大型石膏脫水反應(yīng)器的研制及其在高強(qiáng)度石膏制備過程中的應(yīng)用

王志芬* 李盈海

（南京天華化學(xué)工程有限公司）

0 引言

工業(yè)副產(chǎn)石膏的回收利用與企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有較大關(guān)系。工業(yè)副產(chǎn)石膏主要包括檸檬酸副產(chǎn)的檸檬石膏，磷酸副產(chǎn)的磷石膏以及燃煤電廠煙氣脫硫得到的脫硫石膏等，其主要成分為CaSO4·2H2O，與天然二水石膏相近。隨著天然石膏資源日漸枯竭，工業(yè)副產(chǎn)石膏成為了重要的石膏資源[1-3]。

工業(yè)副產(chǎn)石膏可以代替日趨減少的天然石膏，主要用于水泥或者建材行業(yè)（如制備石膏粉、石膏制品、水泥緩凝劑、膠黏劑和自流平砂漿等）、陶瓷制造業(yè)、工藝美術(shù)業(yè)、精密鑄造業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)等。工業(yè)副產(chǎn)石膏應(yīng)用前除了需要進(jìn)行精制再加工以外，還需要脫除二水石膏中的自由水及部分結(jié)合水，從而用來制取高強(qiáng)度的α 半水石膏。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 流程設(shè)計(jì)

在不同的加熱條件下，二水石膏可以轉(zhuǎn)化成α，β 等不同形態(tài)的半水石膏。在常壓加熱條件下生產(chǎn)得到的β 半水石膏強(qiáng)度較低，而在蒸汽加壓條件下加入一定的轉(zhuǎn)晶劑，可以得到強(qiáng)度很高的α 半水石膏。高強(qiáng)度α 石膏的力學(xué)性能較水泥等傳統(tǒng)建筑材料更好，其干壓強(qiáng)度可達(dá)50 MPa 以上，對(duì)比同等標(biāo)號(hào)的材料可知，石膏的抗折強(qiáng)度是水泥的兩倍[4-8]。

高強(qiáng)度α 石膏的脫水溫度為110～145 ℃，脫水過程能耗小，流程節(jié)能環(huán)保。高強(qiáng)度α 石膏的生產(chǎn)過程屬于物理轉(zhuǎn)晶過程，生產(chǎn)過程中只有少量水蒸氣排放，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

高強(qiáng)度α 半水石膏的蒸壓法（壓力蒸煮）工藝采用間歇式生產(chǎn)方式，其工藝流程可見圖1。常溫二水石膏與轉(zhuǎn)晶劑混合均勻后，通過反應(yīng)器上方的閥門被加入反應(yīng)器殼體內(nèi)部。在刮板和葉片的攪拌作用下，物料沿軸向和圓周方向運(yùn)動(dòng)，與攪拌軸外壁、葉片外壁和殼體內(nèi)壁進(jìn)行接觸換熱，完成脫水反應(yīng)。攪拌軸、葉片和夾套內(nèi)部均可以通入蒸汽等換熱介質(zhì)，對(duì)二水石膏進(jìn)行間接加熱。二水石膏在反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)過升溫、恒溫、排氣和降溫等過程，在轉(zhuǎn)晶劑的作用下在蒸汽環(huán)境下被蒸煮，生成所需的半水石膏產(chǎn)品。石膏品質(zhì)不同，生產(chǎn)時(shí)升溫和降溫的時(shí)間要求也不同。反應(yīng)結(jié)束后，先打開尾氣管道上的閥門排氣泄壓，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)部的壓力降至常壓后，再打開反應(yīng)器底部的出料閥門，使物料進(jìn)入下游的設(shè)備。反應(yīng)過程中排出的尾氣應(yīng)先通過布袋除塵器除塵。經(jīng)引風(fēng)機(jī)排放。尾氣溫度較高且主要為水蒸氣，因此可以考慮回收尾氣中的熱量。

圖 1 工藝流程圖

1.2 工藝計(jì)算

1.2.1 二水石膏的分解熱量進(jìn)入反應(yīng)器的二水石膏不僅含有結(jié)晶水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%，下同），而且含有15%～20%左右的表面水。根據(jù)石膏的分解反應(yīng)，可以計(jì)算出二水石膏分解為α 半水石膏的水合熱：

反應(yīng)過程所需的熱量Q 包括升溫階段所需的熱量Q1和恒溫階段所需的熱量Q2兩部分，每部分熱量均需計(jì)算表面水和結(jié)晶水蒸發(fā)所需要的熱量。

1.2.2 傳熱計(jì)算

飽和蒸汽冷凝放出的熱量經(jīng)過凝液層、污垢層、金屬壁面?zhèn)鬟f到濕物料表面，再由濕物料表面?zhèn)鞯轿锪蟽?nèi)部，完成濕分蒸發(fā)和結(jié)晶水脫除過程。整個(gè)傳熱過程的熱阻包括凝結(jié)熱阻、污垢熱阻、管壁熱阻以及物料的傳熱熱阻，具體如下式所示：

其中：K——反應(yīng)器的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

αo——介質(zhì)對(duì)容器壁的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

λw——容器內(nèi)壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

λm——容器內(nèi)壁粘接層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

δw——容器壁厚，m；

δm——內(nèi)壁粘接層的厚度，m；

αi——物料的傳熱系數(shù)，W/(m·℃)。

反應(yīng)器所需換熱面積F 為：其中：Q——反應(yīng)過程需要的熱量，W； △Tm——對(duì)數(shù)傳熱溫差，℃。

對(duì)數(shù)傳熱溫差 △Tm可按下式計(jì)算：

其中：Ts——加熱蒸汽的溫度，℃；

Ti——物料入口溫度，℃；

To——物料出口溫度，℃。

1.3 選型設(shè)計(jì)

根據(jù)蒸壓法的工藝要求，反應(yīng)器的工作壓力為0.4～0.6 MPa，其殼體為壓力容器。結(jié)合目前的裝備技術(shù)，決定先采用間歇的批次操作來滿足工藝對(duì)操作壓力和溫度的要求，后續(xù)再考慮連續(xù)操作的可行性。

面對(duì)堆積如山的工藝副產(chǎn)石膏，只有大型化的反應(yīng)器才能滿足處理要求。目前市場(chǎng)上主流的大型反應(yīng)器單臺(tái)容積只有10 m3左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足處理量的要求，因此設(shè)備的放大工作顯得至關(guān)重要。

根據(jù)每批次的處理量確定設(shè)備的全容積，選取合適的填充率，并初步確定殼體直徑和殼體長度。攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np的計(jì)算公式為：

其中：P——攪拌功率，W；

ρ——物料密度，kg/m3；

N——攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；

d——攪拌葉片外徑，m。

根據(jù)小型反應(yīng)器的功率、攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌葉片外徑進(jìn)行對(duì)比放大，可以獲得所需反應(yīng)器的攪拌功率，從而確定反應(yīng)器的規(guī)格。經(jīng)計(jì)算可知，單臺(tái)反應(yīng)器的直徑為 2 200 mm，容積約為30 m3。

2 設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

檸檬石膏反應(yīng)器為耙式反應(yīng)器，是一種間歇式熱傳導(dǎo)型設(shè)備。反應(yīng)器主體采用臥式結(jié)構(gòu)，主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、攪拌軸、殼體、端座等部分，詳見圖2。攪拌軸設(shè)置在殼體內(nèi)，通過殼體端座上的軸承支撐。攪拌軸上設(shè)有若干葉片和刮刀，在驅(qū)動(dòng)裝置的帶動(dòng)下攪拌物料。反應(yīng)器軸承和端座之間設(shè)置了特殊的軸封結(jié)構(gòu)，以滿足蒸壓法生產(chǎn)工藝的壓力要求。

圖 2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

耙式反應(yīng)器的殼體除了承受內(nèi)壓外，其外部還有加熱夾套，因此需要按照GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算確定壁厚，文中不作敘述。

攪拌軸上的葉片是設(shè)備的主要加熱面，葉片內(nèi)部設(shè)置了與軸管聯(lián)通的流道，從而增強(qiáng)了換熱效果，滿足石膏脫除表面水和結(jié)晶水的熱量消耗要求。該葉片既能使物料均勻分散，又能防止物料在出料口等部位堆積。葉片的結(jié)構(gòu)可見圖3。

圖 3 葉片結(jié)構(gòu)示意圖

軸端密封是該設(shè)備的重要部件，其既要保證物料和蒸汽在軸端不會(huì)泄漏，又要防止密封磨損使物料被污染。因此反應(yīng)器專用密封結(jié)構(gòu)在常規(guī)填料密封的基礎(chǔ)上，增加了特殊的密封環(huán)和迷宮結(jié)構(gòu)，可以有效防止填料污染物料，同時(shí)保證蒸煮過程的壓力要求。

反應(yīng)器的傳動(dòng)系統(tǒng)按照重載設(shè)計(jì)，確保其機(jī)械功率和熱功率滿足設(shè)計(jì)要求。鏈條設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮重載情況下可能發(fā)生的脫鏈、滑齒和斷鏈等情況；減速機(jī)應(yīng)按照雙輸入軸來選型，設(shè)置輔助傳動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)主電機(jī)故障時(shí)由輔助電機(jī)傳動(dòng)，使攪拌軸保持低速轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 工業(yè)應(yīng)用

2007 年4 月，該大型耙式反應(yīng)器應(yīng)成功應(yīng)用于年產(chǎn)5 萬t 檸檬石膏生產(chǎn)裝置中，設(shè)備密封性能良好，運(yùn)行平穩(wěn)。該反應(yīng)器能夠滿足恒溫和蒸壓的要求，反應(yīng)后半水石膏中表面水和結(jié)晶水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均到達(dá)工藝要求，其性能符合JG/T 2038—2010《α 型高強(qiáng)石膏》標(biāo)準(zhǔn)要求。

該反應(yīng)器在運(yùn)行過程中也暴露出了一些問題。由于半水石膏脫水后黏性很大，容易板結(jié)，對(duì)進(jìn)、出料閥門和反應(yīng)器的運(yùn)行產(chǎn)生了一定影響。黏結(jié)的物料使刮板產(chǎn)生了磨損，需要定期進(jìn)行更換。另外，閥板黏結(jié)物料后在受壓情況下容易產(chǎn)生泄漏，因此對(duì)閥門形式進(jìn)行了改進(jìn)。

4 結(jié)論

本文在理論計(jì)算和對(duì)比放大的基礎(chǔ)上研制了大型耙式反應(yīng)器，并將其應(yīng)用于年產(chǎn)量為5 萬t 檸檬石膏生產(chǎn)裝置，采用蒸壓工藝制備了高強(qiáng)度的α 半水石膏。大型耙式反應(yīng)器是制取高強(qiáng)度α 石膏的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備可應(yīng)用于磷石膏和脫硫石膏等多種工業(yè)副產(chǎn)石膏的回收利用過程。

目前不少磷酸廠和電廠都存在副產(chǎn)石膏堆積、處理困難等問題，對(duì)水體和環(huán)境造成了極大污染，企業(yè)亟需轉(zhuǎn)型升級(jí)，開創(chuàng)綠色發(fā)展道路。以工業(yè)副產(chǎn)石膏制取α 高強(qiáng)石膏，可以解除部分企業(yè)以渣定產(chǎn)的困境和其他工業(yè)副產(chǎn)石膏的堆放等問題，使其真正變廢為寶，使企業(yè)獲得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。