各种石膏煅烧设备的特点与浅析

一、国内外石膏煅烧概况：

石膏石或工业副产石膏是以二水硫酸钙形式存在，其分子式中有两个结晶水，只有脱去一个半结晶水生成半水硫酸钙才有胶凝性质。脱去结晶水的过程即为石膏煅烧。石膏的煅烧主要有干法和湿法两大类，前者是在干燥条件下脱水而成，以ß半水石膏为主的建筑石膏；后者是在饱和水蒸气压力下“煮成”α-半水石膏，也叫高强石膏。两种形态的半水石膏各有不同性质和用途，本文涉及的是建筑石膏。建筑石膏的生产采用干法煅烧石膏工艺，其种类繁多，按加热方式，分为间接加热和直接加热；按煅烧脱水速度，分为慢速煅烧和快速煅烧；按出料方式可分为间歇和连续两种。国外在二十世纪六十年代之前，以传统慢烧型的间歇炒锅和外烧式回转窑为主。六十年代后期，对上述设备进行了技术改造，七十年代，将间歇炒锅发展成为连续炒锅，八十年代后又发展成了锥形炒锅；回转窑也从外烧式发展成内烧式煅烧；为推动石膏工业的技术进步，提高石膏建材制品生产线的运行速度，又发展了气流式快速煅烧工艺。总的来讲，煅烧工艺是从间歇出料到连续出料；间接加热到直接加热；慢速脱水和快速脱水并举的趋势发展。因国情不同，各国对石膏煅烧设备的选择不尽相同：美国二十世纪九十年代之前主要以炒锅为主，为满足纸面石膏板市场持续快速发展的需要，采取了加速生产线速度的措施，到90年代中期，已将近50%的生产线改成了以彼特磨、Delta磨为主的快速煅烧设备；英国以炒锅及改进炒锅为主，如连续炒锅、埋入式炒锅、锥形炒锅等，德国为炒锅，回转窑，煅烧一体的彼特磨等。日本有炒锅、回转窑及蒸汽间接回转窑等。澳大利亚多用外国引进的煅烧设备，近两年发展了沸腾煅烧。从总体水平看，国外的煅烧设备生产规模大、机械化和自动化程度高，能耗较低，煅烧产品质量稳定。国内现有内、外资大型石膏制品企业，多使用引进的大型连续炒锅、彼特磨、气流式煅烧磨和蒸汽间接回转窑等设备。而地方企业多使用内、外烧的回转窑，间歇或连续炒锅，沸腾炉等，且规模较小，配套设施不健全，产品质量不够稳定，能耗偏高。国内对规模化，现代化煅烧设备的开发还刚起步，目前，年产10万吨以上的沸腾炉、直热式回转窑已有几条投入了生产，生产工艺参数尚有待于优化；国内研发的快速煅烧设备已经完成工业化试验，规模生产正在筹备中。

二、常用煅烧方式及设备简述：

1. 间接加热方式：

1.1连续炒锅：是带有横穿火管的直园形锅体，由锅外壁、锅底及火管将热量传递给锅内二水石膏，并靠机械搅拌和石膏脱水所产生的水蒸汽及循环热气体的搅动，而呈现流态化状态，在此状况下二水石膏脱水而成半水石膏，借助溢流原理连续出料。锅内物料温度在150℃左右，物料煅烧时间1～1.5小时。属于低温慢速煅烧方式。连续炒锅煅烧石膏在国内外，都是 成熟技术，生产稳定，易操作，产品质量均衡有保证。适合煅烧粉状石膏，若用于工业付产石膏，需增设一套气流干燥装置，以除去10％以上的游离水。炒锅可用固体、液体、气体燃料。烧煤连续炒锅热耗在27~30万仟卡／吨半水石膏左右，若煅烧含10%左右的工业付产石膏，其能耗在36~37万仟卡／吨半水石膏。

1.2内加热管式回转窑：回转窑内设有许多内管，管内通热蒸汽或导热油，物料在窑内间接受热，料在窑内停留时间较长，属低温煅烧，产品质量均衡稳定。日本的部分公司采用此法煅烧天然和工业副产石膏。我国山东从国外引进了一套蒸汽煅烧设备，这种方法对于有蒸汽气源的地方较合适。据日本资料介绍，煅烧1吨二水石膏需耗0.94吨蒸汽，折算后每吨建筑石膏，热耗约为56万千卡左右，能耗偏高。

1.3沸腾炉：立式直筒状容器，在底部装有一个气体分布板，工作时使气流从底部均匀进入床层，床层内装有大量的加热管，管内介质为饱和蒸汽或导热油，石膏颗粒进入炉膛后，遇热呈流态状，同时热量通过管壁传递给管外处于流态化的石膏粉，使之沸腾脱水分解。这一煅烧工艺是国内二十世纪八十年代为配合纸面石膏板生产自行研发制造的。该设备采用低温煅烧，石膏不易过烧，只要料流稳定，出料温度控制适宜，成品大部分均为半水石膏。近年来山东地区应用较多，产品多供纸面石膏板生产线和其它制品。沸腾炉设备小巧，生产能力大，结构简单，设备紧凑，占地少，能耗较低。如产量12t/hr沸腾炉，热耗约为22万千卡/吨成品，本身的热效率在95％以上，使用蒸汽时热效率57～67％，导热油67～76％，此炉操作方便，基建投资省，运行费用低，如10t/hr一套沸腾炉投资约180～200万元，20t/hr一套沸腾炉投资约为300万元。目前国内的沸腾炉主要应用于煅烧天然石膏，因炉内没有强制性的搅拌装置，有限的气流无法将成团的湿料吹散，料中游离水不能过高，一般控制在5％以内。对于煅烧游离水10%左右的工业付产石膏，需要加一套气流烘干装置，这样增加了设备投资，也增大了热耗，但总热耗估算在28～29万千卡/吨成品之内，还是偏低的。

2. 直接加热方式：或称气流煅烧

气流煅烧即热气体与粉料直接接触，二水石膏迅速脱水而成半水石膏。这种方式热利用合理，设备紧凑，使用简单，功效高，适用天然石膏和工业副产石膏。德国沙司基打（Salzgitter）及美国BMH公司都有这种设备，前者叫沙司基打磨，后者称Delta磨。俗称“气流煅烧磨”，这种“磨”采用高速旋转的锤子将物料抛起并击碎、击细，同时与气流相汇，完成干燥、煅烧的过程。上述两个设备中锤体的安装方式，锤头的数量，分级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： 已在德国，美国，挪威，荷兰，印度，韩国等国建立了不同规模的生产线，已有从2t/hr~30t/hr不同规模的系列产品，可用气体、液体（油）做燃料，从资料介绍，当煅烧品位95％的天然石膏，每吨产品热耗为：24万千卡/吨，电耗：30KWｈ/吨。为就地消化本企业烟气脱硫装置排放出来的脱硫石膏，北京国华杰地公司从德国沙士基打公司配套引进了一套6t/hr煅烧脱硫石膏的设备，该套设备由带两个高速旋转转子的煅烧炉、旋风分离器和强制式陈化等主要设备组成。现己运转2～3年，燃料为重油，属生产初期尚未达到设计能力，产品可满足同样是引进德国砌块生产线的需求。该煅烧设备外形体积较小，噪声低，构造简单紧凑，产品质量较均衡。该磨在充分消化吸收后，在国内应有较好的发展前景。

2.2Delta磨：该磨是冲击磨，水平方向有两个室，一个锤磨转子室，一个是分级器室。料先进入锤磨室，高速旋转的锤子将料打散并“击细”，同时与热气流相汇，进行干燥和煅烧，热烟气将磨细了的料带入系统内的分级器，旋转叶片将较大的颗粒甩回锤磨室继续粉磨，合格细料经高温收尘器收入料仓。据资料介绍，这种磨在煅烧80％天然石膏，游离水3％时的热耗为22.0万千卡/吨成品，若用于10％游离水的脱硫石膏（90％以上）则热耗大约为28～30万千卡/吨成品。据BMH公司介绍此磨设计合理，功效高，设备运行率高故障少。产品的细度可调节，设备紧凑占地少，热效率高，能耗低，煅烧的建筑石膏均匀一致，特别适用于煅烧工业副产石膏。

2.3斯德动态煅烧炉：是国内自行研发的气流煅烧装置。外形为立式圆柱体，底部带有打散器的立轴与电机相联，产生旋转运动，一个侧面的中下部进料，另一侧面下部通入热风，顶部出料至捕集器进行气固分离后机械输送至储料仓。基本原理是：物料和热气体快速混合，在炉体轴向产生旋转运动，使物料与热载体急速换热，达到二水石膏脱水的目的，这种方式也可称旋流式煅烧。特点是：连续作业，热交换速度快，从进料到出料仅需几秒钟。该技术是东北大学在多种干燥与煅烧设备的基础上，开发的石膏煅烧方式。已建立小型工业化实验装置，并对脱硫石膏、磷石膏进行了煅烧试验，取得了一定的技术参数；并在试验研究的基础上设计了两种工艺路线：一种为“一步法”即将干燥与煅烧合为一步，在同一个设备内完成；另一种为两步法，干燥和煅烧分别在两个设备内完成。目前，第一套年产5万吨的一步法煅烧脱硫石膏的装置已经在北京安装完毕，正在等待试车。第二套二步法脱硫煅烧设备在浙江安装。

2.4彼特磨：也是一种气流快速煅烧设备，是集研磨—干燥—煅烧为一体的煅烧设备，是德国CLAUDISPETERS公司研制的，简称彼特斯磨。它是一种环形球磨机，磨机最底部为主传动装置，带动下研磨盘旋转，磨盘上有多个直径φ600～800mm的空心园球，园球上方是不旋转的上研磨盘。石膏从上侧部进料管送入研磨体的中心部位，（进料粒度最大可达60毫米。）在离心力作用下，将物料向外推动，推至球体下部与磨环之间被粉碎和研磨。与此同时500～600℃的热气体由磨体下侧方通入磨内，使石膏与热气流直接接触而迅速脱水而成建筑石膏。这种磨可煅烧天然石膏或天然石膏和工业付产石膏混合的石膏。它的特点是：设备体积小，生产效率高，能耗低，产品质量稳定，适合大型连续生产的石膏制品生产线。是应用成熟的石膏煅烧设备之一。国外己有16～52t/hr的系列产品，根据资料介绍，目前世界上已有近90台在运转使用。国内BNBM公司已引进二台30t/hr和一台40t/hr。磨机用于纸面石膏板生产线。煅烧天然石膏时能耗在24～27万仟卡/t产品之间。

3、直热式回转窑：热介质与石膏物料直接接触使之脱水而成半水石膏或无水石膏。石膏在小角度倾斜园筒中旋转前进，热介质与其同方向或反方向运动，在运动过程中完成石膏脱水，连续喂料及出料即为连续作业，由于直火、要比外烧回转窑热效率高，燃料可用气、油、煤。近几年在河北、山东等地均有不同规模的回转窑生产，己投产的有4~5吨/小时，14吨/小时的几条生产线，每小时近30吨的大型内烧式回转窑即将投产。已生产的直热式回转窑都是煅烧天然石膏，燃料为煤，煅烧能耗约在22~23万仟卡/吨成品，产品质量以顺流式较好。直热式回转窑煅烧天然石膏是可行的，若煅烧工业付产石膏，在煅烧前不必进行干燥处理，但窑体应有一定长度的干燥带，排湿和收尘要重点设计。近期在河南建成的一条以磷石膏为原料的生产线已试运转，煅烧脱硫石膏的工业性试验也在进行中。估算煅烧脱硫石膏热耗应低于30.0万仟卡/吨成品。回转窑设备结构较简单，是国内成熟设备、制造厂较多，设备造价低于炒锅。具有价格优势。

4、流化床式煅烧炉：该炉是九十年代澳大利亚RBS速成建筑系统有限公司的产品，称“RFC流化床式焙烧炉”。流化床式煅烧炉外形为立式园柱体，一侧中部进料另一侧下部进热风，炉体下部称为床，床底部设有气流分配器，使热气流按要求达到不同速度梯度，将石膏粉吹起使之处于悬浮状态，同时进行热交换，（该煅烧炉最大进料粒度≤10毫米）使二水石膏脱水而成半水石膏。严格控制床层温度和气体压力，料层温度梯度小使床层内二水石膏最大限度地变为半水石膏，保证了产品的质量。据澳方介绍，这种炉可煅烧天然石膏和工业付产石膏，可用任何燃料及热能，加工范围广泛的原料和粒径，并有自洁功能，有严格的煅烧温度控制，产品性能稳定。该炉属低温慢速煅烧，物料温度130～150℃，在炉内停留40～50分钟甚至1小时，煅烧产品的相组成大部分为半水石膏，只有极少量的无水石膏Ⅲ和二水石膏，没有无水石膏Ⅱ。对于脱硫石膏的煅烧能耗为：对纯度大于90%，自由水10%时其能耗为1467GJ/吨成品（~35万仟卡/吨）电耗为30仟瓦时/吨。

三. 特点浅析：

1. 低温慢速煅烧：指煅烧时物料温度小于150℃，物料在炉内停留几十分钟或1小时以上的煅烧方式。如连续炒锅、流化床式焙烧炉。这种煅烧方式是二水石膏受热时逐步脱水而成半水石膏，根据二水石膏纯度，选定最佳脱水温度，自控系统将炉内温度、水蒸汽分压、物料停留时间等调整到最佳稳定状态，使煅烧产品质量均一而稳定。其煅烧产品中绝大部分为半水、极少量的无水石膏Ⅲ、二水石膏及无水石膏Ⅱ，结晶水含量一般在5.5～6.0％，个别为＞4.0％。煅烧的建筑石膏粉贮存在粉料库中待用，广泛用于粉状、板材等制品。国内外的连续炒锅多年实践证明，其煅烧产品的物化指标均能达到质量标准要求，是石膏煅烧的可靠设备之一。而流化床式焙烧炉在国内尚无实践数据，但从澳方资料介绍，它可煅烧出质量良好的建筑石膏。

2.快速煅烧：指煅烧物料温度大于160℃，物料在炉内停留几秒钟的煅烧方式。己在国外应用多年，广泛用于高速的纸面石膏板生产线和石膏砌块等产品的生产，效果良好。这种煅烧方式是二水石膏遇热后急速脱水，很快生成半水或无水Ⅲ，由于料温较高甚至无水Ⅲ的比例较大，而Ⅲ型无水石膏是不稳定相，在含湿空气中很容易吸潮而成半水相。因此在这种煅烧方式中有的加冷却装置，如彼特磨有通入冷空气的专用冷却装置；沙司基打磨有螺旋式强制式陈化机，都是起到降低料温、达到物料陈化的目的。对于快速煅烧，炉内的气氛很重要，当炉内热气体的含湿量很小时，煅烧的成品物相中无水石膏Ⅲ相对较多，如燃煤的彼特磨，产品的无水石膏Ⅲ达30％以上；北京国华的沙司基打磨煅烧的产品结晶水只有3～3.5％，斯德试验炉煅烧的产品大部分为无水石膏Ⅲ，这都说明煅烧的产品处于“过火”状态，经过冷却陈化后，相组成有所改变，半水相增加了。而用天然气作为燃料的彼特磨煅烧出的产品相组成中，无水Ⅲ的量只有10~15%，这是由于天然气燃烧中生成大量的水分，另一方面是含湿“废气”的合理循环利用，使炉内水蒸汽分压加大，有利于相成分的转变和稳定。因此，快速煅烧方式除应调整最佳脱水温度外，还应根据燃料的种类，计算出燃烧气体的含湿量，判断炉内水蒸汽分压的大小，若很小，则应采取外加湿的方法以提高炉内的气氛湿度；或采用强制式陈化等措施。快速煅烧最突出的特点是生产效率高、能耗低。生产中通过良好的冷却陈化环节其产品质量是能得到保证的。

3. 中速煅烧：这是物料在窑内停留时间在几分钟、十几分钟，物料温度在140~165 ℃之间。这种方式介于上二者之间。典型的煅烧设备是回转窑，早在七十年代中期，我国第一条纸面石膏板生产线就采取了这种方式，煅烧的天然石膏为颗粒状，由于颗粒级配的因素，产品质量不易均一和稳定。但在窑后选择较好的粉磨设备再加上良好的陈化措施，产品质量可以保证。 煅烧工业付产石膏时，除在设计窑时考虑一定的干燥带外，还应根据物料的颗粒级配选择合适的粉磨设备，以改进煅烧前后颗粒级配的比例，使产品物性更加优越。目前国内用此方式煅烧工业付产石膏，如磷石膏、脱硫石膏正在试产中，技术参数和性能测试数据有待积累及深化。

4. 关于煅烧工业付产石膏的颗粒级配问题：工业付产石膏以“细粉”状态存在，如脱硫石膏的颗粒多集中在40~60微米，粒度分布曲线窄而瘦，比表面积小，这种颗粒级配会影响产品质量。解决办法一是增加“磨细”措施，在煅烧过程中完成脱水和改变颗粒级配二项任务。经过有“击碎”过程的煅烧产品，其粒度分布曲线大有改变，由窄而瘦变得宽广了，产品性能得到了改善。因此，在设计煅烧工业付产石膏生产线时要注重“击碎”过程。

5. 选择煅烧方式和设备的原则：首先是石膏的种类和性状：是天然石膏还是工业付产石膏；是颗粒状还是粉状；如果是粉状，宜选用快速煅烧设备；如果是颗粒状，则宜选用在窑内停留时间较长的设备。终端产品的种类：如果是生产石膏建材制品，如各种石膏板材、砌块等，宜选用快速煅烧设备。因用快速法生产的建筑石膏凝结硬化快，可提高生产效率，加速模具的周转；如果是生产石膏胶凝材料，如粉刷石膏、石膏粘接剂、石膏接缝材料等，宜选用慢速煅烧设备，因用慢速煅烧的产品凝结硬化较慢，有利于减少外加剂的掺量，降低生产成本；如果两类产品都生产，则按主导产品选择。最终，还应权衡比较各类煅烧设备的性价比等综合技术经济指标。