CN115594422B - 一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置及方法，属于固废资源化利用领域，包括回转窑，回转窑分为碳热还原区和干燥预热区，且碳热还原区与干燥预热区相连通，干燥预热区内置有石膏，碳热还原区内置有碳材料；所述干燥预热区内中部设置滚筒，滚筒外侧和回转窑窑壁之间设置第一螺旋片，滚筒内壁设置第二螺旋片，第一螺旋片和第二螺旋片的螺旋方向相反，石膏先由第一螺旋片输送而后进入滚筒内部由第二螺旋片输送。该装置可将难以处理的工业副产石膏资源化利用联产生石灰及硫磺产品，且通过滚筒的设置，实现了高温粉体与低温粉体之间的固‑固换热，系统能量梯级利用。

Description

一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置及方法
技术领域
本发明属于固废资源化利用领域，具体涉及一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
目前，工业副产石膏大量堆存，既占用土地，又浪费资源，含有的酸性及其他有害物质容易对周边环境造成污染，且工业副产石膏的利用量及利用率均较低。
利用CaSO4还原分解技术将工业副产石膏还原分解制备生石灰及含硫副产品的工艺路线已经打通，但对于与其配套的石膏煅烧装置还不成熟。且目前脱硫石膏还原分解制备生石灰装置与高浓度SO2制备硫磺装置是分别进行的，设备增加导致了占地面积及投资成本的增加，装置集成度差。另外，石膏还原分解过程需要在高温下进行，因此导致能耗较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置及方法，该装置可将难以处理的工业副产石膏资源化利用联产生石灰及硫磺产品，且通过滚筒的设置，实现了高温粉体与低温粉体之间的固-固换热，系统能量梯级利用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，包括回转窑，回转窑分为碳热还原区和干燥预热区，且碳热还原区与干燥预热区相连通，干燥预热区内置有石膏，碳热还原区内置有碳材料；所述干燥预热区内中部设置滚筒，滚筒外侧和回转窑窑壁之间设置第一螺旋片，滚筒内壁设置第二螺旋片，第一螺旋片和第二螺旋片的螺旋方向相反，石膏先由第一螺旋片输送而后进入滚筒内部由第二螺旋片输送。
作为进一步的技术方案，所述干燥预热区对应于滚筒远离第一给料机的一端设置返料机构；碳热还原区内中部设置通气管，通气管一端延伸至碳热还原区外部与还原气入口连接，通气管另一端延伸至干燥预热区的滚筒。
作为进一步的技术方案，所述干燥预热区与第一给料机连接，第一给料机顶部设置石膏入口，由石膏入口向第一给料机内进料石膏，第一给料机将石膏输送至干燥预热区。
作为进一步的技术方案，所述干燥预热区底部远离第一给料机设置高温烟气入口，干燥预热区底部靠近第一给料机设置生石灰出口，干燥预热区顶部靠近第一给料机设置低温烟气出口和水蒸气出口；滚筒的输送出口与生石灰出口连通。
作为进一步的技术方案，所述碳热还原区与第二给料机连接，第二给料机顶部设置碳材料入口，由碳材料入口向第二给料机内进料碳材料，第二给料机将碳材料输送至碳热还原区。
作为进一步的技术方案，所述碳热还原区底部靠近第二给料机设置高温烟气入口，碳热还原区底部远离第二给料机设置碳材料出口，碳热还原区顶部靠近第二给料机设置含硫还原气出口，碳热还原区顶部远离第二给料机设置低温烟气出口。
作为进一步的技术方案，所述含硫还原气出口与高温分离器连通，高温分离器与冷凝器连通，高温分离器还与燃烧器连接，燃烧器通过通路与高温烟气入口连通；冷凝器与高温过滤器连接，高温过滤器与硫磺回收装置连接。
作为进一步的技术方案，所述碳热还原区和干燥预热区的连通处尺寸小于碳热还原区、干燥预热区的尺寸；碳热还原区和干燥预热区的连通处的通气管外侧为含硫还原气的通路，含硫还原气由干燥预热区流向碳热还原区。
第二方面，本发明还提供了一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的方法，其采用如上所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置；该方法包括以下步骤：
石膏通过第一给料机输入回转窑的干燥预热区，石膏首先送入滚筒与窑壁之间，通过第一螺旋片输送石膏，完成石膏预热与干燥过程；干燥预热后的石膏进入滚筒内部，在滚筒内部反向输送石膏，在此过程中，向滚筒内部通入还原气，将石膏在滚筒内还原分解生成生石灰及高浓度SO2烟气；
生石灰在滚筒内与滚筒外侧石膏进行固-固换热，降温后的生石灰从回转窑排出；高浓度SO2烟气中含有未反应完全的还原性气体，送入回转窑碳热还原区与碳材料发生反应；SO2被还原为单质硫蒸气及少量COS副产物，碳材料热解气化生成了活性碳材料及还原性气体。
作为进一步的技术方案，单质硫蒸气协同还原性气体从回转窑排出进入高温分离器，分离下来的碳材料送入燃烧器作为燃料提供热量；从高温分离器出来的含硫还原气经冷凝器降温进入高温过滤器进行精除尘；精除尘后的还原气进入硫磺回收装置回收得到高品质硫磺，并储存在硫磺储罐中；回收完硫磺的还原气中含有还原性气体及少量COS副产物，还原气一部分送入燃烧器作为燃料，另一部分返回滚筒作为还原剂。
上述本发明的有益效果如下：
本发明的装置，石膏在干燥预热区内先由第一螺旋片输送过程中进行预热及干燥，而后进入滚筒内部被还原气进行还原分解生成生石灰及高浓度SO2烟气，由此将难以处理的工业副产石膏资源化利用联产生石灰及硫磺产品，生石灰可以作为产品直接外售，或根据需要制备其他钙基产品，而硫磺作为重要的工业原料，均具有极高的市场价值。
本发明的装置，实现了石膏还原煅烧制备生石灰与高浓度SO2还原制备硫磺两个工艺过程的集成，极大地缩短了工艺流程，减少了装备数量，降低了投资。
本发明的装置，利用碳材料热解气化产生的热解气耦合碳材料还原SO2制备硫磺，与纯炭热还原SO2制备硫磺相比，碳材料耗量降低，还原剂地利用率提高，经提高了系统经济性。
本发明的装置，通过在回转窑中设置滚筒，实现了高温粉体与低温粉体之间的固-固换热，系统能量梯级利用，降低了工艺能耗，极大的提高了经济性。
本发明的装置，不仅为目前难以处理的工业石膏提供了全新的可持续的无污染的处理方式，实现了石膏的资源化利用，同时可以缓解硫磺资源紧缺的现状，降低硫资源对外依存度，生石灰可以直接作为产品用于化工、钢铁、冶金及环保等行业，也可根据需要生产其他钙基产品。若将生石灰返回脱硫系统，则可以实现烟气脱硫系统钙循环，减少对石灰石资源的开采，保护生态环境。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置示意图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1回转窑，2第一给料机，3石膏入口，4高温烟气入口，5生石灰出口，6低温烟气出口，7水蒸气出口，8滚筒，9第一螺旋片，10第二螺旋片，11第二给料机，12碳材料入口，13高温烟气入口，14碳材料出口，15含硫还原气出口，16低温烟气出口，17通气管，18还原气入口，19含硫还原气。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
相关理论研究表明，工业副产石膏的主要成分是硫酸钙，硫酸钙与碳材料、还原性气体(CO、H2、S2等)等还原性物质后，硫酸钙分解路径发生改变。石膏在700℃-1200℃低CO还原势气氛下(M为气体还原剂)发生反应生成氧化钙和高浓度SO2烟气碳材料与CO2在600℃以上反应可生成CO；烟气中的SO2与M在活性碳材料的催化作用下，在600-1000℃温度范围内发生氧化还原反应生成单质硫蒸气，单质硫蒸气通过除尘降温后回收得到硫磺。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，包括回转窑1，回转窑1由左至右分为碳热还原区和干燥预热区，且碳热还原区与干燥预热区相连通。
其中，干燥预热区的右端与第一给料机2连接，第一给料机2顶部设置石膏入口3，由石膏入口向第一给料机内进料石膏，第一给料机将石膏输送至干燥预热区。
干燥预热区底部远离第一给料机设置高温烟气入口4，干燥预热区底部靠近第一给料机设置生石灰出口5，干燥预热区顶部靠近第一给料机设置低温烟气出口6和水蒸气出口7。
干燥预热区内中部设置滚筒8，滚筒水平设置，滚筒外侧和回转窑窑壁之间设置第一螺旋片9，滚筒内壁设置第二螺旋片10，第一螺旋片和第二螺旋片的螺旋方向相反，使得滚筒内外侧输送方向相反，其中，滚筒外侧由右向左输送物料，滚筒内侧由左向右输送物料。
干燥预热区对应于滚筒远离第一给料机的一端设置返料机构(图中未示出)，通过返料机构将滚筒外侧输送的物料送入滚筒内部；此处返料机构采用中国专利公开号CN114984899A一种粉体物料换热反应装置及系统中的返料机构，在此不再赘述。
滚筒8的输送出口与生石灰出口5连通。
碳热还原区的左端与第二给料机11连接，第二给料机顶部设置碳材料入口12，由碳材料入口向第二给料机内进料碳材料，第二给料机将碳材料输送至碳热还原区。
碳热还原区底部靠近第二给料机设置高温烟气入口13，碳热还原区底部远离第二给料机设置碳材料出口14，碳热还原区顶部靠近第二给料机设置含硫还原气出口15，碳热还原区顶部远离第二给料机设置低温烟气出口16。
本实施例中，第一给料机、第二给料机可为螺旋给料机、锁气给料机等多种给料形式，分别对石膏、碳材料进行输送。
碳热还原区内中部设置通气管17，通气管17一端延伸至碳热还原区左端外部，且通气管该端设置还原气入口18，通气管17另一端延伸至干燥预热区的滚筒。
碳热还原区内也设置螺旋片，用于传输碳材料。
碳热还原区和干燥预热区的连通处尺寸小于碳热还原区、干燥预热区的尺寸；碳热还原区和干燥预热区的连通处的通气管外侧为含硫还原气19的通路，含硫还原气由干燥预热区流向碳热还原区。
含硫还原气出口15与高温分离器连通，高温分离器与冷凝器连通，高温分离器还与燃烧器连接，燃烧器通过通路与高温烟气入口连通；冷凝器与高温过滤器连接，高温过滤器与硫磺回收装置连接。
碳热还原区内的碳材料，粒径60μm-3mm，可以为煤粉、活性焦、活性半焦、活性炭、炭化料、石墨、焦炭等多种类型的碳材料。
干燥预热区内的石膏，粒径60μm-3mm，含水率5％-20％，可以是湿法脱硫石膏、半干法脱硫灰、磷石膏、天然石膏等硫酸钙产品。
石膏经干燥余热后与还原性气体接触，通过控制反应气氛，使石膏还原分解为生石灰及高浓度SO2烟气，生石灰经降温后作为产品直接外售，或根据需要制备其他钙基产品。高浓度SO2烟气协同石膏还原煅烧过程中未反应完全的还原气一同进入碳热还原区，使SO2与还原气或煤粉在600-1000℃温度范围内反应生成单质硫蒸气。在此过程中，煤粉与烟气中的CO2、SO2及H2O反应实现了热解气化过程生成了气体还原气及活性碳材料，为CaSO4及SO2还原过程提供了还原剂。单质硫蒸气降温除尘后回收得到硫磺，回收硫磺后的还原乏气一部分送入燃烧器作为助燃风，另一部分返回石膏还原煅烧区作为还原剂。
以下对该装置的其他特点进行说明：
1、石膏还原分解制备生石灰及高浓度SO2的过程是强吸热过程，需要对系统进行补热，但又不能稀释产物气体中SO2浓度，因此，该装置采用间接加热的方式；
2、根据石膏还原分解制备CaO的反应机理，其过程中存在固-固反应，并在反应过程中形成液相共融体，因此，需保证固体之间的充分接触，而该装置采用的回转窑式的反应器可以满足煅烧要求；
3、由于石膏还原分解过程需要高温下进行，能耗较高，需要通过能量的梯级利用来降低工艺能耗，该装置通过内置滚筒，实现了管内高温固体与管外低温固体的热量交换，提高经济性；
4、由于石膏还原分解气体中不但含有高浓度SO2气体，同时还有未反应完全的还原性气体，还原性气体在碳材料的作用下也可以将SO2还原为单质硫磺，因此，该装置也实现了还原剂的梯级利用；
5、高浓度SO2碳热还原过程对煤粉的热解碳化同样具备催化与活化作用，该装置也实现了煤气化与SO2碳热还原制备硫磺工艺的集成耦合。因此，该装置同时可以实现煤气化、石膏还原分解制备生石灰以及高浓度SO2碳热还原制备硫磺三个工艺过程，具有集成程度高，稳定性高，经济性高的优势。
该装置的工作原理为：
石膏储存在石膏仓中，由石膏入口进入第一给料机，通过第一给料机精确控制给料量从回转窑右侧送入回转窑的干燥预热区，回转窑中间设置滚筒，滚筒与窑壁之间同样设置螺旋片，螺旋片与滚筒一起旋转用于物料的输送，滚筒外侧由右至左输送物料，滚筒内侧由左至右输送物料；
石膏首先送入滚筒与窑壁之间，通过螺旋片自左至右输送石膏，石膏在输送过程中完成预热与干燥过程，将石膏预热至1000℃以上；干燥预热后的石膏从滚筒左端通过返料机构进入滚筒内部，在滚筒内部自左向右输送石膏，在此过程中，由通气管向滚筒内部通入反应所需还原气，在900℃-1200℃温度范围内将石膏在滚筒内部实现还原分解生成生石灰及高浓度SO2烟气；
生石灰在滚筒内部自左至右输送过程中与滚筒外侧石膏进行固-固换热，降温至50℃以下后的生石灰从回转窑右侧生石灰出口排出；高浓度SO2烟气中含有未反应完全的还原性气体，一同送入回转窑左端碳热还原区与碳热还原区中的碳材料发生反应；SO2被还原为单质硫蒸气及少量COS副产物，碳材料热解气化生成了活性碳材料及还原性气体；
单质硫蒸气协同还原性气体从回转窑左端含硫还原气出口排出进入高温分离器，分离下来的碳材料送入燃烧器作为燃料提供热量；从高温分离器出来的含硫还原气经冷凝器降温至300-500℃进入高温过滤器进行精除尘，以保证硫磺品质；精除尘后的还原气进入硫磺回收装置回收得到高品质硫磺，并储存在硫磺储罐中；
回收完硫磺的还原气中含有一定还原性气体及少量COS副产物，因此，还原气一部分送入燃烧器作为燃料，另一部分返回滚筒作为还原剂。系统热量由燃烧器产生的高温烟气提供。
还原气经过高温分离器分离与高温过滤器二级除尘后，由硫磺冷凝器冷凝回收硫磺。回收硫磺纯度达到99.7％以上，符合工业硫磺一等品标准。生石灰中CaO含量高于95％，达到了建筑生石灰一等品标准。
其中，高浓度SO2烟气，SO2％＝2-20％，CO％＝2-20％，温度700℃-1200℃，主要成分为SO2、CO、H2、N2、CO2等。
通入滚筒的还原气，温度600℃-1200℃，主要成分为N2、SO2、CO、CO2等。回收完硫磺的还原气主要成分为N2、CO、H2、COS、CO2等，其可送入滚筒再次与石膏反应。
燃烧器，其燃料可以为煤炭、天然气、柴油、煤气等多种燃料形式的燃烧器。
高温分离器，可以为高温旋风分离器、高温轴流分离器等多种形式的分离器。
高温过滤器，可以为金属网过滤器、陶瓷过滤器等多种形式的精除尘过滤器。
该装置的各气体输送过程由引风机或送风机提供输送动力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，包括回转窑，回转窑分为碳热还原区和干燥预热区，且碳热还原区与干燥预热区相连通，干燥预热区内置有石膏，碳热还原区内置有碳材料；所述干燥预热区内中部设置滚筒，滚筒外侧和回转窑窑壁之间设置第一螺旋片，滚筒内壁设置第二螺旋片，第一螺旋片和第二螺旋片的螺旋方向相反，石膏先由第一螺旋片输送而后进入滚筒内部由第二螺旋片输送；
所述干燥预热区对应于滚筒远离第一给料机的一端设置返料机构；
碳热还原区内中部设置通气管，通气管一端延伸至碳热还原区外部与还原气入口连接，通气管另一端延伸至干燥预热区的滚筒；
由通气管向滚筒内部通入反应所需还原气，在900℃-1200℃温度范围内将石膏在滚筒内部实现还原分解生成生石灰及高浓度SO2烟气；
生石灰在滚筒内与滚筒外侧石膏进行固-固换热，降温后的生石灰从回转窑排出；高浓度SO2烟气中含有未反应完全的还原性气体，送入回转窑碳热还原区与碳材料发生反应；SO2被还原为单质硫蒸气及少量COS副产物，碳材料热解气化生成了活性碳材料及还原性气体；
单质硫蒸气协同还原性气体从回转窑排出经分离、除尘、硫磺回收，回收完硫磺的还原气一部分返回滚筒作为还原剂。
2.如权利要求1所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述干燥预热区与第一给料机连接，第一给料机顶部设置石膏入口，由石膏入口向第一给料机内进料石膏，第一给料机将石膏输送至干燥预热区。
3.如权利要求1所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述干燥预热区底部远离第一给料机设置高温烟气入口，干燥预热区底部靠近第一给料机设置生石灰出口，干燥预热区顶部靠近第一给料机设置低温烟气出口和水蒸气出口；滚筒的输送出口与生石灰出口连通。
4.如权利要求1所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述碳热还原区与第二给料机连接，第二给料机顶部设置碳材料入口，由碳材料入口向第二给料机内进料碳材料，第二给料机将碳材料输送至碳热还原区。
5.如权利要求1所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述碳热还原区底部靠近第二给料机设置高温烟气入口，碳热还原区底部远离第二给料机设置碳材料出口，碳热还原区顶部靠近第二给料机设置含硫还原气出口，碳热还原区顶部远离第二给料机设置低温烟气出口。
6.如权利要求5所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述含硫还原气出口与高温分离器连通，高温分离器与冷凝器连通，高温分离器还与燃烧器连接，燃烧器通过通路与高温烟气入口连通；冷凝器与高温过滤器连接，高温过滤器与硫磺回收装置连接。
7.如权利要求1所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置，其特征是，所述碳热还原区和干燥预热区的连通处尺寸小于碳热还原区、干燥预热区的尺寸；碳热还原区和干燥预热区的连通处的通气管外侧为含硫还原气的通路，含硫还原气由干燥预热区流向碳热还原区。
8.一种石膏还原分解联产生石灰及硫磺的方法，其特征是，其采用如权利要求1-7任一所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的装置；该方法包括以下步骤：
石膏通过第一给料机输入回转窑的干燥预热区，石膏首先送入滚筒与窑壁之间，通过第一螺旋片输送石膏，完成石膏预热与干燥过程；
干燥预热后的石膏进入滚筒内部，在滚筒内部反向输送石膏，在此过程中，向滚筒内部通入还原气，将石膏在滚筒内还原分解生成生石灰及高浓度SO2烟气；
生石灰在滚筒内与滚筒外侧石膏进行固-固换热，降温后的生石灰从回转窑排出；高浓度SO2烟气中含有未反应完全的还原性气体，送入回转窑碳热还原区与碳材料发生反应；SO2被还原为单质硫蒸气及少量COS副产物，碳材料热解气化生成了活性碳材料及还原性气体。
9.如权利要求8所述的石膏还原分解联产生石灰及硫磺的方法，其特征是，单质硫蒸气协同还原性气体从回转窑排出进入高温分离器，分离下来的碳材料送入燃烧器作为燃料提供热量；从高温分离器出来的含硫还原气经冷凝器降温进入高温过滤器进行精除尘；精除尘后的还原气进入硫磺回收装置回收得到高品质硫磺，并储存在硫磺储罐中；回收完硫磺的还原气中含有还原性气体及少量COS副产物，还原气一部分送入燃烧器作为燃料，另一部分返回滚筒作为还原剂。
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