湿法高强α-半水石膏项目工程设计概要---刘月强-石秀芹

湿法高强α-半水石膏项目工程设计概要Wetstrengthα-hemihydrategypsumProjectDesignSummary刘月强石秀芹摘要：湿法高强α-半水石膏产品以其优异性能满足广泛的高端高附加值应用，该项目工程技术的复杂性通过对总体设计的把握、细节设计的系统完善来实现；工业废渣化学石膏特别是脱硫石膏（FGD）对湿法工艺适应性好，将为项目与材料的推广应用注入新的活力。关键词：湿法高强α-半水石膏项目设计；化学石膏FGD；工程设计；工艺流程；产品研发；配方设计Abstact:Wetstrengthα-hemihydrategypsumproductwithsuperiorperformancetomeetawiderangeofhighvalue-addedapplications,thecomplexityoftheprojectengineeringthroughthegraspoftheoveralldesign,detaildesignofthesystemtoachieveperfect;specialindustrialwastechemicalgypsumisgypsum(FGD)onthewetprocessadaptability,andmaterialsfortheprojectapplicationtoinjectnewvitality.Keywords:Wetstrengthα-hemihydrategypsumprojectdesign;chemicalgypsumFGD;engineeringdesign;process;productdevelopment;formulation引言α—HH（阿尔法半水石膏），特别是湿法工艺生产的以其低混水比、高强度越来越多应用于GRG、自流平石膏、隧道加固、绷带石膏、牙科石膏、精密铸造石膏、轮胎石膏、陶瓷模具、芯模石膏、船舶电缆密封等等广泛的领域，并且以高附加值、高适应性著称。项目工程技术实现的难度以及α基料后续应用配方复杂性，让湿法工程技术走到石膏深加工领域的顶层。另外，湿法高强α—HH工艺技术除了适合处理高附加值高品位高要求的天然白膏、纤维膏外，还特别适合粉态化学石膏。近年的FGD(脱硫石膏)、磷石膏在建材领域的大量应用，为湿法高强α—HH项目工程技术推广应用注入新的活力。可以预见在不远的将来高强石膏的产品与技术会有一个量的突破、质的发展。笔者多年从事高强石膏工程设计调试、生产组织管理、产品开发等工作，近年在国内率先在天然石膏生产高强湿法阿尔法石膏基础上,融合优化国外先进技术，主导开发利用脱硫石膏、柠檬石膏、磷石膏湿法生产高强α—HH，生产线运行稳定,产品成本低、附加值高、指标先进，已大批量投放市场。现对湿法高强α—HH项目工程设计与控制节点作系统总结，与从事该行业、或正在做探索性研究的业内同行交流提高，共同推动高强石膏行业的发展。作者简介刘月强无机材料工程专业工程师长期从事湿法干法阿尔法半水石膏、化学石膏高附加值利用、纸面石膏板、石膏砌块的工程设计、调试以及高强阿尔法石膏高端产品研发工作。联系电话[phone]石秀芹无机材料工程师从事高端阿尔法石膏深加工产品研发,如牙科石膏、首饰铸造石膏、轮胎石膏、陶瓷母模、塑压石膏、航模、芯模、吸塑、琉璃、鞋模等以及其他石膏胶凝材料与专用外加剂填料研究。联系电话[phone]一、α—HH工艺技术现状简介α—HH的生产工艺分干法与湿法两种。干法比较简单，主要就是在媒晶剂条件下块膏蒸压、烘干、粉磨三个核心环节，产品特点能耗高、混水比较大、强度较低、产品用途受限；湿法工艺是典型的化工反应过程，遵循“三传一反”规律（传热、传质、传动量，化学反应），所得产品是二水石膏溶解脱水、结晶排序的后规整致密的棒状、柱状晶体，指标优越，适合作基料进行用途广泛的深度加工利用。湿法工艺也分两种，常压水煮法、加压水溶液法，前者在理论试验研究中做得较多。后者技术成熟、已实现工业化，有连续与间歇生产模式。本文主要介绍最先进的连续生产工艺的工程设计的核心内容。二、加压水溶液法工艺原理与典型工艺流程工艺原理简单地说：就是在加压加热条件下，二水石膏溶解脱水生成α—HH，由于在加压加热条件下DH（二水石膏）对α—HH过饱和度的存在，α—HH结晶析出、沉淀长大；另外在媒晶剂作用下α—HH晶体的生长过程受控，按预先设计的晶型生长成柱状、棒状，这与媒晶剂在α—HH晶面的选择性吸附、改变表面能有关。实际上α—HH微观结晶过程与影响因素是非常复杂的。典型工艺流程二水石膏破碎预磨制浆结晶沉淀固液分离均化精磨混合配料包装媒晶剂FGD等水母液回流干燥四、工程设计的核心与分项设计基本要求工艺流程确定原则工艺流程设计是湿法α—HH项目最核心最基本的部分，在此基础上对设备、控制、布置、细节模式识别评价选择，实现流程稳定运行、达到产品要求是项目工程设计最终目标。首先，应充分了解国内外、特别是国外石膏深加工基础理论及工业化技术领先的国家的技术现状，选择稳定、流行的工艺路线，了解工程实践中存在哪些问题，特别是项目调试及生产中的后续改进及其效果。其次，认真识别、评价各种工艺，在充分满足产品性能要求的基础上，按简洁稳定、有前瞻性、环保节能、循环利用等原则进行融合优化设计。对各种工艺存在的共同设计瓶颈，在项目工程技术进行突破创新设计时，必须经过充分论证后验证是可行的。除非是中试设计，可以不遵循上述原则。另，工程设计条件必须考虑国内的实际情况，如能源条件、特殊材料、核心设备、仪器仪表、控制系统国内配套能力；原则是在充分满足产品与生产线稳定运行条件下，尽量优先选国内的产品，否则有时也会因配件渠道与技术支持（如核心设备配件、仪器仪表、控制系统等）问题严重影响生产线运行。典型工艺流程与核心设备1、原材料选择与工艺适应性除不需要考虑白度的产品，高端产品如用于牙科的、绷带的、轮胎的、工艺雕塑的、铸粉，对颜色有较高的要求，特别是对于要调色的产品，白度要求≥90。这种产品的原材料要求DH%≥94(二水石膏品位)，并且不得含有泥岩等易漂浮富集的杂质。低端产品可以用品位较低的天然石膏和化学石膏，一般要求DH%≥85，并对化学石膏的含水率不作要求。因为产品生产过程是结晶浓缩工艺，杂质大量剔除，除受级配、杂质等因素影响α—HH结晶形态与高品位石膏稍有差异外，对精磨后的最终产品指标影响不大，完全可满足低端使用要求。从这方面来讲湿法工艺的适应是很强的。2、原料预处理对于块状天然石膏来讲预磨是关键工艺过程，为后续结晶工艺提供必需的颗粒级配，没有合理的级配会严重影响结晶过程和形态。最佳级配的具体要求与后续所选择的矿浆浓度、媒晶剂、反应过程参数控制都有关系，要在项目调试中预设和调整。可以从粉料的S/V,D10，D50，D90几个指标进行调整，这对磨机的选型提出了非常高的要求。一般不允许有超过0.5mm,有些工艺细的也有要求0.1mm以下的，这决定于矿浆浓度与反应速度的控制。化学石膏往往本来含湿量大且是很细的粉状，处理难度大也无必要。只是会因级配差以及颗粒形态不良会造成结晶困难，不如天然石膏效果好。常用的化学石膏主要是FGD、磷石膏、柠檬石膏。其中FGD可以直接利用，如要用磷石膏、柠檬石膏，应要对杂质处理、先做中试评价效果后才能进行项目后续工程设计。工程流程设计时为稳定结晶工艺，可以考虑原料平铺直取、机械倒仓等模式的均化过程。3、结晶沉淀湿法工艺全部的核心是二水石膏溶解脱水，半水石膏结晶析出过程，是在密闭加压加热的反应釜中完成的。反应的快速性、反应参数范围的狭窄以及对晶体尺寸控制严格要求决定了该工艺过程需要对压力、温度、媒晶剂掺量、搅拌速度进行严格控制。作为核心设备的反应釜：长径比L/D、动力与搅拌速度、扰流隔流、轴密封、供热方式、进料出料、冲洗、在线检测控制等等环节必须根据该工艺的特点进行专业的、非标的设计。关于反应釜内壁晶垢的问题结晶器内壁结晶垢是化工反应过程存在温差处常见现象，主因存在过大的过饱和度与低流区。可以改善搅拌，避免搅拌死区的出现；控制温度，防止过饱和度的过度释放。完全避免控制难度很大，必要时定期清理，清理时尽量别伤内壁，否则更容易结晶垢。生产中脱落结垢造成生产困难时通过紧急排料排出，也可在经常堵塞部分加过滤或管道破碎机。关于二号反应釜的问题有些连续生产工艺存在串联的二号反应釜，它起到储料、稳定生产线运行、少量残留二水石膏进一步反应的作用，在实际上也起减压作用。由于α—HH晶体沉淀快，二号反应釜搅拌速度设计时要高一些。关于媒晶剂选择建议在充分满足产品结晶要求前提下选择单一、添加量小、低成本、操作性好，母液储备、利用、排放后好处理的种类。工业生产毕竟与基础试验研究还是有差别。4、固液分离该工艺过程是把α—HH晶体从母液中分离出来。关键指标有含水率、物料温降、母液中残留。分离后的母液应回收利用。含水率影响后续的干燥能耗，最好≤12%，与物料晶体的S/V以及所选脱水设备相关。物料温降受脱水设备保温、脱水过程时间长短影响，该指标直接与后续干燥以及HH晶体再水化相关。母液残留α—HH的量影响产量，理论上难以分离的细小HH晶体再没有水化条件下会对正常生产过程产生某些扰动。脱水设备可以参照化工工艺中常用的如离心机等设备，但国产离心机运行的不稳定性、耐磨性差、分离效率低、含水率高是突出问题，就是选国外沉降式离心机在细节上也应作适应性改动，特别是冲洗、热风接口、进料卸料等环节。脱水设备可以说是湿法项目设备设计选型的瓶颈，物料特性对他提出了更高要求，特别在晶态波动中，小晶体的分离与及后续干燥都有难度。5、干燥针对母液中的α—HH有温降后遇水凝固变性特点，HH晶体快速分离、快速干燥的原则是项目设计必须始终坚持实现的。所有的可靠数据表明在10分钟内分离干燥完成不会对晶体最终品质造成影响，剩余的工作就是怎么去实现。这种条件要求也许选择机械搅拌条件下的气流快速干燥来完成、最终获得粉状的HH晶体是不错的选择模式。6、均化与精磨α—HH晶体生长控制是个复杂的过程，特别连续生产工艺，晶体大小、长径比L/D会有些变化，甚至周期性大幅变化，均化的目的是为了消除或降低HH晶体品质偏差，保证产品后续使用的稳定性。另，干燥后的HH晶体一般不能直接进行后续利用，必须进行精磨调整出合适的级配以适应不同的产品。精磨后混水比会有所升高但强度大幅提高。精磨设备可以选择棒磨、球磨、风扫锤磨等设备，可以满足要求。在用途对铁含量有要求时，如陶瓷模具行业，干法磨矿设备的介质种类需进行调整。7、混合、配料、包装生产出磨细的α—HH只是完成大多最终产品的基料生产阶段，后续高附加值的高端产品开发有很大的挑战性，涉及许多外加剂、填料的选择使用。为保证配方的有效性，除了对基料进行陈化外还要进一步对基料混合均化。在此基础上再进行最终产品的调整、混炼配制。基料混合要求不高，一般混合设备就可满足，但最终产品加微量外加剂配料混合必须选择混合偏差小的设备，并在生产中探索高效的混合制度，包括微量外加剂放样制度。基料与产品的包装设计考虑两各方面：收尘系统防止职业病；防潮延长产品有效时间，既包括土建标高、也涉及产品包装防潮设计（如抽真空、用防潮袋、加干燥剂措施）。控制系统设计要求以DCS、FCS为代表工业自动控制系统发展迅速，在信息集成、提高效率、稳定运行、降低人力成本、在危险区执行作业等方面发挥极为重要的作用，彻底改变着我们的工作方式、生产线运行模式。先进大规模湿法α—HH工艺是一个典型的化工反应过程，涉及几百个参数与在线测控点，没有系统完备的程序、通讯、仪表、执行器的组态控制支持，单依靠人的操作实现生产线稳定运行是不可想象的。在项目程序设计与调试中工艺与自控工程师必须实现无缝对接，工艺工程师提测控要求，自控工程师拿具体控制思路与方案。另外重视现场项目调试参数与程序的完善，做好确保生产线稳定运行的安全冗余设计，在涉及保证生产安全稳定运行的连锁程序方面给予特别的关注，如反应釜运行、关键部位冲洗、离心机干燥机运行条件等等。车间布置设计特点α—HH湿法工艺