浅谈脱硫石膏的煅烧工艺

娄广辉

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

脱硫石膏是指对含硫燃料（煤、油等）燃烧后的烟气进行脱硫处理得到的工业副产品。如果不能很好处置和综合利用这些工业石膏,既浪费了资源，占用了大量的填埋土地，又会对生态环境产生严重的污染，影响企业的良性发展。所以，研发和完善脱硫石膏的处理工艺，把它们合理利用起来，作为生产石膏建材的原料，不仅能产生经济效益，而且有利于保护环境，节约能源和资源，实现可持续发展，具有广泛的市场前景。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，由煤燃烧排入的二氧化硫成为大气污染的主要物质。随着人们环境保护意识的逐步提高，对燃煤烟气进行脱硫显得尤为紧迫和重要。

西方发达国家对脱硫石膏综合利用技术的研究始于二十世纪七十年代，目前脱硫石膏几乎所有的应用都在建材行业，如α石膏粉、石膏制品、水泥添加剂等各种建筑材料中。其应用技术非常成熟，工艺设备已专业化。国内火力发电厂及其他行业的烟气脱硫项目起步较晚，虽然近年来对脱硫石膏的应用和研究越来越重视，未来几年随着大量的脱硫装置投入运行,我国每年将产生3 000～10 000万t脱硫石膏。但总体上缺乏成熟的新技术和新工艺，应用技术不很成熟，存在产量低、能耗高、质量不稳定等缺点。开发脱硫石膏的新技术和新工艺十分重要。本文对脱硫石膏的性能和煅烧工艺进行了总结和归纳,以期对该行业的发展提供一定的借签意义。

1 脱硫石膏的性能

1.1 脱硫石膏的产生

脱硫石膏是湿式石灰石—石膏烟气脱硫中产生的副产物。石灰石经破碎、制粉，加水制成浆液作为吸收剂泵入吸收塔与烟气充分接触混合，与烟气中的二氧化硫发生反应生成亚硫酸钙 （CaSO3·0.5H2O）,然后通入大量空气强制将亚硫酸钙氧化成硫酸钙，硫酸钙达到一定饱和度后，结晶形成二水石膏。经吸收塔排出的石膏浆液经过浓缩器和离心脱水,使其含水量小于20%,最终生成石膏晶体（Ca-SO4·2H2O），其分子式中有 2个结晶水，同时表面附着一些游离水。这个二水石膏的硫酸钙晶体，就是脱硫石膏。

1.2 脱硫石膏的性质

脱硫石膏的主要成分为二水硫酸钙 （CaSO4·2H2O），颜色微黄，呈中性或略偏碱性，粒度分布窄，级配较差的细颗粒状，比表面积较小，含较多的水溶性盐。脱硫石膏成分稳定，其化学成分与天然石膏比较接近，脱硫石膏的颗粒直径主要集中在30～60μm之间，比天然石膏的小，煅烧后可明显改善粒度级配问题。脱硫石膏的游离水分约为10%～15%，黏性强。脱硫石膏的主要杂质为CaCO3，还有一些SiO2、MgO、Al2O3等杂质，某些杂质在超过一定含量时，会影响石膏制品的质量。目前国内尚无脱硫石膏的质量标准。

2 脱硫石膏的煅烧工艺

2.1 脱硫石膏的煅烧机理

脱硫石膏不能直接进行应用，通常需要制备成半水石膏（CaSO4·0.5H2O，工业上称为熟石膏）。二水石膏加热到一定温度容易失去部分结晶水，成熟石膏。煅烧工艺一直是影响脱硫石膏制品质量和应用的主要因素。在脱硫石膏煅烧过程中，当温度升高、脱水速度加快时，由于石膏导热性能不良，容易造成石膏的内外温度分布不均匀,形成多相混合物。因此，需要选择合适的煅烧工艺措施，才能保证煅烧后产品的质量。有研究表明:煅烧温度在180℃时，石膏水化晶体发育完整，生长致密，在凝结时间、标准稠度及强度等方面均表现出优异的性能。

2.2 脱硫石膏的煅烧方式和设备

根据不同锻烧方式可分别获得α型半水石膏和β型半水石膏。α型半水石膏是用饱和蒸汽在压力状态下蒸煮后烘干获得，也叫高强度石膏，主要用于陶瓷、医药行业的模具制造;β型半水石膏是在气相条件下加热脱水获得，也叫建筑石膏，主要用于制造石膏板、石膏砌块、或加入添加剂后加工成粉刷石膏。石膏煅烧技术装备主要有回转窑、立式炒锅、沸腾炉、彼得磨等。各种装备的技术性能和煅烧产品的综合指标分析，各有其优缺点。脱硫石膏综合利用技术应用是否成功，其关键在于干燥煅烧工艺技术和设备的先进性。目前我国主要采用回转窑和炒锅生产建筑石膏，近年来成功地将间歇式炒锅改造成连续式炒锅，并进行沸腾炉煅烧石膏。当今石膏煅烧工艺的发展趋势为:从间歇出料到连续出料；从间接加热到直接加热；从慢速脱水到快速脱水。现在石膏生产常用的煅烧方式和设备有如下几种:

2.2.1 连续炒锅煅烧技术

国内煅烧化学石膏较理想的设备是炒锅，但能耗比气流煅烧设备要高。脱硫石膏可采用干燥管进行干燥，这种干燥器比较适合小颗粒的粉状脱硫石膏，处理能力大，能耗低。脱硫石膏含水量10%以上，经干燥后要求水分小于2%。干燥后的脱硫石膏可直接进入连续式炒锅进行炒制。和天然石膏相比，可以省去颚式破碎、粉磨收尘等工序和设备，故工艺简单，煅烧费用也低。综合来看，较天然建筑石膏有竞争优势。炒锅具有物料温度容易控制、产品均匀、结构简单等优点。但必须保证石膏粉料在达到一次沸腾时保持流态化，否则炒锅内部会出现脱水速度不均一的情况。国内大都使用传统式的炒锅，热效率较低，设备维护费用高，而且工作环境较差。

2.2.2 回转窑煅烧技术

回转窑煅烧技术有直接煅烧回转炉和间接煅烧回转炉两种方式。利用直接加热式回转窑可以直接煅烧石膏，在煅烧前，脱硫石膏不必进行预干燥处理，但窑体应有一定长度的干燥带，并注意排潮和收尘。因为在窑体内有较大分压的水蒸汽，因此煅烧的石膏质量好且稳定。另外，煅烧石膏应用较多的是带有一体化冷却器的内管加热式回转窑。这种回转窑采用间接加热且物料停留时间较长。在回转窑内，通过烟气管道将烟气的热量传递给物料，在其后的冷却管中，物料得以陈化。回转窑具有连续进料、连续出料的特点，且能适应原料粒度的变化，运转稳定，可靠性高。但回转窑占地面积较大、流程长、初期投资较大、物料的温度不容易控制，煅烧的产品质量不容易控制，能耗较高。

2.2.3 沸腾炉煅烧技术

石膏沸腾煅烧炉的床层状态属于鼓泡床，因此将这种炉子形象地称作“沸腾炉”。正常工作时，从沸腾炉底部鼓入空气,通过气体分布板进入流化床。向物料传递大量的热量，使二水石膏粉达到脱水分解的温度，二水石膏就在流化床中脱去结晶水并变为蒸气,这些蒸气与炉底鼓入的空气混合在一起，通过床层向上运动。由于在流化床中粉料激烈的翻滚、混合，所以在整个流化床中各处的物料温度和成分几乎是一致的。连续投入的生石膏粉，一进入床层，几乎瞬间就与床层中大量热粉料混合均匀，在热粉料中迅速脱水分解。生石膏粉先进入大的部分，在此脱掉大部分结晶水，然后通过下部的通道进入小的部分，在这里完成最终的脱水过程，再由床层上部自动溢流出炉。

沸腾炉煅烧工艺的最大优点是:有效换热面积大及操作控制准确,从而保留了炒锅煅烧的优点，同时可方便地回收蒸汽或热介质油所携带的热量，再循环利用。由于无机械搅拌装置和采用内管换热，使设备维修工作简单化，因而可延长设备本体的使用寿命。

2.2.4 彼得磨煅烧技术

脱硫石膏经装料车送入给料仓，然后通过皮带机送入脱硫石膏湿料仓，再配合电子秤能精确地向锤式磨给料。锤式磨中脱硫石膏在锤头的搅动下，分散后与热烟气直接充分地进行热交换,并在3～5 s内料温迅速升高，使其快速脱去脱硫石膏自由水的同时，脱去石膏中的一个半结晶水，实现脱硫石膏的干燥与煅烧在同一台设备中瞬间完成，生产出无水石膏Ⅲ含量较多的熟石膏。此石膏稳定性较差，一般采取研磨与冷却的手段，将建筑石膏的性能稳定下来，为大型纸面石膏板生产又提供了一个新的原料生产工艺。此工艺过程输送环节少，工艺流程简单，虽然石膏的白度降低，但很好地适应纸面石膏板的生产。彼得磨具有将粉磨煅烧一体化，烟气与物料直接接触，换热强度较高，设备比较简洁紧凑，占地面积较小等优点。但要求石膏的成分相对稳定，系统的温度控制及操作要求严格，特别对原料的杂质含量和原料的品位波动要求较严。

2.2.5 蒸汽管回转窑煅烧技术

脱硫石膏经装料车送入计量给料仓，定量的给回转窑供料，与回转窑的蒸汽通过齿片管进行间接热交换，随着料温的升高，脱去脱硫石膏中的自由水，再升温后脱去石膏中的一个半结晶水，实现脱硫石膏的干燥与煅烧在同一台设备中完成，生产出性能稳定的半水石膏。此工艺过程减少了输送环节，缩短了工艺流程，降低了蒸汽耗量，节省了电能,为大型纸面石膏板生产提供了一个新型的、先进的原料生产工艺。高温气流煅烧具有热利用合理、设备紧凑、占地面积较小、初投资较小等特点。但同时具有物料停留时间较短、系统的热惰性较差、煅烧产品的性能波动较大和排气热损失较大等缺点，煅烧过程中物料易牯壁、堵塞，影响系统的连续可靠运行。

2.2.6 流态代煅烧技术

流态化煅烧炉，它包括炉体、位于炉体下部的高温烟气入口、炉体上部的废气出口以及位于炉体内部的流化床；还包括振动装置以及安装在振动装置上的复合振动搅拌装置，振动装置以及复合振动搅拌装置安装在流化床的顶部或底部。本实用新型的流态化煅烧炉既改善了流化床层的流化质量，又解决了物料在流化床内壁粘附问题。流态化煅烧炉中气流与物料直接接触，具有换热效率较高、设备比较紧凑、占地面积较小、前期投资较小等诸多优点。缺点是设备本身对进料的状态、粒级分布和水分要求比较严格，控制不当则容易造成腾涌、沟流、结块等流态化恶化现象，严重时会板结、死床，影响生产的连续稳定运行。在流化床式焙烧炉的基础上开发出的新型煅烧装置-LD流化床石膏煅烧系统，初步解决了流态化技术在煅烧石膏过程中的适应性问题，可以大批量处理脱硫石膏、磷石膏、天然石膏,为当今国内最为先进的石膏煅烧技术之一，投资省，运行成本低，在节能及环保方面都达到了令人满意的效果。

3 结语

脱硫石膏现在已经是一种应用广泛的绿色环保材料，能够很好的用于石膏板、石膏砌块及其它石膏建材行业。我国的脱硫石膏综合利用工作起步较晚，但已经自主开发了一批适用的关键工艺技术及装备,基本满足现阶段脱硫石膏处理的需要，应用效果较好。

为了进一步做好资源综合利用，还需就脱硫石膏煅烧技术方面的一些关键问题，如对原料含水率的适应性，物料粒级组成，余热利用等方面，进行针对性的深化研究，改善相关石膏制品的性能，满足石膏建材行业发展的需要。随着国内电厂越来越广泛采用石灰石-石膏法进行烟气脱硫,脱硫石膏的产量必将越来越大。脱硫石膏综合利用具有很大的发展潜力，工程技术人员应抓住机遇，对脱硫石膏等工业副产石膏进行更深入的研究，促进我国节能环保事业的发展及资源综合利用工作。

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