脫水裝置脫水后，其附著水的含量一般都在10%。
(2)高細(xì)度。脫硫石膏粒徑較細(xì)，平均粒徑30~ 80μm，顆粒呈短柱狀、片狀、棗核狀等多種形狀，細(xì)度可達(dá)到200~ 300目以上，生產(chǎn)石膏粉時，可節(jié)省破碎、部分產(chǎn)品粉磨費用，但會產(chǎn)生大量的粉塵，增加除塵的費用。
(3)高品位。一般濕法脫硫中，脫硫石膏中二水硫酸鈣的含量都保持在90%～95%左右。按照天然石膏原料等級劃分，屬于一級石膏資源，是優(yōu)質(zhì)的石膏產(chǎn)制品原料。
(4)成分復(fù)雜。脫硫石膏中，二水硫酸鈣含量一般可達(dá)到90%以上，游離水含量一般在10%左右，其中還含有煙氣除塵系統(tǒng)殘余的飛灰、有機(jī)碳，反應(yīng)殘余的碳酸鈣、反應(yīng)不完全生成的亞硫酸鈣以及鈉、鉀、鎂的硫酸鹽、可溶性氯鹽等雜質(zhì)，PH值一般為6~8，成分相對較為復(fù)雜。
(5)可利用性強(qiáng)。脫硫石膏作為工業(yè)副產(chǎn)石膏的一種，雖然其成分較為復(fù)雜，但所含雜質(zhì)多為無機(jī)難溶性物質(zhì)，對石膏水化硬化性能影響較小;少量的可溶性鈉、鉀、氯鹽，在脫硫石膏漿體脫水時，大多隨過濾的水循環(huán)回到石灰料漿池，少量的殘余對后續(xù)應(yīng)用的影響較小。而脫硫石膏的高純度，使脫硫石膏在煅燒后能夠產(chǎn)生較高的性能指標(biāo)，因此脫硫石膏具有很強(qiáng)的可利用性。
1.3 脫硫石膏的應(yīng)用現(xiàn)狀
脫硫石膏作為一種優(yōu)質(zhì)的石膏資源，具有很強(qiáng)的可利用性。但由于我國各地區(qū)資源、市場、經(jīng)濟(jì)模式、思想觀念等均有較大差距，因此，對脫硫石膏這種工業(yè)副產(chǎn)石膏應(yīng)用狀況，各地區(qū)也存在較大差異，目前主要有以下幾種處理方式：
(1)做水泥緩凝劑
用量一般占水泥熟料的3% ~5%，水泥緩凝劑是目前石膏原料的*主要的用途，占整個石膏用量的75%左右;在南方的廣東、海南、福建、浙江等省區(qū)，天然石膏資源匱乏，近年已經(jīng)開始大幅度的采用脫硫石膏資源代替天然石膏用于水泥緩凝劑。脫硫石膏用于水泥緩凝劑目前一般有兩種應(yīng)用方法：一種是采用常規(guī)的成球烘干的方法，該方法主要為北方的水泥廠采用;另一種是脫硫石膏直接利用，主要是通過水泥配料系統(tǒng)及石膏喂料系統(tǒng)較小的改造，將含水10%的脫硫石膏散狀原料直接計量喂入水泥磨入料處。該方法目前已經(jīng)在廣東、海南、重慶等大型水泥企業(yè)普遍應(yīng)用，效果較好，節(jié)省了成本和中間處理過程。該方法將會成為脫硫石膏應(yīng)用于水泥緩凝劑的主要方式。
(2) 生產(chǎn)石膏制品
主要是利用脫硫石膏原料生產(chǎn)石膏粉及后續(xù)產(chǎn)制晶;由于脫硫石膏原料具有很好的可利用性，因此可以采用脫硫石膏生產(chǎn)幾乎所有的石膏產(chǎn)制品。主要的產(chǎn)品有：建筑石膏粉、粉刷石膏、各類模具石膏、其它特種用途石膏粉;石膏制品主要有：紙面石膏板、石膏砌塊、石膏條板、裝飾石膏板等;目前以上產(chǎn)品和應(yīng)用途徑均有部分企業(yè)生產(chǎn)。
(3)其它
主要是一些天然石膏資源豐富的地區(qū)或石膏應(yīng)用市場較小的地區(qū)，已經(jīng)形成了較大的天然石膏生產(chǎn)規(guī)模，脫硫石膏原料差價減小，原料競爭性減弱，脫硫石膏的利用受到各種條件的制約，大部分采用圈地堆放的方式處理。如寧夏、內(nèi)蒙、甘肅、山西、陜西等地均存在該類現(xiàn)象。
2 石膏煅燒工藝及設(shè)備現(xiàn)狀
目前隨著國家環(huán)保政策的逐步加強(qiáng)及實施、國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整、能源緊缺等大趨勢的影響，同時隨著石膏生產(chǎn)技術(shù)的逐步成熟、石膏生產(chǎn)原料的多元化、市場的旺盛需求，石膏產(chǎn)業(yè)在近年來得到了快速發(fā)展。大批的企業(yè)或研究單位轉(zhuǎn)向并關(guān)注著石膏產(chǎn)業(yè)，石膏產(chǎn)業(yè)不再是僅僅與建材相關(guān)聯(lián)的行業(yè)，石膏產(chǎn)業(yè)同時也對磷肥、電力以及高能耗的燃煤企業(yè)產(chǎn)生了較大的影響。隨著石膏生產(chǎn)原料的多元化，石膏生產(chǎn)技術(shù)及煅燒工藝和設(shè)備也逐步向多元化過渡。
目前石膏粉的煅燒設(shè)備從煅燒設(shè)備的傳熱形式上，可分為內(nèi)燒設(shè)備和外燒式設(shè)備兩類，從設(shè)備的運行形式上又可分為間歇式設(shè)備和連續(xù)式設(shè)備兩類，連續(xù)式設(shè)備從工藝形式上分為逆流式和順流式兩種。在各類設(shè)備的長期運行或熱工標(biāo)定及實際的生產(chǎn)實踐中，一般認(rèn)為，內(nèi)燒式設(shè)備煅燒速度快，產(chǎn)量大，能耗低，產(chǎn)品凝結(jié)時間偏短，強(qiáng)度較高(高溫快速煅燒，產(chǎn)品中Ⅲ型相比例較高(40%- 70%)，二水相比例較低(20%-40%))，產(chǎn)品較
適合建筑石膏制品。目前市場中的大規(guī)模建筑石膏粉生產(chǎn)設(shè)備如閃燒窯、連續(xù)式回轉(zhuǎn)窯、斯德爐等均屬此類設(shè)備，但其在具體的設(shè)備構(gòu)造上和運行工藝技術(shù)上各有特點，生產(chǎn)得到的產(chǎn)品性能上也不盡相同;外燒式設(shè)備一般較適合小規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)能耗較高(煤在爐膛或燃燒室燃燒，產(chǎn)生的火焰和熱煙氣通過輻射、傳導(dǎo)等方式直接對煅燒設(shè)備進(jìn)行加熱，通過設(shè)備鋼板的熱傳遞進(jìn)行物料的加熱升溫脫水)，設(shè)備壽命較短，熱利用率低(排出的煙氣溫度一般在250-350℃)，但由于物料受熱速度慢，物料脫水過程較長，產(chǎn)品凝結(jié)時間一般較長，強(qiáng)度較高，物相中半水石膏比例較高，Ⅲ型相比例較低，且在生產(chǎn)過程中，燃料對產(chǎn)品白度不會產(chǎn)生污染，產(chǎn)品尤其適合用于一些特殊的用途或?qū)ψ远扔幸蟮男袠I(yè)。間歇式設(shè)備一般均為外燒設(shè)備，生產(chǎn)規(guī)模較低，能耗較大，但產(chǎn)品由于間歇式生產(chǎn)，生產(chǎn)調(diào)整范圍較寬，產(chǎn)品適應(yīng)性較好，適合于生產(chǎn)小規(guī)模多用途的產(chǎn)品，一般產(chǎn)品質(zhì)量較高但穩(wěn)定性較差;連續(xù)式設(shè)備是實現(xiàn)石膏粉規(guī)?；a(chǎn)的主要設(shè)備形式，特點是規(guī)模大、產(chǎn)品穩(wěn)定、機(jī)械化和自動化控制水平高、環(huán)保能夠得到較好的**。而連續(xù)式設(shè)備在工藝布置上根據(jù)工藝要求或產(chǎn)品需要可采用逆流和順流兩類。一般，逆流的工藝形式換熱效率高，熱利用更為充分，但由于物料進(jìn)窯后逐步通過預(yù)熱、烘干、煅燒等溫度帶，物料煅燒完成在高溫帶，易形成大量的無水石膏相和Ⅲ型石膏相，因此對設(shè)備控制要求較高;順流的工藝形式主要利用高溫帶對物料進(jìn)行預(yù)熱烘干，利用較低的溫度進(jìn)行煅燒，煅燒控制要求較低，但熱利用率因設(shè)備的規(guī)格區(qū)別較大，設(shè)備長度較長才能**較高的熱利用率。
3 混燒法工藝及設(shè)備的特點
混燒法工藝技術(shù)和設(shè)備主要是我院根據(jù)以上各種煅燒工藝和設(shè)備的特點，結(jié)合近年來國內(nèi)大量產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)石膏一脫硫石膏的特性而研制開發(fā)的一種適用于脫硫石膏特點的新型的**節(jié)能的大型煅燒設(shè)備。該設(shè)備主要是結(jié)合了內(nèi)燒設(shè)備的低能耗、**率;外燒設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量好、不影響產(chǎn)品白度、煅燒過程明顯的特點，同時利用逆流的熱利用率高、換熱充分，順流的高溫預(yù)熱烘干、提高烘干效率的特點進(jìn)行設(shè)計制造的。該設(shè)備采用高溫?zé)釤煔鈱褵G烘干帶外體的加熱，使物料在高溫帶迅速的完成預(yù)熱烘干，使含水量高達(dá)20%的脫硫石膏中的水分迅速脫除，物料迅速烘干。在該過程，即利用高溫帶的高熱量完成大量附著水的脫出，同時又利用物料中大量水的脫出吸收的熱量適當(dāng)?shù)慕档徒档土烁G體的溫度，降低了設(shè)備制作和運行對高溫帶材質(zhì)的要求和延長了設(shè)備的壽命，降低了設(shè)備運行的不利參數(shù)。烘干后的物料通過初步熱利用降溫后進(jìn)入旋管中的熱煙氣的逐步換熱升溫達(dá)到脫水溫度，物料開始吸收熱量脫出結(jié)晶水;同時，物料同出旋管后逆流返回的熱煙氣(250—400℃)直接接觸，進(jìn)行進(jìn)一步的熱交換，由于換熱效率的加大和換熱方式的增加，進(jìn)一步提高了設(shè)備的換熱效率和熱煙氣的熱利用率，即提高了生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)量，又降低了產(chǎn)品的熱耗。在該過程中，既利用了順流外燒過程的間接的熱傳遞的換熱形式，同是又利用了逆流內(nèi)燒的低溫?zé)釤煔獾闹苯拥膶α骱洼椛涞膿Q熱形式，即適合高含水的脫流石膏快速脫出附著水所需的大量的熱量，又適度的降低了煅燒溫度，并加多了換熱方式和提高了換熱效率，對后序的產(chǎn)品升溫煅燒過程創(chuàng)造了較有利于物料煅燒的條件(脫硫石膏細(xì)度大，在高溫下脫水速度快，溫度過高，極易形成較多比例的無水相，影響產(chǎn)品性能或降低產(chǎn)品應(yīng)用性能)。因此，該工藝方法和設(shè)備能夠適應(yīng)脫硫石膏和其它副產(chǎn)石膏高含水量、高細(xì)度的特點，并且具有適應(yīng)附著水含量范圍寬、原料不采用預(yù)烘干等處理措施、生產(chǎn)規(guī)模大、產(chǎn)品熱利用效率高、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)品可調(diào)整范圍寬等特點，是一種針對副產(chǎn)石膏特點的新型的、**的、節(jié)能的大規(guī)模生產(chǎn)工藝和設(shè)備。
3.1 混燒法生產(chǎn)工藝流程
混燒法工藝由于對原料不采用任何預(yù)處理，因此工藝相對較為簡單，整個生產(chǎn)線主要由喂料、煅燒、粉磨、包裝等工序組成，在生產(chǎn)過程中對于.生產(chǎn)的不同產(chǎn)品，根據(jù)產(chǎn)品的需求可增加陳化、均化、混合等工序。工藝流程圖見圖1、圖2。
3. 2 混燒法生產(chǎn)工藝的幾個特點
混燒法工藝主要是結(jié)合目前各種煅燒設(shè)備和煅燒形式的優(yōu)點并針對目前工業(yè)副產(chǎn)石膏的特點而開發(fā)的，該工藝方法主要具有如下的特點：
(1)原料應(yīng)性廣，對原料要求低，對原料不預(yù)先進(jìn)行任何處理，工藝簡單
由于該工藝方法和設(shè)備結(jié)合了內(nèi)燒、外燒、順流、逆流等多種煅燒和換熱形式，并且可通過工藝調(diào)節(jié)單獨實現(xiàn)其中的純外燒、純順流以及各種形式混合應(yīng)用后的主次之分，因此，該工藝方法具有很強(qiáng)的工藝調(diào)節(jié)性，對不同原料和用戶需要的不同產(chǎn)品，可以通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)來進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)一套設(shè)備適應(yīng)多種原料、生產(chǎn)多種產(chǎn)品的*大利用價值;由于采用了獨特的可調(diào)節(jié)的高溫快速烘干和煅燒過程長短的控制，使該設(shè)備對原料所含水分的適應(yīng)性較寬，能夠適應(yīng)原料附著水在5%- 25 %之間的原料均可直接應(yīng)用，而不對原料采用預(yù)烘干及其它的預(yù)處理過程。
(2)產(chǎn)品質(zhì)量高、能耗低、生產(chǎn)規(guī)模大、環(huán)保效果好在脫硫石膏煅燒時，由于物料中含有大量的水分，因此，產(chǎn)量主要取決于煅燒速度，煅燒速度主要取決于附著水的烘干速度和結(jié)晶水的脫出速度，物料粒度較小，干燥后的煅燒脫水速度很快，但含高附著水的物料的烘干速度則較慢，附著水(20%時)蒸發(fā)所需的熱量幾乎與煅燒結(jié)晶水所需的熱量相等，**烘干是提高生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)鍵。由于生產(chǎn)設(shè)備采用了較多的換熱方式和**的烘干方法，在煅燒過程中采用較低的煅燒溫度和相對較溫和的換熱過程。因此，既有效的提高了換熱過程、提高了生產(chǎn)規(guī)模(單機(jī)生產(chǎn)能力達(dá)到5-20萬噸)，又**了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品性能的可調(diào)性，同時充分利用了熱能，降低了生產(chǎn)能耗(利用含水15%的脫硫石膏生產(chǎn)建筑石膏粉，能耗為50公斤煤/噸產(chǎn)品)。大型連續(xù)生產(chǎn)，配套有成熟完備的除塵裝置，**了較好的環(huán)保效果。
(3)產(chǎn)品類別的多樣化
利用該種工藝方法和設(shè)備可實現(xiàn)一條生產(chǎn)線、一套設(shè)備配套多種工藝參數(shù)，生產(chǎn)出能夠適用于多個行業(yè)應(yīng)用的各類產(chǎn)品，能夠有效的發(fā)揮出生產(chǎn)線的*大價值。如采用該套技術(shù)和設(shè)備，利用同一種或不同種原料，根據(jù)市場要求生產(chǎn)建筑石膏粉、陶瓷模具用石膏粉、粉刷石膏用石膏粉、石膏砌塊用石膏粉等各類石膏產(chǎn)制品的專用產(chǎn)品。使產(chǎn)品能夠更大幅度的適應(yīng)市場和增強(qiáng)市場競爭能力。
(4)燃料種類的適應(yīng)性強(qiáng)
該設(shè)備可采用煤(各種質(zhì)量的煤均可)、燃油(重油或輕油)、天然氣等作為生產(chǎn)供熱的燃料，也可利用溫度達(dá)到300~1000℃之間的熱煙氣或廢氣作為熱源。
(5)設(shè)備功能性強(qiáng)
主設(shè)備混燒窯同時具備烘干(對含附著水5% ~ 15%的原料烘干)、煅燒(根據(jù)需要，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，煅燒出不同相比例的各類石膏粉產(chǎn)品)、冷卻(對出煅燒帶的物料進(jìn)行一定程度的冷卻，使出料的料溫低于lOO℃，一般無冷卻裝置的設(shè)備出料的料溫一般在140℃)等功能，簡化了生產(chǎn)工序、節(jié)省了設(shè)備投資。
(6)產(chǎn)品粉磨
脫硫石膏由于細(xì)度細(xì)(可達(dá)180~ 250目)，而大多建筑石膏產(chǎn)品應(yīng)用細(xì)度也僅為120目，因此對脫硫石膏的粉磨工序一直存在爭議。脫硫石膏由于是化學(xué)合成，合成前的主要原料一碳酸鈣細(xì)度為200目左右，合成后形成的石膏顆粒經(jīng)粒度分析，其粒度一般在30—80微米，相對比較集中，因此煅燒后的產(chǎn)品不能形成有利的顆粒級配，對后續(xù)應(yīng)用效果產(chǎn)生很大的影響。具體試驗見表l。
由表1試驗數(shù)據(jù)可以看出，利用脫硫石膏生產(chǎn)的各類產(chǎn)品，可以根據(jù)產(chǎn)品的種類和用途決定是否采用粉磨設(shè)備，但不論何種產(chǎn)品，粉磨均有利于產(chǎn)品的應(yīng)用。
3. 4 混燒法生產(chǎn)的石膏產(chǎn)品種類及性能參數(shù)
采用混燒法通過對煅燒過程工藝參數(shù)的調(diào)整，可穩(wěn)定的生產(chǎn)多種性能指標(biāo)差異較大的石膏產(chǎn)品。以下是采用脫硫石膏為原料，采用混燒工藝和設(shè)備生產(chǎn)的部分具有代表性的產(chǎn)品種類。
利用以上原料通過混燒工藝和設(shè)備生產(chǎn)的幾種B型石膏產(chǎn)品，產(chǎn)品的性能指標(biāo)如表3。
以上產(chǎn)品中，產(chǎn)品一、二、三為直接通過工藝參數(shù)的調(diào)整而得到的，粉刷石膏產(chǎn)品和陶瓷模具石膏產(chǎn)品為利用煅燒得到的產(chǎn)品配制而成，由上表中的數(shù)據(jù)可以看出，通過該套工藝技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)的各類產(chǎn)品，性能指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的要求和天然石膏的同類產(chǎn)品。產(chǎn)品能夠適應(yīng)于市場中各類產(chǎn)制品對其性能的要求，產(chǎn)品具有很高的質(zhì)量指標(biāo)和很強(qiáng)的市場競爭能力。
4 結(jié)論
混燒法是實現(xiàn)脫硫石膏產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一種合適的、有效的生產(chǎn)工藝技術(shù)和設(shè)備，該工藝技術(shù)和設(shè)備能夠適應(yīng)脫硫石膏的特性，能夠充分利用脫硫石膏的優(yōu)勢，生產(chǎn)適合市場要求的各類石膏產(chǎn)制品。該套工藝和設(shè)備能耗低、生產(chǎn)規(guī)模大、設(shè)備功能性強(qiáng)，生產(chǎn)線工藝簡單、操作簡便，生產(chǎn)的產(chǎn)品性能優(yōu)良。是能夠充分利用脫硫石膏資源的一種有效的產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)和設(shè)備。
