劉榮榮,秦 瑩,李文鋒

(河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450003)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,化工業(yè)取得了巨大的成就,但是化工業(yè)的副產(chǎn)品量也日益增多,尤其是我國(guó)的工業(yè)副產(chǎn)石膏,產(chǎn)量相當(dāng)巨大。目前我國(guó)工業(yè)副產(chǎn)石膏累計(jì)堆存已經(jīng)達(dá)到了8億噸[1-2],工業(yè)副產(chǎn)石膏的種類主要是脫硫石膏、磷石膏、鈦石膏、氟石膏和檸檬酸石膏等,其中磷石膏的堆存量每年大約是0.7億噸,綜合利用率20%左右;脫硫石膏的堆存量每年大約0.68億噸,綜合利用率50%左右;其他種類的副產(chǎn)石膏綜合利用率相對(duì)更低[3-4]。工業(yè)副產(chǎn)石膏的大量堆存,不僅占用大量寶貴的土地資源,也是資源的浪費(fèi)。所以,工業(yè)副產(chǎn)石膏資源的綜合利用對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、土地資源的合理利用有重要的意義。

1 工業(yè)副產(chǎn)石膏性能

1.1 工業(yè)副產(chǎn)石膏特點(diǎn)

工業(yè)副產(chǎn)石膏是在化工業(yè)生產(chǎn)中由化學(xué)反應(yīng)合成的以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)為主要成分的副產(chǎn)品或廢渣。其中脫硫石膏產(chǎn)量和磷石膏的產(chǎn)量占據(jù)了工業(yè)副產(chǎn)石膏總產(chǎn)量的85%左右[5]。工業(yè)副產(chǎn)石膏具有以下的表觀特點(diǎn),見表1。

表1 工業(yè)副產(chǎn)石膏的特點(diǎn)

1.2 工業(yè)副產(chǎn)石膏化學(xué)組成及物相分析

工業(yè)副產(chǎn)石膏主要是脫硫石膏和磷石膏,其化學(xué)成分見表2和表3[4-5]?？梢缘贸?脫硫石膏相對(duì)品位更高,雜質(zhì)含量更少;磷石膏的品位低一些,雜質(zhì)含量較高,磷石膏中的P2O5和F對(duì)綜合利用影響較大。

表2 脫硫石膏的化學(xué)成分

表3 磷石膏的化學(xué)成分

工業(yè)副產(chǎn)石膏的物相分析見表4。可以看出,脫硫石膏和磷石膏的主要成分都是硫酸鈣,為工業(yè)副產(chǎn)石膏的資源化利用提供了基礎(chǔ);雜質(zhì)中還伴隨著石英;磷石膏由于其生產(chǎn)工藝特點(diǎn),含有部分磷酸鈣。

表4 工業(yè)副產(chǎn)石膏的物相成分

1.3 工業(yè)副產(chǎn)石膏的粒度分析和SEM分析

取典型的工業(yè)副產(chǎn)脫硫石膏和磷石膏樣品作粒度分析,其結(jié)果見圖1和圖2。由圖1得出,脫硫石膏粒徑在100～1000 μm區(qū)間含量是53%左右,粒徑大于1000 μm是19%左右,粒徑小于100 μm的是27%左右;由圖2得出,磷石膏粒徑在100～1000 μm區(qū)間含量是40%左右,粒徑大于1000 μm是16%左右,粒徑小于100 μm的是44%左右;脫硫石膏的粒徑分布較均勻,磷石膏的粒徑分布分散。工業(yè)副產(chǎn)石膏的粒徑集中在100～1000 μm,滿足氣態(tài)懸浮焙燒爐的進(jìn)料粒度要求。

圖1 脫硫石膏粒徑分布圖

圖2 磷石膏粒徑分布圖

脫硫石膏和磷石膏的SEM掃描電鏡分析見圖3和圖4。由圖3得出,脫硫石膏的微觀形貌主要是菱面體形柱狀、無規(guī)則形狀,其中菱面體形柱狀是屬于石膏的特有形狀,且顆粒尺寸比較大,粒徑尺寸大小不一;由圖4得出,磷石膏的微觀形貌主要是菱面體、無規(guī)則形狀,這點(diǎn)跟脫硫石膏一致,顆粒尺寸分布雜亂,并且里面有亮點(diǎn)的少數(shù)雜質(zhì)。

圖3 脫硫石膏SEM電鏡

圖4 磷石膏SEM電鏡

2 工業(yè)副產(chǎn)石膏輕燒工藝

2.1 工業(yè)副產(chǎn)石膏熱力學(xué)分析

工業(yè)副產(chǎn)石膏的主要礦物為CaSO4·2H2O,在煅燒溫度下發(fā)生如下反應(yīng):

CaSO4·2H2O=CaSO4+2H2O

(1)

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)手冊(cè)進(jìn)行反應(yīng)焓值△H和吉布斯自由能△G計(jì)算,其結(jié)果見圖5和圖6[6-8]:

圖5 反應(yīng)一焓值△H與溫度的關(guān)系

圖6 反應(yīng)一吉布斯自由能△G與溫度的關(guān)系

根據(jù)吉布斯自由能△G和溫度的關(guān)系,CaSO4·2H2O脫除2分子結(jié)晶水的理論反應(yīng)溫度是△G=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度,由圖6得出理論反應(yīng)溫度是91.3℃。

由圖5和圖6得出,反應(yīng)一是吸熱反應(yīng),分解反應(yīng)焓值△H隨著溫度的升高而降低。吉布斯自由能△G也是隨著溫度的升高而降低,其中CaSO4·2H2O在91.3℃發(fā)生了分解反應(yīng)。通過熱力學(xué)計(jì)算,理論上為工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒分解反應(yīng)提供了的熱力學(xué)依據(jù)。

2.2 工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒工藝流程

目前工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒設(shè)備主要是回轉(zhuǎn)窯,回轉(zhuǎn)窯是傳統(tǒng)煅燒設(shè)備,最早應(yīng)用于煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐具有能耗低,占地面積小,運(yùn)轉(zhuǎn)率高等優(yōu)勢(shì),尤其是在目前雙碳背景下,是一種綠色環(huán)保節(jié)能的新型煅燒設(shè)備。

2.2.1 回轉(zhuǎn)窯煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝流程

回轉(zhuǎn)窯煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝流程如圖7所示?；剞D(zhuǎn)窯煅燒工藝為工業(yè)副產(chǎn)石膏通過螺旋進(jìn)料器送到回轉(zhuǎn)窯窯尾處,然后工業(yè)副產(chǎn)石膏通過回轉(zhuǎn)窯自身的旋轉(zhuǎn)向窯頭方向移動(dòng),并與窯頭來的燃燒煙氣進(jìn)行換熱,將工業(yè)副產(chǎn)石膏烘干和預(yù)熱,窯尾煙氣則冷卻降溫。在窯頭處通入燃料進(jìn)行燃燒放熱,經(jīng)過烘干預(yù)熱的工業(yè)副產(chǎn)石膏在窯頭處發(fā)生分解反應(yīng),窯頭成品無水石膏進(jìn)入到冷卻筒內(nèi),與二次助燃空氣進(jìn)行換熱,將成品無水石膏冷卻到一定溫度,并提高二次助燃空氣的溫度,從而降低燃料的消耗量。窯尾處的煙氣和窯灰首先經(jīng)過窯尾煙道一次除塵,然后經(jīng)過一級(jí)旋風(fēng)除塵器和二級(jí)旋風(fēng)除塵器的第二次除塵和第三次除塵,最后通入布袋進(jìn)行第四次除塵,除塵返灰物料則隨濕物料工業(yè)副產(chǎn)石膏一同進(jìn)入到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)。

圖7 回轉(zhuǎn)窯煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏流程圖

2.2.2 氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐用于煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝流程

氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐用于煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝流程如圖8所示。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐煅燒工藝為由二級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器、主煅燒爐及主分離爐、四級(jí)旋風(fēng)冷卻器、文丘里干燥器、流化床冷卻器、電袋收塵及返灰系統(tǒng)等組成。整個(gè)裝置采用負(fù)壓作業(yè)、稀相流態(tài)化煅燒技術(shù)。工業(yè)副產(chǎn)石膏由螺旋給料機(jī)進(jìn)入文丘里干燥器,然后物料通過二級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)行烘干預(yù)熱,進(jìn)入主煅燒爐及主分離爐。燃料從主煅燒爐錐部進(jìn)入爐內(nèi), 與爐內(nèi)的高溫助燃空氣混合燃燒,物料與煙氣在主分離爐進(jìn)行分離。主分離爐底部物料進(jìn)入到四級(jí)旋風(fēng)冷卻器進(jìn)行逆流換熱,最后再進(jìn)入流化床冷卻器中進(jìn)一步冷卻降溫[9-10]。

圖8 懸浮煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝流程圖

氧化鋁懸浮煅燒爐將煙氣熱量與工業(yè)副產(chǎn)石膏進(jìn)行充分換熱,提高成品物料溫度并降低煙氣溫度,主爐煅燒后成品無水硫酸鈣與助燃空氣進(jìn)行充分換熱,提高助燃空氣溫度和降低成品物料溫度,從而實(shí)現(xiàn)大幅度降低能耗。

2.2.3 工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒條件

文章通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)工業(yè)副產(chǎn)石膏工藝中回轉(zhuǎn)窯和氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐進(jìn)行熱平衡計(jì)算,煅燒物料初始條件見表5;煅燒的燃?xì)獠捎酶蓛舡h(huán)保的天然氣,成分見表6。

3 工業(yè)副產(chǎn)石膏煅燒主要影響因素對(duì)比

通過對(duì)回轉(zhuǎn)窯和氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,從能耗、熱效率、天然氣消耗量等方面進(jìn)行對(duì)比分析,分析氧化鋁氣態(tài)懸浮煅燒爐具有各個(gè)方面的節(jié)能效果。

3.1 能耗與熱效率對(duì)比分析

回轉(zhuǎn)窯和氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在能耗和天然氣消耗量上的對(duì)比分析見表7?？梢缘贸?氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品能耗比回轉(zhuǎn)窯低,熱效率比回轉(zhuǎn)窯高。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐比回轉(zhuǎn)窯顯著節(jié)能,采用氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品節(jié)約能耗1.22 GJ,降低比例44.8%,熱效率提高35.9%,提高比例95.8%。因此,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在能耗和熱效率方面都比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 燃?xì)庀牧颗c空氣消耗量對(duì)比分析

回轉(zhuǎn)窯和氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在燃?xì)庀牧亢涂諝庀牧可系膶?duì)比分析見表8。可以得出,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品的燃?xì)庀牧亢涂諝庀牧慷家然剞D(zhuǎn)窯要小,從而降低生產(chǎn)成本,并且燃?xì)饬亢椭伎諝饬慷夹?則相應(yīng)的管道直徑小,設(shè)備投資低。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品的天燃?xì)庀牧抗?jié)約36.6 Nm3,降低比例45.1%;每噸成品的空氣消耗量節(jié)約457.1 Nm3,降低比例49.9%。

表8 燃?xì)庀牧亢涂諝庀牧繉?duì)比分析數(shù)據(jù)

3.3 煙氣排放量與CO2排放量對(duì)比分析

回轉(zhuǎn)窯和氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在煙氣排放量和CO2排放量上的對(duì)比分析見表9?？梢缘贸?氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品的煙氣排放量和CO2排放量都要比回轉(zhuǎn)窯小,則相應(yīng)煙氣的排風(fēng)機(jī)的功率、風(fēng)量、外形尺寸都要比回轉(zhuǎn)窯小,不僅降低設(shè)備投資和基建費(fèi)用,而且也節(jié)省風(fēng)機(jī)電耗;尤其是溫室氣體CO2的排放量,在目前雙碳的大環(huán)境下,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐的低碳排放顯得尤為重要。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐每噸成品的煙氣排放量降低627.8 Nm3,降低比例39.2%;每噸成品的CO2排放量降低35.5 Nm3,降低比例45.1%。

表9 煙氣排放量和CO2排放量對(duì)比分析數(shù)據(jù)

3.4 煙氣溫度和散熱損失對(duì)比分析

回轉(zhuǎn)窯與氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在煙氣溫度和散熱損失見表10?？梢缘贸?氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐的煙氣溫度要小于回轉(zhuǎn)窯,降低了20℃,降低百分比11.1%。由于氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐采用物料與煙氣進(jìn)行換熱,從而充分利用了煙氣的顯熱,能量利用率高,而回轉(zhuǎn)窯的煙氣顯熱則大部分依靠散熱損失,能量利用率低;氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐的散熱損失要顯著小于回轉(zhuǎn)窯,降低了0.583 GJ,降低百分比87%。由于回轉(zhuǎn)窯的天然氣消耗量,空氣消耗量,煙氣排放量都顯著大于氣態(tài)懸浮焙燒爐,所以相應(yīng)的設(shè)備尺寸則較大,且根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的筒體的特殊結(jié)構(gòu),回轉(zhuǎn)窯的散熱損失要遠(yuǎn)大于氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐。

表10 煙氣溫度和散熱損失對(duì)比分析數(shù)據(jù)

3.5 各項(xiàng)影響因素和整體能耗對(duì)比分析

回轉(zhuǎn)窯與氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐各項(xiàng)對(duì)比分析匯總見圖9和表11,所列比例為將回轉(zhuǎn)窯改為氣態(tài)懸浮焙燒爐后降低或增加的比例。

由圖9和表11得出,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐的各項(xiàng)影響因素都要比回轉(zhuǎn)窯要優(yōu)化,其中,提高熱效率比例最高,為95.8%;其次是降低散熱損失,為87%;煙氣溫度降低百分比最小,為11.1%。在最主要的能耗影響因素中降低百分比為44.8%。

表11 各項(xiàng)影響因素改進(jìn)百分比

圖9 各項(xiàng)影響因素改進(jìn)百分比(絕對(duì)值)

氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐和回轉(zhuǎn)窯的整體能耗見表12和表13。

表12 天燃?xì)庹w熱平衡

表13 回轉(zhuǎn)窯整體熱平衡

氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐和回轉(zhuǎn)窯的整體能耗見表12和表13?？梢缘贸?氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐的整體能耗顯著低于回轉(zhuǎn)窯的整體能耗,回轉(zhuǎn)窯是氣態(tài)懸浮焙燒爐的2倍左右,因此氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐在能耗方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

4 總 結(jié)

通過上述分析,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐與回轉(zhuǎn)窯相比,具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)。

(1)熱效率高、能耗低。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐中燃料燃燒穩(wěn)定,溫度分布均勻,物料與助燃空氣接觸密切,換熱迅速,空氣預(yù)熱溫度高,空氣過剩系數(shù)低,燃料燃燒溫度高,系統(tǒng)熱效率大大提高,廢氣量隨著減少。

(2)產(chǎn)品質(zhì)量好。由于內(nèi)襯磨損少,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐產(chǎn)品中SiO2的含量比回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)品低。煅燒爐單位面積產(chǎn)能高,設(shè)備緊湊,占地少,投資少,設(shè)備簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低。氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐除了風(fēng)機(jī)和給料設(shè)備之外沒有大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,維修費(fèi)用比回轉(zhuǎn)窯低得多。

(3)利用氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐煅燒工業(yè)副產(chǎn)石膏,環(huán)境污染少、燃燒完全,空氣過剩系數(shù)低,廢氣中氧含量低,SO2和NOX的含量都低于回轉(zhuǎn)窯。

氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐相對(duì)于回轉(zhuǎn)窯在各個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)都非常明顯,能耗降低顯著,天然氣消耗量少,空氣量及煙氣量小,煙氣溫度低,尤其是氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐緊湊結(jié)構(gòu)形式,在降低散熱損失方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)和顯著的節(jié)能效果。受世界范圍內(nèi)能源緊缺的制約,氧化鋁氣態(tài)懸浮焙燒爐將會(huì)作為工業(yè)副產(chǎn)石膏的新型節(jié)能煅燒設(shè)備,將會(huì)在日后逐漸取代回轉(zhuǎn)窯,是節(jié)約能源的一個(gè)重要發(fā)展方向。