磷石膏煅烧建筑石膏技术及应注意的问题

何勤，张琼琼，陈勇，方文仓

（中国新型建材设计研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

《“十三五”生态环境保护规划的通知》（国发[2016]65号）中强调：“重点开展100家磷矿采选和磷化工企业生产工艺及污水处理设施建设改造。大力推广磷铵生产废水回用，促进磷石膏的综合加工利用，确保磷酸生产企业磷回收率达到96%以上。”《关于推进化肥行业转型发展的指导意见》（工信部原[2015]251号）中指出：加大资源回收利用和废弃物综合利用，做好磷矿资源中氟、硅、镁、钙、碘等资源的回收利用以及磷石膏制高端石膏产品。提高磷石膏开发利用水平，到2020年，磷石膏综合利用量从目前年生产量的30%提高到50%。工信部《工业绿色发展规划（2016～2020年）》（工信部规[2016]225号）中指出：到2020年，大宗工业固体废弃物综合利用量达21亿t，磷石膏利用率达40%，粉煤灰利用率达75%。

我国是第一农业大国，同时也是第一大磷肥生产国。在生产磷肥的同时也产生了大量的副产磷石膏。2014年我国磷石膏产量高达7600万t，各种途径的磷石膏利用量合计为2300万t，年综合利用率为30.3%，大量的磷石膏仍被堆放，并且磷石膏的排放量还在逐年递增[1]。而目前我国绝大部分磷石膏的处理方式为露天堆放，这种处理方式存在着以下问题：（1）磷石膏堆放占用大量土地，同时长时间堆放会使磷石膏砂化，导致占地费用连年增加，企业成本也相应增加，造成产品纯利润减少，失去竞争力；（2）磷石膏中含有磷、氟等酸性杂质，长时间堆放会污染地下水源，造成环境污染[2]。为此，磷化工企业为磷石膏的堆放进行了防渗、抗渗的设计与改造，尽可能减少对当地环境的影响。但是，这还是治标而非治本，不能满足国家提出“着力解决突出的环境问题，加快生态文明建设”的要求[3]。因此，加强对磷石膏的资源化利用，一方面，高效地消耗堆积的磷石膏，解决土地侵占和环境污染等问题；另一方面，也促进循环经济的发展，具有重要的社会、环境和经济意义[4]。其中用磷石膏生产建筑石膏就是一种很好的资源化利用方向。

1 主要工艺技术

磷石膏生产建筑石膏就是将磷石膏中的二水石膏通过干燥脱去自由水、煅烧脱去1.5份结晶水转变成半水石膏。目前，国内外由磷石膏制备建筑石膏主要采用的是烘烤法，即：磷石膏废渣→无害化处理→干燥→煅烧→粉磨→冷却→陈化→成品。

1.1 磷石膏预处理技术

磷石膏的主要成分为 CaSO4·2H2O，pH 值为 1.5～4.5，呈酸性，含水率很高，为20%～30%，含有未分解的磷矿、未洗涤干净的磷酸、氟化钙、铁铝氧化物、氟、酸不溶物及有机物等多种杂质。

磷石膏因其杂质的影响，要直接用于生产石膏建材，应进行一定的预处理。常用的预处理工艺有水洗、浮选、石灰中和、复合固化等。

可靠的方法是水洗法处理：用粗筛将磷石膏中的大块杂物筛分去除，经过计量喂料皮带进入成浆槽，加水搅拌均匀后泵入浮选槽，去除有机物后进入粗渣分离器去除石英、未分解的磷灰石等难溶的大颗粒杂质，经过滤机过滤的物料固液分离后存放在磷石膏原料堆场备用，实现磷石膏的减量化、资源化综合利用。过滤液经石灰中和、沉淀后回到水系统重新利用，实现洗涤水零排放。

目前最常用的方法是石灰中和法：将堆放数年的磷石膏与石灰按一定的比例混合均化，并在堆场堆放一定时间，让其进行充分的反应与稳定，这样磷石膏的可溶性磷基本去除，生产出来的建筑石膏质量可靠，石膏制品的性能也稳定，基本没有返潮、不粘纸和锈蚀钉子等现象。

1.2 磷石膏干燥与煅烧技术

目前，磷石膏煅烧建筑石膏粉的生产工艺主要有“一步法”和“两步法”2种。

一步法工艺流程为：磷石膏从原料存放场经铲车装入给料箱，经调速皮带送入湿料仓。湿料仓中的物料用计量秤计量后喂入烘干煅烧一体设备中，充分干燥煅烧后经袋式收尘器，由螺旋、提升机送入改性磨研磨，改性后由提升机、喂料螺旋至冷却器中进行冷却，稳定物料的性能，然后经提升机提升，螺旋或拉链机水平输送进入建筑石膏陈化储料仓。工艺流程见图1。

图1 “一步法”煅烧建筑石膏粉生产工艺流程

两步法工艺流程为：磷石膏经铲车装入给料箱，计量后经皮带送入湿料仓。湿料仓中的物料计量后经给料机送入烘干设备中，充分干燥后经袋式收尘器，由螺旋输送机送入提升机等喂入煅烧设备，煅烧完毕后，由螺旋、提升机送入改性磨研磨，改性后由提升机、喂料螺旋送至冷却器中进行冷却，稳定物料的性能，然后经提升机提升，螺旋或拉链机水平输送进入建筑石膏陈化储料仓。煅烧和预烘干的尾气经布袋除尘、洗涤后排空。生产工艺流程如图2。

图2 “两步法”煅烧建筑石膏粉生产工艺流程

两步法煅烧制备石膏粉的加工核心环节是煅烧，煅烧设备主要有沸腾炉和炒锅2种。沸腾炉的工作原理为：固体物料在炉内被向上流动的气流托起，在一定的高度范围内作上下翻滚运动，并以流态化状态与热风管进行热交换而实现煅烧石膏的功能。炒锅的工作原理为：物料在锅内由搅拌器搅动而带来流动，并使物料不断与锅底的明火及与锅内换热管的热烟气进行热交换，而实现煅烧的功能。

2 应注意的问题

2.1 物料基本性质

用于建材行业的磷石膏的放射性应符合GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》中的规定。

磷石膏本身具有杂质种类多的特点，需要进行无害化处理。对于水洗的工艺需要注意对洗涤水的零排放处理，不要形成新的污染；对于中和处理，石灰的用量不能过多，中和后的磷石膏以pH值在6～7为好。并且一定要堆放半年后才能使用。

磷石膏的无害化预处理，在技术可靠的前提下，还需要注意其经济性，尽可能地降低预处理的综合成本。

建议制订专用于建筑石膏制备的磷石膏标准。

建议磷化工企业与下游磷石膏利用企业深度融合，将磷石膏的清洗工作前置到磷化工企业。使出厂的磷石膏中可溶性磷含量小于0.04%，氟含量小于0.01%。

2.2 湿物料的输送

由于磷石膏具有含水量高和弱酸性的特点，输送设备的选择需全面考虑，一是要考虑湿物料易粘料的特性，二是要考虑对设备的腐蚀等问题。目前应用的主要输送设备有：喂料箱、皮带输送机、自清洁锁风阀等。

喂料箱是磷石膏应用的第一台设备，箱内需要涂覆憎水性的材料，才能保证磷石膏基本不粘在箱壁上，让磷石膏能用皮带机拉出。

皮带机的提升距离较长，可以输送粘度较大的物料；选用皮带时应注意尽可能选光滑面的皮带。

斗式提升机主要用于垂直提升，不适用于含水量大的物料。若现场条件不允许布置皮带机，则要使用提升机，并对提升机进行特殊的处理，需将钢斗更换成特氟龙材料制成的料斗。螺旋输送机主要用于水平输送，同样不适用于含水量大的物料，若要使用，需采用憎水性材料做其内部衬板。各个溜管溜子等内部均需做防粘衬板。因此，在选择输送、计量设备时尽量选择防粘性较好的设备。

2.3 湿物料的准确计量

为了煅烧出高质量的建筑石膏，需要对原料进行准确的计量，要特别注意到湿物料的粘性特性。选择湿料仓（见图3），配合其变频可调的卸料能力及精准的皮带秤计量（见图4），能给烘干煅烧精准供料，给烘干煅烧的产品质量提供最基本保证。

图3 湿料仓构造示意

图4 皮带秤构造示意

2.4 烘干煅烧设备选择

根据能源的不同，烘干煅烧设备需选择不同的生产工艺与设备，并注意不同工艺煅烧设备的适用性。

原料石膏的烘干设备主要有锤式烘干煅烧磨和蒸汽回转窑2种。这2种设备也可以作为一步法煅烧用。

2.4.1 以煤或天然气作能源

锤式烘干磨既可作为单独的烘干功能，也可作为烘干煅烧一步法功能，具有流程简单、热效率高、投资少的优点，缺点是由于其温度过高，作为煅烧用时，容易造成物料表面过烧形成无水石膏而内部仍然是二水石膏。作为两步法，注意装机功率偏大及投资偏高的缺点。但两步法产品性能更稳定，初终凝时间可调，更能适合建筑石膏的各种用途。

原料石膏的煅烧设备主要有沸腾炉和炒锅2种。其中，沸腾炉的特点是：（1）设备小巧，生产能力大；（2）结构简单，不易损坏；（3）设备紧凑，占地少；（4）配套设备装机功率略大；（5）操作方便，容易实现自动控制；（6）熟石膏相组成比较理想，物理性能比较稳定；（7）投资少。炒锅的特点是：（1）化学反应速度快；（2）热效率高；（3）装机功率小；（4）易于自动化控制；（5）熟石膏相组成理想，物理性能稳定，初、终凝时间可调且稳定；（6）产量受限；（7）投资较高。

烘干煅烧主要要求在热烟气风量不变条件下，温度可调，物料进出量由出料温度精确控制，从而保证生产出合格的好产品。

两步法注意外排的空气湿度控制，保证收尘设备的收尘效果，同时也需要注意收尘进风的分配，保证收尘设备滤袋寿命。

注意热烟气尾气能量再利用，将热烟气的尾气导热至烘干工段，可以实现能源的梯级利用，降低烘干煅烧的总能耗，实现煅烧烘干1 t磷石膏仅需要85 kg标煤。

2.4.2 以电厂或磷化工厂蒸汽作热源

烘干通常采用蒸汽回转窑和空心轴双螺旋干燥机，蒸汽回转窑的优点是热量均匀，设备运行稳定可靠，维修量少，产品性能稳定，缺点是设备占地面积多，投资大。空心轴双螺旋干燥机设备投资省，比较适应年产3万t以下的建筑石膏煅烧线，设备大型化能力低，产量小，需要多台设备并联才能满足大产能的要求，另外设备磨损大，故障率高，维修工作量大，设备开机率低是其缺点。

选用蒸汽回转窑时特别需要注意自由水含量超15%情况下效率降低的问题，故磷石膏用蒸汽作热源时，主要采用两步法，提高煅烧设备的效率，并且热能可以梯级利用，降低成本。

2.5 改性磨的选择

改性磨主要有球磨机与涡轮式粉碎机2种选择，粉磨改性是磷建筑石膏应用良好的重要手段，它能消除泌水现象，减小搅拌机的功率。粉磨改性后的磷石膏比表面积宜为400～500 m2/kg。

球磨机球的主要特点为：（1）生产能力大，可满足现代大规模工业生产的需要；（2）粉碎比大，产品粒度均匀，混合效果好；（3）适应性强；（4）结构简单、坚固，操作可靠，维护管理方便，能长期连续运转；（5）工作效率低，能耗高；（6）占地面积大，费用高；（7）磨机转速低；（8）噪声大。

涡轮式粉碎机的特点为：（1）生产能力相对较小，大能力需要多台设备并联；（2）粉碎能力强，能耗低，产品粒度相对较小；（3）设备体积较小，占用的空间较小；（4）噪声相对较小；（5）设备需要常常更换涡轮上的刀片及筛网，在多台并联的情况下，工作量较大。

2.6 冷却与陈化设备的选择

煅烧好的半水石膏需要进入冷却器中进行充分冷却（见图5），这是为了控制脱水后的半水石膏在高温遇到空气后又变回二水石膏，注意做好冷却、稳定建筑石膏的产品质量是大型化纸面石膏板用磷石膏必须重视的。而均化、陈化主要是用于快速煅烧工艺，消除部分无水石膏，促使其转化为二水石膏，稳定石膏的品质，便于后续生产使用。均化器是一个快速均化陈化的设备（见图6），能使原来需要在陈化仓内陈化2～3 d的物料，在0.5～1 h内陈化完成，并且原料陈化均匀，物料性能稳定。冷却、均化陈化磷建筑石膏是连续化、大型化、自动化、稳定生产纸面石膏板的重要手段。

图5 回转冷却器

图6 均化器

3 展望

综上所述，本文主要介绍了国内外磷石膏煅烧生产建筑石膏的主流技术，以及磷石膏煅烧建筑石膏的“一步法”和“两步法”生产工艺流程。并提出了利用现存工艺生产建筑石膏时应注意的问题。从目前来看，利用磷石膏生产建筑石膏的技术仍需改进，并且希望能制定《建筑石膏用磷石膏》标准，开发磷石膏应用于高强度墙板的生产技术。

现阶段，全球发展中国家石膏胶凝材料约占水泥产量的6%～26%，我国石膏胶凝材料仅占三大胶凝材料的0.14%。同时，国内脱硫石膏制备石膏建材的技术已日益成熟，而磷石膏的利用还处于初步阶段。因此，利用磷石膏开发石膏胶凝材料无论对于国民经济还是环境保护都具有重要意义。