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      流態化煅燒石膏技術

      1.引言 
             流態化技術在現代工業被廣泛應用,首次大規模的重要應用,由德國人winkler用于粉煤氣化的氣—固流化床開始的,這一方法在1922年獲得專利,其第一臺煤氣發生爐已有較大規模(高13m,截面積12 m2)。 
      第一套石油催化流化床反應器于1942年在美國建成,處理能力為1700T/D。由于其技術上的合理性及大量的工業需求,該反應器很快在全世界范圍內普及,它的改型體至今仍是最有價值的工業流化床反應器之一,并且被廣泛借鑒應用于其它領域。 
             我國對于流化床技術最早的研究是汪家鼎院士關于流化床褐煤低溫干餾技術的研究,也是世界上將流化床技術開發轉向煤化工的先驅之一。當時對流化床技術的優勢(如:設備內溫度均勻,可以流化細顆粒,易于連續操作等)和發展前景已有了相當深入的認識。而1955年南京化工公司的黃鐵礦焙燒生產二氧化硫,1957年葫蘆島流化床焙燒精鋅礦,以及萘氧化生產苯二甲酸酐等技術是我國最早使用的流化床反應器的工程實例。 
             1978年由杭州新型建材工業設計研究院蘇永平工程師設計的哈爾濱石膏板廠石膏煅燒車間首次采用以蒸汽為熱源的單室沸騰煅燒爐生產建筑石膏,原料則采用天然石膏,經粉磨后進行煅燒,產量達到5T/h的規模。但由于當時在原料粒級組 成、含水率方面的變化,石膏煅燒質量穩定性差,對于高含濕物料在煅燒過程中易結團、產生堵床現象等,從而產生惡化工藝連續性的狀況。 
             1996年,山東鹽化公司在建造石膏板工廠時,設計了一條以導熱油為熱源的二室沸騰煅燒爐,后經進一步改造完善,使用該爐煅燒含濕率<5%的天然石膏粉,效果良好。目前山東已有多條生產線投入運行,生產能力從3T/h—15T/h之間,運行狀況良好,生產每噸建筑石膏粉的煤耗在55KG/t,電耗 28 kwh/t,使用專用導熱油鍋爐作為熱源。 
             目前,流態化技術作為一門高效換熱技術已經滲透到國民經濟的許多部門,在化工、煉油、冶金、能源、原子能材料、輕工、生化、機械、環保等各領域中都可找到它的卓越貢獻。但是,在煅燒石膏技術方面需要解決的幾個關鍵問題,如對原料含水率的適應性,物料粒級組成,余熱利用方面存在的問題始終未得到很好的解決,筆者在參閱國內外相關專業文獻的基礎上,融合國內外石膏流態化煅燒設備的優點,設計建成了一條年產3萬噸半水石膏粉生產線—FC分室石膏煅燒系統,初步解決了流態化技術在煅燒石膏過程中的適應性問題。該系統保持了流態化技術在煅燒天然石膏時的節能、免維修的特點,而且特別適用于煅燒含水率在25%以下的各種化學石膏,如FGD石膏(電廠排煙脫硫石膏)、磷石膏、氟石膏、鈦石膏及檸檬酸石膏。從試驗結果看,該煅燒系統可以穩定生產出符合國標要求的建筑石膏粉,同時與傳統煅燒系統相比較,投資省,且運行成本低,節能及環保方面都達到了令人滿意的效果。 

      2. FC分室石膏煅燒系統工藝流程
      2.1工藝流程圖


      圖1采用天然石膏為原料FC分室石膏煅燒系統工藝流程圖

       

      圖2采用化學石膏為原料FC分室石膏煅燒系統工藝流程圖 

      2.2工藝流程概述: 

             化學石膏由人工投料,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。 
            天然石膏經破碎、粉磨、選粉后,達到成品細度要求的生粉直接落入生粉倉4。以下以天然石膏為例對工藝過程簡述如下: 
            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,若煅燒磷石膏則需要摻加一次高溫熱風。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。

      3.  FC分室石膏煅燒工藝原理及系統特點 
      3.1工藝原理: 
            FC分室煅燒工藝的換熱系統綜合運用了3種換熱方式,即根據石膏含水率在不同煅燒過程中的濕含量變化采取相應的換熱方式,在確保產品質量穩定性的同時,全面提高換熱效率,節省能源。 
      3.1.1預熱過程: 
            FC分室石膏煅燒系統設計了專門的預熱方案,預熱熱源來自于主煅燒爐的煙氣余熱。在短短的2—3秒之內,高含水的石膏原料與干燥熱煙氣進行瞬間對流換熱,將原料表面水迅速蒸發,預干燥后的石膏粉通過回收器回收至預熱倉,這一過程有下列三種作用: 
            a、降低原料的表面水含水率,經過預熱后原料的含水率一般下降5%-10%左右。 
            b、提高原料進入主煅燒爐時的料溫,避免結團現象。 
            c、將原料中的重質部分及大顆粒物料通過“風選”效果分離出來。 
            d、對于磷石膏通過預熱進入FC--主爐1區與高溫熱管接觸,可迅速去除磷石膏中的有機類有害雜質。 
      3.1.2煅燒過程:          

        

      圖3  FC主煅燒爐結構 

            FC分室煅燒系統的主煅燒爐設計成四個相對獨立的煅燒空間(圖3),這種結構設計將具有以下特點: 
            a. 用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。 
            b. 更容易調整產品的質量指標: 
            熟石膏粉的質量指標調整是滿足不同用戶要求的基本措施。但遺憾的是現有設備由于結構缺陷不能滿足這一要求,而分室沸騰煅燒技術可以方便的調整石膏粉在不同脫水階段的脫水溫度、脫水時間,從而更容易得到不同凝結時間、稠度、強度要求的產品。在不加任何添加劑的情況下,采用該技術石膏粉初、終凝結時間的調整范圍為3-15分鐘,標準稠度65%-72%。 
            FC分室石膏煅燒爐主體換熱部分采用了兩種不同的換熱方式:即對流和傳導換熱。在主煅燒爐的1區、2區采用高溫熱管換熱技術進行傳導換熱;同時經過加熱后的壓縮風通過置于底部的風傘直接作用于石膏粉進行對流換熱,并使一區、二區的物料呈現出在高溫熱風作用下的流態化換熱狀態,更大程度地改善了氣、固兩相的傳熱傳質效率,同時特有的打散裝置可及時解決高含水率原料帶來的結團問題,這些特點一般沸騰爐并不具有。根據經驗,允許原料的含水率≤15%,物料在一區、二區已完成對原料表面水的蒸發任務,通過溢流方式進入三區。 
            FC分室石膏煅燒爐的三、四區專為煅燒石膏粉結晶水而設計,在蒸發掉所有的吸附水之后,二水石膏粉將在此空間脫去1.5個結晶水并形成半水石膏,其反應式為: 

      Caso4·2H2O= Caso4·0.5H2O+1.5 H2O 

            高溫熱風在一區、二區完成對吸附水的蒸發換熱之后,進入三區、四區,這時,熱煙氣的溫度已顯著降低,對煅燒石膏結晶水特別有利,可防止高溫煅燒對產品相組成的影響,最大程度地避免因Ⅲ無水石膏的含量增加對產品穩定性帶來的破壞作用。 

      3.2系統特點 
      3.2.1除塵系統: 
            FC分室石膏煅燒系統中的吸塵部分采用了二段收塵方式,第一段為內置旋風收塵器,第二段為布袋收塵器,通過實際運行效果看,收塵率在98%左右,可以達到國標規定的一類區生產性粉塵的大氣排放標準。 
      根據不同地區的環保要求,該系統可設計成內置電收塵器,也可設計成一級采用旋風收塵器,二級采用水浴收塵器等高效收塵系統。 
      3.2.2控制系統: 
            FC分室石膏煅燒爐系統,主煅燒爐采用二級閉環控制原理使出料溫度保持相對穩定。 
            FC分室石膏煅燒系統采用美國FIX軟件進行畫面組態,由PLC進行控制組成DCS系統,該FIX控制系統對運行狀態的顯示包括模擬量和開關量兩部分,模擬量在相應設備上以要求的工程量適時以數字顯示物理量的變化;開關量以各種顏色顯示設備的狀態,如備妥、故障、運行、現場啟動等狀態。 
            本系統可采用自動、手動、軟手動三種操作模式,在各設備處于“集中”時,通過“自動/手動”按鈕對現場的設備進行自動和軟啟動操作,當設備處于“本地”時,可通過機旁按鈕進行現場手動操作。 
            該系統包括:系統流程主畫面、秤標定界面、歷史曲線界面、報表顯示與打印界面四個操作畫面。 
            在程序控制方面,通過PT100檢測料溫,由PID進行計算,適時根據設定的料溫來調整加料速度,并始終保持設定溫度。 
            經過半年的生產證明,該控制系統運行可靠、故障率低,沒有影響正常生產。 
      3.2.3燃燒系統: 
            FC分室石膏煅燒系統的熱源采用了流態化燃燒技術—高溫煙氣沸騰爐,其工作原理是通過高壓風機鼓入高壓空氣使固體燃料煤在流化床中呈“流態化”,并在沸騰狀態下進行燃燒。 
            流化床本身是一個蓄熱量很大的熱源,有利于燃料的迅速著火和燃燒。流化床中積累了大量灼熱的爐料,其中95%以上是熱灰渣和砂子,5%左右是可燃物質,溫度約850℃—1050℃,即使燃用1486千焦/千克左右的石煤,每秒鐘新加入床內的冷燃料只占床容量的1%左右,而爐床豐富的熱源將煤料迅速加熱著火燃燒,所以沸騰燃燒的適應性很強,不僅能燃優質燃料還可以燒各種劣質燃料,包括含灰份高達80%的石煤和含水份高達60%的褐煤、洗煤礦石和煤泥等。 
            由于在配套系統中實現了自動化,給風、給煤連續均勻,所以爐內可以保持恒溫,確保產品質量的穩定性。 
            沸騰爐燃燒產生的熱煙氣由上部的煙氣引風機引入FC分室石膏煅燒主爐的一區高溫換熱管。 
            該流態化燃燒爐的燃料燃燼率達到98%以上。 

      4.工程實例 
      4.1煅燒天然石膏 
            原材料采用平邑石膏礦區出產的天然石膏石,經粉磨后的生石膏粉化學成份如表1,產品細度為80目篩余≤5% 

      表1平邑天然石膏礦石成份含量(%)


      成分名

      CaSO4.2H2O

      CaCo3

      MgO

      H2O

      SiO2

      Al2O3

      Fe2O3

      cl

      含量

      74

      6

      3.2

      1.8

      3.2

      4.1

      0.9

      0.01

            從試產結果看,采用該生產線產量達到5.8T/h,產品質量測試結果如表2,產品細度為80目篩余≤3%,煤耗為標煤23.3KG/噸,電耗14.2KW/H。

      表2  天然石膏煅燒的半水石膏物理性能指標的測試結果

      品名

      標準稠度 (%)

      初凝時間 (min)

      終凝時間 (min)

      抗折強度 (2H)MPa

      天然建筑石膏

      68

      7

      10

      2.2

      4.2煅燒磷石膏 
            原材料采用山東紅日阿康化工集團公司副產的磷石膏為原料,由貨車從堆場運至工廠,原料的分析報告如表3

      表3  山東紅日阿康化工股份有限公司副產磷石膏成份(%)

      成份

      Al2O3

      CaO

      Fe2O3

      SO3

      P2O5

      H20+

      H20_

      細度 
      (mm)

      容重 
      t/M3

      PH值

      含量(%)

      0.2

      33

      0.035

      46.5

      0.9

      21.5

      19.5

      ≤0.2

      0.8

      3-4

      表4磷石膏煅燒的半水石膏物理指標測試結果

      品名

      標準稠度 (%)

      初凝時間 (min)

      終凝時間 (min)

      抗折強度 (2H)MPa

      半水磷石膏

      76

      5—15

      8—25

      2.4

            由于磷石膏中存在有害雜質—有機磷、無機磷、磷酸銨等影響石膏凝結的成分,FC--分室石膏煅燒爐通過高溫熱管換熱方式 將它們分解,另外FC--分室石膏煅燒爐內的粉體成湍流狀態運動,顆粒之間相互磨擦,最終使粉體表面吸附的有害雜質剝落并隨熱氣流一起被吸送到二機收塵器,從而消除了有機磷對石膏凝結性能及紙面石膏板面紙黏結性能的影響。煅燒后產品的PH值由2-4增加到5-6,效果非常明顯。 
            從試產結果看,生產線處理能力為4—5T/h,產品產量為2.6—3.4T/h,煤耗折標煤為30.5kg/T,產品的物理性能指標如表4。 
      4.3煅燒氟石膏 
            采用湖南湘鋁集團副產的氟石膏為原料,原料測試及成品物理性能指標見表5和表6,從試驗結果看,產品處理量為2.3T/h,原料處理量3.68T/h,產品質量指標良好。 

      表5   湖南湘鄉鋁廠氟石膏原料化驗成份(%)

      氟石膏原料

      H2O 吸附水

      H2O 結晶水

      CaO

      MgO

      Fe2O3

      Al2O3

      SiO2

      SO3

      1#

      15.96

      9.00

      28.96

      0.9

      0.09

      0.34

      1.50

      39.27

      2#

      17.20

      17.17

      33.89

      0.76

      0.023

      1.09

      0.99

      38.31

      表6   氟石膏半水石膏粉物性檢測結果

      項目

      標準稠度 (%)

      初凝時間 (min)

      終凝時間 (min)

      抗折強度(2H)MPa

      氟石膏半水石膏粉

      71

      6.5

      11

      2.3

      4.4煅燒脫硫石膏 
            采用濟南黃臺電廠的排煙脫硫石膏煅燒半水石膏,原料測試和成品測試分別見表7和表8。從試產結果看,排煙脫硫石膏煅燒的半水石膏強度高,水化需水量大,可以作為優質紙面石膏板和粉刷石膏的原料。

      表7  濟南黃臺電廠排煙脫硫石膏成份(%)

      成份

      Sio2

      Al2O3

      CaO

      SO3

      Mgo

      Fe2O3

      Na2O

      結晶水

      含量(%)

      3.1

      1.1

      32.3

      42

      0.52

      0.6

      0.06

      0.01

      表8  脫硫石膏煅燒后半水石膏物性檢測結果

      品名

      標準稠度 (%)

      初凝時間 (min)

      終凝時間 (min)

      抗折強度 (2H)MPa

      脫硫半水石膏粉

      79

      7-8

      9-14

      2.4-2.6

      5.結論 
            (1)、FC分室石膏煅燒系統對不同原料的適應性廣、無論是天然石膏和高含濕率的化學石膏,采用該系統都可以生產出合格的建筑石膏粉,一般控制原料的含水率≤25%。 
            (2)、對原料粒度的粒級組成有一定的要求,一般以大于20um,小于6mm較為合適,粒度太小易被氣流帶走,粒度太大不易流化。 
            (3)、物料在流化床內的停留時間可按工藝生產要求進行設定。當產品的含水率變化時,系統能自動適應,保持出料溫度和煅燒時間的相對穩定性。 
            (4)、FC分室煅燒系統與老式的沸騰煅燒爐和直焰式回轉窯相比,具有物料停留時間短,干燥速率大的特點,同樣規模的生產線具有投資省、設備運行費用低、維修工作量小、不需配套專用鍋爐等諸多優點。 
            (5)、FC分室石膏煅燒系統采用ABB公司的FIX組態控制軟件運行可靠,對系統可實現有效控制。 
            (6)、熱源方案采用燃煤熱風沸騰爐這一流態化燃燒技術,燃燼率高,風溫、風壓穩定,為高效換熱提供穩定熱源,燃料適應性廣。 
            (7)、該系統集高效燃燒和高效換熱技術于一體,工藝設計上采用預熱及控制、收塵等先進配套技術,實現節能和清潔化生產,目前已推出了年產3萬噸、5萬噸、10萬噸、15萬噸的系列爐型設計,在不同石膏原料的煅燒工廠中可廣泛推廣應用。

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