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    FC分室石膏煅燒系統與沸騰爐煅燒系統及回轉窯煅燒系統的比較淺析

    文章出處:山東平邑開元新型建材有限公司 發表時間:2017-09-21 17:03
    李玉山    張賢輝
    山東平邑開元新型建材有限公司
    【摘要】本文通過對FC分室石膏煅燒系統與沸騰爐煅燒系統及回轉窯煅燒系統在投資、能耗、環保、產品質量等方面的比較介紹,總結和整理了各系統的優缺點,從而說明FC分室石膏煅燒系統先進性和優越性。
    【關鍵詞】FC分室石膏煅燒系統;沸騰爐煅燒系統;回轉窯煅燒系統;比較
    一.             引言
    石膏石或工業副產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。脫去結晶水的過程即為石膏煅燒。
    建筑石膏的生產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兩種。目前國內應用比較多的是回轉窯工藝和沸騰爐工藝。
    FC-分室石膏煅燒系統是在一般石膏沸騰爐技術的基礎上,采用氣流干燥、流態化煅燒技術,由開元公司投資開發的一種全新的石膏煅燒系統。適用于天然石膏及各類工業副產石膏,對高含水率的脫硫石膏、磷石膏等化學石膏的煅燒適應性更強。目前已經在國內建設多條生產線,生產應用反映良好。
    廣大客戶在投資建設過程中都面臨一個比較的問題,本文將通過多方介紹比較,目的是能夠給客戶一個基本的認識。
    二.             正文
    1.       各煅燒爐介紹
    A.  FC-分室石膏煅燒爐:

    FC-分室石膏煅燒爐為一內分多室的扁長狀箱體容器。分上中下三層結構,中部為煅燒單元,下部為配風單元,上部為除塵單元,
    中部各室分開為獨立煅燒脫水空間,石膏在爐內在流化風作用下象水一樣沿著S形狀路線以或通貫或溢流的方式流動行走,邊行走,邊加熱,按照設計要求直至成品溢流出爐。一室預置分散裝置,以利于石膏的流化分散,邊部開有一放渣口,可在線及時排放大顆粒爐渣,保證爐內流化正常。爐內各室安置高效換熱管,對石膏進行間接加熱,換熱管內一般采用熱風作為熱源,也可以采用過熱蒸汽作為熱源。爐底部裝有風傘,工作時使氣流從底部經過初步換熱后再均勻通過風傘進入床層,高壓風具有對石膏加熱與流化雙重功效。底部各室都有開口,并有閥門控制,可在停機時將爐內石膏放空。
    下部各室通貫,熱風順流方向通過各室,給各室提供熱源。
    上部內置多組高效旋風子,將大部石膏粉塵與含濕氣體分離,石膏粉直接回落爐內,濕氣體進入下道二級除塵系統。
    FC-分室石膏煅燒爐是在一般石膏沸騰爐技術的基礎上, 2000年由開元公司投資開發的一種全新的石膏煅燒系統。目前已經建設投產多條生產線,產成品應用于紙面石膏板、粉刷石膏、石膏砌塊等產品上。FC-分室石膏煅燒爐結構精巧;環保性能好;該設備采用低溫慢速煅燒,產品出料溫度低,成品大部分均為半水石膏,各項性能指標良好,可控性好;設備熱效率高,能耗低,運行費用??;單機FC-分室石膏煅燒爐生產能力大,可達到30萬噸/年。
    對于煅燒游離水20%以下的工業付產石膏,需要加一套氣流烘干裝置,采用尾氣烘干工藝,系統節能性更顯優越 。 
    B.  沸騰爐:

     
    沸騰爐為一立式直筒狀容器,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,床層內裝有大量的加熱管,管內介質為飽和蒸汽或導熱油,石膏顆粒進入爐膛后,遇熱呈流態狀,同時熱量通過管壁傳遞給管外處于流態化的石膏粉,使之沸騰脫水分解。
    這一煅燒工藝是國內二十世紀八十年代為配合紙面石膏板生產自行研發制造的。該設備采用低溫煅燒,石膏不易過燒,只要料流穩定,出料溫度控制適宜,成品大部分均為半水石膏。近年來山東地區應用較多,產品多供紙面石膏板生產線和其它制品。沸騰爐設備小巧,結構簡單,設備緊湊,占地少,能耗較低。此爐操作方便,基建投資省。
         目前國內的沸騰爐主要應用于煅燒天然石膏,因爐內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。對于煅燒游離水10%左右的工業付產石膏,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 。 
    C.  回轉窯:

    熱介質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,連續喂料及出料即為連續作業,由于直火、要比外燒回轉窯熱效率高,燃料可用氣、油、煤。已生產的直熱式回轉窯都是煅燒天然石膏,燃料為煤,產品質量以順流式較好。
    直熱式回轉窯煅燒天然石膏是可行的, 若煅燒工業付產石膏,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。
    結構較簡單,但是占地面積較大,是國內成熟設備、制造廠較多,設備造價低于炒鍋。
    2.       各系統介紹
    A.   FC-分室石膏煅燒系統工藝流程概述:
    脫硫石膏由人工投料,喂入錘片粉碎機1將物料打散,落入下部的皮帶輸送機2上,輸送至生料倉4。
    生粉倉4下的皮帶喂料機5連續地將物料送至氣流烘干機6進行予烘干,干燥熱風使用來自煅燒爐12的尾風,并摻加一次高溫熱風。喂料量的調整由生料倉4上的閘板高度進行予調整。
    系統熱源由沸騰爐15燃煤產生高溫熱煙氣提供。上煤機20將粒度小于10mm的原煤提至煤倉,再由煤倉下的調速喂煤機連續的喂入沸騰爐15燃燒。
    物料予干燥后由降粉器7收集至預熱倉8儲存。尾風則與FC煅燒器上部的除塵管熱濕氣體會合進入二次收塵器21進一步凈化,再由引風機22排至大氣中。
    預熱倉8下的調頻喂料機9與斗式提升機10配合將物料喂入FC煅燒器12一區,計算機將根據一區溫度設定值的變化適時調整喂料量。
    物料在一、二區完成吸附水的蒸發后,溢流到三、四區進行結晶水的煅燒,最后從四區溢流至均熱倉16,再由斗式提升機17提至成品儲倉18。成品溫度的優化控制可在計算機上設定。出料溫度一般設定在135攝氏度—155攝氏度之間。
    FC煅燒器使用的熱源由高溫熱風沸騰爐燃煤產生,化學石膏在煅燒爐中由底部的高壓風作用,呈湍流狀態,并通過輻射、對流和傳導三種換熱方式進行高效干燥和煅燒。
    整個流水線有一臺計算機進行集中控制。
     

    系統特點如下:
    1、原料適應性廣:
           FC-分室石膏煅燒系統除煅燒天然石膏外,更適合于煅燒高含水率的磷石膏、脫硫石膏、氟石膏、檸檬酸石膏、硼石膏等化學石膏,允許最高含水率≤25%,原料粒度≤6MM。
    2、節能:
           以化學石膏為原料的FC分室煅燒系統采用高溫熱風和主爐尾風預熱高濕原料,使預熱后的原料含水率降低10%左右,料溫達到60℃~90℃.同時該系統選用了高效燃煤爐——高溫沸騰爐作熱源,對燃料的要求低,煤的燃燼率達到98%以上。主煅燒爐采用高溫熱管換熱技術和高溫氣流攪拌流態化兩種傳熱傳質方式作用于粉體,進行高效換熱。因此,FC-分室流態化石膏煅燒系統節省能源,熱效率達到90%以上,燃料成本十分經濟。
           以天然石膏為原料的FC分室煅燒系統熱源采用高溫燃煤沸騰爐燃燒產生的熱風,經過FC—分室煅燒爐的煅燒熱交換后的尾風凈化處理后再送至預熱倉,對粉磨的石膏生粉進行初加熱處理。通過對煅燒利用后的熱風余熱有效利用,節約了能源的利用,提高了系統熱效率。
    3、環保:
           FC-分室流態化石膏煅燒系統采用了內置式收塵器加布袋收塵的二級收塵系統,設備運行可靠,排出的廢氣可達到國標一類地區標準。
    4、自動化控制程度高:
           系統采用美國ABB公司的DCS集散控制,計算機操作保證成品質量的穩定性
    5、煅燒產品質量高:
           FC分室煅燒方式能有效防止石膏粉煅燒過程中的生熟料混和現象,傳統的煅燒技術如立式炒鍋、回轉窯、一般沸騰爐等,由于機械、氣流的攪拌作用,石膏粉在沸騰脫水過程中,二水石膏、半水石膏和無水石膏三相相互摻和,致使最終產品的相組成不可避免的出現多相化,顯著降低了產品質量指標。而分室沸騰煅燒按照石膏粉的溫升曲線變化人為地將煅燒過程區分成四個相對獨立的脫水空間,有效避免了高低溫物料的摻和現象,最終產品的相組成得到優化。
    6、投資?。?br />        與其他煅燒流程相比較,FC-分室石膏煅燒系統具有顯著的經濟性:不需購買運行費用較高的蒸汽鍋爐或熱油鍋爐,FC-分室石膏煅燒系統可直接配套各種熱源:燃煤高溫熱風爐、電廠余汽、燃油或燃氣燃燒器;生產線占地少,車間面積小,年產20萬噸的脫硫石膏工廠,煅燒車間的建筑面積為20×55平方米,年產10萬噸的脫硫石膏工廠,煅燒車間的建筑面積為15×40平方米,年產5萬噸級的脫硫石膏工廠,煅燒車間的建筑面積為15×30平方米;設備布置緊湊,節省安裝費用和輸送成本

    B.  沸騰爐系統工藝流程概述:
           石膏沸騰煅燒爐的床層狀態屬于鼓泡床,因此將這種爐子形象地稱作“沸騰爐”。沸騰爐煅燒部分為一個立式箱式容器在其底部裝有一個氣體分布板。目的是在停止工作時支撐固體粉料不致漏粉,在工作時使氣流從底部均勻地進入床層。在床層的上界面以上裝有連續進料的投料機。在床層上界面處的爐壁上有溢流孔,用于出料。在床層內裝有大量的加熱管,管內的加熱介質為飽和蒸氣或載熱油,熱量通過管壁傳遞給管外處于流態化的石膏粉,使石膏粉脫水分解。在煅燒部分上部,裝有一個靜電除塵器,氣體離開流化床時帶出來的少量粉塵,由靜電除塵器收集后自動返回流化床,已除塵的尾氣由排風機抽出,排入大氣。正常工作時,從沸騰爐底部鼓入空氣,通過氣體分布板進入流化床。鼓入的空氣不需要很多,稍稍超過臨界氣速,使床層實現流態化即可。此時淹沒在流化床中的加熱管向物料傳遞大量的熱量,使二水石膏粉達到脫水分解的溫度,二水石膏就在流化床中脫去結晶水并變為蒸氣,這些蒸氣與爐底鼓入的空氣混合在一起,通過床層向上運動。由于蒸氣量比鼓入的空氣量多得多,所以整個鼓泡床的流態化主要是靠石膏脫水形成的蒸氣來實現的。由于在流化床中粉料激烈的翻滾、混合,所以在整個流化床中各處的物料溫度和成分幾乎是一致的。連續投入的生石膏粉,一進入床層,幾乎瞬間就與床層中大量熱粉料混合均勻,在熱粉料中迅速脫水分解。為了避免剛加入的生料未完成脫水過程就過早短路排出,設計時在爐子中加了一塊隔板,將流化床分成大小兩部分,兩部分底部是連通的。生石膏粉先進入大的部分,在此脫掉大部分結晶水,然后通過下部的通道進入小的部分,在這里完成最終的脫水過程,再由床層上部自動溢流出爐。
            以上介紹是對天然石膏,如對于煅燒游離水10%左右的工業付產石膏,需要加一套氣流烘干裝置,另外配套一套熱源,這樣增加了設備投資,也增大了熱耗 。

    系統特點如下:
    (1)設備小巧,生產能力大
           沸騰爐生產能力的大小實質上由熱源通過加熱器壁傳遞給物料的熱量多少來決定。沸騰爐由于物料實現了徹底的流態化,因此爐內不需要安裝攪拌設備。在爐內就可以高密度地安裝很多加熱管,因此尺寸不大的爐子就可以有非常大的傳熱面積。另外,沸騰爐采用的熱源為飽和蒸氣或載熱油,其傳熱系數比熱煙氣為熱源的傳熱系數高出一個數量級。從傳熱方程式就可看出,由于傳熱系數和傳熱面積都較大,總傳熱量也就大。這就是說沸騰爐的生產能力比較大,比如產量為5T 的沸騰爐,直徑只有1.3m,產量為20T的沸騰爐,其直徑也只有2m就足夠了,這是其他傳統的外熱式煅燒設備無法相比的。
    (2)結構簡單,不易損壞
           由于物料實現了流態化,爐子就不需要有轉動的部件,爐子的結構就簡單得多。不但制造方便,投產后也幾乎不需要維修保養。由于用的是低溫熱源,爐子在任何情況下都沒有被燒壞的危險,設備使用壽命也特別長。
    (3)設備緊湊,占地少
           沸騰爐是立式布置的設備,除塵器套在爐體上方,與爐子連成一個整體,設備非常緊湊。不但占地少,還可以避免除塵器結露。
    (4)能耗較低
           沸騰爐的熱能消耗和電能消耗都較低。熱能方面:從熱源傳遞給物料的熱能,除了小部分用于加熱爐底鼓入的冷空氣以及少量的爐體散熱損失外,幾乎都有效地用于物料的脫水分解。爐子本身的熱效率在95%以上。當然沸騰爐使用的是二次熱源,最終的熱效率還要將爐子的熱效率乘上鍋爐的熱效率。但蒸氣鍋爐或熱油鍋爐都是很成熟的熱工設備,其熱效率是比較高的。蒸氣鍋爐一般能達到60-70%,熱油鍋爐能達到70-80%(我公司方案采用有機熱載體導熱油爐)。因此沸騰爐總的熱效率是比較高的,采用蒸氣,可達57-67%;采用熱油,可達67-76%。一般的外熱式煅燒設備雖然直接使用一次熱源,但熱效率很少超過50%。國內沸騰爐的熱耗指標為7.7×105KJ/t建筑石膏。電能方面:沸騰爐不需要轉動,也沒有攪拌機,物料主要是靠石膏脫水產生的水蒸氣來實現流態化的,需要在爐底鼓入的空氣也很有限,因此鼓風機的功率也很小,因此沸騰爐的電能消耗比傳統的煅燒設備少得多。如生產15萬噸建筑石膏粉所用沸騰爐的裝機容量為50KW左右。
    (5)操作方便,容易實現自動控制
           流化床有一個特點,就是床層中物料溫度一致。因此操作中只要控制物料一個設定溫度,就可以連續穩定地生產出合格產品。單一的控制參數,很容易實現自動控制。
    (6)產品質量好,熟石膏相組成比較理想,物理性能穩定
           由于采用低溫熱源,石膏不易過燒,只要控制出料溫度合適,成品中不含二水石膏,無水石膏Ⅲ也只在5%以內,其余均為半水石膏。這樣的相組成很理想,物理性能也很穩定。
    (7)基建投資省,運行費用低
           由于沸騰爐設備小巧、結構簡單、占地少,因此基建投資較同等生產規模的其他類型煅燒設備節省。投產后,由于能耗較低、維修工作量少、使用壽命長,因此運行費用也較省。
    (8)必須采用二次熱源
           必須采用二次熱源,是沸騰爐的局限性。既然要求采用二次熱源,工廠就必須有蒸氣或載熱油鍋爐與之配套。
    C.  回轉窯系統工藝流程概述:
    1、燃燒階段:
           燃燒沸騰爐的燃燒方式不同于鏈排爐和手燒爐,它是通過高壓風機鼓入高壓空氣使固體燃料煤在流化床中“流態化”,在沸騰的狀態下進行燃燒。在此基礎上經過對國內外用戶的調研,瞄準國際石膏煅燒新技術,再利用所取得的“負弧面導向”、“飛灰循環燃盡”、“下排式塵氣分離”、“組合式節能風帽”等自有技術專利,對原燃煤沸騰爐作了進一步的完善。新一代煤燃燒沸騰爐,出氣口溫度通過補風在950℃以下到100℃之間任意調節,供熱穩定;煤能高效清潔燃燒,燃盡率達99%以上,煙氣潔凈,林格曼黑度指標全部達一級;爐內可固硫80%以上,低溫燃燒NOX生存少;對燃料的適應性強,可穩定燃燒高灰份低揮發份、發熱量在3000千卡/kg以上各種煤;灰渣自動溢出,是水泥的良好摻合料,可回收綜合利用;起燃靈活,時間短,節省起燃材料;可壓火備用,最長壓火時間可達36小時,隨開隨用。綜合計算,節能效率高于其它工業爐。
    2、回轉烘干煅燒階段
    2.1高效揚料板
           根據物料的含水性、被加工產品質量技術要求及其在干燥焙燒過程中物理特性的變化,采用多種結構的組合揚料板,使粉料在筒內形成均勻的料幕,使其與熱風直接進行充分熱交換,蒸發強度達50~80kg水/h.m3,蒸發能力比普通烘干機提高50~100%,烘干每公斤水比傳統烘干機節省熱值四分之一。
    2.2隨動式調心托輪
           在傳動方式上,采用隨動式調心托輪裝置專利技術,改變了傳統的托輪與滾圈的點接觸方式,使托輪與滾圈的配合永遠是線形接觸,滾圈安裝和筒體溫差變形造成的擺動差不影響接觸質量。增加了筒體運轉的穩定性,使滾圈和托輪以及驅動齒輪的相對磨損和動力消耗也大為減少,延長了設備使用壽命。
    2.3零水平動力驅動
           采用零水平推力驅動專利技術,優化驅動齒輪的安裝位置,減少托輪的支承角,從而使驅動功率減少30%以上,托輪座的尺寸也大大減小,筒體運行更加穩定。
    2.4最佳轉速和防粘設計
           根據烘干、煅燒的物料特征,進行了最佳轉速和特殊防粘設計,運轉速度可調節,物料不粘結在窯壁上,熱幅射和熱交換更加充分,產品質量穩定可靠。
    2.5其他
           根據需要可用流化冷床對窯內烘干煅燒物料進行降溫,也可在窯內裝置篩分器,以達到煅燒物料粒度、細度要求。
    3、粉、氣、塵分離階段
           在回轉——烘干焙燒窯尾部,加裝了特殊的收塵式尾罩,使因物料揚起時帶出的較粗顆粒在尾罩內有效吸收,減輕了后續收塵器的壓力,再配以高溫分離器、電收塵器或布袋收塵器的多級收塵,可實現排放達標,收塵率達99%以上。
    系統特點如下:
           燃煤沸騰爐—回轉直接式烘干煅燒窯生產線利用本企業自有14項技術專利作支撐,變傳統間接式烘干煅燒方式為直接烘干煅燒方式。利用該生產線加工建筑石膏,比傳統工藝節煤40%以上;燃煤選用廣泛,優質煤、煤矸石、炭質頁巖、褐煤等均可使用,煤灰渣可利用;燃盡率可達99%以上,燃燒完全,屬清潔燃燒;熱煙氣凈化程度高,對烘干物料污染??;供熱溫度可調,可達穩定供熱;物料在窯中不粘結,形成均勻料幕,蒸發力強;特殊的尾罩裝置配上電收塵器或布袋收塵器使氣、塵多級分離,收塵率達99%以上。它融中和、烘干、煅燒、篩分、粉碎、冷卻等工序,一步制成合格的產品。
    4、各煅燒設備及系統比較
           通過以上介紹,可以看出FC-分室石膏煅燒爐設計更加精巧,對化學石膏的煅燒具有更好的適應性,主要體現在以下幾個方面:
           1、特殊的多室結構:保證了產品的質量穩定性。
           2、特殊的打散裝置:對高含濕的化學石膏適應性更好;
           3、特殊的加熱方式:直接加熱與間接加熱并舉;顯著提高了設備的熱效率和爐內物料的流化狀態的可靠性。
           4、特殊的換熱管道設計:充分利用了設備空間和風道流向的要求。
           5、特殊的風傘設計:保證系統停機時,爐內物料的保持。
           6、特殊的除塵設計:減少了二級布袋除塵的壓力
           通過以上介紹,可以看出各系統各具有優缺點,我們以化學石膏為原料生產建筑石膏的工廠建設為例,比較如下:                 
    1)從原料的適應性方面看:
           FC-分室石膏煅燒系統采用二步法工藝,比較回轉窯系統的一步法工藝,對高含濕的化學石膏來說,回轉窯容易產生堵料現象,FC-分室石膏煅燒系統則有專門的設備解決,系統適應性更好;比較沸騰爐系統,FC-分室石膏煅燒系統工藝設計了專門的除渣工藝,對原料雜質比較復雜的化學石膏而言,FC-分室石膏煅燒系統的原料適應性更顯優越。
    2) 從投資方面看:
           FC-分室石膏煅燒系統采用一套熱源,而沸騰爐系統則需要兩套熱源,比較而言,FC-分室石膏煅燒系統投資更??;回轉窯系統占地面積更大,廠房需求更大,比較而言,FC-分室石膏煅燒系統投資更省。
    3)從節能方面看:
           FC-分室石膏煅燒系統采用氣流干燥、流態化煅燒技術,尾氣回收再利用,原料預熱方案,沸騰爐系統與回轉窯系統都無法采用此工藝。比較系統尾氣排放溫度,FC-分室石膏煅燒系統尾氣排放溫度只有80~90℃,而沸騰爐系統與回轉窯系統尾氣排放溫度都大大超出此溫度,有的高達200℃,顯而易見,FC-分室石膏煅燒系統節能性更好。體現在生產上就是運行成本更低,產品成本更小,競爭力更強。
    4) 從環保方面看:
           FC-分室石膏煅燒系統采用FC-分室石膏煅燒爐內一級旋風除塵,尾汽采用布袋除塵器,達標排放。沸騰爐系統采用爐頂電除塵方案,生產線建設初期效果還行,運行一段時間后,除塵效果顯著降低;回轉窯系統采用布袋除塵器除塵,布袋除塵器系統工作壓力更大,效果有所折扣。比較而言,FC-分室石膏煅燒系統更能充分保證整個生產線的環保性能的可靠性。
    5)從產品質量方面看:
           FC-分室石膏煅燒系統采用干燥煅燒分離的二步法工藝,原料的游離水變化,在系統前端的干燥工段予以控制,保證后續煅燒工段對產品控制的要求,比較回轉窯系統的一步法工藝,系統產品質量可靠性更好,另外,回轉窯系統產品中二水石膏、半水石膏、無水石膏三相組分混合,產品質量難以控制;比較沸騰爐系統的二步法工藝,因為FC-分室石膏煅燒爐比沸騰爐更大,煅燒時間更長,產品中的半水石膏相更多,而且,FC-分室石膏煅燒爐具有在線調節功能,產品指標更好。

    三、結論
            1) FC分室石膏煅燒爐比較回轉窯及沸騰爐在結構設計上更顯精巧,考慮更周密,系統集成性更好,更適合石膏的煅燒。
           2)FC分室石膏煅燒系統比較回轉窯系統及沸騰爐系統,在原料的適應性、投資、節能、環保、產品質量等方面具有顯著的優越性。
     
    作者簡介:
    李玉山(1964- ),男,山東日照人,高級工程師(13385496008)      
    張賢輝(1970- ),男,河南信陽人,工程師    (13953990328)
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