通过研究不同煅烧工艺、粉磨工艺、陈化工艺对建筑石膏标准稠度需水量、凝结时间、强度等的影响效果,探索脱硫石膏处理工艺对建筑石膏性能的影响规律。实验结果显示,脱硫石膏经210℃煅烧2h后,球磨2min,密封陈化3d,即可制备出初凝时间为6min、终凝时间为9min、2h抗折强度为3.24MPa、2h抗压强度为10.15MPa的建筑石膏,符合GB/T9776《建筑石青》3.0级的要求。
石灰石-石膏湿法脱硫工艺是目前主流的燃煤电厂脱硫工艺。据统计,我国脱硫石膏排放量已达到5000万t但是一直没有得到科学、合理高效的利用,大多露天堆存或弃置。本文所选国电荥阳煤电一体化260MW燃煤发电机组正是采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺,每年排放脱硫石膏约12万t,大部分用于水泥缓凝剂,同样没有得到充分的利用。
目前,在脱硫石膏应用比较发达的德国、日本等国,脱硫石膏已经得到了近100%的利用,而且脱硫石膏制品也已经成为主流的建筑材料。纸面石膏板、轻质石膏砌块、石膏基特种砂浆已经得到了普遍的应用。但是在国内,只有部分地区脱硫石膏得到了一定程度的开发利用,例如江苏一夫尝试利用脱硫石膏制备石膏基砂浆及高强石膏,山东泰安尝试利用脱硫石膏替代天然石膏制备纸面石膏板等大部分地区脱硫石膏的开发利用程度很低,应用范围有限,而且由于脱硫工艺和设备的原因导致脱硫石的品质不高且不稳定,也给进一步的利用带来了极大的困难。
本文探索了脱硫石膏的煅烧工艺、粉磨工艺及陈化工艺等对建筑石膏标准稠度需水量、凝结时间、力学性能的影响,并依据此确定制备建筑石膏的工艺参数,制备出性能符合GB/T 9776——《建筑石膏》对3.0等级要求的建筑石膏。
01、实验
1.1原材料
脱硫石膏:国电荥阳煤电一体化有限公司(以下简称荥阳电厂)所排脱硫石膏,参照JC/T2074—《烟气脱硫石膏》
进行性能测试:附着水(湿基)含量为14%~16%,二水硫酸钙(干基)含量为87%~89%,氯离子(干基)含量为2295mg/kgpH值(干基)为6.5~7.1
对脱硫石膏进行热重分析,实验选用METTLER TOLEDOSTARe 系统TGA/SDTA851e热重分析仪,温度区间为:室温~600℃,脱硫石膏的热重曲线如图1所示。
图1中所示吸热峰有2处:57.3℃和145.7℃,由脱硫石膏的脱水反应可知,其对应的吸热反应分别为CaSO4·2H20脱去附着水和CaSO4·2H20脱去3/2个结晶水转化为β型CaSO4·1/2H20
1.2实验方法
脱硫石膏原料自电厂堆库取出后,经过45℃烘干至恒重,过0.3mm筛备用。参考GB/T9776——的测试方法,按次序确定脱硫石膏的煅烧制度、球磨工艺和陈化时间,依据各阶段建筑石膏的性能和物相分析结果,确定最佳的制备工艺。相组成分析采用三相分析法中的酒精溶液水化法-常压干燥法。
02、实验结果与讨论
2.1煅烧工艺对建筑石膏性能的影响
由图1可以看出,CaSO4·2H20转化为β型CaSO4·1/2H20的温度范围为110~230℃因此脱硫石膏煅烧温度选取170~230℃,煅烧时间选取为1~3h,煅烧实验结果如表1所示。
由表1可知,随着煅烧温度的升高,建筑石膏的标稠需水量减小,凝结时间延长,力学性能得到提高,综合考虑确定,煅烧温度以210℃为宜。当煅烧温度固定为210℃时,随着煅烧时间的延长,建筑石膏的标稠需水量减小,凝结时间稍有缩短,力学性能先升后降,参考建筑石膏的力学性能,煅烧时间以2h为宜。
由表1中煅烧产物的比表面积和体积密度可知,随着煅烧温度的升高,煅烧产物的粒径变小且级配趋于合理,导致浆体中的间隙水减少,建筑石膏的标准稠度需水量随之降低。选取煅烧温度分别为170、190、210℃的D1、D3、D5试样煅烧产物进行物相分析,结果如图2所示。
由图2可以看出:170℃时尚有少部分二水石膏DH没有完全脱水。190℃时物料完全脱水,此时煅烧产物中大部分为半水石膏HH,DH、型无水石膏A()的含量很少。210℃时物料中的一部分HH继续脱水转化为A(Ⅲ),同时HH含量降低。
在所有石膏脱水相中,A(Ⅲ)的水化活性最强,遇水后会水化成HH,所有的HH按照石膏脱水相的溶解析晶理论水化成DH。因此随着煅烧温度的升高,脱水相中A(Ⅲ)含量的增加会延长脱水相的水化时间,从而直接导致建筑石膏的凝结时间延长。脱水相中不同的相组分在水化后的产物中都是以DH的形式存在,因此影响石膏力学性能的主要还是脱水相的晶体形貌和粒度分布。已有研究证明,随着煅烧温度的升高,脱水相的晶体形貌由针状、纤维状、柱状、短柱状逐渐变 化,水化产物交错搭接,内部作用力增大。表现为宏观性能就是力学性能提高。
2.2粉磨工艺对建筑石膏性能的影响
脱硫石膏经210℃煅烧2h得到建筑石膏,分别选择辊磨和球磨对物料进行处理性能测试结果如表2所示。
对比表2与表1可知,经过粉磨工艺处理的建筑石膏,标稠需水量继续减小,凝结时间缩短,力学性能得到提高。对比粉磨形式对物料性能的提高效果,试样F5的性能最优,即球磨2min
选取球磨、粉磨时间1、2、3min的F4、F5、F6建筑石膏,利用OMIC LS-POP (Ⅲ)型激光粒度分析仪进行粒度测试,结果如图3所示。
由图3可知,随着球磨时间延长,物料粒度分布由集中趋于正态分布趋于均衡,同时D50由69.55μm降低至15.16μm，说明物料颗粒尺寸变小的同时，粒度分布也趋于合理。联系其比表面积数据和标稠需水量数据,可以验证随着物料粒径变小,粒度分布趋于合理所需的标准稠度需水量会随之降低。随着表2中比表面积数据的增大,物料的反应活性增强,水化时与水的接触面积增大,缩短了水化时间因此导致凝结时间缩短,且缩短程度与比表面积增大程度成正比。结合F4、F5、F6试样的粒度分布曲线、体积密度及强度可知,随着物料粒度分布趋于合理,试件的密实度增大,表现为体积密度增大强度提高。
2.3陈化工艺对建筑石膏性能的影响
脱硫石膏经过210℃煅烧2h后以密闭的方式陈化,选择不同的陈化时间,对陈化后的物料进行性能测试,结果如表3所示。
对比表3和表1中D6试样的测试数据可以看出,随着陈化时间的延长,建筑石膏的标稠需水量稍有下降,初凝时间基本不变,终凝时间稍有延长,力学性能稍有提高。对比陈化后的性能,陈化时间以3d为宜物料在煅烧过程中会生成各种不稳定的物相,分别对陈化前和陈化3d后的物料进行相组成分析,结果如图4所示。
合理。联系其比表面积数据和标稠需水量数据,可以验证随着物料粒径变小,粒度分布趋于合理所需的标准稠度需水量会随之降低。随着表2中比表面积数据的增大,物料的反应活性增强,水化时与水的接触面积增大,缩短了水化时间因此导致凝结时间缩短,且缩短程度与比表面积增大程度成正比。结合F4、F5、F6试样的粒度分布曲线、体积密度及强度可知,随着物料粒度分布趋于合理,试件的密实度增大,表现为体积密度增大强度提高
由图4可知,陈化前,大部分的DH在较高煅烧温度下转化成了A(Ⅲ),少部分转化成半水石膏HH,还残余小部分的DH及部分结晶水W。陈化后,物料的余热继续使残余的DH转化为HH,同时,陈化过程中A(Ⅲ)会吸收空气中的水分转化为HH,使结晶水的含量发生一定的增长陈化过程使物料呈现出以HH为主,以A(Ⅲ)为辅的物相组成。A(Ⅲ)保证了物料的水化活性,HH保证了物料的充分水化,充分地水化使石膏制品中胶凝组分的含量提高,进而使力学性能得到提高。
2.4建筑石膏的制备
综合相关的煅烧、粉磨、陈化工艺参数进行建筑石膏的验证试验。工艺参数和性能测试结果如表4所示。由表4可见,本文制备的建筑石膏各项性能均符合或优于GB/T9776——中3.0等级的要求(初凝时间≥3min,终凝时间≤10min,抗折强度≥3.0MPa,抗压强度≥6.0MPa)。
03、结语
(1)选取国电荣阳煤电一体化60MW燃煤发电机组湿法脱硫工艺所排放的脱硫石膏,首先在210℃下煅烧2h,然后球磨2min,再陈化3d,可以制得符合GB/T9776中3.0等级的建筑石膏。
(2)煅烧温度影响物料的颗粒尺寸、物相组成及晶体形态,进而影响建筑石膏的标准稠度需水量和力学性能。
(3)球磨工艺通过减小物料的颗粒尺寸,同时使物料的粒度分布趋于合理,降低了建筑石膏的标准稠度需水量,缩短了凝结时间,提高建筑石膏的力学性能。
(4)陈化工艺可以稳定物料的各项性能,同时通过相组成的变化有限地提高建筑石膏的力学性能。
（注：来自石膏建材网，本文由绿动云平台旗下工业副产石膏商圈会员提供，仅供学习交流使用）
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