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高强石膏的生产工艺及其能耗比较
韩灵翠王永昌
（太原理工大学，太原）
摘要：用高强石膏胶凝材料代替水泥砂浆的部分用途是我国碳减排的重要途径，它已在和将在我国应对气候变化的政策和立法中体现。而由于高强石膏生产过程是加热脱去石膏中的一个半结晶水，生产能耗中热耗占90%以上，能耗的计算就基本上是热耗的计算，而能耗又是影响高强石膏生产成本的关键因素；因此，半水石膏生产热耗的计算是设计其低成本生产工艺与设备的理论基础，本文就是对可采用蒸汽做热源的全部五种半水石膏生产设备的热耗进行了计算和比较。
关键词：高强石膏；热耗；蒸汽
1.计算半水石膏生产热耗的基本参数
（1）根据环保和节能要求，半水石膏的生产设备应以蒸汽为热源，因为大型锅炉的热效最高（按85%计），且脱硫石膏的排放企业基本上都具备提供蒸汽的条件；
（2）二水石膏均以品位%考虑，其中天然石膏不含附着水，而脱硫石膏含10%的附着水；由此而得生产一吨半水石膏需要1.吨天然石膏或1.吨脱硫石膏；
（3）生产一吨半水石膏需蒸发结晶水kg，若是脱硫石膏还要再蒸发kg的附着水，即一共需要蒸发kg水；
（4）石膏的比热和分解热分别为0.26kcal/kg、22.7kcal/kg，水的比热为1kcal/kg，℃时水的蒸发热焓为kcal/kg；
（5）℃时水的热焓值为kcal/kg，℃饱和蒸汽（压力为1.5Mpa）的热焓值为kcal/kg；
（6）β-半水石膏(即建筑石膏)的生产工艺是先干燥后煅烧，设定煅烧温度在℃；
（7）α-半水石膏(即高强石膏，JC/T—)的生产工艺是先蒸压（煮）脱结晶水、后干燥，设定蒸压和干燥温度均为℃；
（8）以下计算均未考虑生产设备通过保温层向外散热的热耗；
（9）以下的计算过程中省略了单位。
2.生产半水石膏的理论热耗计算
2.1以天然石膏为原料转化为半水石膏（每吨）的理论热耗
原料蓄热：原料重量×石膏比热×原料升温差值
＝1×0.26×（-20）＝（kcal）
石膏分解热：原料重量×石膏分解热
＝1×22.77＝（kcal）
水蒸发热：结晶水蒸发重量×℃时水的蒸发热焓
＝×＝（kcal）
理论热耗：原料蓄热+石膏分解热+水蒸发热
＝++＝（kcal）≈15.7万kcal
2.2以脱硫石膏为原料转化为半水石膏（每吨）的理论热耗
原料蓄热：（石膏重量×石膏比热+附着水×水比热）×原料升温差值
＝(1×0.26+×1)×（-20）＝（kcal）
石膏分解热：原料重量×石膏分解热
＝1×22.77＝（kcal）
水蒸发热：结晶水和附着水的蒸发重量×℃时水的蒸发热焓
＝(+)×＝（kcal）
理论热耗：原料蓄热+石膏分解热+水蒸发热
＝++＝（kcal）≈23.2万kcal
2.3建筑石膏的理论生产热耗计算
理论生产热耗＝理论热耗÷生产设备热效率÷热源热效率
如果采用蒸汽做热源，则消耗蒸汽热值＝理论热耗÷生产设备热效率；
或，消耗蒸汽重量
＝理论生产热耗÷热源蒸汽与℃水的热焓值差；
2.4降低半水石膏生产热耗的途径
（1）降低理论转化热耗的途径
根据原料蓄热、石膏分解热和水蒸发热在理论热耗中的比例，可以得出水蒸发热占理论热耗的68%（脱硫石膏），而水蒸发的热耗在常压下是恒定的；因此，要想降低水蒸发热耗只能选择合适的低压生产条件和及时地将水蒸汽排出；而对于石膏分解热，可采用催化剂来降低热耗及分解温度，并同时降低原料的蓄热温度和蓄热值。另外，降低高强石膏或纤维石膏生产热耗思路亦是如此，不过所用催化剂还应有促进半水石膏晶体按照所需的方向生长，并能减少生长时间的功效。
（2）降低理论生产热耗的途径
采用大型蒸汽锅炉和调整生产设备的传热方式。
3.沸腾炉生产建筑石膏的热耗计算
3.1沸腾炉简介
它是一个立式直筒状容器，在底部装有气体分布板，工作时使气流从底部均匀进入，炉膛内装有大量的加热管，管内介质为饱和蒸汽或导热油，石膏颗粒进入炉膛后，遇热呈流态状，同时热量通过管壁传递给管外处于流态化的石膏粉，使之沸腾脱水分解；本身的热效率在95％以上。由于沸腾炉内没有强制性的搅拌装置，有限的气流无法将成团的湿料吹散，原料中附着水不能过高，一般控制在5％以内；因此，对于煅烧附着水10%左右的脱硫石膏，需要另加一套烘干装置；同时由于脱硫石膏粒径远小于天然石膏，有的未烧熟就被吹出来了，使生产出的建筑石膏的凝结时间很不稳定，从而需要多增加几个均化仓，对仓里的建筑石膏不断的倒仓均化，这样才能使产品质量稳定。
3.2以天然石膏为原料的沸腾炉（每吨）生产热耗计算
以天然石膏为原料的沸腾炉生产热耗＝15.7万kcal÷0.95÷0.85
＝19.44万kcal＝27.8kg标煤
如果直接采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，以天然石膏为原料的沸腾炉消耗蒸汽热值＝15.7万kcal÷0.95＝16.5万kcal；即，消耗蒸汽重量＝16.5万kcal÷(－)kcal/kg＝kg
说明：上式中的(－)kcal/kg＝kcal/kg是每公斤℃饱和蒸汽在放热至℃冷凝水过程中所释放出的热焓值。
3.3以脱硫石膏为原料的沸腾炉（每吨）生产热耗计算
沸腾炉生产热耗＝23.2万kcal÷0.95÷0.85
＝28.7万kcal＝41kg标煤
采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，以脱硫石膏为原料的沸腾炉消耗蒸汽热值＝23.2万kcal÷0.95＝24.4万kcal；即，消耗蒸汽重量＝24.4万kcal÷kcal/kg＝kg
4.蒸汽回转窑生产建筑石膏的热耗计算
4.1蒸汽回转窑简介
回转窑内设有许多内管，管内通热蒸汽或导热油，原料在窑内间接受热，料在窑内停留时间较长，属低温煅烧，产品质量均衡稳定；窑内原料与热源管道为接触式热传导，热效率为80%～90%；日本的部分公司采用此法煅烧天然和脱硫石膏。
4.2以天然石膏为原料的蒸汽回转窑（每吨）生产热耗计算
以天然石膏为原料的蒸汽回转窑热耗＝15.7万kcal÷0.85÷0.85
＝21.7万kcal＝31kg标煤
直接采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，以天然石膏为原料的蒸汽回转窑消耗蒸汽热值＝15.7万kcal÷0.85＝18.5万kcal；即，消耗蒸汽重量＝18.5万kcal÷kcal/kg＝kg
4.3以脱硫石膏为原料的蒸汽回转窑（每吨）生产热耗计算
蒸汽回转窑生产热耗＝23.2万kcal÷0.85÷0.85
＝32.1万kcal＝45.9kg标煤
采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，以脱硫石膏为原料的沸腾炉消耗蒸汽热值＝23.2万kcal÷0.85＝27.3万kcal；即，消耗蒸汽重量＝27.3万kcal÷kcal/kg＝kg
5.蒸压釜（“蒸压法”）生产高强石膏的热耗计算
5.1蒸压釜（“蒸压法”）简介
蒸压釜是一种标准的压力容器，有立式的和卧式两种，可直接通入蒸汽或热空气，也可以外部对其加热或内部设置加热管；以天然石膏为原料生产高强石膏时，是将破碎好的小块状原料装入其内，然后通入蒸汽进行蒸压，待二水石膏脱去一个半结晶水后，放掉蒸汽，再对原料结晶水转化成的液态水、以及原料上的蒸汽冷凝水（约为原料重量的10%）进行干燥；直至完全干燥成块状的高强石膏。如果是采用脱硫石膏为原料生产高强石膏时，则首先需要将粉状的脱硫石膏加粘合剂压成块状，然后重复上述生产过程。
在上述蒸压过程中，由于是在密闭条件下蒸汽直接与石膏换热，因此这个工艺环节的热效率是%；而在干燥工艺环节时，是采用空气对流干燥和接触式干燥的混合形式，前者热效率只有30%～40%，后者热效率为80%～90%；因此，传统蒸压工艺的干燥综合热效约为60%。
5.2以天然石膏为原料蒸压釜（“蒸压法”）生产高强石膏的热耗计算
根据高强石膏生产工艺，生产高强石膏需要多蒸发约占原料10%重量的、由热源蒸汽附着在原料表面所形成的蒸汽冷凝水，而原料蓄热和石膏分解热没有变化。因此，以天然石膏为原料蒸压釜生产高强石膏的（每吨）热耗计算如下：
水蒸发热：(+)×÷0.6(干燥热效)＝（kcal）
总热耗:＝(＋＋)kcal÷0.85(热源热效)
＝32.5万kcal÷0.85＝38.2万kcal＝54.6kg标煤
采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，以天然石膏为原料的蒸压釜消耗蒸汽热值＝32.5万kcal；即，消耗蒸汽重量
＝32.5万kcal÷kcal/kg＝kg
5.3以脱硫石膏为原料蒸压釜（“蒸压法”）生产高强石膏的热耗
由于蒸压法生产高强石膏的原料必须是块状的，而脱硫石膏是粉状的，生产高强石膏时必须将脱硫石膏添加粘合剂压制成块状；之后，其生产过程与天然石膏相同，因此压块后的脱硫石膏生产高强石膏的热耗与天然石膏为原料时相同；不过这种生产工艺用脱硫石膏做原料时，生产成本高，这是因为脱硫石膏压制成块状成本高，特别是其中添加的粘合剂成本较高。
5.4立式蒸压釜生产高强石膏的重大缺陷
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无法在原料中添加转晶剂，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，而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）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）
（2）结晶水抽样化验结果
（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。
（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。
5.4立式蒸压釜生产高强石膏的缺陷完善
本文作者根据上述蒸压法和水热法的优缺点扬长避短，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（发明专利申请号：.8），完全解决了上述问题，主要有以下优点：
（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。
（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）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。
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.反应釜（“水热法”）生产高强石膏的热耗计算
6.1反应釜（“水热法”）简介
反应釜是一种标准的化学反应常规压力容器，内部有搅拌叶，内壁通过蒸汽或导热油被加热，釜内原料是液态的；用于生产高强石膏时，粉状的石膏和水的比例大致为1:2，二水石膏在℃的热水中受热脱去一个半结晶水；然后将高强石膏浆液排出反应釜,先用机械方法脱去其85%～90%的水分，最后再用蒸发干燥的方式将其干燥成为高强石膏。
由于反应釜是压力容器全密闭，热源传导到反应釜内的热能基本上没有损耗；而机械脱水不需要热能，只需要电能；最后的干燥一般需要采用干燥速度快的气流蒸发干燥，其热效为70%～80%。
6.2反应釜（“水热法”）生产高强石膏的（每吨）热耗计算
使用这种工艺，无论天然石膏还是脱硫石膏都还要另加大量的水（两倍以上）；因此，用天然石膏或脱硫石膏生产高强石膏的热耗是相等的。
根据上述基本参数
原料蓄热：(1×0.26+×1)×（-20）＝（kcal）
石膏分解热：1×22.77＝（kcal）
水蒸发热：×÷0.75(干燥热效)＝（kcal）
“水热法”总热耗
＝(＋＋)kcal÷0.85(热源热效)
＝35万kcal÷0.85＝41.2万kcal＝58.8kg标煤
采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，“水热法”消耗蒸汽热值为35万kcal，消耗蒸汽重量＝35万kcal÷kcal/kg＝kg
7.压力炒锅生产高强石膏的（每吨）热耗计算
7.1压力炒锅简介
由于脱硫石膏是粉状的，因此适合用块状天然石膏生产高强石膏的“蒸压釜”不能照搬；根据脱硫石膏的粉状特点、并结合高强石膏生产工艺，以及热源蒸汽的特点，发明了“工作压力可调的熟石膏生产方法和装置”，它是将原来的常压蒸发干燥改进为抽汽负压干燥，即在干燥时使生产设备内呈现负压状态，降低了水的蒸发温度，同时加大了蒸发温度与热源的温差，从而使热源蒸汽加快了其热焓的释放速度，减少了原料干燥时间，并充分地利用了蒸汽热能；因此，发明设计了专门用于脱硫石膏生产高强石膏的“压力炒锅”；它是一种内部带有搅拌叶、外层是蒸汽加热夹层的、密闭的压力容器；粉状的脱硫石膏和转晶剂装入其中，利用脱硫石膏的附着水在加热后产生饱和蒸汽，形成高强石膏的生产条件；而搅拌叶不断地将脱硫石膏搅拌，使其均匀受热和脱结晶水，之后再将其中的水蒸汽（由脱硫石膏的附着水和结晶水产生）排放；整个生产过程全密闭，没有冷热空气对流，干燥时采用管道抽汽，排出的全是水蒸汽。根据能量守恒定律，热源热焓传导到“压力炒锅”里的热能全部作用于原料本身；由此可见，这种工艺和设备的热效率基本上是%（计算时按98%）；同时，创新工艺与传统蒸压工艺相比，它减去了干燥、压砖、蒸压反应后的再破碎这些往复工艺过程，即与传统工艺相比减少了生产工艺环节和设备投资，又降低了生产能耗和加快了生产效率；目前，已利用这项生产工艺和相应设备，以脱硫石膏为原料生产出了合格的高强石膏。
7.2压力炒锅生产高强石膏的（每吨）热耗计算
根据上述基本参数
原料蓄热：(1×0.26+×1)×（-20）＝（kcal）
石膏分解热：1×22.77＝（kcal）
水蒸发热：(+)×÷0.98(干燥热效)＝（kcal）
“压力炒锅”总热耗
＝(＋＋)kcal÷0.85(热源热效)
＝23.55万kcal÷0.85＝27.7万kcal＝39.6kg标煤
采用电厂℃的饱和蒸汽做热源，“压力炒锅”消耗蒸汽热值
＝23.55万kcal；即，消耗蒸汽重量＝23.55万kcal÷kcal/kg＝kg
8、不同半水石膏生产设备生产热耗的比较
8.1以天然石膏为原料,热源均采用电厂℃的饱和蒸汽
8.2以脱硫石膏为原料，热源均采用电厂℃的饱和蒸汽
说明：（1）高强石膏生产周期较长；因此高强石膏生产设备通过保温层释放的热能较多些；（2）沸腾炉所用原料的附着水须小于5%。
8.3热耗的比较与分析
（1）生产建筑石膏时，以脱硫石膏为原料的生产热耗比天然石膏的高48%左右，这是因为生产建筑石膏则不需要加水（或水蒸汽）,只需蒸发石膏中的结晶水，干燥量少；（2）以脱硫石膏为原料时，生产高强石膏(蒸压法)的热耗高于建筑石膏33%，并且石膏含附着水越高，高强石膏与建筑石膏的生产热耗差别比例越小（其中创新工艺的热耗低于生产建筑石膏的）；这是因为高强石膏的生产必须在有水（或水蒸汽）的条件下，而脱硫石膏本身含有附着水，从而使生产高强石膏和建筑石膏的总干燥量相当。
8.4理论生产热耗与实际生产热耗的比较
由于沸腾炉是使用最多的建筑石膏生产设备，特别是采用导热油为传热介质的沸腾炉统计数据完整；因此，以沸腾炉为例，对每吨半水石膏计算出的理论生产热耗与实际生产热耗的进行比较：导热油锅炉的热效为70%～80%，按热效75%考虑时，它计算出的理论生产热耗为15.7万kcal÷0.95÷0.75＝22.万kcal；而产量12t/hr沸腾炉，实际生产中热耗约为22万kcal，两者误差非常小。
9.结束语
脱硫石膏建材产品是世界上真正意义上的绿色建材：首先，高强（脱硫）石膏砂浆的碳排放同比水泥砂浆，仅为后者的五分之一，能耗也只有后者的60%，无疑是属于低碳产品；其二，脱硫石膏建材如果是纯石膏建材制品还能再循环利用，这说明脱硫石膏建材产品又是循环利用的产品；其三，石膏产品具有消磁、消声、调光、调温、隔热、防火、抗静电的性能，是典型的生态产品；这在发达国家已完全普及，已有上百年的历史，应用范围广，应用技术全面，已经形成完整的绿色环保建材应用体系；而我国在建筑物内部墙面使用石膏砂浆（粉刷石膏）正处于前期发展阶段，建筑物内地面使用的石膏砂浆（自流平石膏）则尚未产业化。
在节能减排、应对气候变化的大背景下，我国“十二五”已经规划：能耗总量和用电量双控制、碳减排为约束性指标、实施碳税、资源税和碳交易、以及要求平均每年最低工资上涨13%，这一切都为脱硫石膏生产高附加值、销售半径可达公里的高强石膏及其延伸产品（自流平石膏、高强石膏保温板等）提供了非常难得的市场机遇和政策环境，用脱硫石膏生产高强石膏代替水泥的部分用途是发展低碳经济和循环经济、建设资源节约型社会的重要组成部分；根据上述不同半水石膏生产设备的对比，压力炒锅尽管与生产建筑石膏的热耗相当；但却生产的是强度高于建筑石膏两倍以上的高强石膏，它一吨能抵两吨建筑石膏用，附加值更高、用途更广。
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
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