磷石膏（PG）是磷酸盐行业的副产品（Akfas等，2024；Qin等，2023；Wu等，2022），主要由CaSO4·2H2O（含量通常为70%-90%）以及氧化物、重金属、氟化物和放射性核素等杂质组成（Bilal等，2023；Qin等，2023；Wei和Deng，2022）。数据显示（Bilal等，2023），大约58%的PG晶体被输送到生产现场附近的储存区进行堆放，约28%直接排放到海洋等水域，仅有14%被回收利用。未经处理的PG直接储存在地表或排放到水体中，其中所含的多种杂质对周围生态环境构成威胁（Tayibi等，2009）。重金属元素的渗出、氟化物的泄漏以及放射性核素的辐射会对土壤、水和大气造成不可逆的污染风险（Akfas等，2024；Rutherford等，1994；Tayibi等，2009）。因此，促进PG的减量化、无害化及资源化利用，提高其综合利用率已成为政府和社会共同关注的焦点。
20世纪70年代，美国爱荷华州立大学（Peng和Hu，1993）开发了一种在单/双气氛流化床中分解PG的新工艺。随着快速流化床技术的发展，这种低速流化分解PG的技术未能得到广泛应用（Yuan等，2024a）。80年代中期，德国Lurgi公司（Yuan等，2025a）提出了一种利用循环流化床（CFB）分解PG的新方法。2013年和2015年，中国昆明科技大学（Zheng等，2014）和四川大学（Wang等，2018）分别完成了CFB和喷流式流化床分解PG的试验。与传统回转窑技术相比，基于流化技术的PG煅烧分解过程能耗较低（1050-1100°C），且SO2浓度较高（8%-16%），有利于CaO和SO2的生产（Yuan等，2024a）。遗憾的是，CFB PG热分解技术也未能实现工业化应用。过去十年中，流化分解PG的研究仍停留在实验室阶段（Yuan等，2024a）。总体而言，通过有效去除PG中的结晶水等可分离物质并精确控制热分解条件，PG中的丰富钙和硫资源可以实现最大程度的增值转化（Yuan等，2024a）。然而，进一步扩大工艺规模依赖于十万吨级CFB PG热分解的自热运行测试。换句话说，PG脱硫反应器无需外部加热（Yuan等，2023a，2023b）。由于工业生产单元的成功启动和运行离不开试验装置的测试和验证，尤其是对于性质复杂的PG（如水合状态和粘附特性），因此商业化进程仍面临挑战。尽管前人已经运行了一些试验装置（Peng和Hu，1993；Wang等，2018；Yuan等，2024a；Zheng等，2014），但商业化仍面临诸多困难。除了受国家PG生产状况影响的技术研发需求变化等客观因素外，内在原因还包括：
(1) 过去10,000吨级示范项目中的自热调节机制不成熟，导致工艺控制难度大（Yuan等，2024a）。PG热分解炉的自热运行依赖于还原性和氧化性气氛的协同供应，以促进反应系统中吸热和放热化学过程的能量互补（Yuan等，2025b）。(2) 自热运行条件的不匹配导致试验初期投资较高。PG在高温下容易发生团聚和结块（Yuan等，2024b，2025a）。在没有充分技术参数积累的情况下盲目进行大规模试验会降低成功率，增加损失率，并延缓规模扩大进程。应当认识到，工业化学装置的建造和投产越快，其运行周期越长，带来的社会、经济和生态效益越大（Yuan等，2024a）。(3) 试验系统设计不完善，导致废热利用效率低下（Zheng等，2014）。PG脱硫过程中的气固产物均含有大量热量。回收废热不仅能为固相床材料的预处理提供能源，还能产生蒸汽和热水，用于发电和供暖，从而造福人民（Pan等，2021；Yuan等，2023b）。(4) 系统能量损失不明确，导致关键部件性能不佳。PG热分解系统不可避免地存在能量损失（Marx等，2021；Yuan等，2023b），确定能量损失的位置和程度有助于合理设计脱硫装置并优化系统能量转换方式（Hajjaji等，2012；Zhang等，2019）。遗憾的是，相关研究文献较少。
本研究通过稳态过程模拟，比较了使用空气和CO2+O2作为反应气氛的PG热分解系统的自热运行特性。首先明确了自热系统中煤料供应和氧气供应的协同匹配机制。其次提出了PG干燥脱水与分解脱硫一体化的试验设计方案。最后借助能量和熵分析工具，评估了十万吨级PG自热脱硫系统的热力学潜力。本研究为流化床PG煅烧自热反应器的选型、设计、建造和运行提供了科学依据。
