磷石膏流態(tài)化煅燒制備建筑石膏裝置工業(yè)化應(yīng)用

張建國，郭旭東，鐘 晉，劉 海

（云南云天化環(huán)保科技有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。隨著《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中相關(guān)磷石膏綜合利用要求的實(shí)施，以及磷化工行業(yè)“以渣定產(chǎn)”政策逐步落地，磷石膏規(guī)?；脛菰诒匦小?/p>

磷石膏主要成分為二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），其質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍在80%以上，是生產(chǎn)建筑石膏、Ⅱ型無水石膏優(yōu)良的原料，其產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于砂漿、自流平、條板等建材領(lǐng)域。當(dāng)前磷石膏制備建筑石膏生產(chǎn)工藝主要是以回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐為代表的一步法、兩步法，該工藝具有技術(shù)成熟、流程短、能耗低、產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定等優(yōu)勢，但單套裝置最大產(chǎn)能僅為30 萬t/a，且隨著產(chǎn)能提升產(chǎn)品無水相（AⅢ）含量逐步增加，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性顯著下降，制約其生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大。對此云南云天化環(huán)?？萍加邢薰九c國內(nèi)科研院所開展新技術(shù)研發(fā)，研制出磷石膏流態(tài)化煅燒制備建筑石膏/Ⅱ型無水石膏三步法新工藝，并在云南省安寧市建成36萬t/a建筑石膏（21.6萬t/a Ⅱ型無水石膏）生產(chǎn)線。

1 磷石膏流態(tài)化煅燒三步法工藝簡介

磷石膏流態(tài)化煅燒三步法工藝，分烘干預(yù)熱、煅燒、冷卻陳化三段（見圖1）。其中：（1）烘干預(yù)熱段為破碎原料磷石膏與經(jīng)文丘里干燥器加速后300～400 ℃熱煙氣直接接觸，產(chǎn)生熱量交換，除去磷石膏中大部分附著水，之后進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器，與130～160 ℃熱煙氣直接接觸，進(jìn)行二次熱量交換，除去剩余附著水及少許結(jié)晶水；若生產(chǎn)Ⅱ型無水石膏則將熱煙氣溫度提高至400～600 ℃。（2）煅燒段為二水石膏向建筑石膏（β-CaSO4·0.5H2O）/Ⅱ型無水石膏（CaSO4）轉(zhuǎn)晶過程。經(jīng)烘干預(yù)熱物料在流化床內(nèi)與120～150 ℃熱煙氣直接接觸，實(shí)現(xiàn)1.5 個結(jié)晶水脫除及晶型生長，生成β型半水石膏，即建筑石膏；生產(chǎn)Ⅱ型無水石膏則根據(jù)后端產(chǎn)品需求，將熱煙氣溫度在500～800 ℃做調(diào)整。（3）冷卻陳化段為產(chǎn)品冷卻余熱回收、建筑石膏陳化過程，煅燒爐出口熱態(tài)粉料在3 級旋風(fēng)分離器、冷卻流化床內(nèi)進(jìn)行冷風(fēng)與熱物料梯級逆流接觸，完成熱粉冷卻、冷風(fēng)加熱（燃料助燃風(fēng)），其中冷卻流化床內(nèi)熱粉與冷風(fēng)完成直接/間接（殼程、管程）換熱的同時，建筑石膏粉利用直接換熱冷風(fēng)中微量水分實(shí)現(xiàn)Ⅲ型無水石膏向β型半水石膏轉(zhuǎn)變，確保產(chǎn)品中w（Ⅲ型無水石膏）≤8%。冷卻陳化后產(chǎn)品經(jīng)過改性磨激活處理，除去晶型表面棱角實(shí)現(xiàn)降標(biāo)稠提升抗折/抗壓物理強(qiáng)度，進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 三步法工藝流程

2 工藝優(yōu)勢

2.1 多級烘干預(yù)熱，高效去除原料附著水

原料依次經(jīng)過文丘里干燥器、旋風(fēng)預(yù)熱器，溫度呈階梯形升高趨勢，針對建筑石膏，原料在該過程中逐步、均勻脫除附著水，確保烘干原料w（附著水）≤1%、w（半水石膏）≤5%；Ⅱ型無水石膏則在前端脫除全部附著水、大部分結(jié)晶水，生成以Ⅲ型無水石膏為主的過程產(chǎn)品；多級烘干預(yù)熱確保了進(jìn)入煅燒爐前物料組分一致，為煅燒產(chǎn)品一致性、穩(wěn)定性提供有利條件。

2.2 流態(tài)化煅燒，產(chǎn)品組相穩(wěn)定

流態(tài)化煅燒具有受熱均勻、強(qiáng)傳熱傳質(zhì)、反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，烘干后的磷石膏進(jìn)入流態(tài)化煅燒爐，在充分流化、適當(dāng)煅燒溫度條件下，懸浮態(tài)粉料均勻分布，并與熱煙氣直接充分接觸，高效吸收熱煙氣傳遞熱量，二水硫酸鈣快速脫水轉(zhuǎn)晶生成β型半水硫酸鈣/Ⅱ型無水石膏，大幅度降低“欠燒”“過燒”情況發(fā)生，確保物料煅燒的充分性、一致性、穩(wěn)定性。

2.3 流化床冷卻陳化，降能提質(zhì)

煅燒后產(chǎn)品依次經(jīng)過3級旋風(fēng)分離器、冷卻流化床，與冷風(fēng)逆流接觸換熱后確保出料溫度≤60 ℃，實(shí)現(xiàn)余熱回收降能耗；同時結(jié)合冷卻流化床鼓泡狀態(tài)、風(fēng)量≥3 萬m3/h 特點(diǎn)，利用冷風(fēng)中微量游離水將建筑石膏產(chǎn)品中Ⅲ型無水石膏向β型半水石膏轉(zhuǎn)變，確保w（Ⅲ型無水石膏）≤6%，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 單套生產(chǎn)裝置可生產(chǎn)兩種產(chǎn)品

該裝置通過切換工藝路線、調(diào)整工藝指標(biāo)，低溫煅燒可生產(chǎn)建筑石膏，高溫煅燒可生產(chǎn)Ⅱ型無水石膏，解決當(dāng)前磷石膏制建材行業(yè)單套裝置只能生產(chǎn)一種產(chǎn)品的瓶頸，大幅度降低項(xiàng)目投資費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)單套生產(chǎn)裝置生產(chǎn)兩種產(chǎn)品，提升了裝置綜合競爭力。

2.5 工藝可調(diào)性好，調(diào)控空間大

建筑石膏生產(chǎn)根據(jù)產(chǎn)品后端需求情況，選擇性開展“閃燒”“慢燒”兩種工藝，其中“閃燒”工藝通過提高前端烘干溫度，以烘干段轉(zhuǎn)晶為主、煅燒段轉(zhuǎn)晶為輔，生產(chǎn)快凝復(fù)合相建筑石膏（初凝時間2～3 min），應(yīng)用于手工石膏切塊領(lǐng)域；“慢燒”工藝則按常規(guī)烘干脫水+煅燒轉(zhuǎn)晶思路，生產(chǎn)初凝時間≥3.5 min的慢凝單相建筑石膏，應(yīng)用于石膏砂漿領(lǐng)域；Ⅱ型無水石膏依據(jù)產(chǎn)品煅燒溫度需求，通過調(diào)節(jié)天然氣用量，快速實(shí)現(xiàn)煅燒溫度的精準(zhǔn)調(diào)控。

3 煅燒產(chǎn)品情況

3.1 原料質(zhì)量

本裝置原料取自云南天安化工有限公司磷石膏渣場，其中建筑石膏主要挖采老石膏或經(jīng)預(yù)處理后的石膏，要求石膏pH≥4.5，以減少磷、氟、有機(jī)質(zhì)等雜質(zhì)影響［1］，其主要成分見表1，從表1 中發(fā)現(xiàn)該磷石膏為高硅石膏，w（二水硫酸鈣）在80%左右。Ⅱ型無水石膏則因煅燒溫度較高（500～800 ℃），可實(shí)現(xiàn)干法除雜［2］，大幅度降低原料中總磷、總氟、有機(jī)質(zhì)含量，原料可選用新鮮石膏（pH≈3）。

表1 原料磷石膏檢測分析結(jié)果（老石膏）

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量

建筑石膏：原料磷石膏，按“慢燒”工藝煅燒后，其產(chǎn)品質(zhì)量如表2、表3所示，從表2、表3看出，該建筑石膏以單一相（半水石膏）為主，其標(biāo)稠為70%～73%，初凝時間為3.5～4.5 min，2 h 抗折強(qiáng)度為2.5～3.0 MPa，產(chǎn)品三相中w（二水石膏）≤4%，w（Ⅲ型無水石膏）≤6%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到GB/T 9776—2022 要求，且產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)一致性高、穩(wěn)定性強(qiáng)；若按“閃燒”工藝生產(chǎn)建筑石膏粉，其標(biāo)稠為72%～76%，初凝時間為2.00～2.67 min，2 h 抗折強(qiáng)度為2.3～2.8 MPa，產(chǎn)品三相中w（二水石膏）≤4%，w（Ⅲ型無水石膏）在10%～25%，產(chǎn)品為初凝時間短、三相波動大復(fù)合相石膏，滿足手工切塊快凝產(chǎn)品2.0級強(qiáng)度需求。

表2 建筑石膏物理指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 建筑石膏三相指標(biāo)檢測結(jié)果 %

無水石膏：Ⅱ型無水石膏目前國內(nèi)還無產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)煅燒溫度及產(chǎn)品總水含量進(jìn)行判定（見表4）。從表4中可以看出，Ⅱ型無水石膏總水質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%～0.15%，達(dá)到總水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.35%的設(shè)計(jì)指標(biāo)，且流態(tài)化煅燒爐溫度500～600 ℃，滿足二水石膏向Ⅱ型無水石膏轉(zhuǎn)晶溫度要求，該煅燒溫度可根據(jù)實(shí)際需求在500～800 ℃精準(zhǔn)調(diào)控。

表4 Ⅱ型無水石膏水分檢測結(jié)果 %

4 生產(chǎn)能耗

該裝置目前已運(yùn)行1年多時間，從裝置生產(chǎn)消耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及外部調(diào)研情況來看，生產(chǎn)建筑石膏能耗相對目前主流錘式烘干+炒鍋工藝微高（見表5），其主要原因?yàn)楣に嚵鞒淘O(shè)計(jì)兼顧高溫煅燒Ⅱ型無水石膏產(chǎn)品回收熱量的工藝需求，導(dǎo)致低溫生產(chǎn)建筑石膏時能耗稍高。但需綜合考慮裝置工藝調(diào)控優(yōu)越性、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、規(guī)模易擴(kuò)大性等優(yōu)點(diǎn)，且隨著后期工藝指標(biāo)優(yōu)化、裝置長周期運(yùn)行，降能空間較大；生產(chǎn)Ⅱ型無水石膏能耗相對錘式烘干+炒鍋+回轉(zhuǎn)窯工藝偏低（見表6），其主要原因?yàn)楸狙b置設(shè)有3 級余熱回收系統(tǒng)，最大限度利用煅燒煙氣、產(chǎn)品余熱，高效節(jié)約燃料消耗。

表5 建筑石膏能耗數(shù)據(jù)比較

表6 Ⅱ型無水石膏能耗數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)語

磷石膏流態(tài)化煅燒三步法新工藝，具有可調(diào)性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、單套裝置產(chǎn)能高、1套裝置可生產(chǎn)2種產(chǎn)品、工業(yè)應(yīng)用易擴(kuò)大化等優(yōu)勢，大型流態(tài)化煅燒制備建筑石膏裝置投運(yùn)成功，標(biāo)志著該技術(shù)具備產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用條件，為全國磷石膏綜合利用領(lǐng)域提供新技術(shù)支撐。

隨著大型流態(tài)化煅燒裝置長期運(yùn)行，生產(chǎn)、技改經(jīng)驗(yàn)不斷累積，將為該新技術(shù)提供更多優(yōu)化空間，生產(chǎn)能耗將逐步降低、產(chǎn)品質(zhì)量將不斷提升，充分發(fā)揮流態(tài)化煅燒新工藝效能。