您的當前位置：利用工業廢渣一磷石膏生產建材產品
利用工業廢渣一磷石膏生產建材產品
產業化技術的研究
寧夏石膏工程技術研究中心 王立明 周軍璞
1、概述
磷石膏是磷酸及磷肥類工業在生產過程中所產生的一種工業副產品，是磷肥工業的固體廢棄物，一般每生產1噸磷酸約產生5-6噸磷石膏，每生產1噸磷酸二銨排放2.5 -5噸磷石膏，我國濕法磷酸產量約為100多萬噸左右，而隨著我國近年來高濃度復合肥工業的迅猛發展，每年由磷肥類化工企業排出的磷石膏達1000萬噸以上。
磷石膏中因含有種類較多的化學成分而增加了磷石膏的利用難度，一般不被石膏生產企業作為生產原料采用。僅有極少的一部分被作為土壤改良劑用于改良土壤或在一些石膏資源匱乏的地區經初級處理后(水洗)而作為生產原料使用，一般，每洗出一噸磷石膏原料約需用5噸水，洗后排出的廢水中含用較多的各類化學物質，排放或處理不慎，就會產生新的污染，且這些較為簡易的處理或利用方式所消化的磷石膏對于磷肥類化工企業累年沉積、堆積如山的磷石膏山無疑于杯水車薪。且該種處理方式幾乎沒有經濟效益可講，因此并不能從根本上解決問題。而在我國各省市所分布的磷肥類企業，大多只能無奈的采用“圈地堆放”這一*簡單的方式來處理這種污染環境、制約企業發展的工業廢渣。
寧夏建材研究院根據自身多年來一直從事石膏工程技術研究所積累的經驗和技術優勢，對磷石膏原料進行了大量的試驗分析，根據磷石膏自身的特性并結合當前國家有關產業政策要求和市場狀況，研制開發成功一種利用工業廢渣——磷石膏生產優質的石膏類建材產制品的產業化技術，該套技術對廢渣不進行任何水洗等預處理方式，處理過程中不產生任何形式的二次污染。磷石膏經該套系統處理后，可得到一系列優質的用于建材的石膏產制品，如石膏砌塊、板等系列制品及粉刷石膏、粘貼石膏、石膏膩子等石膏產品。采用磷石膏為原料所生產出來的石膏建材產品，不僅性能指標優良(達到或超過了市場上的同類產品)，而且成本較以天然石膏為原料的同類產品低，具有較強的市場競爭能力。該產業化技術的實現，對長期以來污染環境、制約磷肥類工業發展的工業廢渣開辟了一條切實可行的處理方法，實現了磷石膏由工業廢渣向工業資源的轉化。
2、原材料
表1 磷石膏化學成分
磷石膏因含有8-25%的附著水而呈漿體狀，顆粒直徑一般為5-150ч，其主要成分為Ca-S04.2H20，一般可達到70-90%左右。其中所含的次要成分隨礦石來源不同而異，成分較為復雜，一般都含有巖石成分、Ca、Mg的磷酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽，除此之外，還含有少量的有機磷、硫、氟類化合物。磷石膏的外觀一般呈灰白、灰、灰黃、淺黃、淺綠等多種顏色，相對密度為2. 22 -2.37g/cm3，容重為0. 733 -0.880g/cm3。我們在研究過程中采用了寧夏銀川、山東臨沂、山東肥城、山東安丘等地的不同生產企業的約100多噸磷石膏，其磷石膏化學成分分析如表1。
從上表l中磷石膏的化學組成可以看出，磷石膏中有效成分CaS04.2H20的含量可達85 -95%，與天然石膏相比，磷石膏是一種純度較高的石膏原料，它跟天然二水石膏一樣，都具有石膏原料自身的特性(在不同的熱處理條件下會得到具有不同物理力學性能的石膏膠凝材料)，只是因為該種石膏原料是一種化學合成的工業副產品，在生成的原料中攙雜進去了極少量的對石膏膠凝性能有害的化學物質如有機磷、無機磷等類磷酸鹽類物質，導致磷石膏在應用時受到極大的限制。根據磷石膏自身的這種特性，只要采用合適的工藝方法和設備，減小或克服其中有害物質對產品性能的影響，就可消除原料自身成分所帶來的缺陷，發揮其有效成分CaS04.2H20的含量高的優勢，生產出優質的石膏產制品。
3、生產機理
眾所周知，二水石膏在常壓及一定的溫度的條件下受熱會脫去3/2個結晶水轉變為B型半水石膏，如受熱條件繼續加強，當溫度達到750 -850℃時，它會由半水石膏繼續脫水，經歷脫水型半水石膏、可溶性無水石膏直至形成難溶性無水石膏即Ⅱ型石膏。在這個轉變過程中所形成的石膏相，只有半水石膏和Ⅱ型石膏相對而講，具有較好的穩定性，并且可以直接或經改性處理后作為膠凝材料應用于建材建筑行業。
磷石膏作為一種具有石膏特性的資源性廢渣，同樣具備熱加工后所得到的各物相的基本性能，只是因為有害雜質類化學成分的存在，改變或削弱了所得物相應該具備的基本性能。而其中影響較大有害雜質成分主要為廢渣中殘余的有機磷和部分活性較高的可溶性無機磷化合物，這些化學物質在高溫下(250℃以上，一般溫度越高，分解速度越快、分解越完全)會部分或全部分解或轉化為難溶性的或活性較低的其它磷酸鹽類物質，如焦磷酸鈣等。轉化后所形成的這些化合物對石膏產品基本性能的影響較小，此時，若根據所生產產品的用途再采用一些改性外加劑技術配套應用，就會得到我們所需要的優質的石膏產品。因此，在煅燒過程中采用高溫快速煅燒的方法(340 -380℃)脫水形成以β型半水石膏相和β型Ⅲ型石膏相為主體的建筑石膏粉，即可以達到在高溫下促使有機磷分解、磷酸鹽轉化的目的，又形成了石膏砌塊所需的具有較好早期強度和較快凝結時間的基料。而其中的全部或部分物料經高溫繼續脫水直至轉化為Ⅱ型無水石膏即高溫煅燒石膏，通過采用**復合外加劑對其活性的激發，使其具有幾乎與高強石膏相比擬的后期強度，具有極好的質量穩定性以及較高的抗水性能，使其成為配置優質高性能粉刷石膏的基料。 4、生產工藝設備和方法
4 -1、工藝主設備
根據磷石膏及其中所含雜質的特性，結合目前生產中所應用的石膏煅燒設備，我們研制開發了一種專門針對化學石膏應用實現產業化的煅燒處理系統，該系統主要具備以下幾個功能：
A、針對化學石膏含有高附著水的特點，該系統設置有**的預熱烘干裝置，潮濕的物料在該裝置中與煅燒系統所排出的高溫煙氣進行充分的熱交換，完成了濕物料的快速烘干，為物料快速脫水形成半水石膏創造了條件，而不需要另外設置烘干系統。
B、該套處理系統可根據物料在不同煅燒溫度段內所形成的不同的物相的特性，通過對物料在煅燒系統內所經過的路徑的不同，達到同時生產兩種產品：半水石膏和元水石膏。
C、該套系統設置有**的冷卻系統，使經過高溫煅燒后形成的Ⅱ型石膏進入下道工序前具有設備可以接受的溫度。
D、該套系統易于進行設備改型，擴大生產規模，實現大型規模化生產，所生產的產品品種較多，成系列化設置。該套系統自動化程度較高、熱利用率較高、能耗較低，具有較好的環保配套設施。
4-2.工藝流程圖表示如下：
4-3、工藝流程簡述
利用磷石膏生產石膏建材產制品(主要包括兩個類型的產制品：以石膏砌塊為主的石膏墻體材料系列和以粉刷石膏為主的墻體配套石膏粉產品系列)的生產工藝主要有以下幾道工序：
A、預干、預均化堆場
物料通過在一個較大的原料堆場的處理，利用自然條件達到一定程度的預烘干，使原料的附著水降到10%以下;通過對預烘干原料的儲存堆放等方式，達到原料的預均化效果。
B、物料的預熱、煅燒、冷卻處理
物料通過喂料設備均勻穩定的進入磷石膏處理系統，物料陸續通過預熱烘干、高溫快速脫水形成半水石膏、繼續升溫脫水轉化為無水石膏、出高溫煅燒帶后冷卻降溫等過程，完成物料的主要的熱處理過程。
C、陳化、均化、粉磨
經熱處理的物料物相成分發生了變化，產生了一些活性較高的成分，為了**產品質量的穩定性，必須對其進行陳化(消除或降低其活性)和均化。根據所需產品的細度要求對其進行粉磨。
D、混和、包裝或應用
根據所生產產品的要求，加入合適的外如劑后混合均勻，然后就可以包裝或應用(如加水攪拌后澆注入模箱，生產砌塊)。
E、粉塵處理
磷石膏是一種化學再生石膏原料，其粒徑一般較小，附著水含量較高，在物料烘干后的各工藝段均極易揚起粉塵，而且在物料的高溫快速脫水段，由于物料急劇脫水所形成的“沸騰”現象，會隨蒸汽的大量逸出帶出大量的粉塵。因此，必須根據其特點設置相應的收塵措施，在主設備段一般采用三級收塵：沉降室、**旋風收塵器、煙氣脫硫收塵器。在此過程中收下的粉塵(結晶水在8左右)經生產試驗驗證，對產品質量影響不大，可直接加入產品中應用。
5、產品性能
通過采用該種工藝處理方法和設備對工業廢渣進行處理后所得到的產品性能指標與常規工藝及設備處理的磷石膏性能指標對比如下：
從上表中的產品性能指標對比數據可以看出，利用工業廢渣一一磷石膏所生產的各種建材產制品的性能指標均達到或超過了同類產品標準的指標要求。所生產的各種石膏建材產品經檢測也全部符合建筑墻體材料和室內裝飾裝修材料對放射性等有害指標的要求。與目前市場上優質的以天然石膏為原料生產的同類產品相比也毫不遜色，尤其采用該種工藝方法生產的Ⅱ型石膏，經采用特制的**復合外加劑技術處理后，具有可于高強石膏相比擬的強度(干抗折強度可達lOMPa以上，抗壓強度可達45MPa以上)，而且具有較好的產品穩定性、其膨脹率僅為0. 04%，不做任何耐水性處理，其軟化系數可達0. 67。因此，經該種生產工藝方法所得到的Ⅱ型石膏基料，由于其優質而穩定的性能，不僅可以做為粉刷石膏的基料，而且還可以用來配置粘接石膏、石膏膩子、自流平石膏等石膏產品。由于基料的高強度(一些產品自身不需要太高的強度)，在配置時還可加人大量的其它骨料或填料，以進一步降低其生產使用成本。使其不但具有較強的質量優勢，而且還具有很強的價格及經濟效益優勢。
6、生產成本與經濟效益
作為一種利用難度較大的工業廢渣，尤其是把它作為石膏原材料資源開發利用難度更大，要想將該工業廢棄物有效、大量的開發利用，節省天然石膏資源，變廢為寶、變害為利，形成產業化，則利用該廢渣所開發的產品必須具備兩個主要條件：**是產品必須符合市場的需求，必須具有較大的市場容量;第二則是產品必須具備較高的經濟效益，具有較好的開發生產價值。只要具備了這兩個條件，就有形成產業化的基礎，就可以真正的將廢渣變成炙手可熱的優質資源。
在磷石膏產業化生產技術所采用的生產工藝中，從主設備到各個工藝段的設計，均以**質量，盡可能提高熱利用率、提高設備利用率、降低熱耗、能耗，控制生產成本為主要設計要求。產品的生產成本等技術指標與同類產品相比，均具有明顯的優勢，具體指標對比見下表：
以年產3-5萬噸粉刷石膏或建筑石膏生產線為例：
注：上表中生產成本為含折舊、管理、銷售、財務等費用的綜合成本。
從上表中可以看出，利用工業廢渣一一磷石膏生產的石膏建材產品，其綜合成本遠遠低于同類產品的水平，即使在產品價格下滑至同類產品的保本價格時，磷石膏產品仍然有一定的利潤空間，是一種具有較強市場競爭能力的產品。 生產中全部或大部分利用工業廢渣，產品用于市場容量極大的建筑墻體和建材，消耗和利用了大量的廢渣，產品涉及到建筑建材行業的諸多領域，有較大的市場輻射面，易于形成產業化的規模生產。
7、結論
A、以工業廢渣一一磷石膏為原料，采用寧夏建材研究院開發的磷石膏產業化技術所生產出的產品，質量穩定，各項性能指標均達到或超出標準的要求。產品具有極為廣闊的市場前景和巨大的市場容量，且具有遠遠大于同類產品的利潤空間，是一種具有極強市場競爭力的產制品。
B、該套技術所采用的生產工藝及設備對磷石膏進行產業化處理是可行的、有效的、成功的。該種對磷石膏的處理工藝和設備具有廣闊的市場前景，并具有顯著的經濟效益和社會效益，該套技術具有較高的推廣價值。
C、該套技術具有重要的環保意義，符合國家的產業政策，節省資源，變廢為寶，變害為利，對我國磷肥工業的可持續發展具有一定的推動作用。
