磷石膏悬浮煅烧处理工艺及装备有哪些？

磷石膏是磷肥企业在磷铵生产过程中的副产物，主要含有氟化物、五氧化二磷、有机物等杂质，呈较强的酸性，pH值最低可达1.9[1]。研究表明，这些有害杂质是导致磷石膏综合利用率低的重要影响因素，为了实现磷石膏的高效利用，需要研究开发磷石膏除杂的新工艺及装备。
    当前磷石膏处置再利用的主要工艺为改性除杂及煅烧两步进行。
其中煅烧工艺大多采用双筒式煅烧窑、沸腾炉、流化床煅烧炉、炒锅、回程式干燥机、烘干式破碎机等传统石膏工艺流程及设备。传统石膏工艺流程较为单一（主要以二水石膏煅烧成半水石膏为核心），不能有效去除磷石膏中的有害杂质，严重制约了磷石膏的综合利用。
这里介绍一种新型的悬浮气流式磷石膏一体化处理技术及装备，为磷石膏的资源化利用提供新的技术途径。

  1、磷石膏传统处理工艺及装备

磷石膏传统的处理工艺按设备分类主要为炒锅、回转窑、沸腾炉、磨烧一体化煅烧设备等，其主要特点见表1。

如表1所示，炒锅、回转窑、沸腾炉等主要采用堆积态或流态化的换热方式，脱水时间长，热耗高，热效率低；磨-烧一体化煅烧设备多为气流式煅烧设备，由于其工艺简单，生产效率高，能耗低等优势成为当前石膏煅烧设备的主流，缺点是操作不太稳定。

传统磷石膏煅烧生产线大多工艺粗放、设备简陋、技术水平低，单线产量低、能耗高、粉尘污染较为严重，致使磷石膏胶结材（β型半水石膏粉）质量性能（强度、凝结时间）不能满足下游石膏胶凝材料制品行业（如纸面石膏板、石膏条板、纤维增强石膏板、石膏砌块、石膏砂浆等）的生产技术标准要求，制品性能明显劣于天然石膏和其它工业副产石膏制品，因而无法满足大批量推广应用。

2、磷石膏新型处理工艺及装备

2.1  工艺技术

根据磷石膏复杂的物料特性，经研究提出悬浮气流式磷石膏除杂改性脱水一体化处理工艺，具体工艺流程如图1所示。该系统主要包括依次相连的干燥单元、除杂单元、相变单元、冷却单元和除尘单元，各单元特点见表2。

2.2  磷石膏悬浮煅烧装备

2.2.1  煅烧系统的单元组成

1）干燥单元主要设备包括脉冲气流式干燥机和分离器；脉冲气流式干燥机的下部设有喂料口和热风进口，其顶部出口接入旋风分离器，旋风分离器的底部设有出料系统；2）高温除杂单元主要设备包括除杂炉、换热风管、排风管、出料系统；3）相变单元主要设备包括相变炉、排风管、出料系统；4）冷却单元主要设备为密相流冷却器；5）除尘单元主要设备是风机和布袋除尘器。

             图1  悬浮气流式磷石膏除杂改性一体化装置工艺流程

此外，该系统还配备相关的监测控制、自动化调节单元，如干燥单元的喂料口处水分/湿度在线监测仪和称重传感器，热风进口处（管道上）有温度和风速在线检测仪表及温度传送器及管道式风压传送器等，便于现代化工厂的自动化控制。

2.2.2  系统关键设备

该系统的主要设备是干燥单元分离器、高温除杂单元除杂炉及相变单元相变炉，核心设备是除杂炉。该结构从上到下：外筒270°大偏心蜗壳形筒体、内筒、导流板、圆柱筒、锥形筒组成。进风口设置于偏心蜗壳形筒体上，进风口的截面为下部窄狭的五边形结构，内筒的上端口与排气管相连，如图2所示。

图2  除杂炉结构示意图

除杂炉结构具有以下特点：

1）除杂炉进口风管螺旋角加大至270°，可使载尘气体平衡地导入旋风筒,气体沿筒壁高速旋转，提高收尘效率；

2）加大进口风管的截面积，并且处于内筒外侧，使气体不会冲向内筒造成压损增大；

3）由于除杂炉壁是蜗壳布置，逐渐向内筒靠近，所以气流不会受到阻碍；

4）内筒高度h是进口风管高度b的1/2，可降低压损，同时进风管螺旋下部设计成斜锥形，正好在内筒下端开始的地方，使带尘气流不会直接进入内筒，对收尘效率不会产生影响；

5）除杂炉的锥体部分设计成内筒直径的2倍，斜角β为70°，增大了出口尺寸，使物料连续地进入下料管，防止了堵塞造成的生产中断；

6）上升风管进入除杂炉的过渡区消除了所有水平面，防止了其内部积灰，也消除了物料对其内壁的冲刷，保证了气流均匀运动；

7）为避免积灰而增大阻力，螺旋进风管底部做成斜坡，斜坡的角度α为50°；

8）除杂炉设计的基本参数是圆柱体直径D，它由系统处理风量计算决定；

9）除杂炉高度H也是重要的参数，它决定气流中物料是否有足够的沉降时间，还与收尘效率有关；

10）除杂炉设计其余参数如进风管的位置尺寸L，由其内径D与内筒直径d之间环形空腔宽度大小及进风口宽度a决定；

11）整个系统根据不同部位设备材质及工作温度，还应设有相应耐火材料及保温材料以保护设备。

3 工艺系统优点

与现有磷石膏工程应用技术相比，本一体化装置具有以下优点：

1）适应范围广。该新型磷石膏悬浮煅烧处理工艺及装备将磷石膏的干燥和改性除杂、煅烧、冷却等工艺集成为一体，能满足不同物性（进料水分范围宽、块状、颗粒状等）的磷石膏加工成合格的β型半水石膏胶结料的要求。

2）热效率高。将磷石膏置于密闭的高温高速湍流热气流中,使其迅速与高温载气混合呈悬浮状态，利用气固二相在悬浮态下接触面积大、换热系数高（＞80%），脱水时间短的特点，能以极快的速度进行热交换，完成去表水（附着水）、除杂改性、悬浮式气流煅烧等热工操作,同时促进中和反应完成充分，非常适合石膏热敏性强的特点。

3）系统维护成本低、设备运转率高。系统中主要核心部分无运动部件，物料与高温载气充分混合成气固混合体后，在密闭的管道与容器内完成脱水、相变、气固分离、冷却等工艺操作；系统中高温区配置有耐火材料，冷却单元采用了固体颗粒密相输送原理和板式传热技术并集成有传热模拟软件，系统还充分考虑了运行与调试中可能出现的个别堵料现象，专门设置有堵料应急卸料阀及出料装置。

4）节能。本系统充分考虑了能量梯级利用，首先将高温除杂后的热介质引至去除表水单元；而后再将气固分离后的余热送至相变炉中用于煅烧（去1个半结晶水）；能量梯级利用，既考虑了磷石膏高温除杂的特定要求，又非常适合磷石膏的温度热敏（煅烧）要求，使能量梯级利用与工艺技术要求实现了完美的统一；冷却单元无运动部件，采用了冷却水循环冷却工艺，节约了能源，提高了设备运转率。

5）系统集成度高、占地面小、单线产能高。整个系统从上至下工艺布置紧凑、占地面积小，采用悬浮煅烧后，和新型干法水泥生产线的煅烧工艺同样具有产量高、产品质量性能稳定的特点。

6）作业环境好，实现了清洁生产。磷石膏悬浮煅烧新工艺是将全部所需工艺集成在一个密闭系统内进行，运行过程中系统处于负压操作，无粉尘泄露扬尘现象，真正实现了清洁生产。

7）自动化水平高。系统中关键工艺点配置了自动化过程检测装置，实时监测各点工艺参数变化，及时自动调整工艺运行参数，便于实现工业化大生产和自动化控制。

4  结语

磷石膏处理技术的优劣直接关系到磷石膏行业的可持续发展，文章提出的磷石膏悬浮煅烧处理工艺及装备能够适应磷石膏复杂的物料特性且优势明显，值得推广应用。