FC分室石膏煅烧系统与沸腾炉煅烧系统及回转窑煅烧系统的比较浅析

李玉山    张贤辉
山东平邑开元新型建材有限公司
【摘要】本文通过对FC分室石膏煅烧系统与沸腾炉煅烧系统及回转窑煅烧系统在投资、能耗、环保、产品质量等方面的比较介绍，总结和整理了各系统的优缺点，从而说明FC分室石膏煅烧系统先进性和优越性。
【关键词】FC分室石膏煅烧系统；沸腾炉煅烧系统；回转窑煅烧系统；比较
一．             引言
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。
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。目前国内应用比较多的是回转窑工艺和沸腾炉工艺。
FC-分室石膏煅烧系统是在一般石膏沸腾炉技术的基础上，采用气流干燥、流态化煅烧技术，由开元公司投资开发的一种全新的石膏煅烧系统。适用于天然石膏及各类工业副产石膏，对高含水率的脱硫石膏、磷石膏等化学石膏的煅烧适应性更强。目前已经在国内建设多条生产线，生产应用反映良好。
广大客户在投资建设过程中都面临一个比较的问题，本文将通过多方介绍比较，目的是能够给客户一个基本的认识。
二．             正文
1.       各煅烧炉介绍
A．  FC-分室石膏煅烧炉：

FC-分室石膏煅烧炉为一内分多室的扁长状箱体容器。分上中下三层结构，中部为煅烧单元，下部为配风单元，上部为除尘单元，
中部各室分开为独立煅烧脱水空间，石膏在炉内在流化风作用下象水一样沿着S形状路线以或通贯或溢流的方式流动行走，边行走，边加热，按照设计要求直至成品溢流出炉。一室预置分散装置，以利于石膏的流化分散，边部开有一放渣口，可在线及时排放大颗粒炉渣，保证炉内流化正常。炉内各室安置高效换热管，对石膏进行间接加热，换热管内一般采用热风作为热源，也可以采用过热蒸汽作为热源。炉底部装有风伞，工作时使气流从底部经过初步换热后再均匀通过风伞进入床层，高压风具有对石膏加热与流化双重功效。底部各室都有开口，并有阀门控制，可在停机时将炉内石膏放空。
下部各室通贯，热风顺流方向通过各室，给各室提供热源。
上部内置多组高效旋风子，将大部石膏粉尘与含湿气体分离，石膏粉直接回落炉内，湿气体进入下道二级除尘系统。
FC-分室石膏煅烧炉是在一般石膏沸腾炉技术的基础上， 2000年由开元公司投资开发的一种全新的石膏煅烧系统。目前已经建设投产多条生产线，产成品应用于纸面石膏板、粉刷石膏、石膏砌块等产品上。FC-分室石膏煅烧炉结构精巧；环保性能好；该设备采用低温慢速煅烧，产品出料温度低，成品大部分均为半水石膏，各项性能指标良好，可控性好；设备热效率高，能耗低，运行费用小；单机FC-分室石膏煅烧炉生产能力大，可达到30万吨/年。
对于煅烧游离水20%以下的工业付产石膏，需要加一套气流烘干装置，采用尾气烘干工艺，系统节能性更显优越 。 
B．  沸腾炉：

 
沸腾炉为一立式直筒状容器，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，结构简单，设备紧凑，占地少，能耗较低。此炉操作方便，基建投资省。
     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 。 
C．  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。已生产的直热式回转窑都是煅烧天然石膏，燃料为煤，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。
结构较简单，但是占地面积较大，是国内成熟设备、制造厂较多，设备造价低于炒锅。
2.       各系统介绍
A．   FC-分室石膏煅烧系统工艺流程概述：
脱硫石膏由人工投料，喂入锤片粉碎机1将物料打散，落入下部的皮带输送机2上，输送至生料仓4。
生粉仓4下的皮带喂料机5连续地将物料送至气流烘干机6进行予烘干，干燥热风使用来自煅烧炉12的尾风，并掺加一次高温热风。喂料量的调整由生料仓4上的闸板高度进行予调整。
系统热源由沸腾炉15燃煤产生高温热烟气提供。上煤机20将粒度小于10mm的原煤提至煤仓，再由煤仓下的调速喂煤机连续的喂入沸腾炉15燃烧。
物料予干燥后由降粉器7收集至预热仓8储存。尾风则与FC煅烧器上部的除尘管热湿气体会合进入二次收尘器21进一步净化，再由引风机22排至大气中。
预热仓8下的调频喂料机9与斗式提升机10配合将物料喂入FC煅烧器12一区，计算机将根据一区温度设定值的变化适时调整喂料量。
物料在一、二区完成吸附水的蒸发后，溢流到三、四区进行结晶水的煅烧，最后从四区溢流至均热仓16，再由斗式提升机17提至成品储仓18。成品温度的优化控制可在计算机上设定。出料温度一般设定在135摄氏度—155摄氏度之间。
FC煅烧器使用的热源由高温热风沸腾炉燃煤产生，化学石膏在煅烧炉中由底部的高压风作用，呈湍流状态，并通过辐射、对流和传导三种换热方式进行高效干燥和煅烧。
整个流水线有一台计算机进行集中控制。
 

系统特点如下：
1、原料适应性广：
       FC-分室石膏煅烧系统除煅烧天然石膏外，更适合于煅烧高含水率的磷石膏、脱硫石膏、氟石膏、柠檬酸石膏、硼石膏等化学石膏，允许最高含水率≤25%，原料粒度≤6MM。
2、节能：
       以化学石膏为原料的FC分室煅烧系统采用高温热风和主炉尾风预热高湿原料，使预热后的原料含水率降低10%左右，料温达到60℃~90℃.同时该系统选用了高效燃煤炉——高温沸腾炉作热源，对燃料的要求低，煤的燃烬率达到98%以上。主煅烧炉采用高温热管换热技术和高温气流搅拌流态化两种传热传质方式作用于粉体，进行高效换热。因此，FC-分室流态化石膏煅烧系统节省能源，热效率达到90%以上，燃料成本十分经济。
       以天然石膏为原料的FC分室煅烧系统热源采用高温燃煤沸腾炉燃烧产生的热风，经过FC—分室煅烧炉的煅烧热交换后的尾风净化处理后再送至预热仓，对粉磨的石膏生粉进行初加热处理。通过对煅烧利用后的热风余热有效利用，节约了能源的利用，提高了系统热效率。
3、环保：
       FC-分室流态化石膏煅烧系统采用了内置式收尘器加布袋收尘的二级收尘系统，设备运行可靠，排出的废气可达到国标一类地区标准。
4、自动化控制程度高：
       系统采用美国ABB公司的DCS集散控制，计算机操作保证成品质量的稳定性
5、煅烧产品质量高：
       FC分室煅烧方式能有效防止石膏粉煅烧过程中的生熟料混和现象,传统的煅烧技术如立式炒锅、回转窑、一般沸腾炉等，由于机械、气流的搅拌作用，石膏粉在沸腾脱水过程中，二水石膏、半水石膏和无水石膏三相相互掺和，致使最终产品的相组成不可避免的出现多相化，显著降低了产品质量指标。而分室沸腾煅烧按照石膏粉的温升曲线变化人为地将煅烧过程区分成四个相对独立的脱水空间，有效避免了高低温物料的掺和现象，最终产品的相组成得到优化。
6、投资省：
       与其他煅烧流程相比较，FC-分室石膏煅烧系统具有显著的经济性：不需购买运行费用较高的蒸汽锅炉或热油锅炉,FC-分室石膏煅烧系统可直接配套各种热源：燃煤高温热风炉、电厂余汽、燃油或燃气燃烧器；生产线占地少，车间面积小，年产20万吨的脱硫石膏工厂,煅烧车间的建筑面积为20×55平方米，年产10万吨的脱硫石膏工厂,煅烧车间的建筑面积为15×40平方米，年产5万吨级的脱硫石膏工厂,煅烧车间的建筑面积为15×30平方米；设备布置紧凑，节省安装费用和输送成本

B．  沸腾炉系统工艺流程概述：
       石膏沸腾煅烧炉的床层状态属于鼓泡床，因此将这种炉子形象地称作“沸腾炉”。沸腾炉煅烧部分为一个立式箱式容器在其底部装有一个气体分布板。目的是在停止工作时支撑固体粉料不致漏粉，在工作时使气流从底部均匀地进入床层。在床层的上界面以上装有连续进料的投料机。在床层上界面处的炉壁上有溢流孔，用于出料。在床层内装有大量的加热管，管内的加热介质为饱和蒸气或载热油，热量通过管壁传递给管外处于流态化的石膏粉，使石膏粉脱水分解。在煅烧部分上部，装有一个静电除尘器，气体离开流化床时带出来的少量粉尘，由静电除尘器收集后自动返回流化床，已除尘的尾气由排风机抽出，排入大气。正常工作时，从沸腾炉底部鼓入空气，通过气体分布板进入流化床。鼓入的空气不需要很多，稍稍超过临界气速，使床层实现流态化即可。此时淹没在流化床中的加热管向物料传递大量的热量，使二水石膏粉达到脱水分解的温度，二水石膏就在流化床中脱去结晶水并变为蒸气，这些蒸气与炉底鼓入的空气混合在一起，通过床层向上运动。由于蒸气量比鼓入的空气量多得多，所以整个鼓泡床的流态化主要是靠石膏脱水形成的蒸气来实现的。由于在流化床中粉料激烈的翻滚、混合，所以在整个流化床中各处的物料温度和成分几乎是一致的。连续投入的生石膏粉，一进入床层，几乎瞬间就与床层中大量热粉料混合均匀，在热粉料中迅速脱水分解。为了避免刚加入的生料未完成脱水过程就过早短路排出，设计时在炉子中加了一块隔板，将流化床分成大小两部分，两部分底部是连通的。生石膏粉先进入大的部分，在此脱掉大部分结晶水，然后通过下部的通道进入小的部分，在这里完成最终的脱水过程，再由床层上部自动溢流出炉。
        以上介绍是对天然石膏，如对于煅烧游离水10%左右的工业付产石膏，需要加一套气流烘干装置，另外配套一套热源，这样增加了设备投资，也增大了热耗 。

系统特点如下：
（1）设备小巧，生产能力大
       沸腾炉生产能力的大小实质上由热源通过加热器壁传递给物料的热量多少来决定。沸腾炉由于物料实现了彻底的流态化，因此炉内不需要安装搅拌设备。在炉内就可以高密度地安装很多加热管，因此尺寸不大的炉子就可以有非常大的传热面积。另外，沸腾炉采用的热源为饱和蒸气或载热油，其传热系数比热烟气为热源的传热系数高出一个数量级。从传热方程式就可看出，由于传热系数和传热面积都较大，总传热量也就大。这就是说沸腾炉的生产能力比较大，比如产量为5T 的沸腾炉，直径只有1.3m，产量为20T的沸腾炉，其直径也只有2m就足够了，这是其他传统的外热式煅烧设备无法相比的。
（2）结构简单，不易损坏
       由于物料实现了流态化，炉子就不需要有转动的部件，炉子的结构就简单得多。不但制造方便，投产后也几乎不需要维修保养。由于用的是低温热源，炉子在任何情况下都没有被烧坏的危险，设备使用寿命也特别长。
（3）设备紧凑，占地少
       沸腾炉是立式布置的设备，除尘器套在炉体上方，与炉子连成一个整体，设备非常紧凑。不但占地少，还可以避免除尘器结露。
（4）能耗较低
       沸腾炉的热能消耗和电能消耗都较低。热能方面：从热源传递给物料的热能，除了小部分用于加热炉底鼓入的冷空气以及少量的炉体散热损失外，几乎都有效地用于物料的脱水分解。炉子本身的热效率在95%以上。当然沸腾炉使用的是二次热源，最终的热效率还要将炉子的热效率乘上锅炉的热效率。但蒸气锅炉或热油锅炉都是很成熟的热工设备，其热效率是比较高的。蒸气锅炉一般能达到60-70%，热油锅炉能达到70-80%（我公司方案采用有机热载体导热油炉）。因此沸腾炉总的热效率是比较高的，采用蒸气，可达57-67%；采用热油，可达67-76%。一般的外热式煅烧设备虽然直接使用一次热源，但热效率很少超过50%。国内沸腾炉的热耗指标为7.7×105KJ/t建筑石膏。电能方面：沸腾炉不需要转动，也没有搅拌机，物料主要是靠石膏脱水产生的水蒸气来实现流态化的，需要在炉底鼓入的空气也很有限，因此鼓风机的功率也很小，因此沸腾炉的电能消耗比传统的煅烧设备少得多。如生产15万吨建筑石膏粉所用沸腾炉的装机容量为50KW左右。
（5）操作方便，容易实现自动控制
       流化床有一个特点，就是床层中物料温度一致。因此操作中只要控制物料一个设定温度，就可以连续稳定地生产出合格产品。单一的控制参数，很容易实现自动控制。
（6）产品质量好，熟石膏相组成比较理想，物理性能稳定
       由于采用低温热源，石膏不易过烧，只要控制出料温度合适，成品中不含二水石膏，无水石膏Ⅲ也只在5%以内，其余均为半水石膏。这样的相组成很理想，物理性能也很稳定。
（7）基建投资省，运行费用低
       由于沸腾炉设备小巧、结构简单、占地少，因此基建投资较同等生产规模的其他类型煅烧设备节省。投产后，由于能耗较低、维修工作量少、使用寿命长，因此运行费用也较省。
（8）必须采用二次热源
       必须采用二次热源，是沸腾炉的局限性。既然要求采用二次热源，工厂就必须有蒸气或载热油锅炉与之配套。
C．  回转窑系统工艺流程概述：
1、燃烧阶段：
       燃烧沸腾炉的燃烧方式不同于链排炉和手烧炉，它是通过高压风机鼓入高压空气使固体燃料煤在流化床中“流态化”，在沸腾的状态下进行燃烧。在此基础上经过对国内外用户的调研，瞄准国际石膏煅烧新技术，再利用所取得的“负弧面导向”、“飞灰循环燃尽”、“下排式尘气分离”、“组合式节能风帽”等自有技术专利，对原燃煤沸腾炉作了进一步的完善。新一代煤燃烧沸腾炉，出气口温度通过补风在950℃以下到100℃之间任意调节，供热稳定；煤能高效清洁燃烧，燃尽率达99%以上，烟气洁净，林格曼黑度指标全部达一级；炉内可固硫80%以上，低温燃烧NOX生存少；对燃料的适应性强，可稳定燃烧高灰份低挥发份、发热量在3000千卡/kg以上各种煤；灰渣自动溢出，是水泥的良好掺合料，可回收综合利用；起燃灵活，时间短，节省起燃材料；可压火备用，最长压火时间可达36小时，随开随用。综合计算，节能效率高于其它工业炉。
2、回转烘干煅烧阶段
2.1高效扬料板
       根据物料的含水性、被加工产品质量技术要求及其在干燥焙烧过程中物理特性的变化，采用多种结构的组合扬料板，使粉料在筒内形成均匀的料幕，使其与热风直接进行充分热交换，蒸发强度达50~80kg水/h.m3，蒸发能力比普通烘干机提高50~100%，烘干每公斤水比传统烘干机节省热值四分之一。
2.2随动式调心托轮
       在传动方式上，采用随动式调心托轮装置专利技术，改变了传统的托轮与滚圈的点接触方式，使托轮与滚圈的配合永远是线形接触，滚圈安装和筒体温差变形造成的摆动差不影响接触质量。增加了筒体运转的稳定性，使滚圈和托轮以及驱动齿轮的相对磨损和动力消耗也大为减少，延长了设备使用寿命。
2.3零水平动力驱动
       采用零水平推力驱动专利技术，优化驱动齿轮的安装位置，减少托轮的支承角，从而使驱动功率减少30%以上，托轮座的尺寸也大大减小，筒体运行更加稳定。
2.4最佳转速和防粘设计
       根据烘干、煅烧的物料特征，进行了最佳转速和特殊防粘设计，运转速度可调节，物料不粘结在窑壁上，热幅射和热交换更加充分，产品质量稳定可靠。
2.5其他
       根据需要可用流化冷床对窑内烘干煅烧物料进行降温，也可在窑内装置筛分器，以达到煅烧物料粒度、细度要求。
3、粉、气、尘分离阶段
       在回转——烘干焙烧窑尾部，加装了特殊的收尘式尾罩，使因物料扬起时带出的较粗颗粒在尾罩内有效吸收，减轻了后续收尘器的压力，再配以高温分离器、电收尘器或布袋收尘器的多级收尘，可实现排放达标，收尘率达99%以上。
系统特点如下：
       燃煤沸腾炉—回转直接式烘干煅烧窑生产线利用本企业自有14项技术专利作支撑，变传统间接式烘干煅烧方式为直接烘干煅烧方式。利用该生产线加工建筑石膏，比传统工艺节煤40%以上；燃煤选用广泛，优质煤、煤矸石、炭质页岩、褐煤等均可使用，煤灰渣可利用；燃尽率可达99%以上，燃烧完全，属清洁燃烧；热烟气净化程度高，对烘干物料污染小；供热温度可调，可达稳定供热；物料在窑中不粘结，形成均匀料幕，蒸发力强；特殊的尾罩装置配上电收尘器或布袋收尘器使气、尘多级分离，收尘率达99%以上。它融中和、烘干、煅烧、筛分、粉碎、冷却等工序，一步制成合格的产品。
4、各煅烧设备及系统比较
       通过以上介绍，可以看出FC-分室石膏煅烧炉设计更加精巧，对化学石膏的煅烧具有更好的适应性，主要体现在以下几个方面：
       1、特殊的多室结构：保证了产品的质量稳定性。
       2、特殊的打散装置：对高含湿的化学石膏适应性更好；
       3、特殊的加热方式：直接加热与间接加热并举；显著提高了设备的热效率和炉内物料的流化状态的可靠性。
       4、特殊的换热管道设计：充分利用了设备空间和风道流向的要求。
       5、特殊的风伞设计：保证系统停机时，炉内物料的保持。
       6、特殊的除尘设计：减少了二级布袋除尘的压力
       通过以上介绍，可以看出各系统各具有优缺点，我们以化学石膏为原料生产建筑石膏的工厂建设为例，比较如下：                 
1）从原料的适应性方面看：
       FC-分室石膏煅烧系统采用二步法工艺，比较回转窑系统的一步法工艺，对高含湿的化学石膏来说，回转窑容易产生堵料现象，FC-分室石膏煅烧系统则有专门的设备解决，系统适应性更好；比较沸腾炉系统，FC-分室石膏煅烧系统工艺设计了专门的除渣工艺，对原料杂质比较复杂的化学石膏而言，FC-分室石膏煅烧系统的原料适应性更显优越。
2） 从投资方面看：
       FC-分室石膏煅烧系统采用一套热源，而沸腾炉系统则需要两套热源，比较而言，FC-分室石膏煅烧系统投资更省；回转窑系统占地面积更大，厂房需求更大，比较而言，FC-分室石膏煅烧系统投资更省。
3）从节能方面看：
       FC-分室石膏煅烧系统采用气流干燥、流态化煅烧技术，尾气回收再利用，原料预热方案，沸腾炉系统与回转窑系统都无法采用此工艺。比较系统尾气排放温度，FC-分室石膏煅烧系统尾气排放温度只有80~90℃，而沸腾炉系统与回转窑系统尾气排放温度都大大超出此温度，有的高达200℃，显而易见，FC-分室石膏煅烧系统节能性更好。体现在生产上就是运行成本更低，产品成本更小，竞争力更强。
4） 从环保方面看：
       FC-分室石膏煅烧系统采用FC-分室石膏煅烧炉内一级旋风除尘，尾汽采用布袋除尘器，达标排放。沸腾炉系统采用炉顶电除尘方案，生产线建设初期效果还行，运行一段时间后，除尘效果显著降低；回转窑系统采用布袋除尘器除尘，布袋除尘器系统工作压力更大，效果有所折扣。比较而言，FC-分室石膏煅烧系统更能充分保证整个生产线的环保性能的可靠性。
5）从产品质量方面看：
       FC-分室石膏煅烧系统采用干燥煅烧分离的二步法工艺，原料的游离水变化，在系统前端的干燥工段予以控制，保证后续煅烧工段对产品控制的要求，比较回转窑系统的一步法工艺，系统产品质量可靠性更好，另外，回转窑系统产品中二水石膏、半水石膏、无水石膏三相组分混合，产品质量难以控制；比较沸腾炉系统的二步法工艺，因为FC-分室石膏煅烧炉比沸腾炉更大，煅烧时间更长，产品中的半水石膏相更多，而且，FC-分室石膏煅烧炉具有在线调节功能，产品指标更好。

三、结论
        1) FC分室石膏煅烧炉比较回转窑及沸腾炉在结构设计上更显精巧，考虑更周密，系统集成性更好，更适合石膏的煅烧。
       2）FC分室石膏煅烧系统比较回转窑系统及沸腾炉系统，在原料的适应性、投资、节能、环保、产品质量等方面具有显著的优越性。
 
作者简介：
李玉山（1964- ），男，山东日照人，高级工程师（13385496008)      
张贤辉（1970- ），男，河南信阳人，工程师    （13953990328）