磷石膏生產建筑石膏粉的雙溫聯控煅燒工藝與應用

王俊杰，方炎章

1 引言

工業副產石膏的種類繁多，其中磷石膏、脫硫石膏占總量的90%。目前磷石膏堆存量已超過3億噸，而且每年以8 000萬噸的排放速度增加，其中90%以上集中在云南、貴州、四川和湖北四省，其廢渣綜合利用率不到20%。目前磷石膏均以堆存方式排放，不僅占用大量土地，而且磷石膏中的可溶磷滲入水體后，導致水體出現嚴重的富營養化問題，嚴重污染了環境。

磷石膏是磷肥廠生產磷肥時伴生的工業廢渣，主要成分為CaSO4·2H2O，含量在70%～80%，pH值為1.5～4.5，主要雜質一般為可溶磷、共晶磷、可溶氟、難溶氟、有機化合物和各種無機鹽等，并有以下特點：含有一定比例的物理附著水分，含濕率一般在8%～25%；含游離磷酸、無機氟化物、磷酸一鈣、有機物等雜質，這些雜質嚴重影響建筑石膏產品質量和性能，且難以用經濟手段去除；具有低溫脫水特性，高溫段脫水和沸騰能力減弱，成品品質降低。與天然石膏粉相比，磷石膏顆粒級配不合理，顆粒大小和物理外觀形狀差異較大；磷石膏原料生產的建筑石膏粉標準稠度需水量偏高；與天然石膏粉相比，磷石膏干濕強度的比值低20%左右。每年排放和歷年堆積的大量磷石膏所造成的環保問題已成為制約磷化工行業可持續發展的重要因素，綜合利用磷石膏，實現節能減排是磷肥行業當前面臨的重要任務。

2 磷石膏雙溫聯控煅燒工藝

2.1 磷石膏煅燒工藝現狀及存在問題

工業副產磷石膏經烘干、煅燒改性處理后生成的石膏粉和石膏制品在水化動力、凝結特性、物理性能上與天然石膏基本一致，但因各種雜質的存在和原始狀態不同以及具有再生石膏的部分特征，磷石膏又有別于天然石膏。目前國內磷石膏的處理一般先采用水洗或石灰中和反應的方式去除部分雜質，再采用“一步法”或“二步法”的煅燒工藝生產建筑石膏粉。

采用工業副產磷石膏生產建筑石膏粉，按生產方式主要劃分為兩大工藝類型：一類為“一步法”工藝，采用高溫熱煙加熱的錘式快速粉碎烘干機，同時完成烘干和脫水（有的稱為“閃燒法”）；另一類為“二步法”工藝，先烘干物理水，再炒制脫去結晶水。除了這兩大主要工藝類型外，還有一種介于兩者之間的工藝，如采用高溫熱煙加熱的回轉式烘干機，同時完成烘干和脫水（也可以稱為“一步法”）。僅從工藝設備看，采用回轉烘干機“一步法”工藝最簡單，“閃燒法”工藝次之，“二步法”工藝最復雜。但從產品質量指標（如強度和標準稠度需水量）和使用性能指標（如初終凝時間和變化范圍）角度看，采用“閃燒法”工藝生產的產品，初終凝時間較短且容易隨存放時間長短而變化，采用“二步法”工藝生產的產品，初終凝時間可以在一定范圍內調節且比較穩定。“閃燒法”工藝生產的產品一般標準稠度需水量偏大，“二步法”工藝生產的產品一般標準稠度需水量偏小。“二步法”工藝最優，“閃燒法”工藝次之，回轉烘干機“一步法”工藝排第三位。

“一步法”工藝使用高溫熱煙直接加熱生產建筑石膏粉，如采用高溫熱煙加熱的錘式快速粉碎烘干機或回轉烘干機直接生產。一步法直熱回轉窯與一步法閃燒回轉窯是類似的煅燒技術，流程簡單，設備投資低，容易操作。但對于煅燒游離水含量大的磷石膏原料，很難保證產品質量的穩定性，煅燒排放尾氣溫度高（能耗高），實現自控生產較難。

“二步法”工藝使用一套或兩套高溫熱煙發生裝置為烘干裝置，和炒粉裝置同時或分別供熱生產建筑石膏粉，如二步法分室流化床與二步法沸騰爐均屬流態化慢速煅燒技術。二步法慢速煅燒先將原料大部分游離水烘干脫去，再進行石膏粉煅燒，有利于生產工藝的穩定，有利于燒出高品質的石膏粉，尤其適應于附著水含量較高的磷石膏原料。流態化煅燒，床層溫度均勻，易調節，能保證產品的低溫煅燒；石膏脫出的水分與物料層快速分離，煅燒效率高；煅燒排放尾氣不與物料摻混，溫度低（能耗低），除塵負荷小。由于分室流化床與沸騰爐采用的煅燒載熱體不同，在煅燒設備的生產效率和投資上也有所不同。分室流化床采用熱風做煅燒載熱體，熱風熱容和傳熱系數小，熱風需要量大（煅燒熱管體積大），造成分室流化床體積較大，占地面積大；沸騰爐采用導熱油或蒸氣做載熱體，載熱體的熱容和傳熱系數大（煅燒熱管體積可較小），同等煅燒負荷的沸騰爐體積可比分室流化床小很多，占地少。

無論是“一步法”還是“二步法”，均存在因燃燒所需風量過量導致煙氣排放量大和能耗高的問題。高溫熱煙直接加熱生產建筑石膏粉，一般采用高溫沸騰爐提供高溫熱煙氣。燃煤沸騰爐燃燒溫度通常≯950℃，受限于生產設備（無論是錘式快速粉碎烘干機還是回轉烘干機）的安全使用溫度（通常為700℃左右），燃燒所需過量風系數應＞4，實際尾煙氣排放量是理論燃燒煙氣排放量的2.5～3.5倍。綜合考慮干燥脫水設備效率和低溫腐蝕問題，一般尾煙排放溫度≮120℃，多余排放的1.5～2.5倍尾煙氣，排放熱損失高達20%～25%。過量的煙氣不僅使生產系統電耗增加20%以上，還使除塵環保設備投入增加30%以上。

2.2 磷石膏雙溫聯控煅燒工藝

針對目前磷石膏生產石膏粉煅燒工藝存在的問題，經公司多年研究，開發了以高效快速干燥機、熱能中心、雙溫聯控脫水機和改性磨機組成的磷石膏雙溫聯控煅燒工藝技術，即將含濕化學磷石膏干燥后炒制成建筑石膏粉的一體化雙溫聯控煅燒工藝。

（1）通過式含濕原料鎖風給料設備

磷石膏生產建筑石膏粉，需要烘干部分物理附著水，出于安全和節能環保考慮，一般需要在負壓狀態下工作。沒有鎖風裝備的生產系統，正常負壓工作狀態下的熱損失很大，一般會達到10%～30%左右。為了降低熱損失和避免燒損生產設備，生產給料系統有鎖風給料的要求，以阻止降低熱效率的冷空氣進入，使系統處于微正壓和微負壓之間的狀態下工作。公司的高效快速干燥機能有效消除粘接影響，具有自鎖風、經濟可靠、產量大、生產穩定、高效節能和消除漏冷風帶來的熱效率損失等特點。

（2）熱能中心

磷石膏的部分物理附著水或結晶水脫水采用燃煤供熱烘干方式，通常采用熱煙沸騰爐和鍋爐（目前一般使用導熱油鍋爐）兩類供熱設備。快速脫水工藝只需使用沸騰爐供熱設備，慢速脫水工藝一般同時采用沸騰爐和鍋爐兩種供熱設備。慢速脫水工藝設置有兩種供熱設備，再加上烘干和脫水分離的中間緩沖儲存調節系統，生產線生產和控制相對復雜，設備投資大，單條生產線規模受限（一般年產能力≯20萬噸）。目前大型生產線采用的快速脫水工藝存在能耗（主要是熱能）高、產品質量和性能指標達不到要求的問題。

根據研究和實踐，公司的熱能中心采用烘干裝置和炒粉裝置同時供熱的方式，并由改進設計的導熱油鍋爐同時提供生產系統所需的熱煙和熱油介質，不僅取消了中間緩沖儲存調節系統，簡化了生產工藝流程，還消除了導熱油鍋爐固有的排煙溫度高和熱損失相對較大的缺點，供熱（通過蒸汽或有機導熱油傳熱介質）燃燒所需的過量風系數通常只取1.5。

（3）雙溫聯控石膏脫水機

針對磷石膏的低溫脫水特性，雙溫炒制技術可以大幅度提高產品質量，降低磷石膏低溫脫水特性影響。

熱能中心提供給雙溫聯控石膏脫水機的熱源溫度≯250℃，干燥后的磷石膏進入雙溫聯控石膏脫水機的溫度為100℃左右，雙溫聯控石膏脫水機返回熱能中心的溫度為160℃左右。

雙溫聯控石膏脫水機與高溫袋除塵器結為一體，能有效克服熱濕氣體的結露，凈化炒粉設備和熱煙尾氣，大大簡化了建筑石膏粉生產工藝，提高了生產線運行的可靠性。

由于炒粉設備具有熱工內平衡調節功能，熱能中心、化學石膏干燥脫水機和快速烘干機作為一體化設備系統，保證了產品質量和性能指標穩定，不再需要中間緩沖系統。由于熱工內平衡調節功能，原料干燥已經不是傳統意義上的單純干燥，可以是部分干燥和部分過干燥，和炒粉設備共同自平衡調節，有利于提高產品質量和擴大產品性能指標調節范圍。

（4）改性粉磨與成品冷卻

目前利用工業副產磷石膏生產建筑石膏粉采用的是改性粉磨設備。改性粉磨的主要目的是改變磷石膏中不合理的顆粒物理外表結構和顆粒級配，使其使用性能和物理性能更接近天然石膏粉。

通常改性粉磨設備使用的是建材行業通用的球磨機，由于通用球磨機不是為改性粉磨工藝專門設計的，實際使用時經常出現為滿足進出料要求，選型過大造成電耗過大，甚至產生過粉磨影響產品性能指標（如初終凝間隔時間過短等）的問題。如選用標準通用球磨機，年產20萬噸規模需要配置動力300kW左右的球磨機。根據公司多年實踐和理論計算優化設計的專用改性粉磨機，動力只需100kW左右，可降低約2倍的電耗。

炒粉成品溫度一般＞150℃，但＞80℃的成品粉直接入倉會使建筑石膏粉的質量和性能指標發生較大的不可控變化，也容易結倉。而經流化冷卻和負壓輸送入倉，改性后的石膏粉入倉溫度＜60℃，產品性能指標不發生變化，并省略了陳化處理工藝，使工藝流程更加簡單。生產工藝流程如圖1所示。

3 磷石膏雙溫聯控煅燒工藝在生產線中的應用

圖1 生產工藝流程

2012年公司與四川鎣峰實業有限公司成立四川云河新型建材有限公司，投資5 000余萬元建設了一條年產20萬噸建筑石膏粉的生產線（設計年消耗26萬噸磷石膏）和一條年產100萬平方米石膏砌塊的生產線，于2013年5月一次性投料試產成功并運行至今。該生產線具有以下特點：

（1）整個生產系統采用負壓生產，專門研發了含濕原料鎖風給料機，防止了進料過程中漏冷風帶來的熱損失，達到了節能環保效果。

（2）采用一個加熱設備提供干燥所需的熱煙氣和炒粉所需的導熱油，僅通入＜2過剩空氣通風量，減少熱煙尾氣排放量1～2倍，同時降低排放溫度，熱利用率提高15%以上，系統電耗降低20%～30%。

（3）加熱設備、雙溫聯控自除塵石膏脫水機（炒鍋）和快速粉碎干燥機形成一體化設備系統，取消了中間緩沖系統，提高了產品產量、質量，擴大了產品性能指標調節范圍。

（4）設計了專用改性粉磨機，在降低電耗的同時實現了產品性能指標達到甚至超過天然石膏炒制的建筑石膏粉。

（5）采用冷空氣氣力輸送熱成品粉入成品倉，使熱成品粉入倉溫度＜60℃，防止了結倉及性能指標發生變化。

（6）采用了模塊化設計的自動化控制系統，整條生產線每班生產人員只需5人。

（7）采用磷石膏雙溫聯控煅燒工藝生產的石膏粉，其性能達到或超過了天然石膏制的建筑石膏粉。

性能指標如下：2h濕抗折強度：3.0～3.8MPa；2h濕抗壓強度：5.6～7.2MPa；初凝時間調節范圍：3～12min；終凝時間調節范圍：5～25min；初凝時間穩定性：＜1min；終凝時間穩定性：＜1.5min；石膏砌塊斷裂載荷：6 800～9 200N；煤耗：38kg標準煤/t粉；電耗：19kWh/t粉；粉塵排放濃度達到＜30mg/m3（標）；SO2排放濃度＜200mg/m3（標）。

4 結語

（1）工信部于2015年7月發布的《關于推進化肥行業轉型發展的指導意見》中提出，到2020年，磷石膏綜合利用量從目前年產量的30%提高到50%。工業副產磷石膏雙溫聯控煅燒工藝，為綜合利用工業副產磷石膏，實現磷化工的可持續發展提供了一種新思路、新技術、新途徑。

（2）工業副產磷石膏采用雙溫聯控煅燒工藝，所生產的石膏粉性能達到或超過了天然石膏制的建筑石膏粉，主機采用模塊化設計，工藝流程簡單，設備投資少，單線規模可達到年產100萬噸，可廣泛運用于紙面石膏板、石膏砌塊、粉刷石膏、自流平石膏砂漿等石膏制品的原料生產。

（3）為滿足國家日益嚴格的環保排放要求，可以燃氣或使用電廠蒸汽作為熱能中心的熱源。■