管式煅烧窑在副产石膏中的应用

　　王立明 段庆奎

　　(宁夏博得石膏设计研究院宁夏750000)

　　摘要：随着工业副产石膏的大量产生和应用，以及现阶段政府对环境保护提出的要求，工业副产石膏的综合利用也应向着环保、节能、降耗等方面进行努力。本文从副产石膏的煅烧设备及方式、管式煅烧窑及其特点、管式煅烧窑的原理、管式换热设备的特点、管式煅烧窑煅烧副产石膏产品的经济技术参数等方面作出介绍及分析。分析表明，管式烧设备在采用燃煤的模式和蒸汽模式的专用设备下，可达到节能和环保效果，同时能够较好的**产品性能，是一种能够较好复合副产石膏应用的煅烧设备类型。

　　关键词：工业副产石膏：煅烧设备：方式：管式煅烧窑;特点;原理;换热设备;经济技术参数

　　随着近年来副产石膏的大量产生和环保要求的进一步提升，每年全国大约产生各类副产石膏1.4亿吨以上，其中脱硫石膏约6000万吨，磷石膏约7000万吨;副产石膏经煅烧后制得建筑石膏粉及其制品应用，是副产石膏除直接作为水泥缓凝剂外的第二大用途。因此，如何选用能够综合体现副产石膏利用中的环保、节能、产品性能等特点的煅烧设备及工艺，建设适合不同类别、不同环保要求、不同产品特性的副产石膏煅烧生产线.才是能够真正将副产石膏资源化应用的有效途径;

　　1副产石膏的煅烧设备及方式

　　随着各类副产石膏在建筑石膏等领域的大幅度应用，副产石膏的煅烧设备和方式也更趋于多样化。各设备厂家根据副产石膏的特性开发了各类不同类别的煅烧设备;目前主要的煅烧形式从换热方式上主要分为直接换热设备和间接换热设备，从工艺布置上分为预热+煅烧的二步法和预热煅烧连续完成的一步法工艺;从煅烧设备所采用的热源上又分为烟气煅烧、导热油煅烧、烟气+导热油煅烧及蒸汽煅烧等多种方式。

　　直接式换热设备一般均以燃烧煤、气、油等产生的高温热烟气为换热介质，利用高温烟气与物料在换热设备内直接接触的过程中快速的进行换热和煅烧，使石膏急速的烘干升温并快速脱去部分结晶水而形成半水、Ⅲ型及少量二水石膏组成的混合石膏相。因此，该类设备一般属于快速煅烧设备，煅烧能耗因设备不同而有较大差异，但一般均较低，煅烧效率高;利用该类煅烧设备制得的石膏粉一般凝结时间短、质量稳定性较差，适合生产对凝结时间要求较快且对质量波动影响较小的产品，如石膏砌块等制品;不宜用于对石膏粉稳定性要求高的产品如石膏砂浆及需要添加外加剂的制品及产品;

　　间接换热设备一般可采用煤、气、油等作为燃料直接煅烧换热设备或产生热烟气等介质通过换热设备的特殊换热结构与物料进行换热，也可直接采用高压蒸汽、高温烟气等热源进行换热煅烧;该类设备的换热的特殊结构将热介质与石膏分离并进行以热传导为主的换热;过程中热介质与石膏不接触;因此，该类煅烧一般属于中速或慢速煅烧，换热过程较长，煅烧能耗因设备不同而差异很大，但一般均高于直接换热，设备煅烧效率较低，设备投资较高;利用该类设备煅烧得到的石膏粉产品一般性能优良、质量稳定，凝结时间较长并具有一定的可调范围，产品适合各类石膏制品及石膏粉类用户的要求，尤其适合对石膏粉性能要求较高的客户或产品生产;因副产石膏高细度的特性，该类设备更有利于产品的生产和环保的要求;

　　预热+煅烧的工艺模式对副产石膏的煅烧工艺来说，有利于大规模(单机产量大于15万吨)及高含水量(附着水含量大于15u/o)的生产线模式，因含水量过高对单机产量或质量影响较大时，可采用该类工艺;也可用于单机换热效率较低的设备，其尾气温度过高，预热设备采用煅烧设备尾气为热源的预热模式;除此之外，采用预热+煅烧分离的模式均会增加工艺的复杂程度，增加热源(如预热和煅烧各自采用独立热源，则更不可行)从而增大散热面积和散热尾气，导致综合热耗较高;

　　预热煅烧一体化的工艺模式对于生产规模中等、含水量多在15%以内的副产石膏来说一般是较为合适的，除非该工艺所选煅烧设备不能直接利用含水15%以内的原料(部分煅烧设备不能直接适应含水量大，3010以上，粒度较大的原料，必须采用其它设备辅助进行预粉磨或预热烘干);生产工艺简单、热损面积小、尾气排放等环保设备减少，如设备自身换热结构设置合理，热利用装置完备，则可大幅度减小煅烧热耗并缩减生产线投资;有利于产品质量管理和控制。

　　烟气煅烧设备一般采用燃料燃烧后的热烟气为热介质，与物料进行直接或间接换热的煅烧设备;该类设备煅烧为一次热源利用，只要设备结构合理，一般热效率较高，热损小;热烟气可直接与石膏换热也可通过特殊的设备结构进行循环利用换热;热烟气温度一般可达400℃~950℃，换热过程主要利用高温烟气携带的热量与石膏进行热交换而煅烧;

　　导热油煅烧设备一般是利用燃料燃烧加热导热油，使导热油达到一定温度后在换热设备与加热装置之间循环，导热油所携带的热量在换热装置中与石膏进行热交换进行石膏粉的煅烧，释放热量后的导热油循环回导热油加热系统中继续加热后循环;对换热装置而言，该类设备属于二次热源利用，其已经为较宪备的热循环系统，热耗相对较低，但很难有提升空间;该系统虽然导热油部分循环利用较为完备，但导热油加热部分因多采用煤为燃料，而导致热烟气的浪费和排出影响热利用率并增加环保投入;

　　烟气+导热油的模式一般为双热源的分离式预热和煅烧系统，采用燃料燃烧的高温烟气进行脱硫石膏预热烘干，采用导热油换热设备进行煅烧;因采用了双热源，一般热耗很高，不宜采用，该系统的预烘干如采用导热油加热锅炉的烟气为预烘干介质，而加热的导热油进行煅烧，则可优于单纯利用导热油煅烧系统，但需要较好的进行热量匹配;

　　蒸汽煅烧设备一般是利用高温高压(一般大于0.8MPa、200℃)蒸汽为热源对石膏进行煅烧的设备;该煅烧过程虽然为二次热源，但由于副产石膏的特殊性(如脱硫石膏多为电厂产生，同时电厂一般均具有合适的蒸汽源)，该类煅烧方式在合适的条件下，将成为副产石膏生产的*绿色的模式。

　　尤其在目前的环保形势及行业发展等条件下，燃煤是*经济的、成本*低的燃料，但对环保影响较大，且很多地区均已限制二氧化硫的排放，燃煤限制与副产石膏利用高速发展的矛盾将会更为显著;而燃气及燃油等设备由于油气等的高成本等原因，不可能成为多数生产企业的选择;因此，在雾霾横行的严峻环保形势与更高的环保要求下，应首先根据各个地区、各类不同的副产石膏、不同的资源条件选择*有利于副产石膏资源化利用、有利于环保、有利于生产及成本的煅烧设备及煅烧模式;如脱硫石膏由于其产生地的优势的资源特性(具有合适的蒸汽源)，应该**蒸汽类煅烧设备及蒸汽煅烧的方式，做到真正的副产石膏的绿色生产与绿色产品。

　　2管式煅烧窑及其特点

　　2.1管式煅烧窑的原理

　　石膏常用的回转窑主要有内烧式回转窑和外烧式回转窑两类，内烧式回转窑较为常见，即在回转式干燥机的基础上改型而成，回转筒内部设置不同形式的抄料板，将高温烟气直接通人窑体内，通过抄料板使物料与高温烟气*大幅度的接触换热，完成煅烧。外烧式回转窑多是在回转窑外部砌筑燃烧室或换热室，将窑体尽可能多的包裹在窑炉内，通过加热窑体外壁从而煅烧窑内物料的方式。

　　管式煅烧窑是一种新型的间接换热连续式煅烧设备，其完成换热的关键部分为换热管网，主要是在窑体内部根据热介质和换热要求设置不同换热面积和不同形式的管网，管网固定在窑体内壁并随窑体旋转，管网设有高温烟气入口，煤煅烧后的高温烟气(600℃～900℃)进入换热管网，管网与喂入窑体内的物料进行换热。在换热过程中管网内高温烟气通过管壁将热量传递给管网外包裹的物料，在窑体下部，管网是360度被物料包裹，相当于高温烟气从物料内部穿流而过，而且根据物料特性在窑体不同的部位设置不同角度的抄料板和导料板，增加物料与换热管网接触的时间，**物料在窑体旋转运动的过程中，每一个旋转周期内有三分之二的时间热管与物料接触在一起，循环反复，因此换热效率较高。同时在换热过程中，由于窑体的旋转，物料不断被管网抄动，即**煅烧的均匀性，又有利于管网与物料的充分接触;随着窑体的旋转和抄板的作用，物料向前移动并逐步完成煅烧脱水。

　　该设备主要由旋转外简体、换热管网、进料装置、传动系统及密封系统组成。设备核心部分为换热管网，可以根据换热要求设置换热面积、管网形式、抄板形式及角度、热介质特性等设计不同排列形式和组数的换热热介质管道，管道内根据需要通入蒸汽或热烟气，利用换热列管进行传热煅烧;因此，该煅烧设备属于间接**换热的煅烧设备，可以根据换热介质设计为烟气管式煅烧窑和蒸汽管式煅烧窑，可以适应各种规模的生产线，同时可以根据原料和产品要求设置为先磨后烧、先烧后磨、顺流、逆流等多种形式，能够适应煤、煤气、天然气、油、高温烟气、饱和或过热蒸汽等多种燃料和热源;可以适用于脱硫石膏、磷石膏、天然石膏等多种原料;生产4～15分钟凝结时间的能够适用于各类石膏制品、砂浆配置及高性能、高白度的石膏产品。

　　2.2管式换热设备的特点

　　(1)单位容积处理量大，换热效率高换热设备内部可设置各类加热片，较大的增加了设备的有效换热面积，换热管可以根据不同物料含水率及特性，设置多种换热管形式及角度，增加物料与换热管的接触时间，增加换热效率;比早期的旋管窑换热面积及换热效率大幅度提高;

　　(2)对含水在20%以内的副产石膏，可将预热烘干与煅烧一次性完成，减少生产过程及热损面积，**产品煅烧过程的稳定性;

　　(3)可以根据不同热源要求，原料特性，设置成蒸汽管式煅烧系统或者燃煤、燃油、燃气及高温烟气利用的烟气管式煅烧系统;

　　(4)物料在煅烧设备内的停留时间可以根据要求进行任意调整，通过对转数等的调整，得到*有利于每一种产品煅烧的物料停留时间，得到所需要的*佳的相组成的产品;通常物料容积比为8~15%;物料停留时间可在20min—60min内调整;

　　(5)排出尾气中粉尘携带量小因为在煅烧系统内，热系统与物料系统分离运行，物料系统的环境为微负压，即煅烧设备内风速很小，排气过程带走的粉尘量就很小，除尘设备或气固分离设备要求低，投资省;

　　(6)煅烧过程烟气与物料分离，能够*大程度的**产品白度，减少燃料杂质对产品的影响。

　　3 副产品石膏与管式煅烧窑

　　副产石膏一般具有含水率高(一般在5%—20%)的显著特点，因此对常规的大多煅烧设备，均需对副产石膏原料首先进行预烘干，然后再送入煅烧设备煅烧;或者采用烟气与石膏直接接触的煅烧方式，而副产石膏较高的细度对以上两种煅烧方式均存在着产品质量与环保的影响。

　　管式煅烧设备对原料水分适应性高(可直接适应0%—20%水分的原料)，石膏在煅烧设备内在一次性连续完成预热烘干和煅烧，简化生产工序，较好的**石膏的煅烧过程，控制并将热损失的过程降至*低;在煅烧过程中，石膏与热介质分离，煅烧窑内为微负压运行，可根据煅烧要求和产品要求控制石膏在煅烧窑内的煅烧时间和温度，**了环保要求和产品要求。石膏出煅烧窑前经过窑内设置的分级设施，将颗粒物料分离并粉碎，简化了后续的分级和粉碎工序。煅烧产品因煅烧温度和煅烧时间的调整，能够较好的调整出适应石膏砌块、石膏砂浆及其它石膏制品的各类凝结时间适中的产品。因此，管式煅烧设备是副厂适应副产石膏特性的一类节能和环保效果较好的煅烧设备。

　　目前，我们在已经成熟应用的旋管煅烧窑的基础上，进一步提高换热效率、增加换热面积、适应不同热源的要求，研制开发成功烟气多通道复合式石膏煅烧窑、蒸汽石膏管式煅烧窑等更 为节能和环保的设备。

　　烟气多通道复合式石膏煅烧窑主要是根据煅烧窑不同换热区域的换热要求与物料变化，采用不同形式和角度特定的换热管道，提高管道与物料的接触时间及面积，从而达到提高换热效率的目的，该设备已经在脱硫石膏、天然石膏等形成5—10万吨规模化生产线，****，成为旋管煅烧窑的替代产品;在脱硫石膏的利用中，该煅烧设备进一步复合了物料分级系统，将煅烧产品中的颗粒物料在出煅烧设备前进行分级处理，简化了生产线的后续处理。

　　蒸汽管式煅烧窑主要是利用饱和或过热蒸汽为热介质，将煅烧窑内的管道设置为高压管道，同时增加蒸汽分配室、冷凝水排出系统、不凝气排出系统、旋转接头等;其换热主要是根据烘干或煅烧所需热量要求，设置单位容积内需要完成换热所需的换热管道面积，利用管道中过热和饱和水蒸气达到汽变水的过程中释放出的相变热达到烘干和煅烧的目的，根据相变热的释放条件，该类煅烧设备是根据热需求而给予热量(在**换热面积的前提下)，热损失相对较低，换热效率高;而且煅烧过程中，控制简单，产品质量稳定，非常易于实现生产线的全自动生产，随设备投资略高，但可大幅度降低生产电耗及人员配备。

　　作为目前副产石膏主要类别的脱硫石膏，90%均产生于电厂的烟气脱硫，而且由于脱硫石膏严格的质量控制，脱硫石膏一般质量稳定、品质优良，均可达到一级以上石膏原料要去，是*好利用和*具有利用价值的副产石膏;因此，脱硫石膏利用率较高，将是建筑石膏产制品的主要原料。而脱硫石膏分布区域较为均匀，大部分地区对燃煤均有进一步的限制，脱硫石膏本身是电厂因环保而产生的产物，如利用过程中再次燃煤，其资源化利用必然受到限制。而电厂一般具有较为合适的蒸汽资源，因此，脱硫石膏的煅烧应尽可能发展就近利用电厂蒸汽的蒸汽煅烧模式，才是脱硫石膏真正资源化利用的有效途径。

　　4管式煅烧窑煅烧副产石膏产品的经济技术参数

　　(1)烟气多通道复合式石膏煅烧窑煅烧脱硫石膏

　　在年产5万吨脱硫石膏生产线中，采用烟气多通道复合式石膏煅烧窑为煅烧主设备，该生产线原料含水率为12%，脱硫石膏中二水硫酸钙含量为90.3%，生产线连续运行30小时后进行生产线参数测定：

　　煅烧窑喂料量：9.6吨/小时;

　　煅烧窑炉膛烟气温度：915℃～925℃

　　煅烧窑进口烟气温度：620℃—660℃

　　出料温度：150C—155℃

　　8小时喂煤量：2847公斤;(煤热值为5000大卡)

　　单位产品煤耗：48.22公斤/吨产品

　　产品检测数据：

　　需水量：68%

　　凝结时间：初凝7mln，终凝lOmin

　　2小时抗折强度：3.5MPa

　　生产线电耗测定值为250度电/吨产品;煤耗测定值为48.22公斤/吨产品;按照当地煤电价格核算(煤入厂价200元/吨，电0.8元/度)，能耗成本为29.64元/吨产品;

　　(2)蒸汽管式煅烧窑煅烧脱硫石膏

　　在年产6万吨脱硫石膏生产线中，采用蒸汽管式煅烧窑为煅烧主设备，该生产线原料含水率为12～13%，脱硫石膏中二水硫酸钙含量为90%，生产线连续运行20小时后进行生产线参数测定：

　　煅烧窑喂料量：9吨/小时;

　　车间蒸汽压力：1.5MPa

　　车间蒸汽温度：220C

　　入窑蒸汽压力：0.7—0.76MPa

　　出料温度：151℃～156℃

　　8小时耗气量：22.88吨;

　　吨产品耗气量：0.428吨/吨

　　产品检测数据：

　　A：需水量：66%，凝结时间：初凝8min，终凝l0min;2小时抗折强度：3.6MPa：

　　B：需水量：72%，凝结时间：初凝4min，终凝6min;2小时抗折强度：3.4MPa：

　　生产线电耗测定值为14度电/吨产品;蒸汽消耗测定值为0.428吨/吨产品;按照当地汽电价格核算(汽人车间价120元/吨，电0.8元/度)，能耗成本为62.56元/吨产品：

　　因此，对环保要求不同的区域，根据不同的资源条件，选择合适的换热介质和热介质设备，即可达到副产石膏的有效利用和*大价值，又可**环保要求。对脱硫石膏，有条件尽可能采用蒸汽煅烧的模式，蒸汽换热设备的运行成本较燃煤有加大增加，但其环保效果能够真正实现绿色生产。而只能采用燃煤方式的煅烧，必须选用节煤、环保的煅烧设备，仅可能降低耗煤量，提高环保处理要求，减少尾气排放;管式煅烧设备在采用燃煤的模式和蒸汽模式的专用设备下，均可达到较妤的节能和环保效果，同时能够较好的**产品性能，是一种能够较好复合副产石膏应用的煅烧设备类型。