立式蒸压釜采用水热法工艺生产高强石膏
韩灵翠1王永昌2
太原理工大化工学院太原.山西金磊石膏工艺研究所太原
摘要：目前，立式蒸压釜用于蒸压法生产高强石膏的工艺有两大缺点；一是蒸压时下部需要不断排放冷凝水，无法保障转晶剂的存在，影响半水石膏的晶体生长；二是立式蒸压釜底部没有热量提供，但热量传导是由下而上，在干燥环节，其内部上、中、下的熟石膏块干燥不均匀，严重影响质量。而用水热法工艺生产高强石膏时虽然不存在上述缺点，但其生产线投资巨大，工艺操作复杂；因此，本文作者根据上述两种工艺的优缺点扬长避短，发明了用立式蒸压釜采用水热法工艺脱石膏结晶水、干燥环节采用真空脱水的改良式“水热法”高强石膏生产工艺。
关键词：立式蒸压釜高强石膏水热法
1.立式蒸压釜的缺点
立式蒸压釜是采用蒸压法生产高强石膏的主流设备，它最大的优点是蒸压和干燥一体化、装料、卸料方便；但由于立式蒸压釜蒸压时采用上部蒸汽直接加热，下部需要不断排放冷凝水，才能使蒸压釜内的下部得到加热；因此，不断排放冷凝水的后果是转晶剂的流失，影响半水石膏的晶体生长，使其无法生产干抗压强度在25MPa以上的高强石膏。另外，由于立式蒸压釜干燥时采用釜壁加热层和釜内垂直加热管侧面间接加热，底部没有热量提供；热量传导是由下而上，在干燥环节，立式蒸压釜内部上、中、下的熟石膏块干燥不均匀，严重影响质量，以下是某公司立式蒸压釜的实测数据：
1.1基本条件
原料：雪花石膏，结晶水含量19.6%；
相应半水石膏理论结晶水含量：5.75%；
蒸压参数：0.38Mpa恒压5小时
干燥时间：第一釜16小时（晴朗天气）
第二釜21小时（阴雨天气）
1.2结晶水抽样化验结果
第一釜结晶水（%）
第二釜结晶水（%）
上部
5.5
5.85
中部
6.65
6.43
下部
6.6
1.3分析
（1）根据同一生产条件下釜内上、（中、）下部样品的结晶水测定结果，可知釜内从上至下干燥程度越来越差，上部干燥恰到好处时，但中、下部的产品湿度还很大，它们在排料后还原了成不同比例的二次石膏。
（2）根据第一釜与第二釜结晶水比例数据，可以得到在相同蒸压条件下、干燥时间延长了5小时（30%），但进一步除去水分的比例很小，说明被动蒸发干燥时，随着就熟石膏水分不断降低的干燥后期，干燥能力越来越小，同时干燥效果受天气影响很大。
1.4结论
（1）现有立式蒸压釜的蒸压操作工艺中不能添加转晶剂，从而无法提高产品的强度指标。
（2）现有立式蒸压釜结构及其相应蒸压法生产工艺中的被动蒸发干燥不能使釜内的熟石膏均匀干燥，严重影响高强石膏质量，而被动蒸发干燥的低效率则是影响生产周期的主要因素；另外，被动蒸发干燥受气温、天气温度、大气压以及釜内石膏块堆积密实度等因素的影响，也是导致质量不稳定的因素之一。
2.高强石膏水热法生产工艺简介
水热法是生产品质非常优良高强石膏的生产工艺，传统的α-半水石膏水热法生产工艺是采用粉状的生石膏（成份为二水石膏）为原料，按30%生石膏粉、70%水的比例，并添加微量转晶剂混合成生石膏粉浆液注入带搅拌装置的标准反应釜中；由反应釜壁层传递热量，生石膏粉浆液在不断地搅拌和加热下，达到℃～℃，并恒温一定时间后，脱去其中的一个半结晶水，使水中的生石膏粉转化成α-半水石膏；随后将α-半水石膏浆液注入高速离心机脱去大部分水，最后再将潮湿的α-半水石膏输送到蒸发干燥设备中迅速地将其完全干燥，成为强度很高的α-半水石膏成品。这种传统水热法生产工艺有以下缺点：（1）生产中需要反应釜、高速离心机和蒸发干燥器三种不同的设备，并需要传输设备将它们衔接，生产过程复杂、环节多，不能立刻干燥，有微量还原，影响质量；再加上高速离心机价格高昂，使整个生产线价格十分昂贵；（2）生产中生石膏比例低，需要加热大量的水，热能有效利用率低；（3）反应釜搅拌装置的动力部分在反应釜顶部的外部，搅拌轴要伸入到反应釜内部带动搅拌叶，搅拌轴与反应釜的接触必须保证密封好、不能泄漏反应釜中的高压蒸汽，还要保证搅拌轴转动灵活；从而这个部位的转动机械密封要求很高，必须能够承受高温、高压和高湿。因此，传统α-半水石膏水热法生产工艺复杂，生产线投资大、能耗高，生产成本高。
3.用立式蒸压釜采用水热法工艺生产高强石膏
3.1用立式蒸压釜采用水热法工艺简介
由于立式蒸压釜造价低，维护简单，而用水热法工艺生产的高强石膏强度高；因此，我们根据上述两种工艺的优缺点扬长避短，发明了用立式蒸压釜采用水热法工艺生产高强石膏（发明专利申请号：.8）；具体方法是：
（1）将块状（粒径为30㎜～50㎜）的生石膏从顶部加料口装入具有导热壁层的立式蒸压釜中，其中装入的生石膏及其间隙占立式蒸压釜90%～95%的容积；
（2）从立式蒸压釜顶端注入含有转晶剂的水，并淹没生石膏块，密闭立式蒸压釜，通过立式蒸压釜壁层对其内部的水进行加热；加入立式蒸压釜中的水淹没生石膏后关闭加料口使立式蒸压釜密闭；
（3）不断加热，使立式蒸压釜内部的水升温至℃，并恒定温度保持4小时；在上述升温和恒温过程中，从水温达到℃时开始，每隔15分钟，从立式蒸压釜底部打开进汽阀，通入压力为0.5Mpa-0.6Mpa的蒸汽5分钟，通汽5分钟后停止蒸汽通入；从立式蒸压釜底部通入0.5Mpa-0.6Mpa的蒸汽，是用于克服立式蒸压釜内水的上热下冷现象，使设备内水温均匀；但是，由于从下部通入蒸汽时会引起立式蒸压釜的振动，因此本发明的核心内容之一是如何克服立式蒸压釜从下部通入蒸汽时它所产生的振动；
（4）恒温之后，生石膏脱去一个半结晶水，生成浸泡在水中的α-半水石膏块，停止通汽，完全打开立式蒸压釜顶部的排汽阀，排汽降压，同时打开立式蒸压釜底部的排水阀，直至排尽立式蒸压釜内的水和蒸汽。
（5）继续加热并打开顶部加料口，加热直至立式蒸压釜内的α-半水石膏块完全干燥；继续加热并打开加料口是使石膏块附着水分被蒸发干燥的同时、有大的排放水蒸汽通道。
（6）停止加热，打开立式蒸压釜底部的排料口，获得干燥的α-半水石膏块，然后进行粉磨成为成品。
3.2本发明相对于传统水热法工艺的优点
（1）石膏的脱水反应和干燥两个工艺环节是在同一个设备内进行，使整个生产工艺简洁，也避免了反应好的α-半水石膏在输送到干燥设备的过程中半水石膏在有水的环境下会还原成二水石膏的还原现象、而影响产品质量；
（2）石膏的脱水反应和干燥两个工艺环节是在一个设备内进行，反应与干燥两个工艺环节之间不需要输送设备，也不需要价格高昂的高速离心机，使相同产量生产线的造价降低；
（3）立式蒸压釜简单，主要就是一个压力容器，使其内部水温均匀的是创新工艺而不是采用机械搅拌系统，没有机械损耗、故障少，生产效率高；
（4）将立式蒸压釜的顶部进蒸汽改为从底部进蒸汽，这样热能就能够从下向上加热整个立式蒸压釜内部，不需要排放冷凝水，克服了转晶剂的流失，从而使转晶剂与石膏块发生作用并且十分均匀；这个发明的成败关键是如何控制从蒸压釜底部进汽过程所引起的立式蒸压釜震动问题，而这是事关生产安全的重大问题。
（5）立式蒸压釜内加水少，热能绝大部分提供给了石膏，有效热能利用率高。
3.3本发明相对于传统水热法工艺的不足之处
由于本发明的原料粒径相对于传统水热法的较大，因此α-半水石膏的结晶程度相对较差，从而本发明生产出来的高强石膏强度介于传统水热法和蒸压法之间。
4.立式蒸压釜干燥不均匀问题的解决方案
立式蒸压釜干燥不均匀问题的解决方案是将传统高强石膏蒸压法生产工艺中的被动干燥改进为真空干燥（发明专利申请号：.8），它具有以下优点：
4.1减少干燥时间，提高设备周转率
高强石膏的生产周期是蒸压时间和干燥时间之和，其中蒸压时间仅为干燥时间的四分之一，并且为了保障二水石膏全部脱去一个半结晶水是不能减少蒸压时间的；而干燥时间占整个生产周期的75%，因此减少干燥时间是提高设备周转率、提高产量的根本因素，高强石膏生产工艺中采用真空干燥可以通过以下几方面减少干燥时间：
（1）将传统工艺中被动的水蒸气排放改为主动抽取水蒸气，可以加快排汽速度，即加快干燥速度，减少干燥时间、提高工作效率；如同房间安上排风扇，能够快速排出房间内的空气。
（2）高强石膏生产热源基本上都采用蒸汽，而蒸汽的热焓主要集中在汽化热上，换热温度低；将原来的常压蒸发干燥改进为抽汽真空干燥，即在干燥时使蒸压釜内呈现一定的真空状态，能够降低水的蒸发温度，加大物料与热源的温差，从而加快热源热焓的传导速度（如同冬天开水凉的快，夏天开水凉得慢的原理），提高物料热能补充速度，加快水份的蒸发，减少物料干燥时间。
（3）高强石膏生产周期中的干燥时间特别长，是由于蒸压釜排出蒸汽后，反应好的半水石膏块内部还存在着大量的水分，即二水石膏脱去的结晶水所转化成的液态水仍保存在石膏内部，而这部分水占干燥水分总量的80%左右；采用真空干燥，就可以加大设备内与半水石膏块内部的压力差（石膏块内因受热超过°C以上，形成一定的蒸汽压力）；这样设备内与半水石膏块内部的压力差加大后，就会加快蒸汽从半水石膏块内的溢出速度，从而减少了干燥时间；如同水压（落差）大，水的流速就快。
这时如果用热风干燥、热风会只能带着极少量的水蒸汽排出，大部分还是干热风就被排出，从而浪费大量的热能；可以做以下验证：蒸压好的石膏块立即取出一块来，用吹风机（理发用的即可）吹干表层后，砸开就可以看到内部有大量的水分。
4.2降低生产能耗
高强石膏生产原理是二水石膏加热脱去一个半结晶水并再干燥，因此它的生产能耗中热耗占90%左右；而能耗又是影响高强石膏生产成本的重要因素之一，降低热耗不仅事关高强石膏的成本，而且事关是否符合节能减排政策的约束性要求。高强石膏生产工艺中采用真空干燥可以通过以下几方面减少热耗和提高热源利用率：
（1）真空干燥是在一个全密闭的环境，采用管道抽汽，进行的是一个单向运动，抽排出的只可能是水蒸汽，没有冷热空气交换；因此，热源热焓传导到设备内的热能全部作用于物料本身，热传导效率理论上是%，没有热能损失。
（2）设备内部形成一定的真空度后，半水石膏块的蒸发温度下降；例如下降为90°C，这样就能够充分利用°C时的蒸汽气化热，从而提高热能利用率。
3.3即时量化监控干燥程度，避免次品出现
自然排放水蒸汽时，生产环境（温度、大气压、湿度等）都会影响水蒸汽的排放速度，从而影响干燥时间；传统工艺是高强石膏产品排出设备后，再测定它的干燥程度，这需要较长的化验时间才能测定出——产品是正好、还是过烧或欠烧；最后才能进行反馈，保持或调整干燥时间；而采用真空干燥，其过程的抽汽量可以随时监控，从而即时量化监控干燥程度（蒸压并减压完成后，半水石膏块的含水量基本上是恒定的），避免次品出现。
5.真空干燥的实证检验结果
由于使α-半水石膏生产设备中的真空度越高，其消耗的电能越大；因此，要根据生产设备中不同真空度的耗电量、生产热源温度、降低生产设备内物料蒸发温度后所提高的生产热源热效率（即热能的节约量）和降低蒸发温度后所提高的生产效率这四方面因素，选择出合理的真空度范围，从而才能真正地减少α-半水石膏的生产时间，提高生产效率，增加产量，降低生产能耗和成本。上述实验有不同的真空度、干燥时间内的真空度变化、热源种类、热源温度等四个基本变量，每个变量又分若干个档次，可以根据组合统计出其需要上百次的实验次数；而每次实验完，其样品还要按照α-半水石膏的产品标准（JC/T—)，检测标准稠度、初凝、终凝、两小时抗压和抗折强度、24小时抗压和抗折强度；最后还要进行一系列的成本核算，才能选择出产品质量与成本的性价比最好工艺参数范围。
作者给立式蒸压釜安装了真空干燥系统后（每台蒸压釜需要投资一万元左右），经多次试验和调试后，最后确定了真空干燥的各项工艺参数，连续蒸压三釜，获得以下半水石膏成品的结晶水抽样化验结果：
上部结晶水
中部结晶水
下部结晶水
均化后结晶水
第一次
5.55%
5.77%
5.80%
5.79%
第二次
5.45%
5.61%
5.79%
5.62%
第三次
5.84%
5.84%
5.84%
5.74%
上述检测结果说明，传统高强石膏生产工艺的被动干燥改进为真空干燥后，可以保证蒸压釜内部上中下干燥均匀、实测均化后的半水石膏结晶水与相应理论结晶水含量（5.75%）相差很小，完全可以精确控制半水石膏的纯度为%，没有微量的二水石膏，从而使熟石膏质量最好、生产周期最短和生产能耗最低；其技术核心是各项工艺参数（抽气量、抽气时间、抽气周期）要根据热源温度与釜内温度和真空度进行匹配。另外，这种干燥工艺也可用于脱硫石膏生产高强石膏生产中。
6.结论
在高强石膏不同强度级别中，市场需求量最大的是用于建筑材料的、干抗压强度在30MPa～40Mpa的高强石膏，其中经济效益、环境效益最好的是生产用于可代替水泥砂浆找平的自流平石膏；而作者就是根据上述两种工艺的优缺点扬长避短，发明了用立式蒸压釜采用水热法工艺脱石膏结晶水、干燥环节采用主动的真空脱水的改良式“水热法”高强石膏生产工艺，生产出的高强石膏干抗压强度在30MPa～45Mpa这个范围内，不仅能够解决原来工艺中的产品质量不稳定问题，还能在大大降低各项成本的基础上，使高强石膏的强度向传统水热法靠近，是一项具有非常有市场前景的生产工艺。
文章来源：中国建筑材料联合会石膏建材分会第五届年会暨第九届全国石膏技术交流大会及展览会
