脱硫石膏在水泥中有效应用的研究

卢春丽, 蒋 玲, 刘良富, 叶 鸽, 李 颖

(安徽职业技术学院 建筑工程学院,安徽 合肥 230011)

0 引言

随着工业的发展,响应国家提倡生产向环保、节能方向发展,要求工业副产利用大提升,水泥生产业,对所使用的材料尽可能低能、环保,使用工业副产物。作为水泥生产必须的缓凝剂,通常使用天然二水石膏,但随着天然资源的短缺,目前市场向越来越多的工业副产石膏发展。利用工业副产石膏替代天然石膏是非常有效的将废物资源化的途径,既可以满足生产需求,又可以达到节能降耗、资源综合利用的目的,能创造良好的经济、社会和环境效益。

黑色金属冶炼及压延加工业是继电力行业之后的第二大SO2排放行业, 其中钢铁冶炼的烧结工序是重点污染源[1]。煤炭是当今世界电力生产的主要燃料, 电厂燃煤是造成二氧化硫污染和酸雨问题的罪魁祸首。石灰/灰石-石膏法为烟气脱硫[2], 脱硫产物即有了脱硫石膏。脱硫石膏是工业副产石膏之一。脱硫石膏是燃煤电厂、金属冶炼及压延加工业净化烟气后所得的工业副产品,随着燃煤电厂项目的快速发展,脱硫石膏废渣排放量数每年数百万吨增加,将成为继粉煤灰之后的第二大固体废弃物,大量的工业脱硫石膏堆存且得不到有效处置,不仅占用大量土地资源,而且造成了严重的环境污染和生态破坏,如不采取积极有效措施进行综合利用, 与当今的循环经济、低碳、环保和可持续发展要求是不相适应的[3-4]。工业脱硫石膏,亦属于石膏的一种,它的主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O),与天然石膏相类似,在不影响强度的情况下替代天然石膏在水泥生产中作为水泥调凝剂利用, 或将脱硫石膏掺入水泥基材料中作为激发剂使用,用其代替天然石膏作水泥缓凝剂,既节约水泥,降低工程造价,又改善生态环境,对发展循环经济、建设节约型社会具有重要的意义。

通常水泥生产单位均使用未改性的脱硫石膏,未改性的脱硫石膏直接使用在水泥生产中时,会导致水泥各龄期的强度不同程度的下降,以致对生产高强度的水泥非常不利[5-6]。但是助磨剂的加入正好补偿它带来的强度下降,助磨剂的加入可以提高水泥28 d强度约3～4 MPa[7]。本文通过大量试验来证实助磨剂与脱硫石膏搭配使用,可以有效提高其利用效果。

1 试验原料及方法

1)原料:熟料;脱硫石膏;天然二水石膏;石灰石;助磨剂

2)试验仪器:试验小磨(规格Φ500mm×500 mm);型水泥负压筛析仪(型号:SF-1500);勃氏透气仪;凝结时间、标准稠度测定仪;KZL-500型电动抗折试验机;JYL-2000型压力试验机;沸煮箱;氯离子测定仪;高温炉;荧光分析仪等。

3)方法:对水泥性能的检测,均按照GB/175-2007进行,通过调整水泥配比运用对比的方法试验研究,首先将脱硫石膏、天然二水石膏、熟料以适当配比在标准试验小磨上,相同条件下磨制不同标号水泥进行对比试验,检测其水泥物理性能,再与应用天然二水石膏做为缓凝剂时水泥各物理性能的情况对比,根据脱硫石膏对水泥质量及性能的影响程度,判定脱硫石膏做为于水泥缓凝剂时在质量方面存在的问题及可行性。

本文先以P·O42.5及PM32.5水泥做脱硫石膏与天然二水石膏试验,然后再掺入适量的助磨剂进行对比试验, 我国水泥标准2007年版修订中规定助磨剂用量不许超过0.5%。根据使用脱硫石膏的水泥, 掺加助磨剂前后水泥物理、化学性能, 确定助磨剂有效性, 最后根据试验结果确定脱硫石膏与水泥助磨剂搭配使用能满足不同标号水泥的生产。

2 试验步骤

1)熟料、石膏由破碎机破碎,均破碎至粒度5 mm以下。

2)试样磨制时,先将称量好的各种物料倒入小磨内, 封好磨门后磨制样品, 粉磨时间均为24 min, 助磨剂在磨制前加入。

3)按照适当的配比,先进行脱硫石膏与天然二水石膏(未掺入助磨剂)的对比试验, 本试验以P·O42.5及PM32.5水泥同条件下做脱硫石膏和二水石膏对比平均数据对比试验,见表1。

表1 以P·O42.5及PM32.5水泥同条件下做脱硫石膏和二水石膏对比平均数据(未掺入助磨剂)Table 1 Average data of desulfurization gypsum and dihydrate gypsum under the same conditions of P.O42.5 and PM32.5 cement (without adding grinding AIDS)

从上表数据发现,生产中直接使用脱硫石膏时，可能因为脱硫石膏细度大,在水泥中能与水泥颗粒充分接触,迅速发生反应,所以更能有效调节水泥凝结时间,凝结时间延长,但是28天强度明显下降。

4)掺入0.08%的助磨剂进行对比试验,根据使用不同掺量下脱硫石膏的水泥,掺加助磨剂前后水泥物理、化学性能,助磨剂有效性,见表2、表3。

表2 加入一定量的助磨剂条件下各水泥的物理性能(使用脱硫石膏与二水石膏不同比例搭配)Table 2 Physical properties of each cement under the condition of adding certain amount of grinding AIDS (different proportions of desulfurization gypsum and dihydrate gypsum are used)

从上表发现:助磨剂加入的情况下,使用脱硫石膏和天然二水石膏无论是两者搭配使用,还是脱硫石膏单独使用，水泥的物理性能都很好,其中使用脱硫石膏水泥的抗折强度略低于使用天然二水石膏水泥的抗折强度,但抗压强度两者基本一致。

表3 掺入助磨剂的P·O42.5试验各化学成份(使用脱硫石膏与二水石膏不同比例搭配)Table 3 P·O42.5 test with grinding aid (different proportions of desulfurized gypsum and dihydrate gypsum were used)

从上表发现:助磨剂加入的情况下,使用脱硫石膏的水泥SO3掺量高于使用天然石膏的水泥中SO3,掺量所以水泥的凝结时间也长于使用天然石膏的水泥,但也在 GB/T 21371—2008 要求的范围内 (延长时间小于 2 h), 水泥企业可根据生产实际需求调整 SO3的掺量。

5)最后根据试验结果确定脱硫石膏与水泥助磨剂搭配使用能满足不同标号水泥的生产。

3 试验结论

1)使用工业脱硫石膏作为水泥的缓凝剂,从成本上能为企业创造较大的利润,但因其本身的物理特性和化学特性对水泥的性能可能造成一定的影响,物理性能不能满足新产品质量要求,但是与助磨剂同时使用的情况下,得到补偿,使用效果与天然二水石膏相同,可以满足不同强度等级水泥的生产要求。

2)与天然石膏相比,脱硫石膏对水泥的缓凝作用更明显,相同掺量下,其SO3高于天然二水石膏水泥中的SO3。

针对上面数据发现,在水泥生产时要想提高脱硫石膏作为水泥缓凝剂的应用效果,必须与助磨剂搭配使用,便可对节能、增产、节约生产产生良好的效果,应重点开发应用。

当然,利用工业脱硫石膏作为水泥基建筑材料的原料,从成本上能为企业创造一定的利润。由于不同单位、不同燃烧和脱硫工艺对所产生工业脱硫石膏的物理和化学性质具有较大影响,实际使用时,还需要通过系统的实验来确定脱硫石膏的最佳掺量以及生产条件,在此基础上才有可能获得理想的技术经济指标[8]和很好的社会效益。