多级煅烧石膏生产硬石膏产品的方法和系统

本发明涉及煅烧石膏材料的方法和设备，更特殊地，涉及一种通过 煅烧石膏来回收硫酸钙硬石膏的方法和系统，不可溶形式的硬石膏通常 被称为“僵烧(dead burn)”。

许多煅烧石膏的方法和设备是公知的。传统上是使用耐火材料在一 个大釜中来煅烧石膏，该釜具有一个加厚的呈半圆形的底，且该釜用气 体火焰在一个砖耐火材料结构中被加热。(见美国专利No.3,236,509)。 然而，采用耐火材料来煅烧石膏造成能量的极大浪费，这是由于必须给 该釜加上过量的热来加热其中包含的石膏，且耐火砖外壳也是低效率 的，因为它具有大的占地面积且占据了宝贵的工厂空间。其他煅烧方法 和设备采用的是无耐火材料釜的形式，即采用在釜中浸没的煅烧加热系 统，比如在美国专利No.4,626,199，4,629,417和4,744,961中所公开的 那样。煅烧石膏的有耐火材料和无耐火材料釜的一个主要目的是要生产 用于制造墙板的硫酸钙半水化合物，更为人所知的名字为灰泥。

与这些涉及半水化合物或灰泥生产的现有技术方法不同，本发明的 方法和系统主要涉及从煅烧处理中回收石膏材料，该材料基本上由硫酸 钙硬石膏组成。回收的硬石膏产品可以是以轻微不稳定的可溶性硫酸钙 硬石膏的形式，或者，更优选地，以稳定的且通常被称为僵烧的非溶性 硫酸钙硬石膏的形式来回收。僵烧材料具有许多应用，包括作为热塑性 塑料、除草剂、食品和药品、水泥、熟石膏添加剂等中的填料。然而， 僵烧的生产是困难的。

原料石膏通常是干粉形式且形态为CaSO4·2H2O。当原料石膏被加 热到通常为约121～193℃(250°F-380°F)或更高的温度时，粉末转化 为形态为CaSO4·H2O+1H2O的半水合物。在煅烧处理期间，1H2O是以水蒸汽的形式且流化干粉，从而使其流过装置。当该半水合物被加 热到更高的温度时，石膏转化为可溶性硬石膏或不可溶性硬石膏CaSO4(僵烧)。然而，在转化成可溶性或不可溶性硬石膏的过程中，所释放 的H2O不会很好地流化粉末。

由于这样的流化问题，常规生产僵烧的有耐火材料或无耐火材料的 煅烧方法一直无法高效、经济地生产僵烧。具体地，由于所要求的温度 为约482～704℃(900°F至1300°F)，采用耐火材料来生产僵烧过于昂 贵且成本过高。现有的无耐火材料的石膏煅烧方法比采用耐火材料更经 济，但由于流化问题，要用来生产僵烧材料是不实际的。另外，从这种 系统生产出来的硬石膏通常没有被均匀加热且仍含有显著量的化合水， 而这又使硬石膏不适于作为热塑性塑料和其他类似应用的填料。

其他用煅烧石膏来生产僵烧的方法包括采用急速煅烧炉来生产僵 烧。这种急速煅烧炉将磨细的石膏夹带在一股加速气流中，然后急速加 热到高温。然而，这种系统在其容量及流经率上受到限制。

因此，本发明的一个重要方面是以成本可行且有效率的方式提供一 种生产僵烧材料的方法，该方法能避免耐火材料的额外成本且克服在采 用现有技术方法煅烧石膏以生产僵烧中会出现的流化问题。这样的一种 方法涉及通过二级或多级煅烧来加入石膏材料，从而使石膏逐渐转化为 僵烧材料。在第一级中，石膏材料含有化合水，该化合水通过加热处理 被释放，并使石膏粉末自流化，从而使其能流过装置。第一级中的石膏 粉末通常被加热到形成一种半水合物产品，这出现在约121～193℃ (250°F-380°F)的温度范围内，或通常为低于204℃(400°F)。该材 料后面至少再通过一级，优选为二级或多级，从而被充分加热到形成硫 酸钙硬石膏。在后面的级中，该方法已包括加热及同时采用一种流化介 质(优选为空气)来流化该材料的步骤，从而使其能流过系统中的后续 级。然而，该材料以一种基本上由硫酸钙硬石膏组成的形式从该过程中 被回收。根据应用场合的不同，回收的硬石膏产品可以是可溶的或不可 溶的，且不可溶的硬石膏通常被称为僵烧材料。为简化起见，石膏 (gypsum)这个词在这里一般用来描述多种形式的硫酸钙，包括二水合 物(石膏)、半水合物(灰泥)和硬石膏(僵烧)。

在本发明方法的一个优选的实施方案中，该方法涉及采用三个煅烧 釜的三个煅烧石膏步骤，从而从第三个釜回收硫酸钙硬石膏。特殊地， 该方法包括首先将磨细的石膏加入第一个釜且将石膏加热到第一预定温 度，约121～193℃(250°F-380°F)，优选为约193℃(380°F)的步骤。 在这样的温度下，石膏粉末是半水合物状态的，通过反应 CaSO4・2H2O→CaSO4・�H2O+1�H2O 释放水蒸气，且充分流化该粉末， 从而使其流过处理过程。下一个步骤是将加热后的石膏从第一个釜溢流 进入第二个釜。然后，第二个釜中的材料被加热到第二预定温度且同时 在第二个釜中由一种流化介质(优选为空气)来液化。第二预定温度为 约260～426℃(500°F-800°F)，优选为约315℃(600°F)。在这样的 温度下，石膏材料将是一种具有相对较差流动特性的多相材料。然而， 在第二个釜中，用一种流化介质对石膏粉末的流化确保了它能合适地流 过该系统。然后，石膏粉末从第二个釜溢流进入第三个釜，且被加热到 第三预定温度或最终温度且同时用一种流化介质来流化。然后，石膏粉 末以一种基本上由硫酸钙硬石膏组成的石膏材料的形式从第三个釜中被 回收。在生产不可溶硫酸钙硬石膏或僵烧的方法中，第三预定温度或最 终温度应大于约482℃(900°F)，优选大于约498℃(930°F)，从而确 保僵烧材料的生产。通常，第三预定温度应在约482～704℃(900°F- 1300°F)的范围中，在本发明的一个优选实施方案中，第三预定温度约 为537℃(1000°F)。

在第二和第三个釜中流化石膏粉末的步骤包括提供一种在这些釜中 的流化装置，以流化容纳在其中的石膏材料。在一个优选的实施方案中， 流化装置包括多个混合叶片和沿着混合叶片切顶线(breaking edges)设置 的气管，用来将空气通过多个径向的口喷射进入第二和第三个釜的内含 物。优选地，混合叶片包括一对水平延伸的叶片，以及在第一和第二水 平叶片之间垂直延伸的一对对向设置、螺旋扭曲的叶片。每片螺旋叶片 包括一个前缘、一个后缘和一条切顶线，气管沿着切顶线被定位，喷射 口对准燃烧器线圈。叶片优选围绕一个中间轴布置，且一个气源可以连 接到中间轴上，然后再与沿螺旋叶片的前缘的气管相连。

在该优选实施方案中，流化装置还包括多个径向设置且沿第二、第 三釜的釜壳边缘定位的空气喷射嘴。每个空气喷射嘴包括多个空气喷射 口，且每个空气喷射嘴都与一个加压气管相连，用以将加压空气通过这 些口喷入釜的内含物中。在高温下，加压空气充分地流化磨细的石膏， 从而使其充分地流化该系统。

在一个可替换的结构中，流化装置可包括一个打了孔的筛和一个定 位在第二和第三釜的底部的编织网或垫，以及一个位于该筛和垫之下的 加压空气室，用来将空气喷射通过筛和垫且进入釜的内部。在高温下， 空气被吹入气室且通过筛和垫贯穿所有石膏材料，从而使磨细的石膏材 料能流过装置的第二、第三级。

流化装置优选以螺旋混合叶片、沿着这些叶片的前缘的气管以及多 个径向设置的空气喷射嘴的组合来形成。然而，空气喷射嘴可以用在釜 底部的一个气室和打孔的片和网来替换。流化装置还可采用许多其他形 式的装置，用来在第二、三级中当石膏粉末不能充分自流化时，对釜中 的石膏粉末进行流化或充气。

从下面的描述和附图中，其他目的、特征和优点将显而易见。

附图概述

图1为说明用于本发明的一个三级釜结构的一个侧面、部分不完全 的立面视图。

图2为一个侧面、部分剖开的立面视图，用以说明图1中的煅烧系 统的第一釜的内部。

图3为一个分解的立面视图，用来说明用于图1所示的煅烧系统的 第二、第三釜的流化装置的一个实施方案。

图4为用于图1所示的煅烧系统的第二、第三釜的流化装置的一个 可替换实施方案的一个简化的、横截的顶视图。

图5为图4所示的流化装置的一个简化的侧视图。

图6为图4和图5中所示的一个流化装置喷嘴的一个放大的剖视 图。

图7为图6所示的喷嘴的一个前剖视图。

图8为一个部分剖开的顶视图，用来说明用于图1所示的煅烧系统 的第二、第三釜的流化装置的另一个实施方案。

图9为一个部分剖开的侧视图，用以说明图8中所示的流化装置的 另一个实施方案。

优选实施方案的详细描述

参见附图，数字10通常表示用于本发明方法的一个多级煅烧系统。 在图中给出的实施方案中，多级煅烧系统10包括第一釜11、第二釜12 和第三釜13。每个釜均被设计为用于煅烧石膏，且这样的釜的许多结构 之操作上的细节已完全在共有的专利申请No.08/382,612中公开了，该申 请的申请日为1995年2月2日，题目为“连续、无耐火材料煅烧石膏的 方法和装置”，在此引入作为参考。然而，其他类型的釜当然也可使用。 本发明的方法和系统必须至少包括二级煅烧并且包括两个或更多的釜。 在图中所示的实施方案中，系统10包括三个用以三级煅烧的三个釜11 -13，并且在一个实施方案中，每个釜的高度为约1.67米(5英尺)， 直径为1.67米(5英尺)。然而，在实施本发明中，四级和五级煅烧 或者其他二级或更多级的实施方案当然也可使用，不局限于任何特定的 煅烧系统或级的数目。

参见图1，釜11-13中的每一个包括釜壳14，内部线圈类燃烧器管 组件15，和外部浸没管式燃烧器16。燃烧器管线圈15由釜壳14内的托 架17支承且以螺旋方式设置，从而均匀地加热包含在其中的石膏材料。 浸没燃烧器16是燃气燃烧器，它向燃烧管15内喷射火焰，热量在管内 上升从而使被加热的介质(典型地为燃烧气体和空气)流过管子且均匀 地加热釜壳14的内含物。这样的浸没管式燃烧器可在商业上获得，其供 货方式有许多，包括加拿大魁北克蒙特利尔的Pillard Combustion (Procedair)；伊利诺斯州Rockford的Eclipse Combustion；印第安纳州 Muncie的Maxon Corporation；及宾夕法尼亚州Lebanon的Hauck Manufacturing Co.。目前，这样的燃气浸没管式燃烧器具有约 5,000,000BTU的功率极限，且所选择的燃烧器16的具体功率将取决于 具体釜所希望的输出温度和釜的内部容量，以及其他因素。在一个实施 方案中，每个浸没管式燃烧器具有的功率为5.3mm/BTU/hr。这样的浸没 管式燃烧器16可以采用多种燃料，包括液化石油或天然气。然而，应当 避免使用象煤或油这样的燃料，因为从这样的燃料的火焰所产生的废气 会在燃烧器管15的内部留下一种不需要的内部涂层或残留物。虽然认为 使用这种燃气浸没管式燃烧器16是优选的，但也可使用其他用来循环加 热后介质，比如蒸汽、油等的热源来使加热后的介质循环通过燃烧器管 线圈15且加热釜的内含物。虽然可以使用这样的可替换热源，但这些热 源必须能获得一个大于482℃(900°F)的石膏粉末的最终温度，优选为 高于约498℃(930°F)，从而将石膏粉末转化为不可溶硫酸钙硬石膏或 僵烧。另外，虽然本发明的方法可以许多这样的无耐火材料煅烧釜一起 使用，且该方法不局限于用任一种特定的无耐火材料煅烧釜来运作。

参见图1和图2，在第一釜11的一个输入竖管(riser)19上面设置了 一个常规的进料传输机18，用来将磨细的石膏粉末20喂入第一釜11。 在第一釜11中还设置了用来混合容纳在其中的磨细石膏的混合装置，从 而在加热磨细石膏中避免了死点。在图1和2中所给出的实施方案中， 混合装置所采用的方式为一根安装在轴承21a和21b上的中间轴21，且 该轴与用来旋转轴20的一个驱动装置22相连。轴20包括多个水平延伸 的混合叶片23、24和25，用来混合容纳在第一釜11中的磨细石膏。图 1中所示的第一、第二和第三釜中的每一个均包括这样一个用来混合釜 之内含物的混合装置。然而，当然混合装置可以采用多种形式且在某些 构造中混合装置在第二、第三釜12、13中可省略或具有明显不同的结 构，这在后面将会更详细地描述。

在操作中，进料输送机18通过竖管19将磨细石膏20喂入第一釜 11，且在第一釜11中的燃烧器16和燃烧器管15将其中的磨细石膏加热 到第一预定温度。在第一釜11中，石膏被加热到约121～193℃(250°F -380°F)的温度，优选为约155℃(310°F)。这种对石膏粉末的加热 使其通过从反应 CaSO4・2H2O→CaSO4・�H2O+1�H2O 中所释放的水蒸 气而被自流化，从而使粉末能充分地流出第一釜11且通过该系统。当第 一釜11被如此加热时，所释放的水蒸气及补充的更多石膏粉末使被加热 的石膏材料通过溢流管26从第一釜11进入第二釜12。一般而言，从第 一釜11溢流进入第二釜12的材料是硫酸钙半水合物形式的。然而，为 方便起见，硫酸钙的多种形式，包括二水合物、半水合物和硬石膏，将 统称为石膏材料或粉末，以简化讨论。

当磨细石膏注入第二釜12时，在第二釜12中的燃烧器16和燃烧器 管15将容纳在其中的磨细石膏加热到第二预定温度，为约260～426℃ (500°F-800°F)，优选为约315℃(600°F)。在第二预定温度时的石 膏材料将是一种多相产物，包含非常少的化合水且具有差的流动特性， 这是由于不象在第一釜11中那样有释放出来的水蒸气。然而，正如以后 将要详细描述的那样，第二釜12设置有一个用一种流化介质、优选为空 气，来流化第二釜12中的石膏的流化装置，从而使其能流过该装置。当 在第二釜12中加热后，石膏通过溢流管27从第二釜12进入第三釜13。

磨细石膏通过溢流管27注入第三釜13，且第三釜13中的燃烧器16 和燃烧器管15将容纳在其中的磨细石膏加热到第三预定温度，约为 482～704℃(900°F-1300°F)，优选为约537℃(1000°F)。第三预定 温度应大于482℃(900°F)，优选大于498℃(930°F)，从而保证从第 三釜13中回收的石膏基本上由不可溶硫酸钙硬石膏或僵烧材料组成。然 而，第三预定温度一般不能明显超过704℃(1300°F)，否则会使硬石 膏分解成石灰。然后，从第三釜13中回收僵烧材料，这是通过将其通过 第三溢流管28溢流进入一个合适的容器来进行的。如需要，从第三釜 13回收的磨细石膏可以基本上由可溶硫酸钙硬石膏组成，并且如果需要 生产可溶性硬石膏，第三预定温度应低于482℃(900°F)。由于在第三 釜中的高温，磨细石膏将具有差的流动特征，第三釜13也设置有一个流 化装置，用来促使磨细石膏流过该装置。在第二、第三釜12、13中所设 置的流化装置可以是相通的或不同的，正如后面将详细讨论的那样。

参见图1，第一、第二和第三釜11-13中的每一个具有排料管29， 分别从一个釜底连接到溢流管26、27和28。排料管29的设置仅仅是为 了当流程被关闭时排空釜11-13，而溢流管26-28是将石膏粉末从一 个釜转移到另一个釜的基本装置。如图所示，溢流管26和27直接从第 一釜11导向第二釜12以及从第二釜12导向第三釜13，当然也可以使 用介于釜之间的其他连通方式。比如，溢流管26和27可以将料排在一 个输送机系统上，该系统再将石膏转输到后续釜的一个输入竖管上。

在第二、第三釜12和13中的流化装置可以采用多种构造形式，以 确保当被加热到第二和第三预定温度时，磨细石膏材料将流过煅烧装置 或系统10。流化装置可以包括多个不同的流化石膏粉末的装置以及它们 不同的组合。现在结合图3，图4-7和图8-9，将分别对三种不同的石 膏粉末流化方法或系统进行描述。然后描述不同流化装置的优选组合。

在图3中所示的结构中，流化装置包括一个多孔片30，一个编织网 或垫31，以及设置在第二和第三釜12及13底部的一个空气室32。多孔 片30界定了多个小孔30a，且可以用不锈钢或其他耐热材料来制造。编 织垫31是由不锈钢材料或其他耐热材料的松散编织网。多孔片30主要 起保护编织垫31的作用，即防止其由于与置于釜内或其他的元件相接触 而被撕裂或磨损。操作中，气管33被用来在编织垫31和多孔片30之下 喷射空气，且该片30和垫31保证空气均匀分布地向上通过容纳在第二、 第三釜12和13中的磨细石膏材料，从而充分地流化该材料。优选地， 喷射通过磨细石膏材料的空气在一个常规的热交换器系统中采用交换的 燃烧器废气来预加热，且该流化空气被优选加热到约93～260℃(200- 500°F)。在这样一种结构中，如前面结合图1和2中所作的描述，第二 和第三釜12和13可以包括一个混合装置。然而，混合装置优选于一个 充气装置组合起来设置，正如后面结合图8和9所示的实施方案将要进 行的更详细描述的那样。

在图4至7所示的结构中，流化装置包括多个径向的且沿第二和第 三釜12和13的釜壳14的边缘定位的空气喷嘴34。每个空气喷射嘴34 与一个加压气管35相连，且每个喷嘴34界定了多个口36，包括径向孔 36a和轴向孔36b。在所示的实施方案中，多个喷嘴34中的第一组37在 一个水平面上沿釜壳14的圆周设置，而多个喷嘴34中的第二组38则在 另一个水平面上沿釜壳14的圆周设置。两个组37和38被设置在靠近釜 壳14的底部，且在靠近釜壳14的底部处所喷射的空气有助于迫使加热 后的石膏材料向上走，从而使其能流入相应的溢流管27或28。在这样 一种结构中，第二和第三釜12和13可以包括一个混合装置，正如前面 结合图1和2所示的实施方案所描述的那样。然而，混合装置优选包括 一个充气装置，正如后面结合图8和图9所示的实施方案将要更详细描 述的那样。

在图8-9所示的结构中，流化装置包括一个混合和充气装置的组 合，其中空气喷射装置沿着混合装置的前缘设置，用来流化在第二和第 三釜12和13中的磨细石膏。在这样一种结构中，前面结合图1和2所 述的混合装置被省略了。在图8-9中所示的特殊实施方案中，混合和充 气装置的组合包括一个中间轴39，第一和第二水平叶片40和41，以及 第一和第二螺旋混合叶片42和43。螺旋混合叶片42和43在水平叶片 40和41之间垂直延伸，且一对水平支承杆44和45在中间轴39和螺旋 混合叶片42和43的中间部分之间延伸。每个螺旋混合叶片42和43具 有一个切顶线42a和43a，一个前缘42b和43b，及一个后缘42c和43c。 叶片42和43被设计成在前缘42b和43b上朝釜的中心牵拉石膏粉末， 且对着后缘42c和43c，然后到达后缘42c和43c。这样一种结构通常在 叶片42和43后面的石膏中造成空隙，且在釜中的石膏中建立了一种涡 流作用。另外，这样一个结构将石膏粉末拉离燃烧器管线圈15并使其暴 露出来，该线圈从叶片42和43径向朝外设置。优选地，喷射口48超向 燃烧器管线圈15从而当其由于涡旋作用而暴露出来时，将石膏粉末从其 上吹落，涡旋作用将粉末向釜的中心牵拉。

螺旋叶片42和43中的每一个都分别设置有沿其切顶线42a，43a的 气管46和47。气管46和47中的每一个包括多个径向导向的口48，用 来将空气喷射进入釜的内含物并将其流化。通过一根连接于轴39中的内 通道39a的管线49，加压空气被输送给气管46和47，而内通道39a通 过支承件44和45中的通道44a和45a连接到气管46和47上。虽然， 在此已展示的一个特定实施方案，即具有沿切顶线的空气喷射装置的混 合叶片，只是为了说明的目的，显然，混合叶片的结构和气管及径向导 向口的定位可以有显著的变化。

在一个优选的实施方案中，流化装置优选包括图4-7中所示的流化 装置和图8-9中所示的流化装置。具体说，第二和第三釜12和13，或 者第一釜11后的所有釜，包括沿釜壳14的边缘的多个空气喷射嘴34 以及沿其切顶线42a和43a具有喷射管46和47的混合叶片42和43， 用来将空气喷入石膏。这样一种流化装置组合保证了在第二和第三釜中 或在第一釜以后任何釜中的处理过程中石膏粉末会被优选为空气的流化 介质充分流化。然而，流化装置当然可采用多种形式，包括图3-9中所 示的不同结构的不同组合。

现在，结合图中所示的特定装置，对本发明通过煅烧石膏生产硬石 膏产品的方法进行描述。首先，磨细石膏20采用一个传输机18和输入 竖管19被喂入第一釜11，然后，磨细石膏在第一釜11中被加热到第一 预定温度，约121～193℃(250°F-380°F)，优选为154℃(310°F)。 然后，加热后的磨细石膏通过溢流管26从第一釜11溢流进入第二釜 12。在第二釜12中的磨细石膏又被加热到一个高于第一预定温度的第二 预定温度，并同时流化在第二釜12中的石膏。第二预定温度约为260～ 426℃(500°F-800°F)，优选为约315℃(600°F)，且在该温度下的 磨细石膏是一种多相产物。然后，磨细石膏通过溢流管27从第二釜12 溢流进入第三釜13。在第三釜13中的磨细石膏被加热到高于第二预定 温度的第三预定温度并同时在第三釜中被流化。第三预定温度优选高于 487℃(910°F)，优选高于498℃(930°F)，以确保从第三釜中回收不 可溶硬石膏或僵烧产品。为生产僵烧，第三预定温度应落在482～704℃ (900°F-1300°F)的温度范围内，优选为约53§℃(1000°F)。从第 三釜回收的磨细石膏基本上由以不可溶硬石膏产品或僵烧材料的形式出 现在硫酸钙硬石膏组成，或者，如需要，在第三或最终温度低于482℃ (900°F)的情况下，也可以是可溶的硬石膏。然后，回收后的材料由一 个常规的输送机或类似装置输送给常规的冷却和包装装置(未示出)。 在第二和第三釜12和13中，石膏的流化可以以多种方式来完成，且第 二和第三釜中的流化装置可以是相同的或不相同的。在优选的实施方案 中，混合和流化装置是相组合的，且混合叶片包括沿其切顶线并用来流 化釜中所含物的喷气管。另外，在优选实施方案中，流化装置还包括多 个沿釜壳14的边缘设置的喷气嘴34，从而进一步流化第二和第三釜12 和13中的粉状石膏，或者说对其进行充气。在所示的具有三个釜的一个 实施方案中，该系统被设计成具有每小时4吨的流经率，且通常为在每 小时2吨下运行。

本发明的方法提供了一种从一种煅烧方法回收主要由硫酸钙硬石膏 组成的石膏的有效、可行方法，该煅烧方法没有耐火材料上的花费。通 过在第二和第三釜，或在任何通过第一釜以后的釜中提供一个流化装 置，该方法克服了许多与现有技术中的设备有关的流化问题。

为说明的目的，已对本发明前述的实施方案进行了相当详细的公 开，当然，在不偏离本发明本质和范围的情况下，这些细节中的许多是 可以变化的。

背景及概述