稳定、冷却和干燥熟石膏的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201180039268.0 | 申请日 | 2011-08-10 | 公开(公告)号 | CN103080684A | 公开(公告)日 | 2013-05-01 |
| 申请人 | 格伦策巴赫BSH有限公司; | 发明人 | A·布罗西希; G·舍费尔; | ||||
| 摘要 | 在连续调节熟 石膏 的方法中，从上游 煅烧 设备将熟石膏以颗粒形式引入熟石膏冷却器中。在熟石膏冷却器中，首先使可溶性无 水 硫酸 钙 转 化成 半水硫酸钙并且使二水硫酸钙转化成半水硫酸钙，并且修复晶体 缺陷 。然后使熟石膏与环境空气 接触 并且通过环境空气干燥，同时间接冷却。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种连续调节熟石膏（A）的方法，从上游煅烧设备将熟石膏以颗粒形式引入熟石膏冷却器中，其中在熟石膏冷却器中，首先使可溶性无水硫酸钙转化成半水硫酸钙并且使二水硫酸钙转化成半水硫酸钙，并且修复晶体缺陷，然后使熟石膏（A）与环境空气接触并且通过环境空气干燥，同时间接冷却。 |
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| 说明书全文 | 稳定、冷却和干燥熟石膏的方法和装置[0001] 本发明涉及连续调节熟石膏的方法。 [0002] 石膏是二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）化学化合物的矿物学工艺名称。通过供应热能，1 石膏每公式单位失去其化学结合的结晶水的1/2个分子，二水硫酸钙转化成半水硫酸钙 1 CaSO4·/2H2O。 [0003] 半水硫酸钙存在两种工艺形式，尽管它们在化学矿物学上相同，但是在实践中通常以α变型（Modifikation）和β变型的形式区分。当在大气压下进行热能的供应时，则获得半水硫酸钙的β变型。β变型是熟石膏的主要组分，熟石膏作为粘合剂对于石膏泥和石膏板的制备来说具有重大意义。 [0004] 半水硫酸钙的α变型的制备从过饱和水溶液，即在酸和盐的电解质溶液中进行或者在升高的温度和升高的蒸汽压下在高压釜中进行。该反应通常使用添加剂进行，所述添加剂以期望的方式影响所产生的晶体的形态。 [0005] 本发明涉及熟石膏的稳定、冷却和干燥，目标主要是制备半水硫酸钙的β变型。 [0006] 工艺上通过供应热能除去石膏中结合的结晶水的常用手段是煅烧。 [0007] 存在不同的石膏煅烧法，根据热能的供应而分为间接煅烧法和直接煅烧法。蒸煮器和旋转管式煅烧器属于间接煅烧法的类别，其中石膏不与燃烧气体接触。如果待煅烧的石膏与燃烧气体接触，则为直接煅烧法。直接法包括研磨煅烧、在旋转管式炉中煅烧，在流管中和在相似装置中煅烧。 [0008] 根据工艺条件，来自不同煅烧法的熟石膏的性质不同。因此，在蒸煮器或旋转管式煅烧器中煅烧的熟石膏具有较高的相位稳定性。其原因是每单位时间较小的热负荷。在间接法中，煅烧石膏的时间可以持续至多数小时。而在研磨煅烧法中或者在流管中煅烧时，与燃烧气体的接触时间至多为20至30秒。直接煅烧法在工业上经常使用，因为设备更紧凑并且因此更经济，并且热效率更高。熟石膏的凝结时间也更短，这有利于石膏板的工业制造。 [0009] 制备石膏泥和石膏板期望的相是半水硫酸钙CaSO4·1/2H2O，其在工艺上在150°C至170°C的过程温度下形成。当过程温度在180°C至约300°C的范围内时，则形成可溶性无水硫酸钙（无水合物III）。可溶性无水合物不含结合的结晶水。当然，可溶性无水合物在水或甚至水蒸汽的存在下转化成半水硫酸钙。其为可逆放热反应，其中释放出210kJ至225kJ/kg半水硫酸钙的热能。 [0010] 当过程温度超过300°C时，形成难溶性无水硫酸钙。在熟石膏中不期望该相。难溶性无水合物在熟石膏的正常使用中不参与凝结过程。当然，向难溶性无水合物的转化需要热能，这对制备的熟石膏来说没有益处。熟石膏中难溶性无水合物的存在基本上意味着不经济的煅烧法。 [0011] 工艺煅烧的熟石膏很少是纯相的，而是具有至多四个硫酸钙相的组成。期望的是1 半水硫酸钙CaSO4·/2H2O相。在较大熟石膏颗粒的芯部中可以存在没有接收足够热能的二水硫酸钙（石膏）CaSO4·2H2O残留物。相反，较小熟石膏颗粒可以具有可溶性无水硫酸钙CaSO4相。熟石膏中二水硫酸钙和可溶性无水硫酸钙的存在影响熟石膏的凝结时间及其需水量。目的是消除这两个相或者至少将其稳定地降低至尽可能小的含量。 [0012] 对于熟石膏的需水量来说，在调节之前构成大部分经煅烧熟石膏的初级半水合物的缺陷的修复与可溶性半水硫酸钙的分解同样重要。产生晶内缺陷、表面缺陷以及半水合物晶体彼此之间的晶间应力或半水合物晶体与另外三个硫酸钙相之间的晶间应力。 [0013] 过去进行了大量努力使可溶性无水硫酸钙转化成半水硫酸钙。EP1547984A1中描述了一种方法，其中在旋转装置中润湿熟石膏，从而使可溶性无水硫酸钙转化成半水硫酸钙。为此引入水或水蒸汽。装置与熟石膏接触的所有外表面加热至超过100°C。无意进行熟石膏的冷却。 [0014] WO2008074137A1中也描述了引入水蒸汽从而调节熟石膏。使处于静止装置中的熟石膏与水蒸汽接触。将装置内的水蒸汽压设定为高于大气压。无意进行熟石膏的冷却和干燥。相位稳定过程不连续地进行。 [0015] 根据WO2009135688A1，在反应容器中通过引入热的潮湿气体对通过快速煅烧获得的石膏进行后煅烧，其中在反应容器中的停留时间远大于在前述快速煅烧中的停留时间。在该方法中也无意进行熟石膏的冷却和干燥。 [0016] 在前述方法中，在各个反应室中分别引入水或水蒸汽从而分解可溶性无水硫酸钙。根据WO2009135688A1的方法也是如此。其中水蒸汽当然以过热形式存在于潮湿空气中。根据煅烧法的工艺条件、石膏的纯度和表面湿度以及燃烧气体中的水蒸汽含量，潮湿气体中的水蒸汽含量至少为30%（体积百分比）。 [0017] 前述方法中均无意在根据该发明的处理之后进行干燥熟石膏的措施。即使当引入热能以干燥熟石膏时（如根据EP1547984A1的情况），如果没有可以吸收水蒸汽残留物的载体介质（例如空气），熟石膏中还会残留过热水蒸汽的残余物。当这种熟石膏在之后的输送装置中遇到温度低于水蒸汽露点的表面时，则进行不可避免的冷凝。 [0018] 存在熟石膏颗粒在这些接触表面上形成冷凝物并造成沉积的危险。 [0019] 根据上述任一方法获得的熟石膏特别用于制造石膏板。石膏板是最为推广的石膏部件。在两个纸板层之间存在完全被这两个纸板层包围的石膏芯。在石膏芯的制备过程中，熟石膏中的变动相造成变动的需水量和变化的凝结行为。除了主要组分熟石膏和水之外，在混合器中加入大量的添加剂，从而实现期望的熟石膏凝结。添加剂，例如分散剂、促进剂和延缓剂，造成期望的凝结行为。熟石膏的性质越稳定，水和添加剂的需求越小。在此，通过相位稳定的熟石膏产生极大的成本降低的趋势。 [0020] 当熟石膏和水的悬浮体的温度为35°C并且不超过40°C时，熟石膏的凝结最佳地进行。出于该原因，必须将熟石膏冷却至约80°C，从而实现最佳的悬浮体温度。 [0021] 石膏工业对熟石膏使用直接和间接冷却体系。直接冷却体系基于在流体管和流化床冷却器中与冷却空气直接接触。然而，最为推广的是间接冷却体系，其中使用旋转管式冷却器。已知在旋转管式冷却器中，除了冷却熟石膏之外还一定程度地减少可溶性无水硫酸钙。当然，几乎不发生二水硫酸钙的减少，因为在可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙的转化时释放的热能被冷却空气吸收。 [0022] 根据本发明的方法的目的在于，提供一种用于制备相位稳定的、干燥且冷却的熟石膏的方法和装置，所述方法以节能的方式经济且工艺可靠地发挥其作用。 [0023] 根据本发明，在连续调节熟石膏的方法中这样解决该目的，从上游煅烧设备将熟石膏以颗粒形式引入熟石膏冷却器中，其中在熟石膏冷却器中，首先使可溶性无水硫酸钙转化成半水硫酸钙并且使二水硫酸钙转化成半水硫酸钙，并且修复晶体缺陷，然后使熟石膏与环境空气接触并且通过环境空气干燥，同时间接冷却。 [0024] 通过本发明实现用于稳定、冷却和干燥熟石膏的连续方法，不必出于稳定的目的而引入水或水蒸汽。熟石膏的干燥也不需要额外的热能。与根据现有技术的用于获得熟石膏的装置不同，通过使从煅烧设备导出的熟石膏首先在熟石膏冷却器的第一区域中停留，在所述第一区域中发生二水硫酸钙的减少形成半水硫酸钙，其中吸收在可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙的转化时释放的热能，使得该过程不需要从外部引入热能。 [0026] 优选地，在熟石膏冷却器中引入密度为0.7至0.9kg/dm3的熟石膏。 [0027] 有利地，将熟石膏和煅烧系统携带的工艺气体一起引入反应容器中。在此，工艺气3 体优选具有0.65至0.7kg/m 的密度。 [0028] 优选地，以工艺气体在标准条件下的体积计，引入水蒸汽含量为0.25至0.40kg/m3的工艺气体。 [0029] 在此，熟石膏首先通过设置在旋转管式冷却器中的稳定区域而引入。 [0030] 有利地，熟石膏在稳定区域中停留10至15分钟。稳定区域这样构造，通过在熟石膏的流动方向上位于稳定区域下游的冷却区域中供应环境空气从而排出在稳定区域中由于熟石膏中的相变而释放的水蒸汽。 [0031] 优选地，环境空气在熟石膏上方与熟石膏的流动方向逆向流动从而吸收水蒸汽，从而保证良好的水吸收和良好的热传导。被证明特别有利的是，环境空气以小于0.1m/s的流速引入冷却区域。 [0032] 优选地，引入的环境空气通过与熟石膏接触而加热至大于80°C的温度。 [0033] 同样有利的是，环境空气在稳定区域和冷却区域之间的过渡之处在熟石膏的流动方向上逆转（即180°C逆转），并且再次从熟石膏冷却器中引出。通过流向逆转避免了环境空气在稳定区域除去水蒸汽，水蒸汽在稳定区域中对于熟石膏相的相位稳定来说是必须的。 [0034] 在冷却区域中，熟石膏首先通过引入冷却管的环境空气而间接冷却。对于间接冷却所使用的环境空气在此加热至至多100°C的温度。 [0036] 因此，根据本发明，熟石膏的相位稳定、干燥和冷却在两个区域中进行：首先在稳定区域中，可溶性无水硫酸钙通过吸收水蒸汽和释放转化热能而转化成半水硫酸钙；二水硫酸钙通过利用释放的热能而转化成半水硫酸钙，并且修复了初级半水硫酸钙的缺陷。然后通过这种方式相位稳定的熟石膏在冷却区域中与环境空气直接接触而干燥，并且与环境空气间接接触而冷却。 [0037] 根据本发明，存在于熟石膏颗粒之间的来自上游煅烧系统的工艺气体的水蒸汽促进了可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙的转化。之后，在向半水硫酸钙转化时释放的来自二水硫酸钙结合的结晶水的水蒸汽继续了可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙的转化。 [0038] 因此，熟石膏的稳定在装置的第一区域中进行。冷却和干燥在第二区域中进行。 [0039] 本发明涉及用于进行所述方法的装置。 [0040] 根据本发明，所述装置的特征在于其包括熟石膏冷却器，所述熟石膏冷却器以旋转管式冷却器的形式形成并且包括分离的稳定区域和分离的冷却区域。 [0042] 优选地，在冷却区域中设置冷却管从而在熟石膏和作为冷却空气引入的环境空气之间进行间接换热。 [0043] 被证明同样有利的是，在冷却区域中，特别是在其中轴上，设置干燥管。 [0044] 有利地，在旋转管式冷却器的前板的中间设置具有密封件的进料槽从而将熟石膏引入稳定区域。 [0046] 在此可以如下设置：通过滚珠座圈(Laufringen)和滚珠轴承(Rollenlagern)实现旋转管式冷却器的轴承结构，其中一个以固定轴承的形式形成，一个以不固定的浮动轴承的形式形成从而弥补热膨胀。旋转管式冷却器的传动例如以链式传动或齿轮传动的方式完成。 [0047] 优选地，旋转管式冷却器以3至8转/分钟旋转。根据本发明的旋转管式冷却器的设置，稳定区域和冷却区域均不需要隔热体。 [0048] 下文通过实施例详细描述本发明。附图分别显示了： [0049] 图1根据本发明的由稳定区域和冷却区域组成的具有外围设备的熟石膏冷却器，[0050] 图2在具有稳定区域的石膏冷却器的起动状态下熟石膏中的无水合物III-含量随时间的变化，和 [0051] 图3在具有稳定区域的石膏冷却器的起动状态下结晶水含量随时间的变化。 [0052] 图1中显示的熟石膏冷却器的特征主要在于，其由稳定区域2和冷却区域3组成。 [0053] 根据本发明对实践中常用的间接冷却水平旋转管式冷却器进行改进，其中合并稳定区域2。稳定区域2内部具有挡板10，使得进料的经煅烧熟石膏A不会通过捷径流向稳定区域2的出口。已知刚煅烧的熟石膏A以流化状态存在。在流化状态下，熟石膏漂浮在已经存在于稳定区域2中的熟石膏上。挡板10避免所述捷径，并且使进料的经煅烧熟石膏A与存在于稳定区域2中的熟石膏混合。 [0054] 熟石膏的具有与此相关的良好流动性质的流化状态也是为什么稳定区域2的入口处熟石膏进料槽1就已足够的原因。不需要进料螺杆。 [0055] 进料的经煅烧熟石膏A根据相位组成具有2.55至2.65kg/dm3的密度。然而，经煅3 3 烧的熟石膏A的表观密度仅为0.7至0.9kg/dm。熟石膏颗粒被具有0.65至0.7kg/m 的较小密度的工艺气体包围。工艺气体源自上游安装的煅烧系统。以工艺气体在标准条件下 3 的体积计，工艺气体中的水蒸汽含量介于0.25和0.4kg/m 之间。 [0056] 这么少量的水蒸汽足以开始相位稳定过程。不需要从外部额外供应水或水蒸汽。可溶性无水硫酸钙与存在的水蒸汽反应并且转化成半水硫酸钙。在此释放210至225kJ/kg半水硫酸钙的热能。 [0057] 稳定区域2的外壳表面不需要从外部加热，正如专利申请EP1547984B1中所建议。甚至可以避免外壳表面的隔热体。亦即外壳的内表面上温度可以低于露点，因为包围熟石膏颗粒的工艺气体具有大于70°C的露点温度。然而温度低于露点是有利的，因为加速了可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙的转化。无需担心冷凝物中的熟石膏颗粒沉积在外壳内表面上，因为旋转的稳定区域2中移动的熟石膏避免了沉积。 [0058] 二水硫酸钙至半水硫酸钙的转化热为570至580kJ/kg半水硫酸钙。可溶性无水硫酸钙至1kg半水硫酸钙的转化热能有可能使二水硫酸钙（石膏）转化成0.35至0.4kg半1 水硫酸钙。其中释放二水硫酸钙中的1/2份的结合的结晶水。仅1/2份的结合的结晶水用于可溶性无水硫酸钙的进一步转化。结晶水释放足够长的时间，直至熟石膏中的二水硫酸钙部分完全消耗。不需要从外部引入水、水蒸汽或含水蒸汽的工艺气体。 [0059] 经煅烧的熟石膏A在稳定区域2中的停留时间为10至15分钟。约运行1小时之后熟石膏的相已经被最大程度地稳定（参见图1和2）。 [0061] 熟石膏冷却器的转速介于3和8转/分钟之间。在此，稳定区域2和冷却区域3中存在的熟石膏平缓移动。由于移动造成的熟石膏颗粒之间的摩擦积极影响熟石膏的需水量。 [0062] 熟石膏颗粒的表面在煅烧之后粗糙且龟裂。在直接煅烧系统中燃烧的熟石膏的情况特别如此。在不处理颗粒表面的情况下需要更高的需水量以制备具有熟石膏的悬浮体。通过在具有稳定区域2的自转的熟石膏冷却器中熟石膏的移动和摩擦使得颗粒表面平滑。 此时分离出微细熟石膏粒子，所述微细熟石膏粒子积极影响熟石膏的颗粒分布。微细粒子占据粗大熟石膏粒子之间的空间并且因此减少用于填充间隙的需水量。 [0063] 通过特别是直接煅烧法中高的热负荷，熟石膏粒子经受张力并且具有晶间破裂。当熟石膏颗粒与水接触时，发生更强的颗粒分解，这导致更高的需水量。可溶性无水硫酸钙以及初级半水硫酸钙均遭受该破裂和缺陷。在稳定区域2中除了可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙转化之外，主要还修复在煅烧中形成的初级半水合物的晶内张力和表面缺陷。两个转化过程和晶间张力的修复一起使得颗粒分解达到最小化。 [0064] 如上文已述，通过利用可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙转化放出的热使得二水硫酸钙向半水硫酸钙相变，从而升高稳定区域2中的水蒸汽含量。除去可溶性无水硫酸钙向半水硫酸钙转化不需要的水蒸汽含量。如果过量的水蒸汽到达冷却区域3中，由于温度低于露点会在冷却管上出现冷凝物。普遍已知微细颗粒状固体与水接触会倾向于沉积在接触表面上。微细的熟石膏颗粒会吸收在表面水分中并覆盖冷却管。其结果是阻碍通过冷却管导热。 [0065] 用于干燥熟石膏的最佳载体是环境空气。干燥空气D到达熟石膏卸料斗5并且从熟石膏卸料斗5进入冷却室3。与熟石膏逆流使得干燥空气D加热至至多80°C。冷却区域3中的流速小于0.1m/s。加热的空气流有可能从熟石膏中吸收最少量的水蒸汽。干燥空气D的流向在稳定区域2的出口处180°逆转。这样确保了干燥空气D不从稳定区域2吸取水蒸汽，因为此处需要水蒸汽进行相位稳定。负载有水蒸汽的干燥空气F通过中间干燥管7到达外部滤尘器12。鼓风机13输送除尘空气F通过熟石膏冷却器和滤尘器12。通过叶轮闸门14将干燥空气F中包含的石膏粉尘送回至熟石膏冷却器中。 [0066] 为了冷却熟石膏也使用环境空气。冷却空气C被吸入设置在冷却区域3中的多个冷却管11中。通过间接换热和逆流，熟石膏将其热量释放给冷却空气C。在此冷却空气C被加热至至多100°C。加热的冷却空气C离开冷却管11到达冷却空气收集室4并在此处通过鼓风机15吸出。加热的冷却器废气E不含粉尘并且因此可以作为预热的燃烧空气引入煅烧装置中的燃烧器。 [0067] 通过起重铲（Hebeschaufeln）（未示出）从冷却区域3连续地排出相位稳定的、冷却并干燥的熟石膏B。通过熟石膏卸料斗5和外部叶轮闸门6可以从出口取出熟石膏。 [0068] 通过根据本发明的连续方法或者根据本发明的装置保证节能并且操作安全地进行相位稳定的、冷却且干燥的熟石膏的制备，并且提供具有高品质的熟石膏。 [0069] 在稳定区域2中，在石膏冷却器的起动状态下，熟石膏中的无水硫酸钙含量在1.5小时之后已经降低至小于10%（图2）的重量百分比含量，因此在连续运行中，熟石膏必须在稳定区域2中停留小于一刻钟，使得无水合物III-含量降低至该值。半水硫酸钙上结合的结晶水的含量以相应的方式平行上升（图3），所述含量同样以重量百分比计。 [0070] 附图标记列表 [0071] 1 熟石膏进料槽 [0072] 2 稳定区域 [0073] 3 冷却区域 [0074] 4 冷却空气收集室 [0075] 5 熟石膏卸料斗 [0076] 6 叶轮闸门 [0077] 7 干燥管 [0078] 8 滚珠座圈 [0079] 9 链传动或齿轮传动 [0080] 10 挡板 [0081] 11 冷却管 [0082] 12 滤尘器 [0083] 13 鼓风机 [0084] 14 叶轮闸门 [0085] 15 鼓风机 [0086] A 在旋转管式冷却器入口处的经煅烧的熟石膏 [0087] B 在旋转管式冷却器出口处的熟石膏（相位稳定、冷却、干燥）[0088] C 冷却空气 [0089] D 干燥空气 [0090] E 冷却器废气 [0091] F 干燥废气 |
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