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“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
(寧夏石膏工業設計研究院，銀川 750001)
摘要：本文通過對目前國內脫硫石膏資源、應用現狀和脫硫石膏原料特性的分析，對目前國內常用的各種煅燒工藝、設備及所形成產品的特點進行了比對分析，論述了在生產中開發適合于市場產品和脫硫石膏特性的各項專用技術和設備的重要性，同時詳細的介紹了一種能夠實現脫硫石膏產業化的新技術一混燒法工藝技術及設備，通過對混燒法工藝技術及設備的工作原理及工藝特點介紹，論述了混燒法是能夠適應目前市場及不同產品需求、有效實現脫硫石膏資源化和產業化、具有較高的環保節能意義的新技術。
關鍵詞：脫硫石膏;混燒法;資源化綜合利用;產業化技術
1 脫硫石膏的現狀
1.1 脫硫石膏產生過程及現狀
脫硫石膏是指來自排煙脫硫工業，為除去煤燃燒后產生的S02氣體，采用磨細石灰/石灰石料漿噴淋吸收經過除塵處理后的S02煙氣，使之發生化學反應形成的顆粒細、品位高的濕態二水硫酸鈣晶體。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2549萬噸，具世界**，比2000年增長了27%。根據《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規劃》要求，各地必須嚴格執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長的時期內仍然將以火電為主，而且隨著經濟的增長、石油等能源的進一步緊張，對電力供應的依賴更為嚴重。僅2007年我國就有新投產電力裝機1億多千瓦，全國電力總裝機已經達到7億千瓦，其中火電占到了總量的78%。據《2007年中國電力工業統計快報》統計，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，占全國煤電機組容量的50%以上。今后幾年，還將有大量的脫硫裝置陸續投入運行，預計到2010年，煙氣脫硫裝置投運容量將超過4.5億千瓦，屆時年產生脫硫石膏約1500萬噸以上。
而目前采用的脫硫技術(大型燃煤企業)，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用*為廣泛、技術*成熟、設施的適用性*好的脫硫技術，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)，通過向吸收塔內噴入石灰石漿液，使漿液與煙氣(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生充分反應，生成高純度的石膏。該工藝每吸收一噸二氧化硫就可以產生脫硫石膏2.7噸，因此每年產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副產石膏，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40%以上)，經脫水裝置脫水后，其附著水的含量一般都在10%。
(2)高細度。脫硫石膏粒徑較細，平均粒徑30~ 80μm，顆粒呈短柱狀、片狀、棗核狀等多種形狀，細度可達到200~ 300目以上，生產石膏粉時，可節省破碎、部分產品粉磨費用，但會產生大量的粉塵，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，是優質的石膏產制品原料。
(4)成分復雜。脫硫石膏中，二水硫酸鈣含量一般可達到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殘余的飛灰、有機碳，反應殘余的碳酸鈣、反應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，PH值一般為6~8，成分相對較為復雜。
(5)可利用性強。脫硫石膏作為工業副產石膏的一種，雖然其成分較為復雜，但所含雜質多為無機難溶性物質，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回到石灰料漿池，少量的殘余對后續應用的影響較小。而脫硫石膏的高純度，使脫硫石膏在煅燒后能夠產生較高的性能指標，因此脫硫石膏具有很強的可利用性。
1.3 脫硫石膏的應用現狀
脫硫石膏作為一種優質的石膏資源，具有很強的可利用性。但由于我國各地區資源、市場、經濟模式、思想觀念等均有較大差距，因此，對脫硫石膏這種工業副產石膏應用狀況，各地區也存在較大差異，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，天然石膏資源匱乏，近年已經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用方法：一種是采用常規的成球烘干的方法，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及石膏喂料系統較小的改造，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。該方法目前已經在廣東、海南、重慶等大型水泥企業普遍應用，效果較好，節省了成本和中間處理過程。該方法將會成為脫硫石膏應用于水泥緩凝劑的主要方式。
(2) 生產石膏制品
主要是利用脫硫石膏原料生產石膏粉及后續產制晶;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幾乎所有的石膏產制品。主要的產品有：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;目前以上產品和應用途徑均有部分企業生產。
(3)其它
主要是一些天然石膏資源豐富的地區或石膏應用市場較小的地區，已經形成了較大的天然石膏生產規模，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、內蒙、甘肅、山西、陜西等地均存在該類現象。
2 石膏煅燒工藝及設備現狀
目前隨著國家環保政策的逐步加強及實施、國家產業政策的調整、能源緊缺等大趨勢的影響，同時隨著石膏生產技術的逐步成熟、石膏生產原料的多元化、市場的旺盛需求，石膏產業在近年來得到了快速發展。大批的企業或研究單位轉向并關注著石膏產業，石膏產業不再是僅僅與建材相關聯的行業，石膏產業同時也對磷肥、電力以及高能耗的燃煤企業產生了較大的影響。隨著石膏生產原料的多元化，石膏生產技術及煅燒工藝和設備也逐步向多元化過渡。
目前石膏粉的煅燒設備從煅燒設備的傳熱形式上，可分為內燒設備和外燒式設備兩類，從設備的運行形式上又可分為間歇式設備和連續式設備兩類，連續式設備從工藝形式上分為逆流式和順流式兩種。在各類設備的長期運行或熱工標定及實際的生產實踐中，一般認為，內燒式設備煅燒速度快，產量大，能耗低，產品凝結時間偏短，強度較高(高溫快速煅燒，產品中Ⅲ型相比例較高(40%- 70%)，二水相比例較低(20%-40%))，產品較
適合建筑石膏制品。目前市場中的大規模建筑石膏粉生產設備如閃燒窯、連續式回轉窯、斯德爐等均屬此類設備，但其在具體的設備構造上和運行工藝技術上各有特點，生產得到的產品性能上也不盡相同;外燒式設備一般較適合小規模生產，生產能耗較高(煤在爐膛或燃燒室燃燒，產生的火焰和熱煙氣通過輻射、傳導等方式直接對煅燒設備進行加熱，通過設備鋼板的熱傳遞進行物料的加熱升溫脫水)，設備壽命較短，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，產品凝結時間一般較長，強度較高，物相中半水石膏比例較高，Ⅲ型相比例較低，且在生產過程中，燃料對產品白度不會產生污染，產品尤其適合用于一些特殊的用途或對自度有要求的行業。間歇式設備一般均為外燒設備，生產規模較低，能耗較大，但產品由于間歇式生產，生產調整范圍較寬，產品適應性較好，適合于生產小規模多用途的產品，一般產品質量較高但穩定性較差;連續式設備是實現石膏粉規?；a的主要設備形式，特點是規模大、產品穩定、機械化和自動化控制水平高、環保能夠得到較好的**。而連續式設備在工藝布置上根據工藝要求或產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，但由于物料進窯后逐步通過預熱、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行預熱烘干，利用較低的溫度進行煅燒，煅燒控制要求較低，但熱利用率因設備的規格區別較大，設備長度較長才能**較高的熱利用率。
3 混燒法工藝及設備的特點
混燒法工藝技術和設備主要是我院根據以上各種煅燒工藝和設備的特點，結合近年來國內大量產生的工業副產石膏一脫硫石膏的特性而研制開發的一種適用于脫硫石膏特點的新型的**節能的大型煅燒設備。該設備主要是結合了內燒設備的低能耗、**率;外燒設備的產品質量好、不影響產品白度、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，順流的高溫預熱烘干、提高烘干效率的特點進行設計制造的。該設備采用高溫熱煙氣對煅燒窯烘干帶外體的加熱，使物料在高溫帶迅速的完成預熱烘干，使含水量高達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的降低降低了窯體的溫度，降低了設備制作和運行對高溫帶材質的要求和延長了設備的壽命，降低了設備運行的不利參數。烘干后的物料通過初步熱利用降溫后進入旋管中的熱煙氣的逐步換熱升溫達到脫水溫度，物料開始吸收熱量脫出結晶水;同時，物料同出旋管后逆流返回的熱煙氣(250—400℃)直接接觸，進行進一步的熱交換，由于換熱效率的加大和換熱方式的增加，進一步提高了設備的換熱效率和熱煙氣的熱利用率，即提高了生產設備的產量，又降低了產品的熱耗。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燒的低溫熱煙氣的直接的對流和輻射的換熱形式，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，對后序的產品升溫煅燒過程創造了較有利于物料煅燒的條件(脫硫石膏細度大，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，影響產品性能或降低產品應用性能)。因此，該工藝方法和設備能夠適應脫硫石膏和其它副產石膏高含水量、高細度的特點，并且具有適應附著水含量范圍寬、原料不采用預烘干等處理措施、生產規模大、產品熱利用效率高、能耗低、產品質量高、產品可調整范圍寬等特點，是一種針對副產石膏特點的新型的、**的、節能的大規模生產工藝和設備。
3.1 混燒法生產工藝流程
混燒法工藝由于對原料不采用任何預處理，因此工藝相對較為簡單，整個生產線主要由喂料、煅燒、粉磨、包裝等工序組成，在生產過程中對于.生產的不同產品，根據產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 混燒法生產工藝的幾個特點
混燒法工藝主要是結合目前各種煅燒設備和煅燒形式的優點并針對目前工業副產石膏的特點而開發的，該工藝方法主要具有如下的特點：
(1)原料應性廣，對原料要求低，對原料不預先進行任何處理，工藝簡單
由于該工藝方法和設備結合了內燒、外燒、順流、逆流等多種煅燒和換熱形式，并且可通過工藝調節單獨實現其中的純外燒、純順流以及各種形式混合應用后的主次之分，因此，該工藝方法具有很強的工藝調節性，對不同原料和用戶需要的不同產品，可以通過工藝參數的調節來進行調整，實現一套設備適應多種原料、生產多種產品的*大利用價值;由于采用了獨特的可調節的高溫快速烘干和煅燒過程長短的控制，使該設備對原料所含水分的適應性較寬，能夠適應原料附著水在5%- 25 %之間的原料均可直接應用，而不對原料采用預烘干及其它的預處理過程。
(2)產品質量高、能耗低、生產規模大、環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)蒸發所需的熱量幾乎與煅燒結晶水所需的熱量相等，**烘干是提高生產規模的關鍵。由于生產設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、提高了生產規模(單機生產能力達到5-20萬噸)，又**了產品質量及產品性能的可調性，同時充分利用了熱能，降低了生產能耗(利用含水15%的脫硫石膏生產建筑石膏粉，能耗為50公斤煤/噸產品)。大型連續生產，配套有成熟完備的除塵裝置，**了較好的環保效果。
(3)產品類別的多樣化
利用該種工藝方法和設備可實現一條生產線、一套設備配套多種工藝參數，生產出能夠適用于多個行業應用的各類產品，能夠有效的發揮出生產線的*大價值。如采用該套技術和設備，利用同一種或不同種原料，根據市場要求生產建筑石膏粉、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制品的專用產品。使產品能夠更大幅度的適應市場和增強市場競爭能力。
(4)燃料種類的適應性強
該設備可采用煤(各種質量的煤均可)、燃油(重油或輕油)、天然氣等作為生產供熱的燃料，也可利用溫度達到300~1000℃之間的熱煙氣或廢氣作為熱源。
(5)設備功能性強
主設備混燒窯同時具備烘干(對含附著水5% ~ 15%的原料烘干)、煅燒(根據需要，調節工藝參數，煅燒出不同相比例的各類石膏粉產品)、冷卻(對出煅燒帶的物料進行一定程度的冷卻，使出料的料溫低于lOO℃，一般無冷卻裝置的設備出料的料溫一般在140℃)等功能，簡化了生產工序、節省了設備投資。
(6)產品粉磨
脫硫石膏由于細度細(可達180~ 250目)，而大多建筑石膏產品應用細度也僅為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合成，合成前的主要原料一碳酸鈣細度為200目左右，合成后形成的石膏顆粒經粒度分析，其粒度一般在30—80微米，相對比較集中，因此煅燒后的產品不能形成有利的顆粒級配，對后續應用效果產生很大的影響。具體試驗見表l。
由表1試驗數據可以看出，利用脫硫石膏生產的各類產品，可以根據產品的種類和用途決定是否采用粉磨設備，但不論何種產品，粉磨均有利于產品的應用。
3. 4 混燒法生產的石膏產品種類及性能參數
采用混燒法通過對煅燒過程工藝參數的調整，可穩定的生產多種性能指標差異較大的石膏產品。以下是采用脫硫石膏為原料，采用混燒工藝和設備生產的部分具有代表性的產品種類。
利用以上原料通過混燒工藝和設備生產的幾種B型石膏產品，產品的性能指標如表3。
以上產品中，產品一、二、三為直接通過工藝參數的調整而得到的，粉刷石膏產品和陶瓷模具石膏產品為利用煅燒得到的產品配制而成，由上表中的數據可以看出，通過該套工藝技術和設備生產的各類產品，性能指標均遠優于標準的要求和天然石膏的同類產品。產品能夠適應于市場中各類產制品對其性能的要求，產品具有很高的質量指標和很強的市場競爭能力。
4 結論
混燒法是實現脫硫石膏產業化應用的一種合適的、有效的生產工藝技術和設備，該工藝技術和設備能夠適應脫硫石膏的特性，能夠充分利用脫硫石膏的優勢，生產適合市場要求的各類石膏產制品。該套工藝和設備能耗低、生產規模大、設備功能性強，生產線工藝簡單、操作簡便，生產的產品性能優良。是能夠充分利用脫硫石膏資源的一種有效的產業化工藝技術和設備。
