CN101952203B - 用于加压煅烧石膏的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种煅烧石膏的方法，通过将燃烧气体和空气加到加压的反应器中以生成石膏的流化床，并将石膏的流化床在加压的反应器中充分加热以形成煅烧的半水合物。

Description

用于加压煅烧石膏的方法和装置
相关申请
本申请根据35USC 119(e)要求于2008年2月19日提交的序号为61/029,725及于2008年10月23日提交的序号为61/107,901的美国临时申请的优先权。
技术领域
本申请公开了用于将硫酸钙二水合物(自然存在的形式有时称为石膏或石膏粉(land plaster)，合成得到的形式称为合成石膏(syngyp)，或由化学式CaSO4·2H2O表示)煅烧为主要是α型硫酸钙半水合物(CaSO4·1/2H2O[α型])的改良技术和设备。
背景技术
基于石膏和硫酸钙组合物和化合物应用于包括建筑业在内的广泛的工业领域中。硫酸钙二水合物是一种可开采的天然产生的矿物。硫酸钙二水合物的其他来源包括由燃煤电厂的废气脱硫产生的合成石膏(FGD石膏)和各种来源的回收石膏，如回收的墙板和从铸模或模具回收的石膏。
为了使石膏可用作建筑材料，其可以被煅烧或加热以部分脱水为α和β形式的硫酸钙半水合物。粗石膏脱水或煅烧为硫酸钙半水合物可用下式表示：
CaSO4·2H2O+热→CaSO4·1/2H2O+3/2H2O
煅烧是一种将硫酸钙二水合物转化为半水合物、可溶的无水石膏和/或不溶的无水石膏的过程。许多不同的技术可用于煅烧石膏。例如，可以通过高温下的快速干燥、在大釜中烧炼、在炉或窑中加热、采用蒸汽或在水悬浮液中烧炼的方法进行煅烧。这些不同的技术可以导致多种多样组成和性质的硫酸钙产物，但通常仅形成两种类型的半水合物：α-半水合物类型和β-半水合物类型。
在上述煅烧过程的逆过程中，半水合物在水中溶解直到其饱和，且可溶的半水合物放热转化回复为溶解性较低的二水合物(其从溶液中沉淀出来)，由此进一步驱动如下反应：
CaSO4·1/2H2O+3/2H2O→CaSO4·2H2O+热
随着生成的二水合物的量增加，石膏凝结。石膏的凝结可以通过测量释放的热量进行观察，这由浆体温度的逐渐升高表示。
已经完成了提高半水合物煅烧的热效率的方法，但该方法通常依赖于使用起到降低煅烧温度的作用的干燥剂(aridizing agent)，如易潮解的盐CaCl2。然而与连续生产工艺相比，CaCl2用作添加剂更适合批生产工艺。而且，添加盐可能对墙板质量有害，如塑性流动性和纸与石膏芯板的结合。
α和β半水合物可从用精细研磨的粉末半水合物制备可浇注的浆体所必需的水量上彼此进行区分。α硫酸钙半水合物(也称为α-半水合物)每100g烧石膏(plaster)需要少于约50ml的水，而β硫酸钙半水合物(也称为β-半水合物)通常需要多得多的水，通常每100g烧石膏超过70ml的水。这一水量称为“需水量”。高需水量(有时反映为水/灰泥比(W/S))从墙板生产的角度看是低效率的，因为在板干燥过程中需要更多能量来去除过量的水。大部分能量是增加的燃料成本。传统的β-半水合物更多孔，因而其W/S比为0.7～0.8，而α-半水合物的W/S比为0.32～0.45。
半水合物的α形式和β形式在晶体形状和密度方面也不同。还有，尽管B-基形(base form)的α-半水合物通常是在批系统中制备的，但β-半水合物是在连续系统中制备的。尽管后一系统较为有利，但由于较低的需水量，α-半水合物比β-半水合物更优选。然而，目前的煅烧技术在产生硫酸钙产品的α-半水合物量上相对低效。其结果，传统的石膏墙板制造商使用常温下通过釜或快速煅烧生成的β-半水合物。
在墙板制造中采用α-半水合物表现为明显节省能量和生产成本。因为α-半水合物的W/S比低得多，因而可以减少干燥墙板所用的燃料(通常是天然气)以及可以提高墙板生产线速度，因此，提高了生产能力。也减少燃烧有关的污染气体的排放。
发明内容
本发明提供一种通过连续工艺加压下煅烧石膏以获得α-半水合物的方法和装置，解决与工业墙板制造商的上述生产问题。本发明提供一种加压的反应器，其包括热源，优选是热交换器，以及用于注入加热的气体和空气以生成流化床的装置。将开采的石膏或合成的石膏以连续的方式注入到反应器中用于在反应器中煅烧。以这种方式，产生W/S比的一般范围为0.45～0.55的煅烧α-半水合物。在优选的实施方式中，还提供第二热交换器，如此其为具有内部加热的螺旋推运装置的反应器。连续的计量系统用于以连续的过程向该反应器供给石膏并保持该反应器中的压力。该方法的特征还在于，来自热源的用于热交换器的加热的空气分流以便也向流化床反应器提供加热的气体。
更具体地，提供一种煅烧石膏的方法。将石膏注入到加压的反应器中。也将燃烧气体和空气注入到该加压的反应器中以产生石膏的流化床。石膏在反应器中被充分加热以形成煅烧的半水合物。
在另一个实施方式中，提供一种连续煅烧石膏的装置，该装置包括至少一个具有加料斗入口和加料斗出口的石膏加料斗，该加料斗出口与双阀加料器连通；以及包括与该双阀加料器连通的加压反应器。
在又一个实施方式中，提供一种煅烧石膏的方法，该方法包括以下步骤：向加压反应器中连续注入石膏；加热石膏以形成具有低需水量半水合物的煅烧半水合物，该煅烧半水合物的W/S比约为0.45～0.55。
附图说明
图1是实现本发明的煅烧石膏方法的装置的第一实施方式的示意图。
图2是实现本发明的煅烧石膏方法的装置的另一实施方式的示意图。
图3是图2所示的双螺杆反转螺旋推运器的部分截面的俯视图。
图4是比较不同灰泥的需水量的柱状图。
图5是比较不同灰泥的结合水的柱状图。
图6是说明煅烧时间与反应器温度之间关系的图。
图7是说明煅烧压力与反应器温度之间的相关性的图。
图8a-f是在本发明工艺前和后的晶体结构的扫描电镜(SEM)图像。
应理解以上附图不是按比例绘制的。可能已经省略了对于本领域技术人员了解本发明的方法和装置不必要的或使得其他细节难以看到的细节。当然，应理解本公开内容并不被限于在此说明的特定的实施方式。
具体实施方式
参考图1，煅烧石膏的系统总体表示为10。该系统10的优点是，与现有技术方法的批处理工艺相反，它是煅烧较低需水量半水合物的连续工艺。在本发明的工艺中，较低的需水量优选通过提高α-半水合物晶体的产生来获得。应理解该系统10固有地包含图中所示的装置，且用于实施下述的方法或工艺。在该系统10中，石膏通过入口或加料器11向加料斗12提供，该加料斗可以是加压的加料斗。该入口11可以包括本领域技术人员已知的任何形式的输送装置或装料系统。石膏通常被磨碎以及以微粒形式提供。
这里公开的装置和技术减少对干燥剂如氯化钙(CaCl2)的依赖。然而，可以使用潮解盐或吸湿盐形式的干燥剂。因此，可以提供通向干燥剂加料斗14的干燥剂入口13。加料斗12、14的出口15、16分别可以以各种方式组合，在图1中仅示出其中的一种。如图所示，出口15、16各包括它们自己的控制元件17、18以分别控制物料流入连续计量装置(如锁装置19，其优选是旋转锁装置)的物料流。空气压力管线20向L-加料器21提供压力，该加料器21在压力下向加压反应器27输送进料。
附加的控制阀22可以设置在空气压力管线20中或在空气压力管线20和L-加料器之间，或在L-加料器和入口21之间。应注意到图1仅公开了如本领域技术人员很清楚的，系统10可能需要的一些但不是全部控制元件。
代替锁装置19和L-加料器21，可以使用双重连续计量装置或双重锁式垂直加料器(在图2中以及在下面详细描述)，与依赖加压空气供给装置20不同，其依赖于较长的垂直石膏进料柱以对加料柱加压。使用了两个旋转阀或锁装置，包括靠近反应器27入口的下阀和更靠近石膏加料斗12的在柱上较高位置设置的上阀。这种类型的设置对于本领域技术人员是已知的。
尽管用于煅烧石膏的窑型反应容器是已知的，但本发明的容器27的优点是其被加压。在优选的实施方式中，容器27被设计为保持14.7psia(1个大气压(压力计))到55.3psia(3.8个大气压(压力计))。
优选的是反应容器27在其顶部29和底部31之间具有石膏料的流化床。在该流化床中进行石膏的煅烧。在该反应容器27的底部31，设置入口32用来接收一种或多种流体流，例如包括(i)由通向吹风机34(其包括与入口32流体连通的入口35和控制阀36)的空气入口33提供的加压空气；(ii)由通过蒸汽控制阀38和蒸汽出口55与入口32连通的蒸汽入口37提供的蒸汽；和(iii)来自燃烧器41的燃烧气体，该燃烧器采用由空气入口43和吹风机44提供的压缩空气燃烧来自燃料供给器42的燃料。燃料管线42和空气管线43的控制元件分别以45、46表示。所用燃料的类型并不重要且可以从天然气或其他轻质烃类气体(如丙烷、丁烷等)变更为油或煤，这取决于地点和可用性。添加蒸汽是为了控制反应器27中的湿度以及用于加热的目的。可以设想将水另外或交替地注入到反应器27中。
燃烧器41的出口47被转换或分割成如48、49所示的出口。出口49通向反应器底部入口32并可以通过附加的控制元件51。代表燃烧器输出的其他部分，出口48通向用于加热流化床的热交换器52。控制元件53用于控制热流，其优选是来自燃烧器41的热燃烧气体的形式。优选地热交换器52设置在加压反应容器27的中段54并在由来自底部入口管线32的向上流体产生的流化床的中部。因此，采用来自出口35的加压空气、来自出口55的蒸汽和来自管线56的燃烧气体中的一种或多种，在反应器27中提供加压的向上流体流，其与来自入口21的石膏结合在反应器27中产生流化床。尽管优选使用热交换器52，因为其间接加热流化床，但也可以设想使用其他热源，包括用于提高流化床的温度达到如下讨论的期望的范围的直接的或间接的类型。例如，燃烧气体和/或蒸汽可直接加热流化床。
穿孔的、通常是平面的空气分配器表示为57，用于促进均匀的向上流体通过容器27并利于产生并维持流化床。在优选的实施方式中，该空气分配器57包括两个穿孔板59、61，其间夹置的任选的纤维垫62。该空气分配器57的细节与本发明没有密切关系，因此不进行详细说明。本领域的技术人员会理解用于煅烧反应器和流化床反应器的各种空气分配器都可以使用。如，参见通过引用结合于此的美国专利US7175426。如果使用纤维垫62，则优选的垫子是硅纤维垫，因为耐热的能力。如图所示，空气分配器57可以均匀地延伸穿过容器27或可以包括多个单独的垫板，各包括夹置在穿孔板之间的垫子。
在优选的实施方式中，热交换器52包括在通过反应容器27的向上流道内的垂直管63和两个或多个螺旋水平管64。热交换器52的出口与排气管65连通。因此，计量的石膏通过顶部入口28进入反应容器27并下落直到遇到通过空气分配器57的向上热流体流，如图中所示。热量通过热交换器52的各种管道63、64提供。如上面所讨论的，热量优选通过来自燃烧器41的管线48提供。燃烧器41的出口47的温度通常是约1482℃到约1760℃(约2700°F到约3200°F)。经过热交换器排放器65的热交换器废气的温度为约232℃到约316℃(约450°F到约600°F)。
可以设想，反应容器27内的温度为约121℃到177℃(约250°F到350°F)，更优选为约138℃到149℃(约280°F到约300°F)。目前蒸汽是优选的湿气源，蒸汽可以通过蒸汽入口通道37、55来提供。然而，可以通过水入口66将水添加到反应容器，当然水入口66可包括控制元件67。水入口66应与雾化器(图中未示出)偶联，这对于本领域的技术人员是显而易见的。容器27中的总压力可以是约14.7psia到55.3psia(约1.0到3.8个大气压)(压力计)。
反应容器27的顶部29优选包括集尘器68，该集尘器通常包括多个垂直对准的袋子69，该袋子捕获煅烧的石膏粉尘的细颗粒并将其送回反应容器27的中部54。釜排出流或反应器出口表示为70，其具有控制阀71并释放来自集尘器68的经过滤的废气。
煅烧的石膏产物流过产物出口72并进入竖管73。该产物出口72优选位于热交换器52上方和集尘器68下方以接收用于清除的流化床的上沿。另外，出口72通常包括自己的控制元件(未示出)。为了确保产物被适当干燥，竖管73通过接收来自第二蒸汽或加热介质入口75的蒸汽或加热介质(如燃烧气体、废气、油等等)的第二热交换器74。可以设想，第二热交换器74防止与石膏产物一起流动的残留水蒸汽冷凝。蒸汽或加热介质出口表示为76且控制元件表示为77。干燥的煅烧半水合物产物流过出口78和连续计量装置如类似于锁装置19的锁装置80，进入螺旋输送机79，该输送机通过管线81将产物传送到储存罐、容器、车厢、卡车车箱或储存区82。螺旋输送机的马达表示为83。显然，也可以用其他类型的输送系统，且在阅读本说明书后这对于本领域技术人员来说是显然的。优选的是，附加的连续计量装置84安置在竖管73的入口以保持反应器27中的压力密封。
参考图2和3，本发明系统的可替代的实施方式总体标示为90。该系统与系统10共有的组件用相同的附图标记表示。在系统90和系统10之间的一个区别是采用双重锁配置92、94而不是单锁装置19和L-加料器21来提供来自加料斗12的石膏的连续流以及保持加压流化反应器(总体标示为96)中的压力。在该优选实施方式中，下部锁装置94通过重力直接供料到反应器96中。
压缩空气由吹风机34通过控制阀36注入到反应器96的穿孔的外壳98以使反应器中的石膏床流化。在至少一个和优选两个中空螺旋推运器轴102、104的一端将加热的气体、油或蒸汽连续注入到入口100中，该中空螺旋推运器轴包括中空的相互交错的螺旋状的螺旋推运叶片106、108，这些叶片是可调节速度的、自清洁的双螺杆反转螺旋推运器110的部件(图3中详细描述)，该螺旋推运器设置在煅烧石膏流化床的反应器96中。尽管优选的是它们以有间隔的、水平定向的、平行的相对关系进行设置，可以设想这两个中空螺旋推运轴102、104可以以相对于彼此的不同方式定位在反应器96中。
如系统10相同的情况，凭借与热交换器112(如锅炉等)流体连通的轴102、104将加热的流体如空气或油提供给入口100，而热交换器112由燃烧器41供应。热流体于是在各轴102、104和相关的螺旋推运叶片106、108中循环以加热加压反应器96中的石膏。在优选的实施方式中，加热的流体最终从用于再循环的各轴102、104的出口114流到燃烧器41。
动力源116，优选可变速马达，如现有技术中已知的可操作地连接到轴102、104的至少一个和优选两个上，以使轴旋转并因此转动螺旋推运叶片106、108。由于螺旋推运叶片的螺旋形状，反应器96中的石膏被从靠近反应器入口118的反应器的一端移动到靠近反应器出口120的相对端。在优选的实施方式中，螺旋推运叶片106、108互相交替以使得随着轴102、104旋转，残留在任一叶片上的石膏通过相邻叶片的紧密转动作用而除去。在图3中可见，叶片106、108在几乎其整个半径上互相交迭。本发明反应器96的另一个特征是轴102、104的旋转速度可以发生变化以适应于应用。不同的石膏粒径和/或保留时间的需求可能要求不同的轴旋转速度。因此，可调速度的、双螺杆反转螺旋推运器110连续地将煅烧的石膏流化床从反应器入口118输送到反应器/产物出口120。
反应器96中期望的蒸气压和相对湿度通过由煅烧产生的蒸汽和入口37处与燃烧气体和空气一起的注入蒸汽来保持，燃烧气体和空气也可用于提高反应器96中流化床的温度。结合蒸汽和燃烧气体有助于避免反应器中的冷凝。尽管显示的是单壁穿孔外壳98，反应器96也可以包括用于对石膏的煅烧流化床进一步加热的双壁蒸汽夹套113。反应器外壳98优选包括冷凝液排出阀122，其释放在反应器96内部积累的冷凝液。还设置了安全释放阀124，用以在超过预设压力水平时释放反应器96中的压力。如果需要，同样的阀也预期用于系统10。
与上述讨论元件19、92和94类似的连续计量装置126有助于维持反应器压力并连续地将来自反应器96的煅烧石膏供给第二热交换器74。在优选的实施方式中，第二热交换器74用于维持排出反应器96的煅烧石膏的温度和湿度水平。在排出第二热交换器74后，第二连续计量装置128帮助维持第二热交换器74中的压力并连续地将煅烧的石膏供给到储存区82中。同样，预期在系统10中多个计量装置(126、128)用于第二热交换器74。在排出第二热交换器74时，煅烧的石膏可以输送到同时加热和研磨煅烧的半水合物的粉碎研磨机132中。该加热的研磨机通过燃烧气体加热。如现有技术中已知的，预期可以使用球磨机或管磨机等。
参考图4-7，图4的柱状图显示现有技术煅烧工艺的煅烧石膏产物和对来自各地的石膏原料进行加压煅烧得到的实验设备的分析结果。在图4和5中，Southard C基和B基的值是传统煅烧工艺的结果而且需要相对较多的能量。理想地，加压煅烧应该接近煅烧的B基半水合物的值。Allegheny和Killen值是采用下面讨论的Chemineer实验室技术加压煅烧的结果。Aliquippa和Southard CKS值是在釜中制备的传统β-半水合物灰泥。这些结果显示对于不同类型的灰泥，基于手稠度(handconsistency)检测(100g灰泥需要的水)的需水量在约36cc到75cc之间。这些结果表明与传统的釜煅烧的β-半水合物相比，采用加压煅烧需水量较低。
图5说明不管灰泥的类型或煅烧的类型，结合水的百分数(％)在约5.8％到7.2％之间变化。该范围是生产标准半水合物所需要的。图6表明随着反应器温度提高煅烧时间减少。图7说明随着反应器温度升高反应器压力升高。
表1.Chemineer单元操作条件及试验结果的总结
(Southard B-基α-灰泥作为基准：CW＝5.923％，PS＝11.57微米，WD＝42cc)
参考表1，一系列采用烟道气脱硫(FGD)石膏和天然岩石的批煅烧反应通过实验室规模的、Chemineer加压蒸汽反应器(Chemineer Inc.，Dayton，Ohio 45401)进行。记录了煅烧条件，包括温度、压力、湿度、煅烧时间、初始的游离水份、搅拌及研磨。在煅烧中使用了结晶改良剂和晶种。产生的灰泥的性质(如粒径、结合水晶体结构、需水量(手稠度，滑落尺寸(slump size))以及凝结时间)与在USG Southard工厂生产的B基灰泥进行比较。
Figure BPA00001207159400101
参考图8a-f，Chemineer单元实验室试验用粗石膏原料进行并添加水以保持游离的或表面水分水平为7.5％到13％以接近FGD原料的游离水分水平。在煅烧前，琥珀酸作为结晶改良剂溶解在水中且作为晶种的C基灰泥与粗石膏一起添加。应用不锈钢钢球和搅拌以进行研磨并保持颗粒不分离。在煅烧后，灰泥在环境压力下在Chemineer单元中进行干燥。得到的灰泥通过50目筛并对结合水进行测试，以及采用扫描电镜(SEM)检测晶体结构。在适宜的煅烧条件下，天然的和FGD合成的石膏都可用于非浆工艺以制备具有α-半水合物晶体结构的低需水量灰泥。晶体在煅烧前后的性质在图8a-f中进行说明。图8a是B基灰泥的晶体结构。图8b-c是加料物质的图象，和图8d-f是煅烧的晶体的图象，其反映出理想的α-半水合物晶体的块状结构。
煅烧石膏的一个示例性方法包括将石膏注入到加压反应器的顶部；将加热的空气、蒸汽和来自燃烧器的一部分燃烧气流注入到加压反应器的底部以在反应器中生成石膏的流化床；用热交换器将加压反应器加热到约121℃到约149℃(约250°F到约300°F)的温度范围，该热交换器通过石膏流化床并使用剩余部分的来自燃烧器的燃烧气体；保持加压反应器中的蒸气压为1.01×105到3.85×105Pa(1.0到3.8个大气压)；以及保持加压反应器中的温度为约121℃到约149℃(约250°F到约300°F)。
采用上述的装置和技术，可以得到具有较高百分比的α型半水合物和较低百分比的β-半水合物的改良的硫酸钙产品。简单地讲，采用这里公开的装置并采用这里公开的参数及方法得到具有较低需水量和具有改进的性质的硫酸钙产品。而且，干燥剂的使用是可选的而不是必须的。
此外，石膏进料的平均粒径不是关键性的因为流化参数可以改变以适应各种粒径。一般地，可以使用平均粒径为50μm到1mm的石膏进料。根据期望的最终产品或用途，得到的半水合物产品可以随后进行研磨。
使用来自燃烧器41的燃烧气体与蒸汽结合确保了入口流体流32足够热以防止反应容器27中或空气分配器57附近的任何冷凝。因此，将来自管道56的燃烧气体、来自管道35的加压空气和来自管道55的蒸汽结合到组合入口32中的一个优点是，采用蒸汽提高湿度将不会有在反应器中产生冷凝的不利影响。水可以加到底部入口32，但蒸汽是优选的因为水存在冷凝的危险。
尽管前面仅给出了特定的实施方式，但基于以上内容，各种替换及改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些和其他替代方式被认为是等同的并落在本文的公开和所附权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种煅烧石膏的方法，包括：
将石膏注入到加压的反应器中；
将燃烧气体和空气注入到加压的反应器中以在反应器中生成石膏的流化床；和
在加压的反应器中加热石膏的流化床以充分煅烧石膏而形成煅烧的半水合物；
在燃烧器中燃烧燃料和空气以生成所述燃烧气体；
将一部分燃烧气体分流到加压的反应器中以生成流化床；及
将燃烧气体的剩余部分引导到用于加热流化床的热交换器中。
2.一种煅烧石膏的方法，包括：
将石膏注入到加压的反应器中；
将燃烧气体和空气注入到加压的反应器中以在反应器中生成石膏的流化床；和
在加压的反应器中加热石膏的流化床以充分煅烧石膏而形成煅烧的半水合物；
其中，所述加热采用热交换器完成，以及所述方法进一步包括：
从所述加压的反应器中移出煅烧的石膏；和
用第二热交换器加热煅烧的石膏。
3.一种煅烧石膏的方法，包括：
连续地向加压的反应器中注入石膏；
在所述反应器中加热石膏以形成具有较低需水量的半水合物的煅烧半水合物，所述煅烧半水合物的水/灰泥比为0.45-0.55；及
通过排出阀将来自第二热交换器的干燥的煅烧半水合物移到加热的研磨机中，该研磨机同时加热和研磨煅烧的半水合物。
4.一种用于连续煅烧石膏的装置，包括：
至少一个石膏加料斗，其具有加料斗入口和加料斗出口；
所述加料斗出口与连续计量装置连通；和
与所述连续计量装置连通的加压的反应器；
其中，所述加压的反应器包括设置在加压反应器中以从所述反应器的入口到所述反应器的出口连续地加热和输送石膏的流化床的可调节速度的双螺杆反转螺旋推运器，该螺旋推运器具有中空轴和中空叶片。
5.如权利要求4所述的装置，其中，阀加料器与用于干燥并研磨煅烧的半水合物的加热的研磨机连通。
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