脫硫石膏煅燒工藝及其砌塊的研究與展望

段愛(ài)萍

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 引言

脫硫石膏是指對(duì)含硫燃料（煤、油等）燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硫處理得到的工業(yè)副產(chǎn)品。未來(lái)幾年隨著大量的脫硫裝置投入運(yùn)行，我國(guó)每年將產(chǎn)生3 000～10 000萬(wàn)t脫硫石膏。如果不能很好地處置和綜合利用這些工業(yè)石膏，既浪費(fèi)資源，又會(huì)因填埋占用大量的土地,對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，影響企業(yè)和社會(huì)的良性發(fā)展。選擇合理的脫硫石膏處理工藝，拓展工業(yè)副產(chǎn)石膏的利用空間，是節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。這里對(duì)脫硫石膏的煅燒工藝及利用脫硫石膏生產(chǎn)高性能石膏砌塊的研究進(jìn)行了闡述，以期對(duì)工業(yè)石膏的利用提供幫助。

1 脫硫石膏煅燒工藝技術(shù)

脫硫石膏的主要成分是二水石膏 （CaSO4·2H2O），不能直接用來(lái)生產(chǎn)石膏制品，通常需要煅燒加熱到一定溫度使其失去部分結(jié)晶水，制備成半水石膏（CaSO4·0.5H2O），也稱熟石膏。煅燒工藝是影響脫硫石膏制品質(zhì)量和應(yīng)用的主要因素。在脫硫石膏煅燒過(guò)程中，當(dāng)溫度升高、脫水速度加快時(shí)，由于石膏導(dǎo)熱性能不良，容易造成石膏的內(nèi)外溫度分布不均勻，形成多相混合物。因此，合理選擇煅燒干燥工藝及設(shè)備，才能保證石膏制品的質(zhì)量。

石膏煅燒方式繁多，按加熱方式分為間接加熱和直接加熱，按煅燒脫水速度分為慢速煅燒、中速煅燒和快速煅燒,按出料方式分為間歇式和連續(xù)式。低溫慢速煅燒：指煅燒時(shí)物料溫度小于150℃，物料在爐內(nèi)停留幾十分鐘或1 h以上的煅燒方式，如連續(xù)炒鍋、流化床式焙燒爐。中速煅燒：物料在窯內(nèi)停留時(shí)間在幾分鐘、十幾分鐘，物料溫度在140～165℃之間。快速煅燒：指煅燒物料溫度大于160℃，物料在爐內(nèi)停留幾秒鐘的煅燒方式。隨著生產(chǎn)需要和技術(shù)進(jìn)步，各種煅燒工藝和設(shè)備也在不斷的完善和融合。

對(duì)石膏煅燒方式的選擇一般有以下原則：1）按石膏的種類和性狀選擇，看原料石膏是天然石膏還是工業(yè)石膏，是顆粒狀還是粉狀。如果是粉狀，宜選用快速煅燒設(shè)備，如果是顆粒狀，則宜選用在窯內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)的設(shè)備。2）按終端產(chǎn)品的種類選擇。如果是生產(chǎn)石膏建材制品，如各種石膏板材、砌塊等，宜選用快速煅燒設(shè)備，因用快速法生產(chǎn)的建筑石膏凝結(jié)硬化快，可提高生產(chǎn)效率，加速模具的周轉(zhuǎn)。如果是生產(chǎn)石膏膠凝材料，如粉刷石膏、石膏粘接劑、石膏接縫材料等，宜選用慢速煅燒設(shè)備，因?yàn)橛寐凫褵漠a(chǎn)品凝結(jié)硬化較慢，有利于減少外加劑的摻量，降低生產(chǎn)成本。

目前，國(guó)內(nèi)用于脫硫石膏生產(chǎn)線的煅燒工藝裝備主要有回轉(zhuǎn)窯、立式炒鍋、沸騰爐、彼得磨等，各種裝備的技術(shù)性能和煅燒產(chǎn)品的綜合指標(biāo)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 回轉(zhuǎn)窯煅燒工藝

回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)有直接煅燒和間接煅燒兩種方式。直接煅燒式回轉(zhuǎn)窯，窯體有較長(zhǎng)的干燥帶，這種煅燒方式因?yàn)槠涓G體內(nèi)有較大分壓的水蒸汽，因此煅燒的石膏質(zhì)量好且穩(wěn)定,但要注意排潮和收塵。目前石膏煅燒工藝應(yīng)用較多的是帶有一體化冷卻器的內(nèi)管加熱式回轉(zhuǎn)窯，這種回轉(zhuǎn)窯采用間接加熱方式，物料停留時(shí)間較長(zhǎng)。內(nèi)管加熱式回轉(zhuǎn)窯是通過(guò)煙氣管道將煙氣的熱量傳遞給物料，在其后的冷卻管中，物料得以陳化，具有連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)出料的特點(diǎn)，且能適應(yīng)原料粒度的變化，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，可靠性高。但這種回轉(zhuǎn)窯由于入料的粒級(jí)范圍較寬，不可避免地出現(xiàn)產(chǎn)品的多相組成，這種現(xiàn)象尤其在煅燒粒狀原料的連續(xù)式回轉(zhuǎn)窯中更為突出，從而在一定程度上限制了連續(xù)回轉(zhuǎn)窯對(duì)低品位石膏原料的適用性。

1.2 炒鍋煅燒工藝

煅燒脫硫石膏較理想的設(shè)備是炒鍋，但能耗比氣流煅燒設(shè)備要高。脫硫石膏含水率一般在10%以上,入炒鍋炒制前需先對(duì)其進(jìn)行干燥至水分小于2%。可選用干燥管進(jìn)行前期干燥，這種干燥器比較適合小顆粒的粉狀脫硫石膏,處理能力大,能耗低。炒鍋在脫水過(guò)程中,鍋內(nèi)粉體保持了一定的脫水壓力,產(chǎn)品中生成一定比例的α-半水石膏,這一比例,隨炒鍋高度/直徑的比例增大而增大。炒鍋具有物料溫度容易控制、產(chǎn)品均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但必須保證石膏粉料在達(dá)到一次沸騰時(shí)保持流態(tài)化，否則炒鍋內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)脫水速度不均一的情況，影響煅燒產(chǎn)品物化性能。目前國(guó)內(nèi)的小型企業(yè)大多使用傳統(tǒng)老式炒鍋，熱效率較低，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高,工作環(huán)境較差。

1.3 沸騰爐煅燒工藝

石膏沸騰煅燒爐的床層狀態(tài)屬于鼓泡床，因此將這種爐子形象地稱作“沸騰爐”。正常工作時(shí)，從沸騰爐底部鼓入空氣,通過(guò)氣體分布板進(jìn)入流化床。鼓入空氣使床層實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，在流化床中的加熱管向物料傳遞大量的熱量，使二水石膏粉達(dá)到脫水分解的溫度,二水石膏就在流化床中脫去結(jié)晶水，結(jié)晶水又變?yōu)檎羝@些蒸汽與爐底鼓入的空氣混合在一起，通過(guò)床層向上運(yùn)動(dòng)。由于在流化床中粉料激烈的翻滾、混合，所以在整個(gè)流化床中各處的物料溫度和成分幾乎是一致的。連續(xù)投入的生石膏粉一進(jìn)入床層，幾乎瞬間就與床層中大量熱粉料混合均勻，在熱粉料中迅速脫水分解。

沸騰爐煅燒工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是有效換熱面積大且操作控制準(zhǔn)確，既具有炒鍋煅燒的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可方便地回收蒸汽或熱介質(zhì)油所攜帶的熱量再循環(huán)利用，熱效率高。由于無(wú)機(jī)械攪拌裝置和采用內(nèi)管換熱，使設(shè)備維修工作簡(jiǎn)單化，因而可延長(zhǎng)設(shè)備本體的使用壽命。

1.4 彼得磨煅燒工藝

彼得磨將粉磨煅燒一體化，煙氣與物料直接接觸，脫硫石膏分散后與熱煙氣直接充分地進(jìn)行熱交換，并在3～5 s內(nèi)料溫迅速升高，使其快速脫去脫硫石膏自由水的同時(shí),脫去石膏中的一個(gè)半結(jié)晶水，實(shí)現(xiàn)脫硫石膏的干燥與煅燒在同一臺(tái)設(shè)備中瞬間完成，生產(chǎn)出無(wú)水石膏Ⅲ含量較多的熟石膏。而Ⅲ型無(wú)水石膏是不穩(wěn)定相，在含濕空氣中很容易吸潮而成半水相。因此這種煅燒方式需加冷卻裝置降低料溫，對(duì)物料做進(jìn)一步陳化處理。此類快速煅燒爐煅燒的產(chǎn)品均處于“過(guò)火”狀態(tài)，存有大量的無(wú)水石膏Ⅲ，只有經(jīng)過(guò)冷卻陳化，其相組成才能發(fā)生改變（增加半水相）。生產(chǎn)中配套良好的冷卻陳化工藝措施是保證產(chǎn)品質(zhì)量的必要條件。

彼得磨換熱強(qiáng)度較高，設(shè)備簡(jiǎn)潔緊湊，占地面積小，但要求石膏的成分相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)的溫度控制及操作要求嚴(yán)格，特別對(duì)原料的雜質(zhì)含量和原料的品位波動(dòng)要求較嚴(yán)。這種煅燒工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是粉磨煅燒一體化、生產(chǎn)效率高，煅燒車間的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔緊湊，更具節(jié)能化和效率化。

2 脫硫石膏砌塊的應(yīng)用及研究進(jìn)展

2.1 脫硫石膏砌塊的發(fā)展概況

石膏砌塊是一種新型輕質(zhì)墻體材料，它具有眾多優(yōu)良的建筑物理性能，如質(zhì)輕、防水、抗震、保溫隔熱、隔聲等，十分適合于砌筑各類工業(yè)與民用框架建筑物內(nèi)隔墻，以及高層和超高層的框架結(jié)構(gòu)建筑物的內(nèi)隔墻。脫硫石膏砌塊是以脫硫石膏為主要原料，將其進(jìn)一步加工制成膠結(jié)材（也可摻加適量粉煤灰和水泥），再加少量增強(qiáng)纖維（也可加入適量膨脹珍珠巖），經(jīng)料漿制備、澆注成型、初凝后抽芯、蒸養(yǎng)或自然養(yǎng)護(hù)和干燥等工藝制成的輕質(zhì)板材。

國(guó)外20世紀(jì)40年代，國(guó)際上開(kāi)始用天然石膏制取半水石膏作原料,以平模澆注法生產(chǎn)石膏砌塊。20世紀(jì)50年代中期,改用立模澆筑、頂升技術(shù)生產(chǎn),產(chǎn)量有明顯提高。20世紀(jì)70年代以來(lái)，成型技術(shù)不斷提高，立模頂升工藝由半自動(dòng)向全自動(dòng)發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái)用煙氣脫硫石膏替代天然石膏作原料，并不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。目前全世界有60多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)和使用石膏砌塊，主要用于住宅、辦公樓、旅館等作為非承重內(nèi)隔墻。國(guó)際上已公認(rèn)石膏砌塊是可持續(xù)發(fā)展的綠色建材產(chǎn)品，在歐洲占內(nèi)墻總用量的30%以上。

石膏砌塊自20世紀(jì)80年代引進(jìn)中國(guó)。近30年來(lái)，石膏砌塊雖然沒(méi)有像其它水泥類墻體材料一樣得到迅猛廣泛的應(yīng)用，但也在穩(wěn)步發(fā)展。一些科研單位和生產(chǎn)廠家在湖北荊門(mén)和北京等地研制并生產(chǎn)了石膏砌塊，用于多層、高層建筑的非承重內(nèi)隔墻。對(duì)石膏砌塊的開(kāi)發(fā)，可認(rèn)為是我國(guó)在建筑材料、施工方面的一大改革，符合住宅建設(shè)向現(xiàn)代化邁進(jìn)的要求。

2.2 脫硫石膏砌塊應(yīng)用中存在的問(wèn)題

按其結(jié)構(gòu)特性，石膏砌塊可分為實(shí)心、空心和夾心砌塊。我國(guó)的石膏砌塊行業(yè)主要以天然石膏為原料，但隨著我國(guó)燃煤電廠脫硫的廣泛采用，國(guó)家制訂了推動(dòng)電廠脫硫石膏綜合利用的產(chǎn)業(yè)政策，一些企業(yè)開(kāi)始把脫硫石膏作為研究和使用方向，脫硫石膏生產(chǎn)的砌塊也陸續(xù)面市。但目前市面的脫硫石膏砌塊，甚至天然石膏砌塊都普遍存在產(chǎn)品強(qiáng)度不高、質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)量低等現(xiàn)象，直接影響石膏砌塊的使用和聲譽(yù)，導(dǎo)致建筑業(yè)想用又不敢用的局面。

近年來(lái),大部分脫硫石膏用來(lái)生產(chǎn)石膏板，紙面石膏板的迅速發(fā)展使得市場(chǎng)上的產(chǎn)品已基本飽和，而脫硫石膏砌塊市場(chǎng)存在著很大的發(fā)展空間。但是，脫硫石膏砌塊還存在諸多問(wèn)題亟待解決，利用脫硫石膏生產(chǎn)出的砌塊往往會(huì)出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，使得膩?zhàn)印⑼苛系让撀洌@是脫硫石膏砌塊最大的應(yīng)用難題。同時(shí)，脫硫石膏砌塊筑成的墻表面還會(huì)出現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象。由于石膏材質(zhì)較脆，在運(yùn)輸及安裝中斷裂，特別是用石膏空心砌塊做門(mén)口板，更容易產(chǎn)生裂縫。另外，石膏砌塊的耐水、防潮性能較差，也大大限制了使用。

2.3 脫硫石膏砌塊的研究進(jìn)展

隨著環(huán)境保護(hù)的壓力、墻改力度的加大以及綠色建材的需求，促使人們重新加大了對(duì)石膏砌塊生產(chǎn)技術(shù)的深入研究和性能改進(jìn)，并且取得了很大的進(jìn)步，制品品質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

許多生產(chǎn)廠家對(duì)石膏砌塊做了改性措施，如摻加一定比例的珍珠巖粉及纖維來(lái)改善砌塊的脆性和降低密度,摻加硅酸鹽水泥改善制品的耐水、防潮性能。針對(duì)脫硫石膏生產(chǎn)石膏砌塊過(guò)程中脫硫建筑石膏品質(zhì)低及石膏砌塊質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，研究人員也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為合理控制煅燒溫度和時(shí)間可以有效的提高脫硫建筑石膏的性能。以下是目前國(guó)內(nèi)對(duì)脫硫石膏砌塊及生產(chǎn)工藝具有代表性的研究實(shí)例：

柏玉婷、李國(guó)忠等對(duì)脫硫石膏的特性及煅燒工藝進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用預(yù)烘干+煅燒的方法煅燒脫硫石膏的試樣性能較好，具體工藝為先在50℃下烘干2 h，進(jìn)而在155℃下煅燒；此工藝條件下煅燒的脫硫石膏，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)了國(guó)家關(guān)于建筑石膏優(yōu)等品的性能要求。

黃偉、陶珍東等對(duì)脫硫石膏作墻體材料的研究結(jié)果表明：165℃溫度下炒制3.5 h所得的建筑石膏最佳。脫硫石膏加入一定量的水泥、礦渣、粉煤灰制成的復(fù)合墻體材料對(duì)其性能有較大的提高,最佳配料為水泥12.5%、礦渣12%、粉煤灰10%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d。

張俊生、路北戰(zhàn)等研究了耐水型石膏砌塊的制備工藝，得到的優(yōu)化配比：脫硫建筑石膏74.9%、KD-3耐水劑 25%、緩凝劑 0.1%、泡沫 0.2 m3/m3（泡沫體積/料漿體積），砌塊在80℃條件下養(yǎng)護(hù)16 h，制得砌塊的表觀密度1 087 kg/m3、軟化系數(shù)0.68，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

張志國(guó)、高玲艷等在脫硫石膏制耐水石膏砌塊的研究一文中提出用礦渣、高鈣粉煤灰、熟料和復(fù)合激發(fā)劑制作耐水改性材料，用于提高石膏制品的耐水性；優(yōu)化了耐水石膏的配比和工藝。膨脹珍珠巖的使用,解決了改性石膏表觀密度大的問(wèn)題,制備出了符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的石膏砌塊。

3 脫硫石膏砌塊研究的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 開(kāi)發(fā)新型石膏砌塊成型機(jī)組

目前利用“立模成型、液壓頂升”原理設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成型機(jī)組仍是世界上最先進(jìn)的機(jī)組。其生產(chǎn)效率較高，每小時(shí)可達(dá)6～7個(gè)周期，每周期可頂出1～2排，每排模腔數(shù)可達(dá)10～30個(gè)。這就在提高產(chǎn)量的同時(shí)，也降低了能耗和成本。同時(shí)由于采用制造十分精密的模腔，并在里面電鍍耐磨硬鉻，因此砌塊尺寸精度高、表面光潔，省去了砌墻時(shí)的抹灰工序。

3.2 利用廢料、優(yōu)化配方，降低制造成本

通過(guò)優(yōu)化配方，在提高石膏砌塊各項(xiàng)技術(shù)性能和使用性能的基礎(chǔ)上，降低生產(chǎn)成本。開(kāi)發(fā)多種形狀、規(guī)格的石膏空心砌塊，或在石膏砌塊內(nèi)摻加膨脹珍珠巖、超輕陶粒等輕集料，或在改用高強(qiáng)石膏（α-半水石膏）的同時(shí)摻入大比例的粉煤灰，或摻加爐渣等廢料以提高產(chǎn)品強(qiáng)度及降低成本，或摻加水泥及用玻璃纖維增強(qiáng)，或在脫硫石膏中摻加粉煤灰及激發(fā)劑以提高制品耐水性等。

3.3 開(kāi)發(fā)完整的產(chǎn)品體系

在基本規(guī)格（666 mm×500 mm）石膏砌塊的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)各種其他規(guī)格及形狀的產(chǎn)品，形成較完整的產(chǎn)品系列，以滿足不同用戶的需求。另外為了便于砌筑工人操作,還可開(kāi)發(fā)一些小規(guī)格的石膏砌塊。

3.4 開(kāi)發(fā)石膏砌塊墻體的配套施工機(jī)具及配件

施工機(jī)具：開(kāi)槽工具，開(kāi)洞工具等。配件：石膏砌塊墻體專用的門(mén)框、窗框及固定件，彈性連接壓邊條,異性連接件和保護(hù)角,密封條,鍍錫溝紋扁鋼等。輔助材料：粘結(jié)石膏、嵌縫石膏、混合石膏等。

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