CN104828784A - 一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磷石膏制酸联产水泥的磷石膏窑外悬浮预热分解工艺，通过控制磷石膏水泥生料预热和分解反应过程在悬浮状态下进行，并设置U型反应管和热风炉来强化磷石膏分解反应，同时设置四～五级旋风预热系统有效回收所得高温烟气的热量，节能降耗效果显著。本发明在燃料煤中添加硫磺，可大幅提高所得烟气中SO₂的浓度，磷石膏分解率可达90％，烟气中SO₂的浓度可达11％，不仅能满足硫酸生产需要，而且可以明显降低传统磷石膏制酸联产水泥工艺过程的能耗。

Description

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺

技术领域

本发明属于磷化工、水泥生产与环保领域，具体涉及一种磷石膏窑外悬浮分解工艺。

背景技术

磷石膏是湿法磷酸生产过程排放的固体废物，我国的年排放量在60Mt以上，大多采用露天堆放而弃之，不仅占用大量土地，还对环境产生十分不利的影响。磷石膏制酸联产水泥工艺是磷石膏资源化利用的有效途径之一，传统工艺是在回转窑中完成的，由于磷石膏分解是吸热量较大的反应，且回转窑中高温气体与磷石膏水泥生料之间的传热传质效率较低，导致过程能耗较高和水泥产品质量不高与不稳定，严重制约该工艺技术的推广使用。

流态化技术是一种强化流体(气体或液体)与固体颗粒间相互作用的操作，它是利用流动流体的作用，将固体颗粒群悬浮起来，使固体颗粒与流体(气体或液体)充分接触，可以大幅提高传热传质效率。早在1954年，美国Iowa州立大学提出磷石膏预分解流程，即在流化床中用CO还原分解磷石膏，并将流化床分为还原区和氧化区，旨在降低回转窑热负荷。1968年美国Iowa州立大学和Keetfeeds公司联合提出磷石膏流化床分解新工艺，将流化床分解炉分成上下两个床层，均以低速流态化操作，下层流化床进行燃烧及分解反应，上层流化床则用于预热物料。1985年德国Lurgi公司开发出循环流化床分解炉，将磷石膏分解和水泥熟料烧成过程分别置于流化床分解炉和回转窑中完成，分解炉采用双气氛反应机制，物料反复经过还原及氧化区。国内专利ZL 200820054541.2提出一种分解磷石膏的复合循环流化床装置，旨在提高磷石膏分解率。这些循环流化床技术是通过循环磷石膏颗粒来延长分解反应时间，提高分解率，但由于循环流化床气固比较高，导致烟气SO₂浓度较低，不能满足硫酸生产要求。专利CN 101955166 B提出一种半水磷石膏的分解方法，通过悬浮预热来提高磷石膏分解炉中分解温度，使分解率得以提高，但仍未解决SO₂浓度较低的问题。

流态化技术虽然可以强化磷石膏分解反应的传热传质过程，但磷石膏分解反应是一个吸热量较大的反应，也就意味着需要向反应系统供应高强度的反应热量。从现有的专利或文献来看，还未见很好地解决此问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于磷石膏制酸联产水泥的磷石膏窑外悬浮预热分解工艺，该工艺可悬浮预热回收来自分解炉的高温气体热量以降低过程能耗；分解炉设置煤燃烧装置提高系统供热强度；燃料煤中添加部分硫磺以提高烟气SO₂浓度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，包括以下步骤：

1)磷石膏水泥生料制备：将磷石膏、焦炭、铝矾土、页岩和电炉渣按1000:(30～100):(5～12):(40～75):(6～13)的质量比进行混合，混合完成后经提升机送入高位料仓备用。

2)悬浮预热：将磷石膏生料以0.3～0.7kg/Nm³的固气比通过螺旋加料机加入悬浮预热系统中，进行悬浮预热升温至750～1050℃。

3)窑外分解：来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料，通过热风炉送来的高温烟气C以高速带入U型反应管底部；所述U型反应管具有特殊的U型结构，可保证磷石膏水泥生料在反应管中具有足够的停留时间(即分解反应时间)，进而提高磷石膏的分解率和所得高温烟气中SO₂浓度；所述磷石膏在750～1050℃分解反应后，其分解率达到65～92％，脱硫率达59～85％。

4)分解反应完成后，出U型反应管的气固混合物经旋风分离器分离气固物料得固体颗粒和高温烟气A，从底部出来的固体颗粒送入回转窑分解烧成水泥，从回转窑上部出来的高温烟气B送入悬浮预热系统回收热量；所得高温烟气A进入悬浮预热系统回收热量，温度降至130～350℃。

5)高温烟气A经悬浮预热系统回收热量后，送硫酸车间生产硫酸。

上述方案中，所述磷石膏、焦炭、铝矾土、页岩和电炉渣的粒径均为10～80μm。

上述方案中，所述磷石膏可为二水磷石膏或半水磷石膏。

上述方案中，所述磷石膏水泥生料的混合设备可为卧式螺带混合机、立式混合机或各类磨机。

上述方案中，所述悬浮预热系统为4级或5级旋风预热器，磷石膏生料依次经C₁旋风筒、C₂旋风筒、C₃旋风筒、C₄旋风筒或继续经过C₅旋风筒预热升温至750～1050℃。

上述方案中，进入反应管的高温烟气C由燃煤器中的热风炉燃烧燃料产生，所述燃煤器包括圆盘给料机、煤磨机与燃煤热风炉等，燃料经过圆盘给料机定量向煤磨机添加，燃料经过粉磨后以高风量送入燃煤热风炉，经过燃烧产生1150～1230℃的高温烟气C送U型反应管。

上述方案中，所述燃料为硫磺与燃煤的混合物；燃煤的热值为5000～8900大卡/kg，硫磺与燃煤的混合质量比为1:10～10:1。将硫磺部分替代燃煤，然后进入圆盘给料机料斗，通过煤磨机送入热风炉，产生含一定SO₂浓度的高温烟气C，作为热源送入U型反应管供磷石膏分解反应，可提升所得高温烟气A中SO₂的浓度，烟气中SO₂浓度达1～12wt％。

上述方案中，所述燃煤为褐煤、烟煤、无烟煤或含硫煤，优选为含硫煤。

上述方案中，所述的旋风分离器为旋风筒，根据选用的旋风预热器结构，选用C₅旋风筒或C₆旋风筒。

上述方案中，从U型反应管旋风分离器(C₅旋风筒或C₆旋风筒)出来的高温烟气A的温度为430～780℃，进旋风预热系统回收热量预热磷石膏水泥生料，经C₄旋风筒回收热量后温度降至360～710℃，经C₃旋风筒回收热量后温度降至330～660℃，再经C₂旋风筒回收热量后温度降至270～550℃，最后经C₁旋风筒回收热量后温度降至130～350℃，最后送硫酸车间生产硫酸，整个悬浮预热系统回收热量为3241～4094kJ/kg磷石膏，节能降耗效果显著。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用U型反应管能有效延长磷石膏颗粒在反应管中的停留时间，增加磷石膏分解反应时间，进而提高磷石膏的分解率和所得高温烟气中SO₂浓度。

2)采用热风炉提供的高温烟气，可以强化磷石膏分解反应的供热过程，进而提高磷石膏分解率和烟气SO₂浓度。

3)本发明用硫磺部分替代燃煤，可以大大提高所得烟气中SO₂浓度，这是烟气送硫酸车间进行硫酸生产的重要保证，也是传统磷石膏制酸联产水泥工艺技术得以推广的基础。

4)本发明可回收高温烟气热量3241～4094kJ/kg磷石膏，节能降耗效果显著。

附图说明

图1为本发明所述磷石膏窑外悬浮分解工艺流程图。

图中，1为固体原料料仓；2为C₁旋风筒；3为C₂旋风筒；4为C₃旋风筒；5为C₄旋风筒；6为C₅旋风筒；7为U型反应管；8为热风炉。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其工艺流程图见图1，热风炉中采用的燃料煤为褐煤(热值为5500～6500大卡/kg)，具体包括以下步骤：

1)将10～80μm的半水磷石膏与10～80μm的焦炭、铝矾土、页岩、电炉渣按1000:50:8:52:8的质量比加入卧式螺带混合机中混合得磷石膏水泥生料；焦炭中的碳为还原剂，用以还原CaSO₄生成CaO和SO₂，碳含量大于75wt％，挥发分小于5％，效果好。碳含量越高，生料配料中焦炭掺量越少，带入灰分越少，有利于生料成分的稳定。

2)磷石膏水泥生料均化后经提升机传送到达高位料仓，然后以0.3～0.7kg/Nm³的固气比通过螺旋加料机进入悬浮预热系统，依次经C₁旋风筒、C₂旋风筒、C₃旋风筒和C₄旋风筒逐级预热升温至750℃；

3)来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料通过热风炉送来的高温烟气C(温度为1150℃)以高速进入U型反应管，在970℃下进行分解反应，主要反应方程式如式1和式2：

C+CO₂→2CO.....................................................................(1)

CaSO₄+CO→CaO+SO₂+CO₂............................................(2)

4)分解反应完成后，出U型反应管的气固混合物经旋风分离器(C₅旋风筒)分离气固物料得固体颗粒和高温烟气A(510℃)。从底部出来的固体颗粒送入回转窑分解烧成水泥，从回转窑上部出来的高温烟气B(940℃)送入悬浮预热系统与磷石膏水泥生料进行换热，以此回收多余热量；所得高温烟气A进入悬浮预热系统也与磷石膏水泥生料进行换热，回收热量，然后依次经C₄旋风筒、C₃旋风筒、C₂旋风筒和C₁旋风筒温度降至150℃；

5)高温烟气A经悬浮预热系统回收热量后，经除尘进化达到生产工艺要求然后送硫酸车间生产硫酸。

本实施例中磷石膏分解率为73％，高温烟气A中SO₂浓度为0.97％，整个悬浮预热系统回收热量为3245kJ/kg磷石膏。

实施例2

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，热风炉中采用的燃料为无烟煤(热值为6000～6500大卡/kg)，其工艺流程与实施例1大致相同，不同之处在于：

将10～80μm的二水磷石膏与10～80μm的焦炭、铝矾土、页岩、电炉渣按1000:50:8:52:8的质量比加入卧式螺带混合机中混合，混合完成后经提升机、高位料仓、加料机进入悬浮预热系统预热升温至820℃，然后进入U型反应管，来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料通过热风炉送来的高温烟气C(温度为1190℃)以高速进入U型反应管，在845℃进行分解反应，反应完成后经旋风分离器(C₅旋风筒)分离所得高温烟气A温度为560℃，然后依次经C₄旋风筒、C₃旋风筒、C₂旋风筒和C₁旋风筒温度降至180℃；高温烟气B的温度为822℃。

本实施例中，磷石膏分解率为67％，高温烟气A中SO₂浓度为0.58％，整个悬浮预热系统回收热量为3241kJ/kg磷石膏。

实施例3

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，热风炉中采用的燃料为烟煤(热值为6500～8900大卡/kg)与硫磺的混合物(烟煤与硫磺的质量比为1:6)，其工艺流程与实施例1大致相同，不同之处在于：

将10～80μm的半水磷石膏与10～80μm的焦炭、铝矾土、页岩、电炉渣按1000:30:6:40:6的质量比加入风磨中混合，混合完成后经提升机、高位料仓、加料机进入悬浮预热系统预热升温至973℃，然后进入U型反应管，来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料通过热风炉送来的高温烟气C(温度为1205℃)以高速进入U型反应管，在993℃进行分解反应，反应完成后经旋风分离器(C₆旋风筒)分离所得高温烟气A温度为610℃，然后依次经C₄旋风筒、C₃旋风筒、C₂旋风筒和C₁旋风筒温度降至200℃；高温烟气B的温度为960℃。

本实施例中磷石膏分解率为79％，高温烟气A中SO₂浓度为1.9％，整个悬浮预热系统回收热量为3410kJ/kg磷石膏。

实施例4

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，热风炉中采用的燃料为烟煤(热值为6500～8900大卡/kg)与硫磺的混合物(硫磺与烟煤的质量比为1:2)，其工艺流程与实施例1大致相同，不同之处在于：

将10～80μm的二水磷石膏与10～80μm的焦炭、铝矾土、页岩、电炉渣按1000:95:10:75:12的质量比加入卧式螺带混合机中混合，混合完成后经提升机、高位料仓、加料机进入悬浮预热系统预热升温至1013℃，然后进入U型反应管，来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料通过热风炉送来的高温烟气C(温度为1212℃)以高速进入U型反应管，在1024℃进行分解反应，反应完成后经旋风分离器(C₅旋风筒)分离所得高温烟气A温度为670℃，然后依次经C₄旋风筒、C₃旋风筒、C₂旋风筒和C₁旋风筒温度降至210℃；高温烟气B的温度为1011℃。

本实施例中，磷石膏分解率为83％，高温烟气A中SO₂浓度为3.6％，整个悬浮预热系统回收热量为3625kJ/kg磷石膏。

实施例5

一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，热风炉中采用的燃料为含硫煤(热值为5000～7000大卡/kg)与硫磺的混合物(硫磺与含硫煤的质量比为2:1)，其工艺流程与实施例1大致相同，不同之处在于：

将10～80μm的半水磷石膏与10～80μm的焦炭、铝矾土、页岩、电炉渣按比例1000:50:8:52:8加入卧式螺带混合机中混合，混合完成后经提升机、高位料仓、加料机进入悬浮预热系统预热升温至1022℃，然后进入U型反应管，来自悬浮预热系统下料管的磷石膏水泥生料通过热风炉送来的高温烟气C(温度为1230℃)以高速进入U型反应管，在1046℃进行分解反应，反应完成后经旋风分离器(C₅旋风筒)分离所得高温烟气A温度为770℃，然后依次经C₄旋风筒、C₃旋风筒、C₂旋风筒和C₁旋风筒温度降至340℃；高温烟气B的温度为1025℃。

本实施例中，磷石膏的分解率为91％，高温烟气A中SO₂浓度为10.7％，整个悬浮预热系统回收热量为4088kJ/kg磷石膏。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)磷石膏水泥生料的制备；

2)将磷石膏水泥生料加入悬浮预热系统中进行悬浮预热；

3)经悬浮预热的磷石膏水泥生料进入U型反应管，进行窑外分解；

4)分解反应完成后所得产物经旋风分离器分离得固体颗粒和高温烟气A，所得固体颗粒进入回转窑分解烧成水泥，回转窑内所得高温烟气B进入悬浮预热系统回收热量；所得高温烟气A进入悬浮预热系统回收热量；

5)高温烟气A经旋风预热器回收热量后，送硫酸车间生产硫酸。

2.根据权利要求1所述的磷石膏窑外悬浮分解工艺，其特征在于，所述磷石膏水泥生料由磷石膏、焦炭、铝矾土、页岩和电炉渣以1000:(30～100):(5～12):(40～75):(6～13)的质量比混合而成；所述磷石膏、焦炭、铝矾土、页岩和电炉渣的粒径均为10～80μm。

3.根据权利要求2所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述磷石膏为二水磷石膏或半水磷石膏。

4.根据权利要求1所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述悬浮预热系统为4级或5级旋风预热器。

5.根据权利要求1所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述磷石膏水泥生料进入悬浮预热系统中预热至750～1050℃；步骤4)中所得高温烟气A的温度为430～780℃；高温烟气A经旋风预热器回收热量后温度降至130～350℃。

6.根据权利要求1所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述U型反应管中磷石膏分解反应所需热量由热风炉中燃料燃烧产生的高温烟气C补充，所得高温烟气C的温度为1150～1230℃。

7.根据权利要求6所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述燃料为硫磺与燃煤的混合物；所述燃煤的热值为5000～8900大卡/kg，硫磺与燃煤的混合质量比为1:10～10:1。

8.根据权利要求7所述的磷石膏窑外悬浮分解制酸联产水泥工艺，其特征在于，所述燃料煤为褐煤、烟煤、无烟煤或含硫煤。