4FC-分室石膏煅烧技术在磷石膏粉生产线改造中的应用

FC-分室石膏煅烧技术在磷石膏粉生产线改造中的应用李玉山张贤辉山东平邑开元新型建材有限公司【摘要】本文通过对一条磷石膏回转窑煅烧生产线进行优化改造工程的介绍，总结和整理了改造前后核心设备及工艺流程的完善过程，并对改造前后的尾气排放温度变化对能耗的影响，FC-分室石膏煅烧炉结构对产品相组成的影响，关键生产过程的控制原理进行了阐述，从而说明完善的工艺流程和先进的石膏煅烧系统对业主的石膏制品工厂运营至关重要。【关键词】磷石膏；FC-分室石膏煅烧系统；回转窑；建筑石膏；余热气流干燥；流态化煅烧1。引言在石膏粉的生产工艺中，采用筒式回转窑进行煅烧具有比较长的历史，然而在国内其工艺和结构方面的缺陷却从未得到彻底解决。四川一条于2007底投产的年产10万吨回转窑磷石膏煅烧生产线，至2009年8月，在一年多的生产中，一直存在着产量低、产品质量稳定性差、煅烧煤耗高的问题，直接影响了其下游生产线—年产2000万平米纸面石膏板厂的产品合格率和生产成本。2009年，该公司邀请山东平邑开元新型建材有限公司对该磷石膏生产线进行改造，将原来的回转炉煅烧工艺改造为由平邑开元新型建材有限公司自主开发的FC-分室石膏煅烧系统工艺。FC-分室煅烧系统采用了先进的流态化分室煅烧技术和利用煅烧余热进行气流预干燥相结合的先进工艺。改造后的生产实践证明，FC-分室煅烧系统令人满意地解决了该生产线存在的问题。本文介绍了这一改造工程的关键工艺环节、操作工艺参数的变化以及改造前后生产能耗和产品质量指标的改善情况，同时，对FC-分室石膏煅烧系统的工艺及控制要点也作了总结。2．改造前后的工艺流程变化2．1生产线改造前的生产工艺流程图及工艺概述：原料经喂料机2和皮带机3直接喂入回转窑4，与燃煤沸腾炉5产生的高温热烟气一起顺流煅烧，再经布袋除尘器6回收煅烧产品，烟气及煅烧产生的水蒸气一起由主引风机7排入大气。成品在经过进一步粉磨后由斗式提升机10提升至成品仓11。由于流程前端对原料磷石膏未进行有效的分散处理，使结块物料和细粉状的物料同时进入回转窑与高温热烟气（约550度）接触，导致煅烧物料受热不均，成品易产生过烧或生烧现象，产品的相组成变差，性能指标稳定性差。由于该工艺采用的是一步法煅烧，主引风机7的排气温度达170度左右，并且未进行余热利用就直接排入大气中，排气温度过高导致了能耗的增加。同时该系统未能实现煅烧成品的出料温度与喂料量调整的闭环控制，使得成品的质量指标变化加大，直接影响纸面石膏板生产线的稳定运行。2．2生产线改造后的生产工艺流程图及工艺概述：2．2.1工艺开发沿革生产线改造后的生产工艺为FC分室石膏煅烧系统。FC分室石膏煅烧系统是由山东平邑开元新型建材有限公司自行研发的，在传统国内沸腾炉煅烧技术基础上，采用气流干燥加流态化煅烧技术，参考化学石膏的特性，结合国外化学石膏的煅烧技术，结合国内燃料结构特点，开发研制出的一种全新的建筑石膏煅烧系统。流态化技术在现代工业被广泛应用，首次大规模的重要应用，由德国人winkler用于粉煤气化的气—固流化床开始的，这一方法在1922年获得专利，其第一台煤气发生炉已有较大规模（高13m，截面积12m2）。第一套石油催化流化床反应器于1942年在美国建成,处理能力为1700T/D。由于其技术上的合理性及大量的工业需求，该反应器很快在全世界范围内普及，它的改型体至今仍是最有价值的工业流化床反应器之一，并且被广泛借鉴应用于其它领域。我国对于流化床技术最早的研究是汪家鼎院士关于流化床褐煤低温干馏技术的研究，也是世界上将流化床技术开发转向煤化工的先驱之一。当时对流化床技术的优势（如：设备内温度均匀，可以流化细颗粒，易于连续操作等）和发展前景已有了相当深入的认识。而1955年南京化工公司的黄铁矿焙烧生产二氧化硫，1957年葫芦岛流化床焙烧精锌矿，以及萘氧化生产苯二甲酸酐等技术是我国最早使用的流化床反应器的工程实例。1978年由杭州新型建材工业设计研究院苏兆平工程师设计的哈尔滨石膏板厂石膏煅烧车间首次采用以蒸汽为热源的单室沸腾煅烧炉生产建筑石膏，原料则采用天然石膏，经粉磨后进行煅烧，产量达到5T/h的规模。但由于当时在原料粒级组成、含水率方面的变化，石膏煅烧质量稳定性差，对于高含湿物料在煅烧过程中易结团、产生堵床现象等，从而产生恶化工艺连续性的状况。1996年，山东盐化公司在建造石膏板工厂时，设计了一条以导热油为热源的二室沸腾煅烧炉，后经进一步改造完善，使用该炉煅烧含湿率5%的天然石膏粉，效果良好。目前山东已有多条生产线投入运行，生产能力从3T/h—15T/h之间，运行状况良好，生产每吨建筑石膏粉的煤耗在55KG/t，电耗28kwh/t，使用专用导热油锅炉作为热源。目前，流态化技术作为一门高效换热技术已经渗透到国民经济的许多部门，在化工、炼油、冶金、能源、原子能材料、轻工、生化、机械、环保等各领域中都可找到它的卓越贡献。但是，在煅烧石膏技术方面需要解决的几个关键问题，如对原料含水率的适应性，物料粒级组成，余热利用方面存在的问题始终未得到很好的解决，笔者在参阅国内外相关专业文献的基础上，融合国内外石膏流态化煅烧设备的优点，设计建成了一条年产3万吨半水石膏粉生产线—FC分室石膏煅烧系统，初步解决了流态化技术在煅烧石膏过程中的适应性问题。该系统保持了流态化技术在煅烧天然石膏时的节能、免维修的特点，而且特别适用于煅烧含水率在25%以下的各种化学石膏，如FGD石膏（电厂排烟脱硫石膏）、磷石膏、氟石膏、钛石膏及柠檬酸石膏。从试验结果看，该煅烧系统可以稳定生产出符合国标要求的建筑石膏粉，同时与传统煅烧系统相比较，投资省，且运行成本低，节能及环保方面都达到了令人满意的效果。2.2.2工艺流程描述2.2.2.1原料处理本生产线改造重新设计了原料的预处理方案。磷石膏经卡车运送至生产线附设的原料堆棚，从堆场用铲车取磷石膏原料，直接铲入生产线专设的原料喂料仓。仓壁设有防堵塞的由程序控制的两组振动器，并通过调整出料口闸板的高度和变频喂料机来适应锤片式分散机1的生产能力。原料喂料仓下的皮带机喂料机连续的将磷石膏通过皮带机喂入锤片式分散机1进行分散，分散后的磷石膏由皮带机2输送至烘干喂料缓冲仓3。原料当中的铁件由永磁除铁器去除。2.2.2.2烘干及煅烧该改造工艺对主煅烧流程采用典型的FC—分室石膏煅烧工艺，用FC—分室石膏煅烧炉替代回转窑，保留了高温燃煤沸腾炉和布袋收尘器，同时对煅烧炉尾气进行余热再利用，主引风机的排气温度控制在90度左右，从而显著的降低了生产能耗。（参见流程图），概述如下：烘干喂料仓仓壁设有防堵塞的2组振动器，仓下设置一台调速给料机4，将磷石膏喂入FC——分室石膏煅烧系统中的气流烘干工段。由鼓风机引入的FC——分室石膏煅烧炉14尾气（温度180℃）作热介质,经高温调风阀23兑热后的热风进入FC——气流预干燥工段，在气流干燥机5内形成高速上升热气流，磷石膏经皮带喂料机4和防堵锁风器配合，喂入气流干燥机后，物料此时被高速上升的气流迅速分散，并与热气流进行高速传质传热，瞬间使游离水分汽化蒸发，然后在主机内随高速上升气流形成紊流态，并在此过程中完成预干燥过程。气流干燥机的最大烘干能力设计为5000kg水/H。粉状物料随气流进入旋风分离器6，大约有90%左右的磷石膏被旋风分离器收集下沉进入集料斗，并由集料斗下端的星型卸料阀排放，剩余物料随气流进入外滤式脉冲布袋除尘器20作二次捕收。旋风分离器6分离下来的磷石膏连续地落入直线振动筛7受料端，经筛分后筛下物料落入其下的预热仓9内；筛上大颗粒物料则集中通过2#锤片粉碎机8进一步粉碎后落入预热仓9。袋式除尘器20收集下来的石膏粉经星形卸灰阀，螺旋输送机送入FC—石膏煅烧炉内，废气（此时粉尘浓度大约50mg/m3）则经排气囱排入大气中。储放在预热仓9内的磷石膏含水率控制在5%以内，由仓下的计量秤10和斗式提升机11、回转锁风器12配合，喂入石膏煅烧设备—FC分室石膏煅烧炉14。一部分物料在投料初期由电动分料器和螺旋喂料机、回转锁风器配合，将磷石膏往FC-分室石膏煅烧炉的后几室布料，并形成初床层。计量秤10的喂料量调整由微机根据煅烧炉第八区的出料温度设定值，通过程序控制进行PID动态调整，确保出料温度的稳定。FC—分室石膏煅烧炉是一种应用流态化技术煅烧高含水率化学石膏的高效节能设备。FC—分室石膏煅烧炉以热烟气作热源进入煅烧炉后，通过热交换器，把热量传递给石膏，使二水石膏脱去部分结晶水变成半水石膏。FC—分室石膏煅烧炉为分室石膏煅烧装置，底部有活化风换热器和多孔板，在床层内装有大量加热管，管内加热介质为高温热风，热量通过管壁传递给管外处于流态化的石膏粉，使石膏粉脱水分解。在煅烧器上部，装有内置式高效旋风子，汽体离开流化床时夹带的粉尘大部分被这些装置捕收并重新返回至炉内，热湿气体则通过管道与预干燥工段的旋风分离器湿气汇合进入二次布袋收尘器。该项目所采用的FC—分室石膏煅烧炉设计为8室，生产能力为16t/h（产品）。出炉后的半水石膏粉经由在线取样器和分料阀进入均热仓15或废料仓，当生产工艺条件尚未稳定时，产品质量指标波动较大，此时应将分料阀转至废料仓，在经过调整并化验产品合格后将分料阀拨回均热仓15。转入废料仓内的石膏粉可根据化验结果灵活调整下料量，并经其下的调速下料阀控制，比例地掺入成品之中。2.2.2.3输送、改性及储存：煅烧后的建筑石膏经均热仓15和回转喂料器进入带冷却功能的输送机，再经改性磨17进行改性粉磨，后由斗式提升机18直接提入至成品仓19。在此石膏粉储存3天以上，并得到陈化使产品的各项性能指标更趋稳定。整个生产线压缩空气的消耗量为6m3/min。在车间内设置一台1m3储气罐。2.2.3工艺原理及系统特点：2.2.3.1工艺原理：FC分室煅烧工艺的换热系统综合运用了3种换热方式，即根据石膏含水率在不同煅烧过程中的湿含量变化采取相应的换热方式，在确保产品质量稳定性的同时，全面提高换热效率，节省能源。1）预热过程：FC分室石膏煅烧系统设计了专门的预热方案，预热热源来自于主煅烧炉的烟气余热。在短短的2—3秒之内，高含水的石膏原料与干燥热烟气进行瞬间对流换热，将原料表面水迅速蒸发，预干燥后的石膏粉通过回收器回收至预热仓，这一过程有下列三种作用：a、降低原料的表面水含水率，经过预热后原料的含水率一般下降5%-10%左右。b、提高原料进入主煅烧炉时的料温，避免结团现象。c、将原料中的重质部分及大颗粒物料通过“风选”效果分离出来。d、对于脱硫石膏通过预热进入FC--主炉1区与高温热管接触，可迅速去除脱硫石膏中的有机类有害杂质。2）煅烧过程：FC主煅烧炉结构FC分室煅烧系统的主煅烧炉设计成四个相对独立的煅烧空间（图3），这种结构设计具有以下特点:a.用FC分室煅烧方式能有效防止石膏粉煅烧过程中的生熟料混和现象传统的煅烧技术如立式炒锅、回转窑、一般沸腾炉等，由于机械、气流的搅拌作用，石膏粉在沸腾脱水过程中，二水石膏、半水石膏和无水石膏三相相互掺和，致使最终产品的相组成不可避免的出现多相化，显著降低了产品质量指标。而分室沸腾煅烧按照石膏粉的温升曲线变化人为地将煅烧过程区分成四个相对独立的脱水空间，有效避免了高低温物料的掺和现象，最终产品的相组成得到优化。b.更容易调整产品的质量指标：熟石膏粉的质量指标调整是满足不同用户要求的基本措施。但遗憾的是现有设备由于结构缺陷不能满足这一要求，而分室沸腾煅烧技术可以方便的调整石膏粉在不同脱水阶段的脱水温度、脱水时间，从而更容易得到不同凝结时间、稠度、强度要求的产品。在不加任何添加剂的情况下，采用该技术石膏粉初、终凝结时间的调整范围为3-15分钟，标准稠度65%-72%。FC分室石膏煅烧炉主体换热部分采用了两种不同的换热方式：即对流和传导换热。在主煅烧炉的1区、2区采用高温热管换热技术进行传导换热;同时经过加热后的压缩风通过置于底部的风伞直接作用于石膏粉进行对流换热，并使一区、二区的物料呈现出在高温热风作用下的流态化换热状态，更大程度地改善了气、固两相的传热传质效率，同时特有的打散装置可及