СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛЬЦИНИРОВАНИЯ ГИПСА ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2014 года по МПК C01F11/46 C04B11/02 C04B11/28 B01J8/24 B01J3/00 

Родственная заявка

В данной заявке заявлен приоритет согласно 35 USC 119(е) предварительной заявки US №61/029,725, поданной 19 февраля 2008 г, и предварительной заявки №61/107,901, поданной 23 октября 2008 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Описаны улучшенные методы и оборудование для кальцинирования дигидрата сульфата кальция (иногда известного как гипс или натуральный гипс в форме, которая встречается в природе, как сингип, в синтетически полученной форме, или под химической формулой CaSO₄·2H₂O) до, в основном, альфа типа полугидрата сульфата кальция (CaSO₄·½H₂O[альфа тип]).

Уровень техники

Гипс и композиции и соединения на основе сульфата кальция применяют в широком разнообразии отраслей промышленности, включая строительную промышленность. Дигидрат сульфата кальция является минералом, который встречается в природе, который может быть добыт.Дополнительные источники дигидрата сульфата кальция включают синтетический гипс, полученный путем десульфуризации газообразного продукта сгорания в электростанциях на твердом топливе (гипс FGD) и различные источники повторно используемого гипса, такого, как повторно используемая сухая штукатурка и гипс, восстановленный из отливок или матриц.

Для придания гипсу полезности в качестве строительного материала, он может быть кальцинирован или нагрет до частичной дегидратации до альфа и бета форм полугидрата сульфата кальция. Дегидратация или кальцинирование сырого гипса до полугидрата сульфата кальция может быть представлено следующей формулой:

CaSO₄·2H₂O+ нагревание→CaSO₄·½H₂O+3/2H₂O

Кальцинирование представляет собой процесс, при котором дигидрат сульфата кальция превращается в полугидрат, растворимый ангидрид и/или нерастворимый ангидрид. Для кальцинирования гипса может быть использован ряд различных методов. Кальцинирование может быть выполнено, например, путем термической сушки при высоких температурах, тепловой обработки в больших котлах, нагревания в печах или барабанных печах, использования пара или тепловой обработки в водных суспензиях. Такие различные методы могут привести к получению продуктов сульфата кальция с широким диапазоном композиций и свойств, но, в общем, образуются два типа полугидратов: тип альфа-полугидрат и тип бета-полугидрат.

В процессе, обратном процессу кальцинирования, описанному выше, полугидраты растворяют в воде, пока они не станут насыщенными, а растворимые полугидраты экзотермично снова превращают в менее растворимый дигидрат, который осаждается из раствора, таким образом, дополнительно запуская следующую реакцию:

CaSO₄·½H₂O+3/2Н₂О→CaSO₄·2H₂O+ тепло

Поскольку количество получаемого дигидрата возрастает, гипс схватывается. После схватывания гипса может быть выполнено измерение выделяемого тепла, представленное постепенным возрастанием температуры суспензии.

Были осуществлены способы повышения термической эффективности кальцинирования полугидрата, но они типично основаны на применении агента аридизации, такого, как растворяющаяся соль CaCl₂, понижающая температуру кальцинирования. Однако применение CaCl₂ в качестве добавки лучше подходит для периодических процессов, чем непрерывных процессов. Дополнительно, добавление соли может быть пагубным для характеристик сухой штукатурки, таких, как пластическая деформация и связывание бумаги и гипсовой основы.

Альфа и бета полугидраты можно отличить один от другого по количеству воды, необходимому для получения разливающейся суспензии с тонкоизмельченным порошкообразным полугидратом. Альфа полугидрат сульфата кальция, также имеющий название альфа-полугидрат, требует менее чем, приблизительно 50 мл на 100 г штукатурки, в то время как бета полугидрат сульфата кальция, также имеющий название бета-полугидрат, требует значительно больше воды, обычно более чем 70 мл на 100 г штукатурки. Такое количество воды известно как "водопотребление". Высокое водопотребление, которое иногда отображают как соотношение вода/штукатурный гипс (W/S), является менее эффективным с точки зрения производства сухой штукатурки, поскольку необходимо большее количество энергии для удаления избыточной воды в процессе высушивания панели. Большая часть энергии состоит в повышенной стоимости топлива. Традиционный бета-полугидрат является более пористым и имеет соотношение W/S в диапазоне 0,7-0,8, в то время как альфа-полугидрат имеет соотношение W/S в диапазоне 0,32-0,45.

Альфа и бета формы полугидратов также отличаются по кристаллической форме и плотности. Также, если альфа-полугидрат, в его В-основной форме, типично получают в периодической системе, бета-полугидрат получают в непрерывной системе. Несмотря на последнее преимущество, альфа-полугидрат является предпочтительнее, чем бета-полугидрат, из-за пониженного водопотребления. Однако существующие методы кальцинирования являются относительно неэффективными при производстве содержания альфа-полугидрата продукта сульфата кальция. В результате, производители традиционной гипсовой сухой штукатурки используют бета-полугидрат, полученный при помощи котла или флеш-кальцинирования под давлением окружающей среды.

Применение альфа-полугидра при производстве сухой штукатурки представляет значительную экономию энергии и затрат на производство. Поскольку соотношение W/S значительно ниже с альфа-полугидратом, количество топлива (типично, природного газа) которое применяют для высушивания панели, снижено, и линейная скорость производства сухой штукатурки может быть повышена, таким образом повышая производственную мощность. Также понижается количество выбросов загрязняющих газов, связанных со сжиганием.

Сущность изобретения

Описано вышеприведенное производство, которое относится к производителям коммерческой сухой штукатурки путем обеспечения способа и устройства для кальцинирования гипса под давлением для получения альфа-полугидрата посредством непрерывного процесса. Обеспечен реактор под давлением, содержащий источник нагревания, предпочтительно теплообменник, и устройство для введения нагретого газа и воздуха для создания псевдоожиженного слоя. Добытый гипс или синтетический гипс вводят в реактор на непрерывной основе для кальцинирования в реакторе. Таким образом, кальцинированный альфа-полугидрат получают при соотношении W/S в общем диапазоне 0,45-0,55. В предпочтительном осуществлении, обеспечен второй теплообменник, представляющий собой реактор с внутренним нагретым шнековым устройством. Систему непрерывной дозировки применяют для подачи гипса в реактор в непрерывном процессе и для поддержания давления в реакторе. Настоящий способ также отличается отведением нагретого воздуха от источника нагревания в теплообменник также для обеспечения нагретого газа для реактора с псевдоожиженным слоем.

Более конкретно, обеспечен способ кальцинирования гипса. Гипс вводят в реактор под давлением. Газообразные продукты сгорания и воздух также вводят в реактор под давлением для создания псевдоожиженного слоя гипса. Гипс нагревают в реакторе достаточным образом с образованием кальцинированного полугидрата.

В другом осуществлении, обеспечено устройство для непрерывного кальцинирования гипса, содержащее, по меньшей мере, один бункер для гипса со входным патрубком бункера и выходным патрубком бункера; при этом выходной патрубок бункера связан с загрузочным устройством с двойным клапаном; а реактор под давлением связан с загрузочным устройством с двойным клапаном.

В еще одном дополнительном осуществлении, обеспечен способ кальцинирования гипса, включающий стадии непрерывного введения гипса в реактор под давлением, нагревания гипса с образованием кальцинированного полугидрата с пониженным водопотреблением полугидрата, при этом кальцинированный полугидрат имеет соотношение вода/штукатурный гипс в приблизительном диапазоне 0,45-0,55.

Краткое описание чертежей

ФИГ.1 представляет собой схематическую иллюстрацию первого осуществления устройства для выполнения настоящего способа кальцинирования гипса.

ФИГ.2 представляет собой схематическую иллюстрацию другого осуществления устройства для выполнения настоящего способа кальцинирования гипса.

ФИГ.3 представляет собой вид сверху в частичном поперечном сечении двухвинтового шнека противоположного вращения, изображенного на ФИГ.2.

ФИГ.4 представляет собой гистограмму сравнения водопотребления различных штукатурных гипсов.

ФИГ.5 представляет собой гистограмму сравнения связанной воды различных штукатурных гипсов.

ФИГ.6 представляет собой график, иллюстрирующий взаимосвязь между временем кальцинирования и температурой реактора.

ФИГ.7 представляет собой график, иллюстрирующий корреляцию между давлением кальцинирования и температурой реактора.

ФИГ.8a-f представляют собой изображения сканирующего электронного микроскопа (SEM) кристаллической структуры до и после настоящего процесса.

Должно быть понятно, что вышеприведенные чертежи не масштабированы. Элементы, которые не являются обязательными для понимания описанных способов и устройств специалистом в данной области техники или такие, из-за которых сложно понять другие элементы, могли быть опущены. Должно быть понятно, конечно, что данное описание не ограничено конкретными осуществлениями, проиллюстрированными в данной заявке.

Подробное описание изобретения

Обращаясь теперь к ФИГ.1, система для кальцинирования гипса в общем обозначена 10. Преимуществом системы 10 является то, что она представляет собой непрерывный процесс кальцинирования полугидрата с пониженным водопотреблением, в отличие от периодического процесса, который является традиционным подходом. В настоящем процессе, пониженное недопотребление предпочтительно получают путем увеличения получения кристаллов альфа-полугидрата. Будет понятно, что система 10 по существу включает изображенное устройство, и ее применяют при практическом осуществлении способа или процесса, описанного выше. В системе 10, гипс подают через входной патрубок или загрузочное устройство 11 в бункер 12, который может представлять собой бункер под давлением. Входной патрубок 11 может включать любой тип конвейерной или загрузочной системы, которые будут известны специалистам в данной области техники. Гипс типично измельчен или обеспечен в форме частиц.

Описанные устройства и методы уменьшают степень использования аридизирующих агентов, таких как хлорид кальция (CaCl₂). Однако, может быть применен аридизирующий агент в виде растворяющейся соли или влагопоглощающей соли. Поэтому, может быть обеспечено входной патрубок для аридизирующих агентов 13, которое ведет в бункер для аридизирующих агентов 14. Выходные патрубки 15, 16 из бункеров 12, 14 соответственно могут быть скомбинированы множеством способов, на ФИГ.1 показан только один из них. Как показано, каждый из выходных патрубков 15, 16 содержит их собственные контрольные элементы 17, 18 соответственно для контроля потока вещества в устройство непрерывной дозировки, такое как затвор 19, который является предпочтительно вращающимся затвором. Пневматическая линия 20 обеспечивает давление L-загрузочному устройству 21, которое обеспечивает подачу под давлением в реактор под давлением 27.

Дополнительный контрольный клапан 22 может быть расположен в пневматической линии 20 или между линией 20 и L-загрузочным устройством, или между L-загрузочным устройством и входным патрубком 21. Будет отмечено, что на ФИГ.1 приведены только некоторые, но не все, контрольные элементы, которые могут быть необходимы для системы 10, как будет очевидно специалистам в данной области техники.

Вместо затвора 19 и L-загрузочного устройства 21 может быть применено двойное устройство непрерывной дозировки или вертикальное загрузочное устройство с двойным затвором (наилучшим образом показано на ФИГ. 2 и описано ниже), которое опирается на более длинную вертикальную колонну загрузки гипса для создания давления на колонну загрузки, а не опирается на пневматическую линию загрузки 20. Применяют два вращающихся клапана или затвора, которые содержат нижний клапан рядом с входным патрубком реактора 27, и верхний клапан, расположенный выше на колонне ближе к бункеру для гипса 12. Такой тип расположения известен специалистам в данной области техники.

В то время как резервуары реакторов кальцинаторного типа являются известными для кальцинирования гипса, преимуществом данного резервуара 27 является то, что он находится под давлением. В предпочтительном осуществлении, резервуар 27 сконструирован для поддержания 14,7 абс. фунтов/кв.дюйм (1 атм. (манометр)) - 55,3 абс. фунтов/кв.дюйм (3,8 атм.) (манометр).

Предпочтительным является то, что резервуар реактора 27 обеспечивает псевдоожиженный слой гипсового материала между его верхней частью 29 и нижней частью 31. Кальцинирование гипса происходит в данном псевдоожиженном слое. В нижней части 31 резервуара реактора 27, обеспечен входной патрубок 32 для получения одного или более потоков текучей среды, включая, например: (1) сжатый воздух, обеспеченный из входного патрубка для воздуха 33, который поступает в вентилятор 34, содержащий выходной патрубок 35 и контрольный клапан 36, которые сообщаются посредством текучей среды с входным патрубком реактора 32; (ii) пар, обеспеченный из входного патрубка для пара 37, которое сообщается с входным патрубком 32 при помощи контрольного клапана для пара 38 и выходного патрубка для пара 55; и (ill) газообразные продукты сгорания из горелки 41, в которой сгорает топливо полученное из устройства топливоподачи 42 с использованием сжатого воздуха, обеспеченного посредством входного патрубка для воздуха 43 и вентилятора 44. Контрольные элементы для топливопровода 42 и воздушной линии 43 показаны как 45, 46 соответственно. Тип используемого топлива не является важным и может варьироваться от природного газа или другого летучего углеводородного газа (например, пропана, бутана и т.д.) до масла или угля, в зависимости от расположения и доступности. Пар добавляют для контроля влажности в реакторе 27, а также в целях нагревания. Описано, что вода может также или альтернативно быть введена в реактор 27.

Выходной патрубок 47 горелки 41 отведен или расщеплен на выходные патрубки, показанные как 48, 49. Выходной патрубок 49 направлен к нижнему входному патрубку реактора 32 и может проходить через дополнительный контрольный элемент 51. Представляющее другую часть выходного патрубка горелки, выходной патрубок 48 направлен к теплообменнику 52, который применяют для нагревания псевдоожиженного слоя. Контрольный элемент 53 обеспечен для контроля потока тепла, предпочтительно в виде горячих газообразных продуктов сгорания из горелки 41. Предпочтительным является то, что теплообменник 52 расположен в середине 54 резервуара реактора под давлением 27 и в середине псевдоожиженного слоя, созданного восходящим потоком от нижней линии входного патрубка 32. Таким образом, используя один или более из сжатого воздуха из выходного патрубка 35, пара из выходного патрубка 55 и газообразных продуктов сгорания из линии 56, восходящий поток текучей среды под давлением обеспечен в реакторе 27, который в комбинации с гипсом из входного патрубка 21, создает псевдоожиженный слой внутри реактора 27. В то время как применение теплообменника 52 является предпочтительным в том, что он нагревает псевдоожиженный слой опосредованно, он также предназначен для применения других источников нагревания, включая непосредственные или опосредованные типы для повышения температуры псевдоожиженного слоя до желаемых диапазонов, описанных ниже. Например, газообразные продукты сгорания и/или пар могут непосредственно нагревать слой.

Перфорированный, в общем, плоский воздухораспределитель показан при 57 для способствования однородности восходящего потока текучей среды, проходящего через резервуар 27 и создания и поддержания псевдоожиженного слоя. В предпочтительном осуществлении, воздухораспределитель 57 содержит две перфорированные пластины 59, 61 с необязательным фибролитом 62, который проложен между ними. Элементы воздухораспределителя 57 не включены в данное описание и поэтому такие элементы не проиллюстрированы. Специалист в данной области техники поймет, что может быть применено множество воздухораспределителей, которые используют в реакторах кальцинирования и реакторах псевдоожиженного слоя. См., например, патент США №7,175,426, включенный в данную заявку путем ссылки. Если применяют фибролит 62, то предпочтительным фибролитом является силикатный фибролит, выбранный из-за его способности выдерживать нагревание. Воздухораспределитель 57 может быть однородно продолжен поперек резервуара 27, как показано, или может содержать множество отдельных прокладок, каждая из которых содержит фибролит, проложенный между перфорированными пластинами.

В предпочтительном осуществлении, теплообменник 52 содержит вертикальную трубку 63 и две или более спиральные горизонтальные трубки 64 в пределах восходящего потока, проходящего через резервуар реактора 27. Выходной патрубок из теплообменника 52 связан с дымовой трубой 65. Таким образом, дозированный гипс поступает в резервуар реактора 27 через верхний входной патрубок 28 и падает вниз, пока не встретит восходящий поток горячей текучей среды, проходящий через воздухораспределитель 57 как показано на чертеже. Нагревание обеспечивают при помощи различных трубопроводов 63, 64 теплообменника 52. Как обсуждено выше, нагревание предпочтительно обеспечивают при помощи линии 48 из горелки 41. Температура в выходном патрубке 47 из горелки 41 будет типично находиться в диапазоне от приблизительно 1482 до приблизительно 1760°С (от приблизительно 2700 до приблизительно 3200°F). Температура отработавших газов из теплообменника, проходящих через выхлопную трубу теплообменника 65 будет находиться в диапазоне от приблизительно 232 до приблизительно 316°С (от приблизительно 450 до приблизительно 600°F).

Описано, что температура внутри резервуара реактора 27 находится в диапазоне от приблизительно 121 до приблизительно 177°С (от приблизительно 250 до приблизительно 350°F), более предпочтительно от приблизительно 138 до приблизительно 149°С (от приблизительно 280 до приблизительно 300°F). Пар является в настоящее время предпочтительным источником влаги, который может быть обеспечен при помощи маршрута входного патрубка для пара 37, 55. Однако вода может быть добавлена в резервуар реактора через входной патрубок для воды 66, который, конечно, может содержать контрольный элемент 67. Входной патрубок для воды 66 должен быть связан с пульверизатором (не показан), что будет очевидным для специалистов в данной области техники. Общее давление внутри резервуара 27 может находиться в диапазоне от приблизительно 14,7 абс. фунтов/кв.дюйм до 55,3 абс. фунтов/кв.дюйм (от приблизительно 1,0 до приблизительно 3,8 атм.) (манометр).

Верхняя часть 29 резервуара реактора 27 предпочтительно содержит пылесборник 68, типично содержащий множество вертикально выровненных пакетов 69, которые улавливают мелкодисперсные частицы пыли кальцинированного гипса и возвращают их в среднюю часть 54 резервуара реактора 27. Отработавший поток из котла или выходного патрубка реактора показан при 70 с контрольным клапаном 71 и высвобождает отфильтрованные отработавшие газы из пылесборника 68.

Продукт кальцинированного гипса течет через выходной патрубок для продукта 72 в стояк 73. Выходной патрубок для продукта 72 предпочтительно расположено над теплообменником 52 и под пылесборником 68 для получения верхнего края псевдоожиженного слоя для удаления. Дополнительно, выходной патрубок 72 типично будет включать его собственный контрольный элемент (не показан). Для обеспечения того, что продукт является приемлемо сухим, стояк 73 проходит через второй теплообменник 74, который принимает пар или нагревающую среду, такую, как газообразные продукты сгорания, отработанный газ, масло или т.п. от второго входного патрубка для пара или нагревающей среды 75. Описано, что второй теплообменник 74 предотвращает протекание оставшихся паров воды с гипсовым продуктом от конденсации. Выходной патрубок для пара или нагревающей среды показан как 76, а контрольный элемент как 77. Продукт высушенного кальцинированного полугидрата течет через выходной патрубок 78 и устройство непрерывной дозировки, такое, как затвор 80, аналогичный затвору 19, в винтовой конвейер 79, который доставляет продукт через линию 81 в контейнер для хранения, резервуар, вагон поезда, платформу грузовика или область 82. Двигатель винтового конвейера показан при 83. Очевидно, могут быть применены другие типы конвейерных систем, которые будут очевидны специалистам в данной области техники после прочтения данного описания. Предпочтительным является, чтобы дополнительное устройство непрерывной дозировки 84 было размещено при входном патрубке стояка 73 для поддержания герметичного соединения внутри реактора 27.

Обращаясь теперь к ФИГ. 2 и 3, альтернативное осуществление настоящей системы, в общем, обозначено 90. Компоненты, общие с системой 10, обозначены идентичными номерами ссылок. Одним различием между системой 90 и системой 10 является то, что вместо одного затвора 19 и L-загрузочного устройства 21, применено устройство двойного затвора, 92, 94 для обеспечения непрерывного потока гипса из бункера 12 и также для поддержания давления в реакторе с псевдоожиженным слоем под давлением, который в общем обозначен 96. В предпочтительном осуществлении, нижний затвор 94 подает непосредственно, при помощи силы тяжести, в реактор 96.

Сжатый воздух вводят при помощи вентилятора 34 через контрольный клапан 36 в перфорированный корпус 98 реактора 96 для ожижения слоя гипса в реакторе. Нагретый газ, масло или пар непрерывно вводят во входной патрубок 100 на конце, по меньшей мере, одного, а предпочтительно двух полых валов шнека 102, 104, включая полые связанные друг с другом спиралеобразные лопасти шнека 106, 108, которые являются частью двухвинтового шнека противоположного вращения с регулируемой скоростью и само-очисткой 110 (наилучшим образом показан на ФИГ.3), который расположен внутри реактора 96 для кальцинирования псевдоожиженного слоя гипса. В то время как предпочтительным является их расположение в пространственно разнесенном, ориентированном горизонтально, параллельном отношении друг к другу, предусматривают, что два полых вала шнека 102, 104 могут быть расположены различными способами по отношению друг к другу внутри реактора 96.

Как в случае с системой 10, нагретая текучая среда, такая как воздух или масло, обеспечена во входном патрубке 100 при помощи валов 102, 104, которые сообщаются при помощи текучей среды с теплообменником 112, таким, как бойлер или т.п., который, в свою очередь, подают при помощи горелки 41. Горячая текучая среда, таким образом, циркулирует внутри каждого вала 102, 104 и связанных лопастях шнека 106, 108, нагревая гипс внутри реактора под давлением 96. В предпочтительном осуществлении, нагретая текучая среда в конце концов проходит из выходного патрубка 114 каждого вала 102, 104 для рециркуляции в горелку 41.

Источник питания 116, предпочтительно, двигатель с различными скоростями, операторно соединен с, по меньшей мере, одним, а предпочтительно с обоими валами 102, 104 как известно из уровня техники для вращения валов, и таким образом вращает лопасти шнека 106, 108. Благодаря спиралеобразной форме лопастей шнека, гипс в реакторе 96 будет перемещаться от конца реактора, который прилегает к входному патрубку реактора 118 к противоположному концу, прилегающему к выходному патрубку реактора 120. В предпочтительном осуществлении, лопасти шнека 106, 108 соединяют друг с другом таким образом, что валы 102, 104 вращаются, остаточный гипс на любой из лопастей удаляют путем близко расположенного вращательного движения прилегающей лопасти. Как можно увидеть на ФИГ. 3, лопасти 106, 108 перекрывают полный радиус друг друга. Другим отличительным признаком настоящего реактора 96 является то, что скорость вращения валов 102, 104 может варьироваться, чтобы соответствовать применению. Различные размеры частиц гипса и/или требования ко времени удержания могут требовать различных скоростей вращения валов. Таким образом, двухвинтовой шнек противоположного вращения с регулируемой скоростью 110 непрерывно доставляет кальцинированный псевдоожиженный слой гипса от входного патрубка реактора 118 к выходному патрубку реактора/продукта 120.

Желаемое давление паров и относительную влажность в реакторе 96 поддерживают при помощи пара, образованного при кальцинировании, и введения пара с газообразными продуктами сгорания и воздухом во входной патрубок 37, который также можно использовать для повышения температуры псевдоожиженного слоя в реакторе 96. Сочетание пара с газообразными продуктами сгорания способствует избежать конденсации в реакторе. Будучи показаным с перфорированным корпусом с одинарной стенкой 98, реактор 96 может также содержать паровую рубашку с двойной стенкой 113 для дополнительного нагревания кальцинированного псевдоожиженного слоя гипса. Корпус реактора 98 предпочтительно содержит выпускной клапан для конденсата 122, который высвобождает конденсат, скапливающийся внутри реактора 96. Также обеспечен предохранительный клапан 124 для ослабления давления внутри реактора 96, если предварительно установленные уровни превышены. При желании, аналогичный клапан предусмотрен для системы 10.

Устройство непрерывной дозировки 126, аналогичное установкам 19, 92 и 94, которые обсуждены в данной заявке выше, способствует поддержанию давления в реакторе и непрерывно подает кальцинированный гипс из реактора 96 во второй теплообменник 74. В предпочтительном осуществлении, второй теплообменник 74 применяют для поддерживания температуры и уровня влажности кальцинированного гипса, который выходит из реактора 96. После выхода из второго теплообменника 74, второе устройство непрерывной дозировки 128 способствует поддержанию давления во втором теплообменнике 74 и непрерывно подает кальцинированный гипс в место хранения 82. Также множество устройств дозировки (126, 128) предусмотрены для применения во втором теплообменнике 74 в системе 10. После выхода из второго теплообменника 74, кальцинированный гипс может быть перенесен в мельницу для раздробления 132, которая одновременно нагревает и дробит кальцинированный полугидрат. Нагретую мельницу нагревают газообразными продуктами сгорания. Как известно из уровня техники, предусмотрены шаровая или барабанная мельница или т.п.

Обращаясь теперь к ФИГ.4-7, гистограмма на ФИГ.4 отображает результаты анализа продукта кальцинированного гипса, полученного существующими процессами кальцинирования, а также лабораторного оборудования, которое использует кальцинирование материала из источников гипса, расположенных в различных местах. На ФИГ.4 и 5, значения С-основы и В-основы Сутарда, являются результатом традиционного кальцинирования и требуют относительно большей энергии. В идеале, кальцинирование под давлением должно приблизительно соответствовать значениям кальцинированного В-основного полугидрата. Значения Аллегени и Киллена являются результатом кальцинирования под давлением с применением лабораторного оборудования Chemineer, которое обсуждено ниже в данной заявке. Значения Аликвиппа и Сутарда CKS являются традиционными бета-полугидратными штукатурными гипсами, которые получают в котле. Результаты указывают, что водопотребление, исходя из результатов измерений ручной прочности (вода, необходимая для 100 г штукатурного гипса) для различных типов штукатурного гипса варьируется от приблизительно 36сс до 75сс. Результаты указывают на пониженное водопотребление при использовании кальцинирования под давлением по сравнению с традиционным кальцинированным в котле бета-полугидратом.

ФИГ.5 демонстрирует, что (%) процентное содержание связанной воды варьируется от приблизительно 5,8% до приблизительно 7,2%, вне зависимости от вида штукатурного гипса или типа кальцинирования. Такой диапазон необходим для получения стандартного полугидрата. ФИГ.6 указывает, что время кальцинирования уменьшается при возрастании температуры реактора. ФИГ.7 иллюстрирует, что давление в реакторе возрастает с возрастанием температуры реактора.

Таблица 1 Краткое описание эксплуатационных условий оборудования Chemineer и результаты анализов (В-основной альфа-стукко Сутарда в качестве репера: CW=5,923%, PS=11,57 микрон, WD=42 сс Условия режима Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4 Режим 5 Режим 6 Режим 7 Режим 8 Чистота материала (%)/PS (мкм) Форт Додж 93,4/<300 Аллегени FGD 98,9/84,5 Аллегени FGD 98,9/84,5 Аллегени FGD 98,9/84,5 Аллегени FGD 98,9/84,5 Аллегени FGD 98,9/84,5 DP&L Киллен 95,0/48,1 DP&L Киллен 95,0/48,1 Натуральный гипс (г) 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 Несвязанная вода (куб. см.) 130 130 100 75 75 75 75 75 SA (г) 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Пузырьки (г) 100 100 50 50 50 50 50 50 Серия перемешиваний Скорость 2 17-1"SB Скорость 2 17-1"SB Скорость 1 15-1"SB Скорость 1 10-1"SB Скорость 1 5-1"SB Скорость 1 5-1/2"SB Скорость 1 5-1"SB Скорость 1 5-7/8"SB Давление (фунтов/кв. дюйм) 30 39 38 30 20 20 18 30 Температура (F) 278,0 286,9 287,2 279,2 261,0 260,6 253,4 273,8 Влажность (г/фт³) 737,4 843,4 846,9 746,1 579,1 579,8 520,3 695,5 Продолжительность (мин) 20+50+100* 10+30+35* 15+30+20* 20+30+30* 20+60+30* 10+60+20* 20+60+35* 0+40+15* CW (%) 5,681 5,695 6,104 6,078 6,191 7,147 6,081 5,942 PS (микрон) 4,576 2,91 3,45 3,97 3,40 8,84 4,57 11,97 Подвижность (куб. см) 45 53 50 56 55 48 52 46 PS: размер частиц FGD: десульфуризация газообразного продукта сгорания SA: янтарная кислота SB: стальные шарики CW: связанная вода *: время составляет время нагревания + время кальцинирования + время высушивания

Обращаясь теперь к Таблице 1, был проведен ряд периодических кальцинирований с применением гипса от десульфуризации газообразных продуктов сгорания (FGD) и природного камня в лабораторном паровом реакторе под давлением Chemineer (Chemineer, Inc., Dayton, Ohio 45401). Были зарегистрированы условия кальцинирования, включая температуру, давление, влажность, время кальцинирования, начальную несвязанную влагу, перемешивание и дробление. При кальцинировании использовали модификатор кристаллов и сита. Характеристики полученного штукатурного гипса, такие как размер частиц, кристаллическая структура связанной воды, водопотребление (ручная прочность, размер усадки) и время схватывания сравнивали с В-основным штукатурным гипсом, полученным на установке Сутарда USG.

Обращаясь теперь к ФИГ.8a-f, были проведены лабораторные анализы на оборудовании Chemineer материалов сырого гипса и добавленной воды для поддержания уровня несвязанной или поверхностной влаги 7,5-13% для приблизительного соответствия количеству несвязанной влаги в материале FGD. Янтарную кислоту как модификатор кристаллов растворяли в воде, а С-основной штукатурный гипс как затравку кристаллов добавляли в сырой гипс перед кальцинированием. Для раздробления и предохранения сегрегации частиц применяли шарики из нержавеющей стали. После кальцинирования, штукатурный гипс высушивали в установке Chemineer под давлением окружающей среды. Полученный штукатурный гипс пропускали через сито с ячейками 50 мет и анализировали связанную воду, а кристаллическую структуру проверяли при помощи сканирующей электронной микроскопии (SEM). В надлежащих условиях кальцинирования, может быть применен как природный так и синтетический FGD гипс в несуспензионном процессе для получения штукатурного гипса с низким водопотреблением с альфа-полугидратной кристаллической структурой. Характеристики кристаллов до и после изображены на ФИГ.8a-f. ФИГ.8а представляет собой кристаллическую структуру В-основного штукатурного гипса. ФИГ.8b-с представляют собой изображения подаваемого материала, а ФИГ.8d-f представляют собой изображения кальцинированных кристаллов, которые отображают желаемую блочную структуру альфа-полугидратных кристаллов.

Пример способа кальцинирования гипса включает введение гипса в верхнюю часть реактора под давлением; введение нагретого воздуха, пара и части потока газообразного продукта сгорания из горелки в нижнюю часть реактора под давлением для создания псевдоожиженного слоя гипса внутри реактора; нагревание реактора под давлением до температуры в диапазоне от приблизительно 121 до приблизительно 149°С (от приблизительно 250 до приблизительно 300°F), где теплообменник проходит через псевдоожиженный слой гипса и использует оставшуюся часть потока газообразного продукта сгорания газа от горелки; поддержание давления паров в реакторе под давлением в диапазоне от 1,01×10⁵ до 3,85×10⁵ Па (от 1,0 до 3,8 атм.); и поддержание температуры в реакторе под давлением в диапазоне от приблизительно 121 до приблизительно 149°С (от приблизительно 250 до приблизительно 300°F).

При применении описанных выше устройства и методов, может быть получен улучшенный продукт сульфата кальция с более высоким процентным содержанием полугидрата альфа-типа и более низким процентным содержанием бета-полугидрата. Вкратце, применение описанного устройства и использование описанных параметров и способов приводит к получению продукта сульфата кальция с пониженным водопотреблением и улучшенными свойствами. Дополнительно, применение аридизирующих агентов является необязательным, но не необходимым.

Дополнительно, средний размер частиц загружаемого гипса не является критичным, поскольку параметры ожижения могут быть изменены для соответствия множеству размеров частиц. В общем, может быть применен загружаемый гипс, имеющий средний размер частиц в диапазоне от 50 мкм до 1 мм. Полученный в результате полугидратный продукт может быть измельчен позже в зависимости от желаемого конечного продукта или применения.

Применение газообразных продуктов сгорания из горелки 41 в сочетании с паром обеспечивает достаточное нагревание входящего потока текучей среды 32 таким образом, чтобы предупреждать какую-либо конденсацию в резервуаре реактора 27 или возле воздухораспределителя 57. Таким образом, одним из преимуществ соединения газообразных продуктов сгорания из трубопровода 56, сжатого воздуха из трубопровода 35 и пара из трубопровода 55 в комбинированном входном патрубке 32, состоит в том, что повышение влажности при применении пара не будет иметь побочный эффект, заключающийся в создании конденсации внутри реактора 27. Вода может быть добавлена в нижний входной патрубок 32, но пар является предпочтительным ввиду риска конденсации.

Несмотря на то, что были описаны только определенные осуществления, альтернативы и модификации будут очевидны специалистам в данной области техники из изложенного в данной заявке выше описания. Эти и другие альтернативы рассматривают как эквивалентные и входящие в объем данного описания и формулы, которая прилагается.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ кальцинирования гипса включает стадии, на которых вводят гипс в реактор под давлением 27, сжигают топливо и воздух в горелке 41 с образованием газообразных продуктов сгорания. После этого отводят часть газообразных продуктов сгорания и воздух в реактор под давлением 27 с созданием псевдоожиженного слоя гипса в реакторе. Затем направляют оставшуюся часть газообразных продуктов сгорания в теплообменник 52, который применяют для нагревания псевдоожиженного слоя и нагревают псевдоожиженный слой гипса в реакторе под давлением 27 для достаточного кальцинирования гипса с образованием кальцинированного полугидрата. Изобретение позволяет получить альфа-полугидрат сульфата кальция при сниженном потреблении топлива. 3 н. и 4 з.н. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ кальцинирования гипса, включающий стадии, на которых:
вводят гипс в реактор под давлением;
сжигают топливо и воздух в горелке с образованием газообразных продуктов сгорания;
отводят часть газообразных продуктов сгорания и воздух в реактор под давлением с созданием псевдоожиженного слоя гипса в реакторе;
направляют оставшуюся часть газообразных продуктов сгорания в теплообменник, который применяют для нагревания псевдоожиженного слоя; и
нагревают псевдоожиженный слой гипса в реакторе под давлением для достаточного кальцинирования гипса с образованием кальцинированного полугидрата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высушенный кальцинированный полугидрат характеризуется соотношением воды и штукатурного гипса в приблизительном диапазоне 0,45-0,55.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает непрерывную загрузку гипса посредством устройства непрерывной дозировки в реактор под давлением.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают воздухораспределитель для приема оставшейся части газообразных продуктов сгорания.

5. Способ кальцинирования гипса, включающий стадии, на которых:
непрерывно вводят гипс в реактор под давлением;
нагревают гипс с образованием кальцинированного полугидрата с пониженным водопотреблением полугидрата, при этом кальцинированный полугидрат характеризуется соотношением воды и штукатурного гипса в приблизительном диапазоне 0,45-0,55; и
направляют кальцинированный полугидрат в теплообменник, затем перемещают высушенный кальцинированный полугидрат из указанного теплообменника через выпускной клапан в нагретую мельницу, которая одновременно нагревает и дробит кальцинированный полугидрат.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что указанный реактор под давлением непрерывно нагревает и подает продукт из входного патрубка в выходной патрубок реактора.

7. Устройство для непрерывного кальцинирования гипса, содержащее:
по меньшей мере один бункер для гипса, содержащий входной патрубок бункера и выходной патрубок бункера;
при этом указанный выходной патрубок бункера связан с устройством непрерывной дозировки; и
реактор под давлением, связанный с указанным устройством непрерывной дозировки,
при этом реактор под давлением содержит двухвинтовой шнек противоположного вращения с регулируемой скоростью, содержащий полые валы и полые лопасти, которые расположены внутри реактора под давлением для непрерывного нагревания и подачи псевдоожиженного слоя гипса из входного патрубка указанного реактора в выходной патрубок указанного реактора.