利用工业废渣一磷石膏生产建材产品

　　产业化技术的研究

　　宁夏石膏工程技术研究中心 王立明 周军璞

　　1、概述

　　磷石膏是磷酸及磷肥类工业在生产过程中所产生的一种工业副产品，是磷肥工业的固体废弃物，一般每生产1吨磷酸约产生5-6吨磷石膏，每生产1吨磷酸二铵排放2.5 -5吨磷石膏，我国湿法磷酸产量约为100多万吨左右，而随着我国近年来高浓度复合肥工业的迅猛发展，每年由磷肥类化工企业排出的磷石膏达1000万吨以上。

　　磷石膏中因含有种类较多的化学成分而增加了磷石膏的利用难度，一般不被石膏生产企业作为生产原料采用。仅有极少的一部分被作为土壤改良剂用于改良土壤或在一些石膏资源匮乏的地区经初级处理后(水洗)而作为生产原料使用，一般，每洗出一吨磷石膏原料约需用5吨水，洗后排出的废水中含用较多的各类化学物质，排放或处理不慎，就会产生新的污染，且这些较为简易的处理或利用方式所消化的磷石膏对于磷肥类化工企业累年沉积、堆积如山的磷石膏山无疑于杯水车薪。且该种处理方式几乎没有经济效益可讲，因此并不能从根本上解决问题。而在我国各省市所分布的磷肥类企业，大多只能无奈的采用“圈地堆放”这一*简单的方式来处理这种污染环境、制约企业发展的工业废渣。

　　宁夏建材研究院根据自身多年来一直从事石膏工程技术研究所积累的经验和技术优势，对磷石膏原料进行了大量的试验分析，根据磷石膏自身的特性并结合当前国家有关产业政策要求和市场状况，研制开发成功一种利用工业废渣——磷石膏生产优质的石膏类建材产制品的产业化技术，该套技术对废渣不进行任何水洗等预处理方式，处理过程中不产生任何形式的二次污染。磷石膏经该套系统处理后，可得到一系列优质的用于建材的石膏产制品，如石膏砌块、板等系列制品及粉刷石膏、粘贴石膏、石膏腻子等石膏产品。采用磷石膏为原料所生产出来的石膏建材产品，不仅性能指标优良(达到或超过了市场上的同类产品)，而且成本较以天然石膏为原料的同类产品低，具有较强的市场竞争能力。该产业化技术的实现，对长期以来污染环境、制约磷肥类工业发展的工业废渣开辟了一条切实可行的处理方法，实现了磷石膏由工业废渣向工业资源的转化。

　　2、原材料

　　表1 磷石膏化学成分

　　磷石膏因含有8-25%的附着水而呈浆体状，颗粒直径一般为5-150ч，其主要成分为Ca-S04.2H20，一般可达到70-90%左右。其中所含的次要成分随矿石来源不同而异，成分较为复杂，一般都含有岩石成分、Ca、Mg的磷酸盐、碳酸盐及硅酸盐，除此之外，还含有少量的有机磷、硫、氟类化合物。磷石膏的外观一般呈灰白、灰、灰黄、浅黄、浅绿等多种颜色，相对密度为2. 22 -2.37g/cm3，容重为0. 733 -0.880g/cm3。我们在研究过程中采用了宁夏银川、山东临沂、山东肥城、山东安丘等地的不同生产企业的约100多吨磷石膏，其磷石膏化学成分分析如表1。

　　从上表l中磷石膏的化学组成可以看出，磷石膏中有效成分CaS04.2H20的含量可达85 -95%，与天然石膏相比，磷石膏是一种纯度较高的石膏原料，它跟天然二水石膏一样，都具有石膏原料自身的特性(在不同的热处理条件下会得到具有不同物理力学性能的石膏胶凝材料)，只是因为该种石膏原料是一种化学合成的工业副产品，在生成的原料中搀杂进去了极少量的对石膏胶凝性能有害的化学物质如有机磷、无机磷等类磷酸盐类物质，导致磷石膏在应用时受到极大的限制。根据磷石膏自身的这种特性，只要采用合适的工艺方法和设备，减小或克服其中有害物质对产品性能的影响，就可消除原料自身成分所带来的缺陷，发挥其有效成分CaS04.2H20的含量高的优势，生产出优质的石膏产制品。

　　3、生产机理

　　众所周知，二水石膏在常压及一定的温度的条件下受热会脱去3/2个结晶水转变为B型半水石膏，如受热条件继续加强，当温度达到750 -850℃时，它会由半水石膏继续脱水，经历脱水型半水石膏、可溶性无水石膏直至形成难溶性无水石膏即Ⅱ型石膏。在这个转变过程中所形成的石膏相，只有半水石膏和Ⅱ型石膏相对而讲，具有较好的稳定性，并且可以直接或经改性处理后作为胶凝材料应用于建材建筑行业。

　　磷石膏作为一种具有石膏特性的资源性废渣，同样具备热加工后所得到的各物相的基本性能，只是因为有害杂质类化学成分的存在，改变或削弱了所得物相应该具备的基本性能。而其中影响较大有害杂质成分主要为废渣中残余的有机磷和部分活性较高的可溶性无机磷化合物，这些化学物质在高温下(250℃以上，一般温度越高，分解速度越快、分解越完全)会部分或全部分解或转化为难溶性的或活性较低的其它磷酸盐类物质，如焦磷酸钙等。转化后所形成的这些化合物对石膏产品基本性能的影响较小，此时，若根据所生产产品的用途再采用一些改性外加剂技术配套应用，就会得到我们所需要的优质的石膏产品。因此，在煅烧过程中采用高温快速煅烧的方法(340 -380℃)脱水形成以β型半水石膏相和β型Ⅲ型石膏相为主体的建筑石膏粉，即可以达到在高温下促使有机磷分解、磷酸盐转化的目的，又形成了石膏砌块所需的具有较好早期强度和较快凝结时间的基料。而其中的全部或部分物料经高温继续脱水直至转化为Ⅱ型无水石膏即高温煅烧石膏，通过采用**复合外加剂对其活性的激发，使其具有几乎与高强石膏相比拟的后期强度，具有极好的质量稳定性以及较高的抗水性能，使其成为配置优质高性能粉刷石膏的基料。 4、生产工艺设备和方法

　　4 -1、工艺主设备

　　根据磷石膏及其中所含杂质的特性，结合目前生产中所应用的石膏煅烧设备，我们研制开发了一种专门针对化学石膏应用实现产业化的煅烧处理系统，该系统主要具备以下几个功能：

　　A、针对化学石膏含有高附着水的特点，该系统设置有**的预热烘干装置，潮湿的物料在该装置中与煅烧系统所排出的高温烟气进行充分的热交换，完成了湿物料的快速烘干，为物料快速脱水形成半水石膏创造了条件，而不需要另外设置烘干系统。

　　B、该套处理系统可根据物料在不同煅烧温度段内所形成的不同的物相的特性，通过对物料在煅烧系统内所经过的路径的不同，达到同时生产两种产品：半水石膏和元水石膏。

　　C、该套系统设置有**的冷却系统，使经过高温煅烧后形成的Ⅱ型石膏进入下道工序前具有设备可以接受的温度。

　　D、该套系统易于进行设备改型，扩大生产规模，实现大型规模化生产，所生产的产品品种较多，成系列化设置。该套系统自动化程度较高、热利用率较高、能耗较低，具有较好的环保配套设施。

　　4-2.工艺流程图表示如下：

　　4-3、工艺流程简述

　　利用磷石膏生产石膏建材产制品(主要包括两个类型的产制品：以石膏砌块为主的石膏墙体材料系列和以粉刷石膏为主的墙体配套石膏粉产品系列)的生产工艺主要有以下几道工序：

　　A、预干、预均化堆场

　　物料通过在一个较大的原料堆场的处理，利用自然条件达到一定程度的预烘干，使原料的附着水降到10%以下;通过对预烘干原料的储存堆放等方式，达到原料的预均化效果。

　　B、物料的预热、煅烧、冷却处理

　　物料通过喂料设备均匀稳定的进入磷石膏处理系统，物料陆续通过预热烘干、高温快速脱水形成半水石膏、继续升温脱水转化为无水石膏、出高温煅烧带后冷却降温等过程，完成物料的主要的热处理过程。

　　C、陈化、均化、粉磨

　　经热处理的物料物相成分发生了变化，产生了一些活性较高的成分，为了**产品质量的稳定性，必须对其进行陈化(消除或降低其活性)和均化。根据所需产品的细度要求对其进行粉磨。

　　D、混和、包装或应用

　　根据所生产产品的要求，加入合适的外如剂后混合均匀，然后就可以包装或应用(如加水搅拌后浇注入模箱，生产砌块)。

　　E、粉尘处理

　　磷石膏是一种化学再生石膏原料，其粒径一般较小，附着水含量较高，在物料烘干后的各工艺段均极易扬起粉尘，而且在物料的高温快速脱水段，由于物料急剧脱水所形成的“沸腾”现象，会随蒸汽的大量逸出带出大量的粉尘。因此，必须根据其特点设置相应的收尘措施，在主设备段一般采用三级收尘：沉降室、**旋风收尘器、烟气脱硫收尘器。在此过程中收下的粉尘(结晶水在8左右)经生产试验验证，对产品质量影响不大，可直接加入产品中应用。

　　5、产品性能

　　通过采用该种工艺处理方法和设备对工业废渣进行处理后所得到的产品性能指标与常规工艺及设备处理的磷石膏性能指标对比如下：

　　从上表中的产品性能指标对比数据可以看出，利用工业废渣一一磷石膏所生产的各种建材产制品的性能指标均达到或超过了同类产品标准的指标要求。所生产的各种石膏建材产品经检测也全部符合建筑墙体材料和室内装饰装修材料对放射性等有害指标的要求。与目前市场上优质的以天然石膏为原料生产的同类产品相比也毫不逊色，尤其采用该种工艺方法生产的Ⅱ型石膏，经采用特制的**复合外加剂技术处理后，具有可于高强石膏相比拟的强度(干抗折强度可达lOMPa以上，抗压强度可达45MPa以上)，而且具有较好的产品稳定性、其膨胀率仅为0. 04%，不做任何耐水性处理，其软化系数可达0. 67。因此，经该种生产工艺方法所得到的Ⅱ型石膏基料，由于其优质而稳定的性能，不仅可以做为粉刷石膏的基料，而且还可以用来配置粘接石膏、石膏腻子、自流平石膏等石膏产品。由于基料的高强度(一些产品自身不需要太高的强度)，在配置时还可加人大量的其它骨料或填料，以进一步降低其生产使用成本。使其不但具有较强的质量优势，而且还具有很强的价格及经济效益优势。

　　6、生产成本与经济效益

　　作为一种利用难度较大的工业废渣，尤其是把它作为石膏原材料资源开发利用难度更大，要想将该工业废弃物有效、大量的开发利用，节省天然石膏资源，变废为宝、变害为利，形成产业化，则利用该废渣所开发的产品必须具备两个主要条件：**是产品必须符合市场的需求，必须具有较大的市场容量;第二则是产品必须具备较高的经济效益，具有较好的开发生产价值。只要具备了这两个条件，就有形成产业化的基础，就可以真正的将废渣变成炙手可热的优质资源。

　　在磷石膏产业化生产技术所采用的生产工艺中，从主设备到各个工艺段的设计，均以**质量，尽可能提高热利用率、提高设备利用率、降低热耗、能耗，控制生产成本为主要设计要求。产品的生产成本等技术指标与同类产品相比，均具有明显的优势，具体指标对比见下表：

　　以年产3-5万吨粉刷石膏或建筑石膏生产线为例：

　　注：上表中生产成本为含折旧、管理、销售、财务等费用的综合成本。

　　从上表中可以看出，利用工业废渣一一磷石膏生产的石膏建材产品，其综合成本远远低于同类产品的水平，即使在产品价格下滑至同类产品的保本价格时，磷石膏产品仍然有一定的利润空间，是一种具有较强市场竞争能力的产品。 生产中全部或大部分利用工业废渣，产品用于市场容量极大的建筑墙体和建材，消耗和利用了大量的废渣，产品涉及到建筑建材行业的诸多领域，有较大的市场辐射面，易于形成产业化的规模生产。

　　7、结论

　　A、以工业废渣一一磷石膏为原料，采用宁夏建材研究院开发的磷石膏产业化技术所生产出的产品，质量稳定，各项性能指标均达到或超出标准的要求。产品具有极为广阔的市场前景和巨大的市场容量，且具有远远大于同类产品的利润空间，是一种具有极强市场竞争力的产制品。

　　B、该套技术所采用的生产工艺及设备对磷石膏进行产业化处理是可行的、有效的、成功的。该种对磷石膏的处理工艺和设备具有广阔的市场前景，并具有显著的经济效益和社会效益，该套技术具有较高的推广价值。

　　C、该套技术具有重要的环保意义，符合国家的产业政策，节省资源，变废为宝，变害为利，对我国磷肥工业的可持续发展具有一定的推动作用。