技术文摘

石膏生产线对主要设备和工艺技术的选择

2019-11-01 来源:外部媒体

石膏是一种重要的非金属矿产资源,用途十分广泛;随着近年来经济的快速发展,石膏产业得到了快速的发展和提升,生产原料由以前单一的天然石膏发展为天然石膏、各类副产石膏等共同应用并存,甚至在部分地区副产石膏替代天然石膏成为主导原料,同时以前无天然石膏资源的地区因副产石膏的应用而成为石膏的富资源区域;石膏产品由传统的建筑石膏及普通的模具石膏发展为以纸面石膏板、石膏墙体材料为主体的制品体系、以建筑石膏粉、石膏砂浆等为主体的建筑用粉体系、以高性能β粉及α粉组成的陶瓷模具粉体系、以α石膏粉及超硬石膏粉为主体的特种石膏粉体系;传统的间歇式小规模石膏煅烧设备及技术发展为以规模化连续式煅烧设备为主体的各类不同特性的煅烧设备和技术、以规模化间接换热设备为模式的高性能石膏产品煅烧设备、以直接换热为模式的快烧类煅烧设备、各类副产石膏煅烧技术及工艺、各类不同性能和用途的α石膏生产技术及工艺、以常规燃煤为主体的煅烧设备发展为新型燃煤煅烧设备、燃气煅烧设备及以蒸汽为热源的环保型煅烧设备;利用各类不同特性和成分的原料,如何生产出最具有原料价值的石膏产品,或如何将各类原料采用最小或最合适的投入,实现其最大效益、最有效的提取其价值;就需要对各类原料的特性,产品的要求、用途、特点,技术及设备的适应性、特点、要求等有一个全面而详细的了解,才能在项目中选取最合适的设备、工艺、技术、做最合适的投入,得到最有利的回报;在项目的选择上,肯定不是项目规模越大、技术越高精尖越好,在投资上,肯定也不是越大越好、也不是越少越好;适合原料及产品特点的投入才是最好的。

 

  2  各类石膏生产原料的特点

目前石膏原料种类较多,从其产生的原因来分,主要分为天然石膏及工业副产石膏;从其相组成类别来分,主要分为二水石膏和硬石膏;

  2.1天然石膏

天然石膏是自然界中蕴藏的石膏石,主要为二水石膏和硬石膏,在自然界中,储藏量较多。我国石膏矿产资源储量丰富,已探明的各类石膏总储量约为600亿吨,具世界首位,分布于全国的23个主要的省、市、自治区,其中储量超过10亿吨的有10个省、市、自治区,依次是:山东、内蒙古、青海、湖南、湖北、宁夏、西藏、安徽、江苏和四川,石膏资源比较贫乏的是东北和华东地区。

我国石膏资源虽然储量较大,但优质石膏资源的量极少,大多是普通石膏和硬石膏,硬石膏占石膏总量的60%以上。因此,我国同时又是优质石膏资源的穷国,优质石膏资源仅占资源总量的8%(主要指特级及一级石膏)。纤维石膏储量仅占总储量的1.8%,主要分布于湖北应城和荆门、湖南衡山、广东三水、山东枣庄、山西平陆等地区,部分矿点已过度开采而接近枯竭,部分矿点则由于大量的与低品位石膏矿石混杂而难以分离造成资源浪费。因此,在实际生产中,能够开采并有效利用的优质石膏资源更少。

 

天然石膏资源应用范围较宽,根据其质量等级及地域差别,矿石的价格差异较大,用途也完全不同;目前主要用途及要求如下:

水泥中石膏的加入量一般在3-5%,其主要是利用其中SO3,一般要求矿石的SO3在25.56%以上,即CaSO4·2 H2O含量约55%以上就可基本满足要求;但考虑到加入量、成本等原因,部分地区会要求SO3在36%以上;

用于建筑用的石膏粉一般要求矿石中CaSO4·2 H2O含量在85%以上;

用于生产高强石膏的石膏矿石要求其中CaSO4·2 H2O含量在90%以上;

纸面石膏板用石膏原料除了要求矿石中CaSO4·2 H2O含量在85%以上以保证石膏粉质量外,还对矿石中的钾、钠、氯等离子有一定的限制;

作陶模用石膏原料除了要求矿石中CaSO4·2 H2O含量外(一般在90%以上,部分高档的要求达到95%以上),还对其中的铁、二氧化硅等成分含量作了严格限制;

造纸填料则要求其中CaSO4·2 H2O含量在96%以上;

  2.2副产石膏

是指工业生产中由化学反应生成的以硫酸钙(主要为无水和二水硫酸钙)为主要成分的副产品或废渣。例如:在磷素化学肥料和复合肥料、各类添加剂的生产过程中会产生磷石膏、大型燃煤设施采用石灰湿法脱硫产生的脱硫石膏、发酵法制柠檬酸的过程中产生柠檬酸石膏、用硫酸分解萤石制氟化氢的过程中产生的氟石膏、还有其它各化工生产中产生的盐石膏等均为副产石膏的主要品种。距统计,其产生量如下:

磷石膏,7000万吨(2013年);脱硫石膏,7550万吨(2013年);钛石膏,每年1800万吨以上;氟石膏,每年269万吨以上(2011年);盐石膏258万吨(2011年);废模具石膏495万吨(2011年);柠檬酸石膏,每年100万吨以上(2011年);副产石膏由于各自产生的过程不同,其原料特性、成分、颜色、应用性能等均具有很大差异;这里对两种应用量及产生量最大的副产石膏进行分析说明:

  2.2.1磷石膏

二水石膏含量一般均在85---90%;

杂质:可溶磷、共晶磷、可溶氟、有机物、氟化钙、磷酸钙、有机酸等;

物态:湿态粉体,含水率10—20%,颗粒形貌以板状为主,比表面积在2000-3000cm2/g左右; 

酸性:PH值2—5,对堆放、输送、炒制设施有腐蚀作用

可溶磷、氟、共晶磷和有机物是磷石膏中的主要有害杂质。

可溶磷、氟、有机物主要分布在二水石膏晶体表面,其含量随磷石膏粒度增加而增加。共晶磷含量则随磷石膏粒度增加而减少;

磷石膏目前的利用方式:

堆放;制作建筑用石膏粉和石膏制品;水泥缓凝剂;制作水泥和硫酸;制作硫酸铵;精制成纸张填料;农业用作土壤改良剂

磷石膏利用率不到25%,主要用作水泥缓凝剂,利用水平和利用率都较低;磷石膏因其中含有多种杂质,其中部分磷化合物对其水化硬化性能有较大影响,其中部分磷成分对其可以性影响较大,因此,对磷石膏的应用首先要分析其可用性:不同厂家和生产方式产生的磷石膏,其成分差异很大,不是所有的都可以作为煅烧石膏粉的优质原料;目前易于从原料进行检测控制的主要是测定其可溶性磷的含量及共晶磷的含量;其它成分对产品性能也有一定影响,如泛霜、凝结时间、强度等;

  2.2.2脱硫石膏

脱硫石膏是在燃煤过程中,利用磨细的CaCO3浆液吸收烟气中的二氧化硫后逐步反应得到的工业副产物;其产生过程具有如下特点:

原料的可控性;生产过程的可控性、产品的可控性;

因此,脱硫石膏一般具有如下特性:

1)脱硫石膏具有高纯度;按照标准规定,我国脱硫石膏的二水硫酸钙含量为90%以上,与天然石膏相比,该纯度的石膏原料已经属于一级石膏,储量相对较少;

2)脱硫石膏具有高细度;为保证脱硫反应的快速充分,脱硫剂一般粉磨至300目以上,得到的脱硫石膏产品颗粒大小集中在30-80微米;

3)脱硫石膏具有较高的含水率;一般保持在8---15%;

4)脱硫石膏成分稳定性较差;受原料波动、生产控制、设备等因素影响,脱硫石膏质量具有一定的波动性;

5)脱硫石膏杂质中以矿物成分为主,对后续应用的影响相对较小;

6)脱硫石膏由于脱硫剂等原因,颜色较差;

因此,严格遵循脱硫石膏的标准进行生产而得到的,就是一种能够与天然石膏等效的建材资源;甚至是一种优于天然石膏的资源;

脱硫石膏应用中需要注意的问题及影响因素:

日本、欧洲,其脱硫石膏的纯度按照标准,达到95%以上;白度达到80%以上,可溶性镁盐含量小于0.1%;

我国目前产生的脱硫石膏:纯度60—94%;大部分规范运行的装置在80-94%;白度较差,为褐色、土黄色、灰白色较多,可溶性MgO含量可达到0.5%以上;

1)利用脱硫石膏煅烧后的熟石膏粉的晶体形态和脱硫石膏的原形貌较为相似,只是颗粒尺寸变小,颗粒分布特征没有改变,级配依然很差,颗粒比表面积较天然熟石膏粉要小的多,因此导致脱硫熟石膏粉加水后流动性能不好,颗粒离析、分层现象严重,制品容重偏大。

2)用脱硫石膏粉做纸面石膏板存在两方面的问题:一是难以控制其干粉的流动、运输、喂料性能,另一方面由于离析和分层现象,会导致强度和容重不匀,板芯和护面纸粘接出现问题。

3)用于粉刷石膏时会导致和易性和保水性差,难以操作,需进行调整。

4)当K2O<0.02%且Na2O<0.02%且MgO<0.02%时,制品不出现泛霜的可能性最大;

5)钾、钠和镁三种离子中,易导致泛霜的顺序为Mg2+>Na+>K+;

6)易泛霜顺序为脱硫石膏>磷石膏>天然石膏,因此石膏的泛霜除与水溶性盐的含量有关外,与钾、钠和镁离子在石膏硬化体中存在的形式有重要关系;

  3 目前市场上的石膏产品类别及特点

随着近年来市场、技术、设备等的发展及原料的扩充,石膏产业得到了高速的发展,形成了以建筑石膏粉为基料的一系列建筑石膏产制品;以β石膏及α石膏为基础的模具石膏产品系列;以α石膏及超硬石膏为基础的特种石膏系列产品;各类产品又因为其后续具体用途的差异或应用方法的差异,分为不同的产品系列或不同的产品要求,而不同的产品的生产和配置,同样对生产原料、生产工艺、生产设备等产生了相应的要求,尤其是模具石膏及特种石膏,随着产品要求的提高,生产逐步向精细化过度;而建筑石膏粉则主要向规模化、低成本化(节能、低投资等)过度;

建筑石膏粉:石膏矿石或副产石膏经煅烧磨细后的到以半水石膏为主要成分的,具备一定凝结时间,具有一定水化硬化强度的石膏粉;是石膏产制品生产的基础材料,但因后续用途的差异,在生产中对其性能和要求有较大差异;一般对原料要求不高,对原料颜色、性能波动、强度等要求均相对较低;但建筑石膏后续配置的系列产品中,但凡与外加剂配置形成的产品,均对建筑石膏粉有较高要求,须从原料进行控制,才能得到较高质量的产品;如煅烧系统不合适,产品达不到配置要求时,必须采用大量的外加剂量进行调整,必然对成本形成较大影响并影响其性能;

抹灰石膏;自流平石膏砂浆;石膏刮墙腻子;石膏嵌缝腻子等石膏砂浆产品的配置对其原料石膏粉的要求就较高,甚至达到了模具石膏粉产品的要求;在如上产品的配置中,外加剂是必不可少的,但外加剂的功能绝不是无限的,只有得到物相成分较好(煅烧合适)的石膏粉,外加剂的作用才能最明显,否则,即使加大外加剂用量,效果也未必是最好的;尤其缓凝剂,同一种缓凝剂并不是对所有的石膏粉都敏感,不同的煅烧制度、煅烧工艺或生产原料得到的半水石膏粉对缓凝剂都是有选择的;其它配套的外加剂在应用时,也基本遵循以上的原则;因此,在以上产品的生产中,生产出合适的石膏粉的重要性并不比采用的配方低,尤其,没有任何一个配方会对所有的原料和产品通用;

纸面石膏板;纤维石膏板;石膏空心条板石膏砌块;装饰石膏板;石膏速成墙板;石膏线条;石膏浮雕石膏制品在近几年随墙体材料要求的提高得到了快速发展,尤其是纸面石膏板及石膏砌块,在近10年产能接近翻了10倍,市场需求量翻了近8倍;而且随着经济的进一步发展及应用技术和使用工序的成熟,制约该类产品应用的因素已逐步被解决,市场的发展速度将进一步增加;如上制品类产品对原料的颜色、纯度要求较低,对基料石膏粉的产品质量允许一定的波动,对强度、凝结时间的接受幅度范围宽,因此,一般会采用副产石膏作为生产原料,但必须满足必要的强度和凝结时间,尤其注意原料中的泛霜因素,不粉磨的副产石膏需要适度加快凝结时间,保证制品容重及强度的均匀性;

原料的直接应用。石膏原料直接作为水泥缓凝剂应用一直是石膏最主要的用途,其消耗量占总量的75%;由于天然石膏资源分布的不均匀性及资源的逐步紧缺,作为水泥缓凝剂的天然石膏也逐步紧缺,成本稳步升高;副产石膏应用于水泥缓凝剂是近年来解决副产石膏用途和水泥缓凝剂需求的主要途径;水泥缓凝剂对石膏要求较低,一般,二水硫酸钙含量达到65%以上的均可作为缓凝剂使用,副产石膏只要其他成分含量不足以影响水泥性能,就可作为水泥缓凝剂使用;在今后较长的时期内,水泥仍然是石膏应用最主要、量最大的途径。2013年水泥行业的石膏利用量约为9000万吨以上;

陶瓷行业是石膏应用的传统行业,我国是一个陶瓷生产大国,多年来陶瓷产量一直距世界第一;据统计,2010年我国卫生瓷和日用瓷消耗石膏粉总量约为400万吨以上,主要集中在广东、河南、河北、福建、江西、山东等地,其中广东、福建约占总量的40%;由于陶瓷行业发展及产品的要求,形成了种类繁多的模具石膏产品类别,根据使用要求和产品重量,主要对其强度、韧性、吸水率、光洁度、流动性、使用次数等指标有较高的要求,用于复杂的部件的成型,尤其是部分高档次陶瓷产品的生产中,对模具石膏粉的要求更高,根据不同的应用方式形成了机压模、注浆模、塑压模及常压注浆、低压注浆、低压快排水注浆、高压注浆等各类陶瓷石膏工作模具等;对模具石膏粉的性能提出了更高的要求,除了基本的细度、用水量、凝结时间、强度、吸水率要求外,还对结晶水、氧化钙含量、三氧化硫含量、酸不溶物、氧化铁化学成分含量等有一定的限制;

由于产品要求的提高(尤其是卫生瓷),对模具及模具石膏粉提出了更高的要求,单独的α、β石膏粉均不能同时满足各种模具的性能要求,β石膏因其低膨胀率、高吸水率及吸水速度等优良性能较易适应于模具要求,但其强度较低,影响模具的使用次数;α具有较高的强度,可以大幅度提高使用次数,但其密度大、气孔率小、吸水率低、膨胀率高,独立使用无法达到模具的要求;因此,在具体应用中需要根据不同的应用要求,将二者以一定的比例进行配置,达到不同模具的应用要求;

模具石膏对原料有较高的要求,因此,生产中一般需对矿石进行选矿处理,控制矿石中二水硫酸钙的含量,一般需要达到90%以上,对部分高档次模具粉,需达到95%以上,对矿石颜色也有一定要求,可以根据白度,将产品分级,也可以根据产品性能将产品分级;凝结时间是模具石膏粉煅烧或生产中控制的一个关键指标,因此要求对煅烧工艺、设备进行较好的控制,保证石膏粉中的半水相的比例达到95%以上;对如此严格的要求,不是所有的煅烧设备或煅烧工艺都可以达到的;因此,目前市场上要么就是利用高纯度矿石弥补设备及技术的不足,来勉强达到生产要求,要么是节省了设备投资来降低产品等级,最终降低了生产效益而不知道,糊涂生产的;

目前,市场上用于陶瓷模具或其他模具的石膏粉产品主要有:β普通模具石膏粉、β高强模具石膏粉、混合模具石膏粉、α高强石膏粉等;

特种石膏粉是根据其应用领域和要求,采用特殊工艺方法或者采用特殊原料(外加剂)配置的、具有特殊的性能指标和特殊用途的功能性石膏产品。特种石膏粉的生产或配置一般都是采用高档次的石膏粉产品(α高强石膏粉或超硬石膏)为基料或者掺加少量的高性能β石膏粉,一种或多种微量特殊的外加剂共同混合均匀后得到。目前较为常见的特种石膏产品主要有以下几类:高档次陶瓷模具石膏粉(塑压模具石膏、陶瓷母模石膏、高强模具石膏)、工艺美术石膏粉、精密铸造石膏粉、高强低膨胀石膏、齿科石膏粉、原模石膏粉、超硬石膏粉、食用石膏粉等;

  4  目前主要的石膏生产技术、工艺及特点

目前市场中的石膏产制品除了原料的直接应用外,基本上都是半水石膏所延伸的产制品;半水石膏产品根据生产方法及性能主要分为两个类别:α石膏产品系列及β石膏产品系列,石膏生产的技术也主要指这两个产品系列的生产技术;

  4.1  煅烧技术及设备

β石膏生产技术的核心是煅烧技术及煅烧设备,目前石膏行业所用到的煅烧技术及设备主要有以下几种:

  4.1.1烟气直接煅烧

将高温烟气通入煅烧设备内,同时将物料喂入煅烧设备,通过设备内的特殊结构或气流,让物料与高温烟气直接接触的过程中进行换热,达到对物料煅烧形成半水石膏的目的;该类煅烧技术的特点:石膏原料需要一定的细度,能够达到快速换热脱水的效果或气流流动的效果;换热速度快,换热效率高;物料煅烧时间短,属于高温快速煅烧;产品物相组成复杂且稳定性差,产品凝结时间短,产品质量波动大;产品不适宜用于对半水相比例要求高、产品质量要求高、凝结时间要求较长的产制品;生产过程对环保设备要求高;产品白度会因燃料受到影响;产品控制较好时,适合凝结时间快、高水比的制品生产;对高含水原料,入煅烧设备前需对原料进行烘干处理;

主要的设备类型有:内烧式回转窑。内烧式回转窑是一种卧式气流煅烧设备,与水泥传统的烘干机为一类形式。布置分为逆流和顺流两种形式,设备结构简单,投资少,使用时注意喂料量与烟气量及烟气温度、窑体转速的匹配即可;对原料的细度、水分适应能力强;一步法即可完成,不需要预烘干系统;换热效率的高低及产品质量的稳定性与窑体内部结构关系密切;逆流式产品质量稳定性略高于顺流布置,且逆流能耗较低;产品质量波动较大,凝结时间偏短,产品性能偏低;但具体会因设备结构形式差异较大;

闪烧窑及内烧式回转窑均是筒式回转窑的不同内部结构的改型设备;其它气流煅烧设备如斯德煅烧炉、锤式磨、彼得磨等均属直接煅烧设备;

  4.1.2间接式煅烧

石膏原料进入煅烧设备后与热介质(热烟气、蒸汽、导热油等)不接触,而是与热介质的循环管道、设备外壁等进行间接接触换热;设备内部设有热介质循环换热管道或通道,循环管道与设备外壁组成的空腔内为物料填充或流动,物料在空腔运动的过程中与换热管道进行热交换完成煅烧过程;该煅烧技术及设备的特点:热介质与石膏不接触,燃料对产品的成分不产生影响;

石膏换热过程缓和,脱水过程较为缓慢,属于低温慢烧;物相转变缓慢,不易迅速过火;对原料细度、水分适应范围宽;设备内为微负压,环保设备处理要求低;产品质量稳定,一般产品凝结时间较长;该煅烧技术及设备类别较多,根据各设备具有部分不同的特点;

主要设备类型有:

1)沸腾炉。沸腾炉是一种应用较为普遍的传统的煅烧设备,一般分为油热式、风热式及汽热式三种;该设备为立式煅烧设备,设备内部布有大量换热管道,管道内通入热介质(导热油、高温烟气、高压蒸汽),设备底部设有布风板,风机鼓入一定量的风使石膏层处于流态,并通过石膏与热管的换热产生的蒸汽使石膏处于沸腾状态,处于流态状的石膏脱水后进入隔板的另一个区域后进入床层上部的溢流口出料;特点:结构简单,主设备投资省;设备紧凑,占地少;对天然石膏必须采用先磨后烧的工艺,对副产石膏必须采用预烘干后煅烧的工艺,原料的细度、水分含量均有要求;较适合采用电除尘为除尘设备;产品凝结时间偏长,细度较粗,不适宜陶瓷模具等产品的生产,对含水率较高的脱硫石膏、磷石膏等,必须采用二步法进行煅烧;

2)分室煅烧。分室煅烧属于一种间接换热的气流流态化煅烧设备,主要结构类似于沸腾炉,在设备内设有4个区,内设烟气换热管道(类似与沸腾炉的管道设置规格),下部设布风板,通过风机将物料处于流态进行换热并通过设定的四个换热区后出料;利用石膏煅烧脱水前后的重量差及热风的匹配,不同区域配风的不同,不断移动石膏至不同的区域直至达到半水石膏后出料;

3)管式回转窑。在回转窑内部根据要求设有不同的烟气循环或换热管道,热烟气在管道内通过或循环,回转窑转动时加入石膏,保证一定的物料填充率,热管道随窑体旋转不断逐个与物料进行接触换热,将石膏逐步预热、煅烧,达到半水石膏的要求;由于烟气与石膏不直接接触,石膏的煅烧较为稳定,窑体内无气流的影响,石膏无论颗粒大小,逐步从窑头换热运行至窑尾出料,根据其自身的脱水程度运行,煅烧得到的产品性能较高,质量稳定;设备环保效果好,不易产生粉尘;产品调节容易,可以根据需要调整产量及产品性能,调整石膏的煅烧温度及时间,达到一种设备生产多类别产品,适应多个用户的要求;对热源为直接利用,减少能量转换的损失;

4)多通道复合式石膏煅烧窑。该煅烧窑采用了多种形式的异形烟气通道取代管式回转窑内的管道,利用不同异形烟气通道的特性在窑内部的不同位置根据换热需要和物料特性进行设置,在同等窑型下大幅度增大窑内的换热面积和换热时间,提高换热效率,提高设备产量,减低成本投入;是一种更适合节能及规模化要求的煅烧系统;

5)蒸汽煅烧窑。该煅烧窑利用高压蒸汽作为石膏煅烧的热源,在回转窑内部设置有汽室、气体分配器、汽轴、换热管网、冷凝水排出系统、不凝气系统、振打器等装置,同时设有导料系统、进料系统、出料系统等;将高压蒸汽通入气室,通过气体分配器进入换热管网后与石膏进行热交换,利用蒸汽变为水时释放的大量的显热煅烧石膏;该设备由于利用蒸汽为热源,自动化程度高、环保效果好,无废气,热源稳定,煅烧系统易控制,产品质量稳定,适合电厂利用脱硫石膏及电厂蒸汽进行生产;属于环保级别要求较高的区域生产高性能石膏产品的煅烧设备;

其它如间歇式回转窑、外烧连续式回转窑、炒锅等均属于间接式煅烧设备;卧式外烧设备对物料水分、细度无过多的要求,适应范围宽;立式外烧设备对细度、水分含量有一定的要求;以上是目前市场用到的石膏产品的主要生产技术、设备类别,各设备均由其特有的一些特点,有的偏于节能、有的偏于产量、有的偏于投资等各有侧重,有传统的、改性的、专用的、新创的等等;均能够实现最基本的煅烧或生产建筑石膏粉标准中合格产品的目标;

  4.2 β石膏粉的生产工艺

生产工艺是一条生产线投资的最直接决定因素,没有工艺确定方案就不可能有实际意义的投资;而生产工艺除了主设备的因素外,又收到产品要求、生产规模、原料特点、环保要求、燃料类别等因素的影响;生产线主设备是生产工艺的核心。目前石膏粉的主要生产设备又因其特点不同而各有其最佳适用范围;因此,确定一条生产线最合理的生产工艺,必须首先根据产品要求、生产规模、原料特点、环保要求、燃料类别等因素确定与之最匹配的主要设备,然后确定石膏粉的生产工艺;目前因原料因素、主设备因素等的影响,石膏粉的生产工艺五花八门,种类繁多,单就工艺形式而论,各有侧重,均有其存在的原因;常见的工艺形式如先烧后磨、先磨后烧、烘干煅烧一体化的一步法、烘干煅烧分离的二步法、破碎煅烧包装的简易工艺、增加陈化均化和仓储存的规范工艺等等;各有优缺点,也各有采用该工艺的内在原因,而且均匀其适应的最佳设备;

主设备类别影响工艺布置形式;对不同的煅烧设备,都必须有该设备对应的原料要求和操作要求,也就形成了最适应煅烧设备的工艺形式,如所有主要以气流来带动石膏换热及移动的煅烧设备类型,基本上都要求原料必须具备一定的细度、含水率必须小于一定的值,才能保证煅烧设备能够正常使用,因此该类设备用于天然石膏原料时,就必然也必须采用原料先粉磨后煅烧的工艺;如对于一些物料移动或换热不依赖于气流的煅烧设备,对原料适应性本身就很宽,对于破碎至粒状的石膏还是粉磨至粉状的石膏,都可以进行煅烧,具体采用先烧还是先磨,并不是设备决定,而是根据怎么有利于产品最佳性能或产品类别、用途来决定的;

原料影响工艺布置形式:目前的石膏生产原料,除了天然石膏外,还有着种类繁多的副产石膏,而副产石膏多有着较高的附着水,因此对工艺形式也有着直接的影响;原料的含水率是工艺形式的直接影响因素,一般,气流类煅烧设备均要求入煅烧设备的原料水分小于3%,如超过该值,必须增加预烘干设备,变成二步法煅烧;间接换热的管式或回转类设备,一般要求入煅烧设备的原料水分低于20%,如超过该值,也必须采用二步法;而不是二步法就一定优于一步法;在工艺布置上,如不是因煅烧设备因素的影响,一步能完成的过程,没有谁会把它分成二步来完成,何况从生产的角度,二步法一般都会带来设备投资加大、热损加大、操作步骤增多等问题;当然,具体到综合考虑原料特点、生产规模、主设备、投资等系统因素,原料水分含量较低(小于15%)、生产规模较小(小于10万吨)时,一步法应该更为有利一些,而水分含量较高、生产规模较大时,二步法应该更好;

产品质量因素的影响;任何生产线的工艺形式,最应该优先考虑的是能够达到其设计的产品质量等级,如任何为其它因素(节省投资、节省煤耗等)考虑而降低质量等级的处置方式,都是自降效益和产品竞争力的方式;如具有较好纯度和白度的石膏采用烟气直接换热的煅烧设备,会将煤灰等杂质严重影响产品质量及白度而降低价格;生产质量较高的陶瓷模具石膏粉或配置抹灰石膏等产品的煅烧线中,不设置陈化仓、采用烟气直接换热的煅烧设备、采用先磨后烧(对陶瓷模具粉)等均不是最佳选择;

生产工艺的确定又是生产线投资的最大影响因素,不确定工艺形式,就没有真正意义上的投资构成,而工艺的确定必须由产品类别、规模、原料、设备、燃料、环保、控制、生产要求等所有因素合成。因此,生产线的选择首先是根据自己的原料、产品要求等特点选择适合自己的工艺,工艺确定后,才有价格,工艺相近,才能简单的对比投资;同时,投资又是对生产线构成影响最大的因素,任何一条生产线,都可以根据其主要功能设计为仅能保证生产产品的最简单形式,也就是最省钱的形式,也可以首先考虑产品质量的保证及类别、考虑市场竞争能力等多种因素,当然,这种设计肯定不是投资最省的方式;

  4.3 高强石膏粉的生产技术及设备

α石膏由于其较高的早期及后期强度和较低的需水率,在陶瓷行业的部分高档领域如原模石膏、塑压模、牙模等方面得到了较好的应用,同时与高性能的煅烧石膏粉混合用于卫生洁具等的浇注模具是陶瓷行业的主要应用范围;并在精密铸造、工艺美术及自流平石膏、硫酸钙地板、高性能板材等方面得到了应用;

α石膏的生产技术及设备主要分为如下几类:

1)蒸压法生产α石膏技术。该技术及设备主要形成于70年代,80年代后有较大幅度的推广应用,目前,国内市场生产的α石膏主要都是采用该类方法;

蒸压法生产α石膏一般分为一步法和二步法,一步法是将蒸压过程和烘干过程在一个设备内完成,过程中不降温、半水相不还原,很好的保证了α半水相的特性,产品质量较高,质量稳定;二步法则因为蒸压完成后降压、出釜后送至烘干设备,过程中因温度下降,半水相会部分还原,导致烘干后的产品质量下降或不稳定;

蒸压法生产α石膏的原料一般为块状,设备有卧式蒸压釜和立式蒸压釜两种;卧式设备一般采用两步法工艺,石膏一般是装入小车后送入釜内蒸压,出釜后送入烟气烘干窑烘干;因卧式蒸压釜易导致蒸压不均匀及烟气窑的直接烘干的不均匀性现象,导致生产的α石膏质量较低,凝结时间快,得不到能够与矿石等级对等的最佳产品,不能最大程度的体现优质矿石的价值和效益;立式蒸压釜一般采用一步法工艺,如不追求质量最佳时,也可采用二步法(可大幅度提高生产效率);尤其是采用蒸压烘干一体化立式釜生产的α石膏,产品性能优良,质量较高且稳定均匀;

2)液相法生产α石膏技术。必须利用转晶剂技术;将石膏粉磨至一定的细度,加水配置成浓度为20-30%的料浆,加入合适的转晶剂;混合均匀后送入转晶器,并加热转晶器内的料浆温度至130—150度,压力达到2—6公斤,使石膏在该条件下转晶,完成转晶反应后,料浆经过过滤、洗涤、烘干、粉磨等工序后成为较高性能指标的α石膏,同时也是超硬石膏的生产方法及工艺;大规模生产线设备投资高、成本高;生产工序较为复杂,生产控制自动化水平高;废水处理难度大;产品质量稳定、易调整;

该方法分为高压液相法和常压液相法;常压液相法—钙基湿法生产α石膏的工艺及技术,2008—2010年浙江大学、武汉科技大学、宁夏石膏院共同完成归家863项目,取得了较好的成果;其中对生产设备、工艺、转晶方法及理论、产品改性做了详细的工作;

3)造粒法。造粒法是将粉状原料与转晶剂溶液拌合成含水8-15%的湿粉状生料,将该生料通过成型或造粒设备制成一定粒度的颗粒,将该颗粒状物料放入蒸压釜中通过一定的压力和温度进行蒸压转晶;得到的转晶后的物料进行烘干粉磨的方法和工艺;该方法避免了二次产生废水及处理工序中的洗涤、过滤等,对设备的要求相对降低,减少了设备投资及生产成本;该方法对转晶设备的储料形式有较高要求,造粒后粒度强度较低,与蒸汽后易散成泥,因此储料器及填充率是其规模化生产的关键;

4)混合蒸压法。该方法将粉状物料与转晶剂溶液混合均匀,以湿粉状装入特定的容器直接送入转晶设备中进行转晶;然后烘干、粉磨;该方法区别于造粒法的主要是物料转晶前不需要成型或造粒,对转晶设备的结构要求较高,生产工艺简单,生产效率高;该方法因不需要对原料处理,同时以半干的物料形态进行转晶,过程中不需要过多的不锈钢设备、不产生含有转晶剂的废水、转晶设备填充率高,单机规模大,适合规模化生产线,且设备投资较低,生产成本低;生产过程中因为控制晶体转化的级配及晶型的级配,产品性能指标高于单一晶型的产品性能;是副产石膏生产α石膏及超硬石膏实现低投资、规模化生产的典型方法;

α石膏的生产工艺多是由于其蒸压或转晶设备的特殊要求而形成的,副产石膏的生产多采用转晶剂技术配套的工艺,天然石膏多采用块状物料的蒸压法,块状物料蒸压法一般不采用转晶剂技术即可达到较高的性能,而生产低水比、高硬度的高强度石膏,一般必须采用转晶剂技术才可实现;

  5  项目及设备选择的要点

建设一条石膏粉生产线,在众多的技术方法、工艺类型、设备类别中如何做出选择,选出自己满意的、能够达到自己建厂要求的、节省资金、具有一定先进性、一定时间不落后、能适应市场和产品的技术和设备,对投资人至关重要;一般在生产线建设期间,投资人对石膏行业、石膏产品、市场需求都有了一定的了解,但还远未达到能完全正确的做出如上选择的程度,因此,一般很容易陷入节省投资、能耗低等片面或夸大的宣传等环节中;目前国内石膏技术及设备的提供者众多,规范的、不规范的、个人的、单位的、卖主设备的、卖附属设备的等等,为了得到项目,不惜提供各类虚假的资料或将投资人引入歧途;如何选择,这里给大家提供一些技术及设备选择中的要点,供大家参考:

1)首先确定生产线的主功能,即生产线的主产品是什么?是否需要扩展产品或生产线功能;任何生产线都首先是根据主产品进行产量、主设备选择、能耗、配置等计算的,主产品不同,其主设备、后续配置、投资、原料要求等均会产生很大的改变;如建筑石膏粉为主产品时,主设备就只需要满足基本功能即可,原料要求会降低、粉磨要求会降低等等;

2)根据原料确定。原料不同,其工艺、设备、能耗等等也完全不同;如脱硫石膏、磷石膏、天然石膏所采用的设备、工艺就产生很大的区别;副产石膏不同的水分含量对产量、设备也会产生较大的影响;对采用的原材料,必须有一个准确详细的了解;如采用优质的白度较高的天然石膏,就不能为节省投资选内烧式设备,最终节省的投资会把原料及产品的最大优势全给抹去;

3)生产时间。有的设备是按照日产量计算的年产量,即一年是按照360天计算的;有的是按照300天计算的;对建同等规模的生产线,其主设备的配置完全不同;规范的生产线会增大部分设备的能力,如破碎、包装,减少该部分用人的数量以减少运行成本,但为了以投资降低吸引投资人,其配置可以设置为破碎、包装等系统24小时工作;等等;

4)产品的用途。同样是建筑石膏粉,主要目的是为了生产砌块还是配置石膏砂浆;砌块多为手工控制生产,所用的石膏粉要求低,允许产品质量波动,要求凝结时间快,产品细度低;可以采用能够节省投资的部分简单煅烧设备如筒状内烧回转窑、气流煅烧等设备系统;但必须对所用的气流煅烧设备有及整体工艺有一个详细的了解,不要进行片面的对比,是采用一步法还是二步法,是但热源还是双热源等等;对砂浆为部分产品的生产线,就必须保证能够煅烧出高性能的石膏粉,就需要选择能保证产品质量稳定,又可以具有一定调节功能的间接换热设备;

除此之外,还需确定生产线建设区域的模具及近期的环保要求级别、周边的燃料价格及趋势、周边市场的要求及容量及发展等等;

只有确定了以上基本的项目要求,才能根据这些基本条件去选择主设备,主设备的选择,一般从如下几个方面进行考虑:

1)设备的适应性。即该设备对原料的适应性、与产品的适应性、与生产要求的适应性、与环境的适应性等,保证所确定的产品生产,这是最重要的指标;如该指标出现错误,所选的设备就不是省钱,而可能是整个花钱的开始,例如:原料白度高的原料,选择了燃煤型的直接煅烧类设备;生产陶瓷模具的、选择了气流快速煅烧设备;副产石膏为原料的,选择了沸腾炉煅烧或一次烘干后再用沸腾炉煅烧;要求产品适应多类用户群的,选择导热油沸腾炉等等;禁止二氧化硫排放的,采用的设备只能适应煤作为燃料;环保要求很高的区域,没有考虑环保设计的对接等等;

2)设备的成熟性与可靠性。对生产所用到的设备,首先确定必须是成熟可靠的;生产企业得到的设备,目的是为了生产而不是研发,稳定和效率是最重要的;研发的,需要一开始双方都愿意承担后续风险和试产的长期性;

3)设备的能耗。能耗对产品的生产成本具有较大的长期的影响,但同一设备,生产不同的产品、生产组织管理能力、产量等均有一定的影响;

4)设备的可调整性。指设备对不同生产参数的适应性和调整型或调整的难度;除纸面石膏板外,很难有一家石膏粉企业仅生产销售一种性能或用途的产品,就要求主设备有一定的可调整性;

5)设备及所采用技术的先进性。目前由于设备类别较多,石膏产品类别也较多,因此,任何设备的先进都是相对的,没有绝对先进的设备;只能按照自己的产品、原料、生产要求、环保、能耗等进行局部或综合比较;即生产产品最好的设备可能不是能耗最低的、能耗最低的生产的产品恰恰不是效益最好的;因此需要综合比较而不是片面对比;任何设备都可以找出一两个优点;

6)投资。投资上是投资人考虑的最重要的一个问题,但在生产线建设时,恰恰是最需要把握的一个问题;投资是否合适,有很多因素决定;产品应该是其中最重要的,正规的设计,需要考虑产品配置、设备运行成本、生产控制、生产以外因素、环保等等,投资自然会上升;如项目方要求可生产多种产品,设计方就会增加附属设备、仓、磨等去实现,并考虑原料、熟料、成品储存等因素;但非规范设计可以简化,如不设原料储存、熟料直接粉磨,磨后设一两个大成品仓;简化了大量仓及设备,但生产的不稳定性就会大幅度增加,产品的不稳定性凸现,产品的调整能力不能实现;最终减少了产品可实现的类别,降低了产品质量及用途范围,增加了铲车工作量及人员数量,这样的投资节省是否值得;为了节省投资,不买规范的设备,去尽可能仿制,不选择具有材性及技术配套能力的单位,直接选择设备商提供的;节省了少量的费用或技术费用,是生产线半年、一年甚至更长时间不能达标,部分产品不能生产、生产的产品质量低下、遇到技术问题自己摸索产生大量废品,这产生的代价与技术费用上的少量投入值得好好计算,不重视技术的企业是没有希望的企业,是没有发展的企业;投入是否合适是否值得,是需要用投入产出比去进行综合计算的,不是简单的对比。

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