1.引言 
       流态化技术在现代工业被广泛应用，首次大规模的重要应用，由德国人winkler用于粉煤气化的气—固流化床开始的，这一方法在1922年获得专利，其第一台煤气发生炉已有较大规模（高13m，截面积12 m2）。 
第一套石油催化流化床反应器于1942年在美国建成,处理能力为1700T/D。由于其技术上的合理性及大量的工业需求，该反应器很快在全世界范围内普及，它的改型体至今仍是最有价值的工业流化床反应器之一，并且被广泛借鉴应用于其它领域。 
       我国对于流化床技术最早的研究是汪家鼎院士关于流化床褐煤低温干馏技术的研究，也是世界上将流化床技术开发转向煤化工的先驱之一。当时对流化床技术的优势（如：设备内温度均匀，可以流化细颗粒，易于连续操作等）和发展前景已有了相当深入的认识。而1955年南京化工公司的黄铁矿焙烧生产二氧化硫，1957年葫芦岛流化床焙烧精锌矿，以及萘氧化生产苯二甲酸酐等技术是我国最早使用的流化床反应器的工程实例。 
       1978年由杭州新型建材工业设计研究院苏永平工程师设计的哈尔滨石膏板厂石膏煅烧车间首次采用以蒸汽为热源的单室沸腾煅烧炉生产建筑石膏，原料则采用天然石膏，经粉磨后进行煅烧，产量达到5T/h的规模。但由于当时在原料粒级组 成、含水率方面的变化，石膏煅烧质量稳定性差，对于高含湿物料在煅烧过程中易结团、产生堵床现象等，从而产生恶化工艺连续性的状况。 
       1996年，山东盐化公司在建造石膏板工厂时，设计了一条以导热油为热源的二室沸腾煅烧炉，后经进一步改造完善，使用该炉煅烧含湿率<5%的天然石膏粉，效果良好。目前山东已有多条生产线投入运行，生产能力从3T/h—15T/h之间，运行状况良好，生产每吨建筑石膏粉的煤耗在55KG/t，电耗 28 kwh/t，使用专用导热油锅炉作为热源。 
       目前，流态化技术作为一门高效换热技术已经渗透到国民经济的许多部门，在化工、炼油、冶金、能源、原子能材料、轻工、生化、机械、环保等各领域中都可找到它的卓越贡献。但是，在煅烧石膏技术方面需要解决的几个关键问题，如对原料含水率的适应性，物料粒级组成，余热利用方面存在的问题始终未得到很好的解决，笔者在参阅国内外相关专业文献的基础上，融合国内外石膏流态化煅烧设备的优点，设计建成了一条年产3万吨半水石膏粉生产线—FC分室石膏煅烧系统，初步解决了流态化技术在煅烧石膏过程中的适应性问题。该系统保持了流态化技术在煅烧天然石膏时的节能、免维修的特点，而且特别适用于煅烧含水率在25%以下的各种化学石膏，如FGD石膏（电厂排烟脱硫石膏）、磷石膏、氟石膏、钛石膏及柠檬酸石膏。从试验结果看，该煅烧系统可以稳定生产出符合国标要求的建筑石膏粉，同时与传统煅烧系统相比较，投资省，且运行成本低，节能及环保方面都达到了令人满意的效果。 

2. FC分室石膏煅烧系统工艺流程
2.1工艺流程图

图1采用天然石膏为原料FC分室石膏煅烧系统工艺流程图

图2采用化学石膏为原料FC分室石膏煅烧系统工艺流程图 

2.2工艺流程概述： 

       化学石膏由人工投料，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。 
      天然石膏经破碎、粉磨、选粉后，达到成品细度要求的生粉直接落入生粉仓4。以下以天然石膏为例对工艺过程简述如下： 
      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，若煅烧磷石膏则需要掺加一次高温热风。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。

3.  FC分室石膏煅烧工艺原理及系统特点 
3.1工艺原理： 
      FC分室煅烧工艺的换热系统综合运用了3种换热方式，即根据石膏含水率在不同煅烧过程中的湿含量变化采取相应的换热方式，在确保产品质量稳定性的同时，全面提高换热效率，节省能源。 
3.1.1预热过程： 
      FC分室石膏煅烧系统设计了专门的预热方案，预热热源来自于主煅烧炉的烟气余热。在短短的2—3秒之内，高含水的石膏原料与干燥热烟气进行瞬间对流换热，将原料表面水迅速蒸发，预干燥后的石膏粉通过回收器回收至预热仓，这一过程有下列三种作用： 
      a、降低原料的表面水含水率，经过预热后原料的含水率一般下降5%-10%左右。 
      b、提高原料进入主煅烧炉时的料温，避免结团现象。 
      c、将原料中的重质部分及大颗粒物料通过“风选”效果分离出来。 
      d、对于磷石膏通过预热进入FC--主炉1区与高温热管接触，可迅速去除磷石膏中的有机类有害杂质。 
3.1.2煅烧过程：          

图3  FC主煅烧炉结构 

      FC分室煅烧系统的主煅烧炉设计成四个相对独立的煅烧空间（图3），这种结构设计将具有以下特点: 
      a. 用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。 
      b. 更容易调整产品的质量指标： 
      熟石膏粉的质量指标调整是满足不同用户要求的基本措施。但遗憾的是现有设备由于结构缺陷不能满足这一要求，而分室沸腾煅烧技术可以方便的调整石膏粉在不同脱水阶段的脱水温度、脱水时间，从而更容易得到不同凝结时间、稠度、强度要求的产品。在不加任何添加剂的情况下，采用该技术石膏粉初、终凝结时间的调整范围为3-15分钟，标准稠度65%-72%。 
      FC分室石膏煅烧炉主体换热部分采用了两种不同的换热方式：即对流和传导换热。在主煅烧炉的1区、2区采用高温热管换热技术进行传导换热;同时经过加热后的压缩风通过置于底部的风伞直接作用于石膏粉进行对流换热，并使一区、二区的物料呈现出在高温热风作用下的流态化换热状态，更大程度地改善了气、固两相的传热传质效率，同时特有的打散装置可及时解决高含水率原料带来的结团问题，这些特点一般沸腾炉并不具有。根据经验，允许原料的含水率≤15%，物料在一区、二区已完成对原料表面水的蒸发任务,通过溢流方式进入三区。 
      FC分室石膏煅烧炉的三、四区专为煅烧石膏粉结晶水而设计，在蒸发掉所有的吸附水之后，二水石膏粉将在此空间脱去1.5个结晶水并形成半水石膏，其反应式为： 

Caso4·2H2O= Caso4·0.5H2O+1.5 H2O 

      高温热风在一区、二区完成对吸附水的蒸发换热之后，进入三区、四区，这时，热烟气的温度已显著降低,对煅烧石膏结晶水特别有利，可防止高温煅烧对产品相组成的影响，最大程度地避免因Ⅲ无水石膏的含量增加对产品稳定性带来的破坏作用。 

3.2系统特点 
3.2.1除尘系统： 
      FC分室石膏煅烧系统中的吸尘部分采用了二段收尘方式，第一段为内置旋风收尘器，第二段为布袋收尘器，通过实际运行效果看，收尘率在98%左右，可以达到国标规定的一类区生产性粉尘的大气排放标准。 
根据不同地区的环保要求，该系统可设计成内置电收尘器，也可设计成一级采用旋风收尘器，二级采用水浴收尘器等高效收尘系统。 
3.2.2控制系统： 
      FC分室石膏煅烧炉系统，主煅烧炉采用二级闭环控制原理使出料温度保持相对稳定。 
      FC分室石膏煅烧系统采用美国FIX软件进行画面组态,由PLC进行控制组成DCS系统，该FIX控制系统对运行状态的显示包括模拟量和开关量两部分，模拟量在相应设备上以要求的工程量适时以数字显示物理量的变化;开关量以各种颜色显示设备的状态，如备妥、故障、运行、现场启动等状态。 
      本系统可采用自动、手动、软手动三种操作模式，在各设备处于“集中”时，通过“自动/手动”按钮对现场的设备进行自动和软启动操作，当设备处于“本地”时，可通过机旁按钮进行现场手动操作。 
      该系统包括：系统流程主画面、秤标定界面、历史曲线界面、报表显示与打印界面四个操作画面。 
      在程序控制方面，通过PT100检测料温，由PID进行计算，适时根据设定的料温来调整加料速度，并始终保持设定温度。 
      经过半年的生产证明，该控制系统运行可靠、故障率低，没有影响正常生产。 
3.2.3燃烧系统： 
      FC分室石膏煅烧系统的热源采用了流态化燃烧技术—高温烟气沸腾炉，其工作原理是通过高压风机鼓入高压空气使固体燃料煤在流化床中呈“流态化”,并在沸腾状态下进行燃烧。 
      流化床本身是一个蓄热量很大的热源，有利于燃料的迅速着火和燃烧。流化床中积累了大量灼热的炉料，其中95%以上是热灰渣和砂子，5%左右是可燃物质，温度约850℃—1050℃,即使燃用1486千焦/千克左右的石煤，每秒钟新加入床内的冷燃料只占床容量的1%左右，而炉床丰富的热源将煤料迅速加热着火燃烧，所以沸腾燃烧的适应性很强，不仅能燃优质燃料还可以烧各种劣质燃料，包括含灰份高达80%的石煤和含水份高达60%的褐煤、洗煤矿石和煤泥等。 
      由于在配套系统中实现了自动化，给风、给煤连续均匀，所以炉内可以保持恒温，确保产品质量的稳定性。 
      沸腾炉燃烧产生的热烟气由上部的烟气引风机引入FC分室石膏煅烧主炉的一区高温换热管。 
      该流态化燃烧炉的燃料燃烬率达到98%以上。 

4.工程实例 
4.1煅烧天然石膏 
      原材料采用平邑石膏矿区出产的天然石膏石，经粉磨后的生石膏粉化学成份如表1，产品细度为80目筛余≤5% 

表1平邑天然石膏矿石成份含量（%）

      从试产结果看，采用该生产线产量达到5.8T/h，产品质量测试结果如表2，产品细度为80目筛余≤3%，煤耗为标煤23.3KG/吨,电耗14.2KW/H。

表2  天然石膏煅烧的半水石膏物理性能指标的测试结果

4.2煅烧磷石膏 
      原材料采用山东红日阿康化工集团公司副产的磷石膏为原料,由货车从堆场运至工厂，原料的分析报告如表3

表3  山东红日阿康化工股份有限公司副产磷石膏成份（%）

表4磷石膏煅烧的半水石膏物理指标测试结果

      由于磷石膏中存在有害杂质—有机磷、无机磷、磷酸铵等影响石膏凝结的成分，FC--分室石膏煅烧炉通过高温热管换热方式 将它们分解，另外FC--分室石膏煅烧炉内的粉体成湍流状态运动，颗粒之间相互磨擦，最终使粉体表面吸附的有害杂质剥落并随热气流一起被吸送到二机收尘器，从而消除了有机磷对石膏凝结性能及纸面石膏板面纸黏结性能的影响。煅烧后产品的PH值由2-4增加到5-6，效果非常明显。 
      从试产结果看，生产线处理能力为4—5T/h，产品产量为2.6—3.4T/h，煤耗折标煤为30.5kg/T，产品的物理性能指标如表4。 
4.3煅烧氟石膏 
      采用湖南湘铝集团副产的氟石膏为原料，原料测试及成品物理性能指标见表5和表6，从试验结果看，产品处理量为2.3T/h,原料处理量3.68T/h，产品质量指标良好。 

表5   湖南湘乡铝厂氟石膏原料化验成份（%）

表6   氟石膏半水石膏粉物性检测结果

4.4煅烧脱硫石膏 
      采用济南黄台电厂的排烟脱硫石膏煅烧半水石膏,原料测试和成品测试分别见表7和表8。从试产结果看，排烟脱硫石膏煅烧的半水石膏强度高，水化需水量大，可以作为优质纸面石膏板和粉刷石膏的原料。

表7  济南黄台电厂排烟脱硫石膏成份（%）

表8  脱硫石膏煅烧后半水石膏物性检测结果

5.结论 
      (1)、FC分室石膏煅烧系统对不同原料的适应性广、无论是天然石膏和高含湿率的化学石膏，采用该系统都可以生产出合格的建筑石膏粉，一般控制原料的含水率≤25%。 
      (2)、对原料粒度的粒级组成有一定的要求，一般以大于20um，小于6mm较为合适，粒度太小易被气流带走，粒度太大不易流化。 
      (3)、物料在流化床内的停留时间可按工艺生产要求进行设定。当产品的含水率变化时，系统能自动适应，保持出料温度和煅烧时间的相对稳定性。 
      (4)、FC分室煅烧系统与老式的沸腾煅烧炉和直焰式回转窑相比，具有物料停留时间短，干燥速率大的特点，同样规模的生产线具有投资省、设备运行费用低、维修工作量小、不需配套专用锅炉等诸多优点。 
      (5)、FC分室石膏煅烧系统采用ABB公司的FIX组态控制软件运行可靠，对系统可实现有效控制。 
      (6)、热源方案采用燃煤热风沸腾炉这一流态化燃烧技术，燃烬率高，风温、风压稳定，为高效换热提供稳定热源，燃料适应性广。 
      (7)、该系统集高效燃烧和高效换热技术于一体，工艺设计上采用预热及控制、收尘等先进配套技术，实现节能和清洁化生产，目前已推出了年产3万吨、5万吨、10万吨、15万吨的系列炉型设计，在不同石膏原料的煅烧工厂中可广泛推广应用。