摘要:研究了利用脫硫石膏作水泥緩凝劑的水泥性能以及脫硫石膏的作用機(jī)理。研究表明,脫硫石膏中含有一定量的碳酸鈣,摻入脫硫石膏,水泥凝結(jié)時間正常,對水泥力學(xué)性能和安定性有積極作用,可以代替天然石膏用于水泥生產(chǎn)。此外還研究了脫硫石膏的造粒以及使用脫硫石膏給生產(chǎn)企業(yè)帶來的顯著經(jīng)濟(jì)效益。

脫硫石膏是火力發(fā)電廠煙氣脫硫時由SO2 和CaCO3反應(yīng)生成的一種工業(yè)副產(chǎn)石膏,主要成分為CaSO4·H2O,還有一些雜質(zhì),如未反應(yīng)完全的碳酸鈣,石灰石中所含有的其它雜質(zhì)和少量鉀、鈉鹽,一般含量不大于0.5%。脫硫石膏產(chǎn)量大,不受天然石膏產(chǎn)地的限制,將其用于水泥生產(chǎn)已引起人們的廣泛關(guān)注。國外已有成功地應(yīng)用脫硫石膏作水泥緩凝劑的經(jīng)驗(yàn),我國近年才有脫硫石膏產(chǎn)出,尚未對其作水泥緩凝劑進(jìn)行過系統(tǒng)研究,本工作針對發(fā)電廠年產(chǎn)30萬噸脫硫石膏綜合利用問題進(jìn)行了深入研究工業(yè)副產(chǎn)石膏作為一種廢棄物會污染環(huán)境。將廢棄物資源化,使用脫硫石膏作水泥緩凝劑是非常有效的途徑。這將給排污單位和水泥廠創(chuàng)造好的經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境效益。材料與實(shí)驗(yàn)方法主要原材料有脫硫石膏、天然石膏、水泥熟料、礦渣、粉煤灰,化學(xué)成分如表1。

脫硫石膏為灰白色粉末狀,0.045mm方孔篩篩余1.0%。主要雜質(zhì)為未反應(yīng)完全的CaCO3和部分可溶鹽。從化學(xué)分析可知,脫硫石膏不含對水化性能有負(fù)影響的雜質(zhì),適宜作水泥緩凝劑。

天然石膏為灰白色塊狀。

粉煤灰為電廠干排灰,物理性能見表2。

礦渣為水淬高爐礦渣。

將水泥熟料、石膏及各種混合材按配比要求計量后在球磨機(jī)中混磨30min,水泥細(xì)度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)測值,水泥0.08mm方孔篩篩余為 7.0%～8.2%。復(fù)合水泥細(xì)度2.8%～4.7%。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),對硅酸鹽水泥、普通水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復(fù)合水泥的性能進(jìn)行了全面測試。

結(jié)果與討論

脫硫石膏對硅酸鹽水泥、普通水泥性能的影響

脫硫石膏對硅酸鹽水泥、普通水泥性能的影響如表3、表4所示,從試驗(yàn)結(jié)果可知,脫硫石膏的摻量大于2.0%時,水泥凝結(jié)時間能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,安定性合格,隨著石膏摻量增大,凝結(jié)時間延長,但強(qiáng)度變化不明顯。與相同摻量天然石膏的水泥相比,脫硫石膏作緩凝劑的水泥初凝時間有所提前,終凝時間相差不大,強(qiáng)度比后者高5%左右。脫硫石膏摻量在2.5%～4%之間水泥性能較好。摻量低于2%,水泥的緩凝效果達(dá)不到要求。從上述結(jié)果可知,脫硫石膏可以和天然石膏一樣用于硅酸鹽水泥和普通水泥的生產(chǎn)。

脫硫石膏對礦渣水泥、粉煤灰水泥性能的影響 :脫硫石膏對礦渣水泥和粉煤灰水泥性能影響如表5。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知,脫硫石膏能正常調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間,水泥性能正常發(fā)展,尤其是強(qiáng)度指標(biāo)與天然石膏作緩凝劑的水泥保持在相同水平,有的還會高出5%～7%,對于低標(biāo)號水泥提高的幅度要大一些,約為10%～20%左右。脫硫石膏在其中不僅作緩凝劑,同時還起到硫酸鹽激發(fā)劑的作用,促進(jìn)了水泥強(qiáng)度發(fā)展

脫硫石膏對復(fù)合水泥性能的影響

表6是分別摻有礦渣和石灰石、礦渣和粉煤灰混合材的復(fù)合水泥以脫硫石膏作緩凝劑的性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,脫硫石膏能夠正常調(diào)節(jié)復(fù)合水泥的凝結(jié)時間,水泥性能優(yōu)良。摻入石灰石的復(fù)合水泥性能明顯優(yōu)于摻入粉煤灰的水泥性能。

注:水泥細(xì)度控制在2.8%～4.7%。

從上述不同品種水泥的試驗(yàn)結(jié)果可知,脫硫石膏中含有部分未反應(yīng)的CaCO3和部分可溶鹽,如K+、Na+鹽,這些雜質(zhì)的存在有利于加速水泥水化,激發(fā)混合材活性的充分發(fā)揮,加之脫硫石膏細(xì)度大,在水泥中能與水泥顆粒和混合材顆粒充分接觸,迅速發(fā)生反應(yīng),能有效調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間。對于礦渣水泥、粉煤水泥和復(fù)合水泥,脫硫石膏既是緩凝劑,同時又是混合材水化時的硫酸鹽激發(fā)劑,以及其中含有的CaCO3,對水泥結(jié)構(gòu)性能有提高作用。

脫硫石膏的造粒

粉狀脫硫石膏在運(yùn)輸和生產(chǎn)使用中有諸多不便,所以國外利用脫硫石膏作水泥緩凝劑時都是將粉狀石膏造粒成型。引進(jìn)的粉狀石膏造粒設(shè)備價格昂貴,難以推廣使用。國內(nèi)曾有人提出以脫硫建筑石膏和脫硫二水石膏各半配成混合料,采用水泥成球盤進(jìn)行成球,這在技術(shù)上是可行的,但在經(jīng)濟(jì)上企業(yè)難以接受的,因?yàn)榫從齽┲?50%的脫硫建筑石膏的價格就已經(jīng)與天然石膏價格相當(dāng)。石膏的造粒過程就是增大粉末粒徑的過程,在此過程中,粉末顆粒通過物質(zhì)間自身的架橋作用,毛細(xì)管吸引壓力,附著力,靜電引力和機(jī)械咬合力等的作用形成大粒徑的二次顆粒,二次顆粒的自身強(qiáng)度是評價造粒的主要指標(biāo)。石膏顆粒的破壞荷載要求不小于8kg為宜。

造粒的方式大致可分兩大類,一類是靠顆粒間的凝聚力成粒,如盤式成球方法,另一類是靠外力對粉體施壓使其形成顆粒,如碾壓造粒等。第一種成型方式要求物料有較好的塑性,而脫硫石膏塑性很差,不宜采取這種方式。根據(jù)石膏性能,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)選定了在脫硫石膏中摻入少量膠結(jié)劑,然后壓制成粒的技術(shù)路線,這種膠結(jié)劑對水泥性能無任何影響,混合后的物料經(jīng)壓制成型,壓制所要求的壓力不高,顆粒破壞荷載不小于10kg,能滿足使用要求,國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備能夠保證批量生產(chǎn)。經(jīng)測算,造粒后水泥緩凝劑比脫硫二水石膏價格高10～15元/t,即達(dá)到30～35元/t,遠(yuǎn)低于天然石膏50～70元/t的價格。

結(jié)論

(1)脫硫石膏是由石灰石粉末與二氧化硫反應(yīng)生成的工業(yè)副產(chǎn)品石膏,不含對水泥性能有負(fù)影響的雜質(zhì),適宜作水泥緩凝劑。

(2)與天然石膏相似,脫硫石膏能正常調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間,摻入3%～5%的脫硫石膏,各品種的水泥凝結(jié)時間均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)脫硫石膏中含有CaCO3和少量可溶性鹽,對促進(jìn)水泥強(qiáng)度發(fā)展,激發(fā)混合材活性發(fā)揮是有利的。用脫硫石膏作緩凝劑的水泥強(qiáng)度與用天然石膏的水泥相當(dāng),部分品種水泥的強(qiáng)度有一定幅度的提高。

(4)摻少量膠結(jié)劑后使脫硫石膏壓制成粒,既滿足了運(yùn)輸和生產(chǎn)使用的要求,又不明顯提高其生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn) （略）

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