各種石膏煅燒設備的特點與淺析

　　一、國內(nèi)外石膏煅燒概況： 

　　石膏石或工業(yè)副產(chǎn)石膏是以二水硫酸鈣形式存在，其分子式中有兩個結晶水，只有脫去一個半結晶水生成半水硫酸鈣才有膠凝性質(zhì)。脫去結晶水的過程即為石膏煅燒。石膏的煅燒主要有干法和濕法兩大類，前者是在干燥條件下脫水而成，以ß半水石膏為主的建筑石膏；后者是在飽和水蒸氣壓力下“煮成”α-半水石膏，也叫高強石膏。兩種形態(tài)的半水石膏各有不同性質(zhì)和用途，本文涉及的是建筑石膏。建筑石膏的生產(chǎn)采用干法煅燒石膏工藝，其種類繁多，按加熱方式，分為間接加熱和直接加熱；按煅燒脫水速度，分為慢速煅燒和快速煅燒；按出料方式可分為間歇和連續(xù)兩種。國外在二十世紀六十年代之前，以傳統(tǒng)慢燒型的間歇炒鍋和外燒式回轉窯為主。六十年代后期，對上述設備進行了技術改造，七十年代，將間歇炒鍋發(fā)展成為連續(xù)炒鍋，八十年代后又發(fā)展成了錐形炒鍋；回轉窯也從外燒式發(fā)展成內(nèi)燒式煅燒；為推動石膏工業(yè)的技術進步，提高石膏建材制品生產(chǎn)線的運行速度，又發(fā)展了氣流式快速煅燒工藝?？偟膩碇v，煅燒工藝是從間歇出料到連續(xù)出料；間接加熱到直接加熱；慢速脫水和快速脫水并舉的趨勢發(fā)展。因國情不同，各國對石膏煅燒設備的選擇不盡相同：美國二十世紀九十年代之前主要以炒鍋為主，為滿足紙面石膏板市場持續(xù)快速發(fā)展的需要，采取了加速生產(chǎn)線速度的措施，到90年代中期，已將近50%的生產(chǎn)線改成了以彼特磨、Delta磨為主的快速煅燒設備；英國以炒鍋及改進炒鍋為主，如連續(xù)炒鍋、埋入式炒鍋、錐形炒鍋等，德國為炒鍋，回轉窯，煅燒一體的彼特磨等。日本有炒鍋、回轉窯及蒸汽間接回轉窯等。澳大利亞多用外國引進的煅燒設備，近兩年發(fā)展了沸騰煅燒。從總體水平看，國外的煅燒設備生產(chǎn)規(guī)模大、機械化和自動化程度高，能耗較低，煅燒產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。國內(nèi)現(xiàn)有內(nèi)、外資大型石膏制品企業(yè)，多使用引進的大型連續(xù)炒鍋、彼特磨、氣流式煅燒磨和蒸汽間接回轉窯等設備。而地方企業(yè)多使用內(nèi)、外燒的回轉窯，間歇或連續(xù)炒鍋，沸騰爐等，且規(guī)模較小，配套設施不健全，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，能耗偏高。國內(nèi)對規(guī)?；?，現(xiàn)代化煅燒設備的開發(fā)還剛起步，目前，年產(chǎn)10萬噸以上的沸騰爐、直熱式回轉窯已有幾條投入了生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝參數(shù)尚有待于優(yōu)化；國內(nèi)研發(fā)的快速煅燒設備已經(jīng)完成工業(yè)化試驗，規(guī)模生產(chǎn)正在籌備中。 

　　二、常用煅燒方式及設備簡述： 

　　1. 間接加熱方式：  

　　1.1連續(xù)炒鍋：是帶有橫穿火管的直園形鍋體，由鍋外壁、鍋底及火管將熱量傳遞給鍋內(nèi)二水石膏，并靠機械攪拌和石膏脫水所產(chǎn)生的水蒸汽及循環(huán)熱氣體的攪動，而呈現(xiàn)流態(tài)化狀態(tài)，在此狀況下二水石膏脫水而成半水石膏，借助溢流原理連續(xù)出料。鍋內(nèi)物料溫度在150℃左右，物料煅燒時間1～1.5小時。屬于低溫慢速煅燒方式。連續(xù)炒鍋煅燒石膏在國內(nèi)外，都是 成熟技術，生產(chǎn)穩(wěn)定，易操作，產(chǎn)品質(zhì)量均衡有保證。適合煅燒粉狀石膏，若用于工業(yè)付產(chǎn)石膏，需增設一套氣流干燥裝置，以除去10％以上的游離水。炒鍋可用固體、液體、氣體燃料。燒煤連續(xù)炒鍋熱耗在27~30萬仟卡／噸半水石膏左右，若煅燒含10%左右的工業(yè)付產(chǎn)石膏，其能耗在36~37萬仟卡／噸半水石膏。 

　　1.2內(nèi)加熱管式回轉窯：回轉窯內(nèi)設有許多內(nèi)管，管內(nèi)通熱蒸汽或?qū)嵊?，物料在窯內(nèi)間接受熱，料在窯內(nèi)停留時間較長，屬低溫煅燒，產(chǎn)品質(zhì)量均衡穩(wěn)定。日本的部分公司采用此法煅燒天然和工業(yè)副產(chǎn)石膏。我國山東從國外引進了一套蒸汽煅燒設備，這種方法對于有蒸汽氣源的地方較合適。據(jù)日本資料介紹，煅燒1噸二水石膏需耗0.94噸蒸汽，折算后每噸建筑石膏，熱耗約為56萬千卡左右，能耗偏高。 

　　1.3沸騰爐：立式直筒狀容器，在底部裝有一個氣體分布板，工作時使氣流從底部均勻進入床層，床層內(nèi)裝有大量的加熱管，管內(nèi)介質(zhì)為飽和蒸汽或?qū)嵊?，石膏顆粒進入爐膛后，遇熱呈流態(tài)狀，同時熱量通過管壁傳遞給管外處于流態(tài)化的石膏粉，使之沸騰脫水分解。這一煅燒工藝是國內(nèi)二十世紀八十年代為配合紙面石膏板生產(chǎn)自行研發(fā)制造的。該設備采用低溫煅燒，石膏不易過燒，只要料流穩(wěn)定，出料溫度控制適宜，成品大部分均為半水石膏。近年來山東地區(qū)應用較多，產(chǎn)品多供紙面石膏板生產(chǎn)線和其它制品。沸騰爐設備小巧，生產(chǎn)能力大，結構簡單，設備緊湊，占地少，能耗較低。如產(chǎn)量12t/hr沸騰爐，熱耗約為22萬千卡/噸成品，本身的熱效率在95％以上，使用蒸汽時熱效率57～67％，導熱油67～76％，此爐操作方便，基建投資省，運行費用低，如10t/hr一套沸騰爐投資約180～200萬元，20t/hr一套沸騰爐投資約為300萬元。目前國內(nèi)的沸騰爐主要應用于煅燒天然石膏，因爐內(nèi)沒有強制性的攪拌裝置，有限的氣流無法將成團的濕料吹散，料中游離水不能過高，一般控制在5％以內(nèi)。對于煅燒游離水10%左右的工業(yè)付產(chǎn)石膏，需要加一套氣流烘干裝置，這樣增加了設備投資，也增大了熱耗，但總熱耗估算在28～29萬千卡/噸成品之內(nèi)，還是偏低的。 

　　2. 直接加熱方式：或稱氣流煅燒  

　　氣流煅燒即熱氣體與粉料直接接觸，二水石膏迅速脫水而成半水石膏。這種方式熱利用合理，設備緊湊，使用簡單，功效高，適用天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)石膏。德國沙司基打（Salzgitter）及美國BMH公司都有這種設備，前者叫沙司基打磨，后者稱Delta磨。俗稱“氣流煅燒磨”，這種“磨”采用高速旋轉的錘子將物料拋起并擊碎、擊細，同時與氣流相匯，完成干燥、煅燒的過程。上述兩個設備中錘體的安裝方式，錘頭的數(shù)量，分級器放置的方向等有所不同，但其工作原理是相同的。 

　　2.1沙司基打磨： 已在德國，美國，挪威，荷蘭，印度，韓國等國建立了不同規(guī)模的生產(chǎn)線，已有從2t/hr~30t/hr不同規(guī)模的系列產(chǎn)品，可用氣體、液體（油）做燃料，從資料介紹，當煅燒品位95％的天然石膏，每噸產(chǎn)品熱耗為：24萬千卡/噸，電耗：30KWｈ/噸。為就地消化本企業(yè)煙氣脫硫裝置排放出來的脫硫石膏，北京國華杰地公司從德國沙士基打公司配套引進了一套6t/hr煅燒脫硫石膏的設備，該套設備由帶兩個高速旋轉轉子的煅燒爐、旋風分離器和強制式陳化等主要設備組成?，F(xiàn)己運轉2～3年，燃料為重油，屬生產(chǎn)初期尚未達到設計能力，產(chǎn)品可滿足同樣是引進德國砌塊生產(chǎn)線的需求。該煅燒設備外形體積較小，噪聲低，構造簡單緊湊，產(chǎn)品質(zhì)量較均衡。該磨在充分消化吸收后，在國內(nèi)應有較好的發(fā)展前景。 

　　2.2Delta磨：該磨是沖擊磨，水平方向有兩個室，一個錘磨轉子室，一個是分級器室。料先進入錘磨室，高速旋轉的錘子將料打散并“擊細”，同時與熱氣流相匯，進行干燥和煅燒，熱煙氣將磨細了的料帶入系統(tǒng)內(nèi)的分級器，旋轉葉片將較大的顆粒甩回錘磨室繼續(xù)粉磨，合格細料經(jīng)高溫收塵器收入料倉。據(jù)資料介紹，這種磨在煅燒80％天然石膏，游離水3％時的熱耗為22.0萬千卡/噸成品，若用于10％游離水的脫硫石膏（90％以上）則熱耗大約為28～30萬千卡/噸成品。據(jù)BMH公司介紹此磨設計合理，功效高，設備運行率高故障少。產(chǎn)品的細度可調(diào)節(jié)，設備緊湊占地少，熱效率高，能耗低，煅燒的建筑石膏均勻一致，特別適用于煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏。 

　　2.3斯德動態(tài)煅燒爐：是國內(nèi)自行研發(fā)的氣流煅燒裝置。外形為立式圓柱體，底部帶有打散器的立軸與電機相聯(lián)，產(chǎn)生旋轉運動，一個側面的中下部進料，另一側面下部通入熱風，頂部出料至捕集器進行氣固分離后機械輸送至儲料倉。基本原理是：物料和熱氣體快速混合，在爐體軸向產(chǎn)生旋轉運動，使物料與熱載體急速換熱，達到二水石膏脫水的目的，這種方式也可稱旋流式煅燒。特點是：連續(xù)作業(yè)，熱交換速度快，從進料到出料僅需幾秒鐘。該技術是東北大學在多種干燥與煅燒設備的基礎上，開發(fā)的石膏煅燒方式。已建立小型工業(yè)化實驗裝置，并對脫硫石膏、磷石膏進行了煅燒試驗，取得了一定的技術參數(shù)；并在試驗研究的基礎上設計了兩種工藝路線：一種為“一步法”即將干燥與煅燒合為一步，在同一個設備內(nèi)完成；另一種為兩步法，干燥和煅燒分別在兩個設備內(nèi)完成。目前，第一套年產(chǎn)5萬噸的一步法煅燒脫硫石膏的裝置已經(jīng)在北京安裝完畢，正在等待試車。第二套二步法脫硫煅燒設備在浙江安裝。 

　　2.4彼特磨：也是一種氣流快速煅燒設備，是集研磨—干燥—煅燒為一體的煅燒設備，是德國CLAUDISPETERS公司研制的，簡稱彼特斯磨。它是一種環(huán)形球磨機，磨機最底部為主傳動裝置，帶動下研磨盤旋轉，磨盤上有多個直徑φ600～800mm的空心園球，園球上方是不旋轉的上研磨盤。石膏從上側部進料管送入研磨體的中心部位，（進料粒度最大可達60毫米。）在離心力作用下，將物料向外推動，推至球體下部與磨環(huán)之間被粉碎和研磨。與此同時500～600℃的熱氣體由磨體下側方通入磨內(nèi)，使石膏與熱氣流直接接觸而迅速脫水而成建筑石膏。這種磨可煅燒天然石膏或天然石膏和工業(yè)付產(chǎn)石膏混合的石膏。它的特點是：設備體積小，生產(chǎn)效率高，能耗低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，適合大型連續(xù)生產(chǎn)的石膏制品生產(chǎn)線。是應用成熟的石膏煅燒設備之一。國外己有16～52t/hr的系列產(chǎn)品，根據(jù)資料介紹，目前世界上已有近90臺在運轉使用。國內(nèi)BNBM公司已引進二臺30t/hr和一臺40t/hr。磨機用于紙面石膏板生產(chǎn)線。煅燒天然石膏時能耗在24～27萬仟卡/t產(chǎn)品之間。 

　　3、直熱式回轉窯：熱介質(zhì)與石膏物料直接接觸使之脫水而成半水石膏或無水石膏。石膏在小角度傾斜園筒中旋轉前進，熱介質(zhì)與其同方向或反方向運動，在運動過程中完成石膏脫水，連續(xù)喂料及出料即為連續(xù)作業(yè)，由于直火、要比外燒回轉窯熱效率高，燃料可用氣、油、煤。近幾年在河北、山東等地均有不同規(guī)模的回轉窯生產(chǎn)，己投產(chǎn)的有4~5噸/小時，14噸/小時的幾條生產(chǎn)線，每小時近30噸的大型內(nèi)燒式回轉窯即將投產(chǎn)。已生產(chǎn)的直熱式回轉窯都是煅燒天然石膏，燃料為煤，煅燒能耗約在22~23萬仟卡/噸成品，產(chǎn)品質(zhì)量以順流式較好。直熱式回轉窯煅燒天然石膏是可行的，若煅燒工業(yè)付產(chǎn)石膏，在煅燒前不必進行干燥處理，但窯體應有一定長度的干燥帶，排濕和收塵要重點設計。近期在河南建成的一條以磷石膏為原料的生產(chǎn)線已試運轉，煅燒脫硫石膏的工業(yè)性試驗也在進行中。估算煅燒脫硫石膏熱耗應低于30.0萬仟卡/噸成品?；剞D窯設備結構較簡單，是國內(nèi)成熟設備、制造廠較多，設備造價低于炒鍋。具有價格優(yōu)勢。 

　　4、流化床式煅燒爐：該爐是九十年代澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司的產(chǎn)品，稱“RFC流化床式焙燒爐”。流化床式煅燒爐外形為立式園柱體，一側中部進料另一側下部進熱風，爐體下部稱為床，床底部設有氣流分配器，使熱氣流按要求達到不同速度梯度，將石膏粉吹起使之處于懸浮狀態(tài)，同時進行熱交換，（該煅燒爐最大進料粒度≤10毫米）使二水石膏脫水而成半水石膏。嚴格控制床層溫度和氣體壓力，料層溫度梯度小使床層內(nèi)二水石膏最大限度地變?yōu)榘胨?，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。據(jù)澳方介紹，這種爐可煅燒天然石膏和工業(yè)付產(chǎn)石膏，可用任何燃料及熱能，加工范圍廣泛的原料和粒徑，并有自潔功能，有嚴格的煅燒溫度控制，產(chǎn)品性能穩(wěn)定。該爐屬低溫慢速煅燒，物料溫度130～150℃，在爐內(nèi)停留40～50分鐘甚至1小時，煅燒產(chǎn)品的相組成大部分為半水石膏，只有極少量的無水石膏Ⅲ和二水石膏，沒有無水石膏Ⅱ。對于脫硫石膏的煅燒能耗為：對純度大于90%，自由水10%時其能耗為1467GJ/噸成品（~35萬仟卡/噸）電耗為30仟瓦時/噸。

　　三. 特點淺析：  

　　1. 低溫慢速煅燒：指煅燒時物料溫度小于150℃，物料在爐內(nèi)停留幾十分鐘或1小時以上的煅燒方式。如連續(xù)炒鍋、流化床式焙燒爐。這種煅燒方式是二水石膏受熱時逐步脫水而成半水石膏，根據(jù)二水石膏純度，選定最佳脫水溫度，自控系統(tǒng)將爐內(nèi)溫度、水蒸汽分壓、物料停留時間等調(diào)整到最佳穩(wěn)定狀態(tài)，使煅燒產(chǎn)品質(zhì)量均一而穩(wěn)定。其煅燒產(chǎn)品中絕大部分為半水、極少量的無水石膏Ⅲ、二水石膏及無水石膏Ⅱ，結晶水含量一般在5.5～6.0％，個別為＞4.0％。煅燒的建筑石膏粉貯存在粉料庫中待用，廣泛用于粉狀、板材等制品。國內(nèi)外的連續(xù)炒鍋多年實踐證明，其煅燒產(chǎn)品的物化指標均能達到質(zhì)量標準要求，是石膏煅燒的可靠設備之一。而流化床式焙燒爐在國內(nèi)尚無實踐數(shù)據(jù)，但從澳方資料介紹，它可煅燒出質(zhì)量良好的建筑石膏。 

　　2.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。己在國外應用多年，廣泛用于高速的紙面石膏板生產(chǎn)線和石膏砌塊等產(chǎn)品的生產(chǎn)，效果良好。這種煅燒方式是二水石膏遇熱后急速脫水，很快生成半水或無水Ⅲ，由于料溫較高甚至無水Ⅲ的比例較大，而Ⅲ型無水石膏是不穩(wěn)定相，在含濕空氣中很容易吸潮而成半水相。因此在這種煅燒方式中有的加冷卻裝置，如彼特磨有通入冷空氣的專用冷卻裝置；沙司基打磨有螺旋式強制式陳化機，都是起到降低料溫、達到物料陳化的目的。對于快速煅燒，爐內(nèi)的氣氛很重要，當爐內(nèi)熱氣體的含濕量很小時，煅燒的成品物相中無水石膏Ⅲ相對較多，如燃煤的彼特磨，產(chǎn)品的無水石膏Ⅲ達30％以上；北京國華的沙司基打磨煅燒的產(chǎn)品結晶水只有3～3.5％，斯德試驗爐煅燒的產(chǎn)品大部分為無水石膏Ⅲ，這都說明煅燒的產(chǎn)品處于“過火”狀態(tài)，經(jīng)過冷卻陳化后，相組成有所改變，半水相增加了。而用天然氣作為燃料的彼特磨煅燒出的產(chǎn)品相組成中，無水Ⅲ的量只有10~15%，這是由于天然氣燃燒中生成大量的水分，另一方面是含濕“廢氣”的合理循環(huán)利用，使爐內(nèi)水蒸汽分壓加大，有利于相成分的轉變和穩(wěn)定。因此，快速煅燒方式除應調(diào)整最佳脫水溫度外，還應根據(jù)燃料的種類，計算出燃燒氣體的含濕量，判斷爐內(nèi)水蒸汽分壓的大小，若很小，則應采取外加濕的方法以提高爐內(nèi)的氣氛濕度；或采用強制式陳化等措施?？焖凫褵钔怀龅奶攸c是生產(chǎn)效率高、能耗低。生產(chǎn)中通過良好的冷卻陳化環(huán)節(jié)其產(chǎn)品質(zhì)量是能得到保證的。 

　　3. 中速煅燒：這是物料在窯內(nèi)停留時間在幾分鐘、十幾分鐘，物料溫度在140~165 ℃之間。這種方式介于上二者之間。典型的煅燒設備是回轉窯，早在七十年代中期，我國第一條紙面石膏板生產(chǎn)線就采取了這種方式，煅燒的天然石膏為顆粒狀，由于顆粒級配的因素，產(chǎn)品質(zhì)量不易均一和穩(wěn)定。但在窯后選擇較好的粉磨設備再加上良好的陳化措施，產(chǎn)品質(zhì)量可以保證。 煅燒工業(yè)付產(chǎn)石膏時，除在設計窯時考慮一定的干燥帶外，還應根據(jù)物料的顆粒級配選擇合適的粉磨設備，以改進煅燒前后顆粒級配的比例，使產(chǎn)品物性更加優(yōu)越。目前國內(nèi)用此方式煅燒工業(yè)付產(chǎn)石膏，如磷石膏、脫硫石膏正在試產(chǎn)中，技術參數(shù)和性能測試數(shù)據(jù)有待積累及深化。 

　　4. 關于煅燒工業(yè)付產(chǎn)石膏的顆粒級配問題：工業(yè)付產(chǎn)石膏以“細粉”狀態(tài)存在，如脫硫石膏的顆粒多集中在40~60微米，粒度分布曲線窄而瘦，比表面積小，這種顆粒級配會影響產(chǎn)品質(zhì)量。解決辦法一是增加“磨細”措施，在煅燒過程中完成脫水和改變顆粒級配二項任務。經(jīng)過有“擊碎”過程的煅燒產(chǎn)品，其粒度分布曲線大有改變，由窄而瘦變得寬廣了，產(chǎn)品性能得到了改善。因此，在設計煅燒工業(yè)付產(chǎn)石膏生產(chǎn)線時要注重“擊碎”過程。 

　　5. 選擇煅燒方式和設備的原則：首先是石膏的種類和性狀：是天然石膏還是工業(yè)付產(chǎn)石膏；是顆粒狀還是粉狀；如果是粉狀，宜選用快速煅燒設備；如果是顆粒狀，則宜選用在窯內(nèi)停留時間較長的設備。終端產(chǎn)品的種類：如果是生產(chǎn)石膏建材制品，如各種石膏板材、砌塊等，宜選用快速煅燒設備。因用快速法生產(chǎn)的建筑石膏凝結硬化快，可提高生產(chǎn)效率，加速模具的周轉；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，宜選用慢速煅燒設備，因用慢速煅燒的產(chǎn)品凝結硬化較慢，有利于減少外加劑的摻量，降低生產(chǎn)成本；如果兩類產(chǎn)品都生產(chǎn)，則按主導產(chǎn)品選擇。最終，還應權衡比較各類煅燒設備的性價比等綜合技術經(jīng)濟指標。