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閃燒法生產工藝一一磷石膏*有效的資源化利用途徑
段慶奎 王立明
(寧夏建筑材料研究院)
1.磷石膏的現狀
磷石膏是磷肥工業(yè)的固體廢棄物，而磷酸是磷肥工業(yè)的基礎。濕法磷酸生產工藝都是通，過硫酸分解磷礦粉生成萃取料漿，然后過濾洗滌制得磷酸。過濾洗滌的過程中同時產生磷石膏廢棄物。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(yè)的迅猛發(fā)展，每年由磷肥類化工企業(yè)排出的磷石膏近2000萬噸左右。
磷石膏一般呈粉狀，因含有8-15%的附著水而呈漿體狀，顆粒直徑一般為5-150μm，其主要成分為CaS04-2H20，一般可達到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2.22-2.37，容重為0.733-0,880g/cm3 。
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，一般不被作為石膏生產原料采用。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(qū)經初級處理后(水洗)而作為生產原料使用。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(yè)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，或者在處理過程中產生大量的難以處理的廢水，因此仍然不能從根本上解決問題。
2.磷石膏資源化利用的必要性和可行性
2.1磷石膏的特性
磷石膏由于其產生途徑的不同，其成分、顏色、物理性能、雜質含量、雜質種類等都因其產生的工藝而有所不同，但作為人工合成的以二水硫酸鈣為主要成分的工業(yè)副產品，它都有著以下的一些共同特性：
?、倭资啻蠖喽季哂休^高的附著水，呈漿體狀或濕渣排出，一般其附著水的含量都在20——40%，個別的甚至更高。
?、诹资嗔捷^細，粒徑一般均在5-300微米之間，生產石膏粉時，可節(jié)省破碎、粉磨費用，會產生大量的粉塵，增加除塵的費用。
③磷石膏一般所含成分較為復雜，含有量少但對石膏水化硬化性能有較大影響的化學成分，PH值呈酸而非中性。給磷石膏的有效利用帶來較大難度。
?、芰资喈a量都較大，在產生過程中，大多都高于其主產品的產量，如磷石膏近2000萬噸/年。
?、萘资啻蠖喽疾荒懿捎贸Ｒ?guī)天然石膏處理工藝生產，利用難度較大，對環(huán)境有一定的污染，利用量極少，大多采用圈地堆放的方式處理。
磷石膏這種利用難度較高的工業(yè)副產品，各種行業(yè)的研究機構從不同的角度對其進行了各種利用途徑的研究，其利用途徑和方法主要分為以下幾種：
A)、做為一種硫效肥料使用或者用于改良堿性土壤
B)、磷石膏預處理(水洗)后在石膏建材中利用或生產時少量攙雜應用
C)、磷石膏生產硫酸聯產水泥
D)、磷石膏作為水泥生產的緩凝劑使用
E)、鋪路添坑
但以上利用方法因為技術、產品市場、產品競爭力、產品技術性能、對磷石膏的消耗量等原因，均未能得到大幅度的推廣和應用，磷石膏相關生產企業(yè)仍然只能采用圈地堆放這一*簡單的方式處理這種產量*大、*難處理的磷石膏。
⑥磷石膏中，有效成分二水石膏的含量一般均較高，可達75-90%，相當于二級以上石膏的有效成分含量，如果單論其有效成分含量而不計其有害雜質的影響，大多數磷石膏都可作為優(yōu)質的石膏生產原料。因此，如果采用合適的技術和設備，能夠消除磷石膏中有害成分的影響，磷石膏就會成為一種廉價、高品位、環(huán)保的優(yōu)質生產原料。
2.2磷石膏資源化利用的必要性
據有關資料統(tǒng)計，我國天然石膏礦石的總儲藏量為570億噸，該儲藏量中，僅有大約8%為優(yōu)質石膏(主要指CaS04-2H20含量大于90%的特級及一級石膏)資源，低品位礦石及硬石膏的含量相對較大(來源于中國非金屬礦工業(yè)協會石膏專業(yè)委員會的《2004年全國石膏礦業(yè)經濟運行概況》)，且我國石膏礦的分布并不均勻，有相當多的地區(qū)沒有石膏資源，隨著近年來市場的急劇拓展，資源消耗急劇加大，資源浪費也極為嚴重，由于我國目前的這種鄉(xiāng)鎮(zhèn)小礦(技術力量、設備水平、生產能力等均極為原始的掠奪性開采)仍然占據主導的開采生產模式，致使資源實際開采率、利用率、回采率等均極低，采出率不足30%，資源浪費嚴重，各類資源不能得到合理的開采、有效的利用。我國2004年的各類石膏的消耗總量約為3500萬噸左右，95%以上仍然為天然石膏資源，而且大多為地下開采，開采成本較高，加大了原料成本。而我國每年嚴生的磷石膏約2000多萬噸，仍在采用買地堆放的方式處理，占用土地、影響環(huán)保、占用資金、浪費資源。因此，磷石膏這種具有優(yōu)質二水石膏特性的工業(yè)廢棄物的資源化利用，有著極為重要的社會效益和環(huán)保效益，對于相關企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和有限的天然石膏資源的保護和有效利用也有著極為重要的意義。
近年來，隨著我國經濟的飛速發(fā)展，環(huán)境保護要求的曰益提高。各種環(huán)保法制法規(guī)的逐步全和加強，對各類工業(yè)企業(yè)生產中所排放的污染物的指標均做了較為嚴格的限制，執(zhí)法 瞼查力度也在逐步加強。在環(huán)境保護的這種迫切和嚴格要求下，大量堆積的磷石膏如何有效處理已經成了我國乃至世界范圍內的一個迫在眉睫的問題。而目前所采用的“堆放”的處理已在以不同的方式制約著企業(yè)的發(fā)展：堆放這些成百上千萬噸的工業(yè)廢棄物，不僅占用大量的土地，而且這種方式仍然在污染環(huán)境，不能滿足環(huán)保要求，且處理費用也非常昂貴，企業(yè)造成較大的壓力。因此，無論從企業(yè)的生存發(fā)展、環(huán)境保護，還是從資源保護和磷石的綜合開發(fā)利用來看，磷石膏的資源化利用都是大勢所驅，是符合國家持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護、節(jié)能利廢等產業(yè)政策的。
2.3磷石膏資源化利用的可行性
要解決磷石膏的問題，根本出路在于如何將其開發(fā)處理為具有廣闊市場前景、較大的市容量、較好的經濟效益的各種原材料或產制品，要把磷石膏做成一種資源，下工夫研究開發(fā)，走可持續(xù)發(fā)展的道路，才能真正的作到變廢為寶、變害為利。
隨著當前建筑節(jié)能和墻體改革的新形勢，急需新型的節(jié)能環(huán)保型的墻體材料，隨著生態(tài)建筑和綠色建材的概念日益為人們所接受，臥石膏為主體的功能型新型綠色環(huán)保建材日益受到建筑業(yè)的青睞;而目前市場上的石膏產品，種類繁多、且大多都具有較好的經濟效益。因此，如何利用磷石膏自身的特性，采用切實可行的工藝方法，將磷石膏處理成各種石膏建材產業(yè)廢棄物資源化、市場化，才是解決磷石膏綜合利用以及環(huán)境保護的*有效的途徑之一。
目前，市場上存在著種類繁多的石膏產制品，其應用領域主要為建筑建材、陶瓷模具、工藝美術、裝飾裝修、精密鑄造、醫(yī)療衛(wèi)生等。寧夏石膏工業(yè)設計研究院根據自身多年從事石膏設計研究的經驗，及對石膏產制品市場的需求分析，確定了在磷石膏資源化途徑研究的思路：在這眾多的應用領域中，建筑建材領域其市場容量巨大，產品種類繁多。而且大多產品對原材料(二水石膏)的要求都較低，對原料中的雜質種類和含量的限制也較小。其它特種應用領域，產品涉及范圍較寬，產品種類較多，產品附加值較高，各產品市場容量較小，產品性能指標等要求較高，對生產原材料的要求較為嚴格，對原材料中雜質的種類和含量的限制也較嚴格。根據以上各石膏應用領域對原材料的要求分析以及磷石膏自身的特性，磷石膏由于其量大、成分復雜、顏色較差等自身缺陷，因此只適宜于生產市場容量大、產品要求低的建筑建材類石膏產制品，尤其是近年未，隨著國家有關產業(yè)政策的調整，國家有關政策的實施，以石膏材料為代表的新型建筑材料、新型墻體材料及裝飾裝修材料在建筑領域中應用量的高速增長，為磷石膏在建筑建材領域綜合利用提供了一個良好的契機。對磷石膏進行優(yōu)化利用，使其能夠進入市場，發(fā)揮其*佳的作用和價值，作到物盡其用。 3.磷石膏資源化途徑、產業(yè)化技術的研究
3.1產品的市場定位
近年來，隨著國內石膏產業(yè)的飛速發(fā)展和國家環(huán)保政策的逐步加強，寧夏石膏工業(yè)設計研究院根據市場的變化，將磷石膏的資源化途徑和產業(yè)化技術研究開發(fā)作為一個我院的一個主要研究方向，根據各磷石膏不同的特點和市場各種產品對原料的不同要求，借鑒我院多年從事石膏研究的經驗以及近年來對磷石膏資源化、產業(yè)化生產技術的不斷研究，對磷石膏的市場作了如下的定位：
?、倭资嗫梢员M可能的采用各種技術，進行多方位的利用，包括水泥緩凝劑、化工填料、土壤改良等，才能對產量巨大的磷石膏進行有效的消耗。
?、诹资嘁獙⑹嘟ú念I域作為其進行應用的一個主要方向，產品以以下兩個方面為主：
a利用磷石膏為原料生產粉刷石膏、粘接石膏、石膏膩子、自流平石膏等石膏粉產品。
b利用磷石膏為原料生產石膏墻體材料如石膏砌塊、紙面石膏板、石膏纖維板、石膏條板等各類石膏板制品。
這主要有以下幾個方面的理由：
c粉刷石膏和石膏墻體材料均是近年發(fā)展起來的新型建筑材料，是國家倡導的新興產業(yè)，不但有著廣闊的市場，而且產品有著較高的利潤和較好的經濟效益。
d作為目前建筑領域中應用的粉刷石膏和石膏墻體材料，產品性能要求相對較低，技術較為成熟，市場早已發(fā)育成熟不需特別推廣。
e磷石膏雖成分較為復雜，但其有效成分CaS04-2H20的含量較高，消除有害成分的影響后是一種優(yōu)質的生產原料，具有很強的石膏特性，經一定的工藝方法處理后的產品較適合于配制粉刷石膏和生產石膏墻體材料。
4.磷石膏資源化利用技——閃燒法工藝及原理
4.1原料 下表列出了我院試驗過的幾種磷石膏的化學分析
4.2工藝方法及原理
寧夏石膏工業(yè)設計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(yōu)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(yè)政策要求和市場狀況，研制開發(fā)成功一種利用工業(yè)廢渣一磷石膏生產優(yōu)質的石膏類建材產制品的產業(yè)化技術…一閃燒法工藝技術，該套技術對廢渣不進行任何水洗等預處理方式，處理過程中不產生二次污染。采用磷石膏為原料采用閃燒法工藝技術所生產出來的石膏建材產品，不僅性能指標優(yōu)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。
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(2500C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(yōu)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(xù)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(fā)，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(wěn)定性以及較高的抗水性能，使其成為配置優(yōu)質高性能粉刷石膏的基料。
4.3產業(yè)化技術及產品
上面為采用寧夏石膏工業(yè)設計研究院的閃燒法工藝技術，以磷石膏為原料生產的部分石膏產制品。
①閃燒法工藝和設備一利用磷石膏生產優(yōu)質建筑石膏粉技術
?、趦葻媪魇交剞D窯煅燒工藝和設備一利用磷石膏生產無水石膏粉配置粉刷石膏、粘貼，石膏及自流平石膏技術
?、刍旌鲜交剞D窯煅燒工藝和設備一利用磷石膏生產混合相粉刷石膏技術
利用以上技術支撐，可將磷石膏進行資源化利用，形成產業(yè)化系列產品：
建筑石膏粉;粉刷石膏; 石膏膩子： 粘貼石膏;自流平石膏; 石膏砌塊：各類石膏板及制品;石膏墻體材料等石膏產制品。
4 .4磷石膏產業(yè)化產品的性能指標
下表為利用寧夏石膏工業(yè)設計研究院的工藝技術生產的磷石膏產品的性能指標：
5.應用實例：魯西化工銀川磷肥廠年產20萬噸建筑石膏粉項目
利用寧夏石膏工業(yè)設計研究院專利技術…，閃燒法工藝技術及設備的實施項目
5.1項目簡介
魯西化工銀川磷肥廠年產20萬噸建筑石膏粉項目是寧夏石膏工業(yè)設計研究院2005年9月開始設計的一個磷石膏資源化有效利用的項目，項目利用銀川磷肥廠生產磷氮工程中排出的工業(yè)副產品磷石膏為原料'采用寧夏80-85%設計研究院的專利技術和設備——閃燒法工藝技術和磷石膏閃燒窯，生產出優(yōu)質的石膏砌塊專用建筑石膏粉和低成本的混合相粉刷石膏。
銀川磷肥廠年排出二水硫酸鈣含量80.85%的磷石膏20萬噸，往年堆積的磷石膏約100多萬噸，占用了大量的土地并污染著銀川市的水源，環(huán)保壓力很大。寧夏銀川地區(qū)為寧夏石膏產制品耗量*大的地區(qū)，僅銀川市就有20多家石膏砌塊企業(yè)，總計生產能力為70—100萬平米，加上粉刷石膏、紙面石膏板及其它石膏產制品，年消耗石膏量相當可觀。
因此為本地區(qū)磷石膏的有效利用提供了技術**和市場空間。
該項目經過半年的建設，從06年4月初開始投料試產.經過一個星期的調整，現已進入試產后期，產品已達到并遠遠超過了雙方的合同約定，部分指標也超過了天然石膏為原料的
同類產品指標，各種消耗也在設計的要求范圍之內，取得了較好的效果。
5.2生產工藝方法及流程
年產20萬噸建筑石膏粉工藝流程：
磷石膏廢渣→預均堆場→磷石膏閃燒窯系統(tǒng)→熟料輸送設備→熟料倉外加劑→粉刷石膏→磨機→儲料倉→計量設備→混料機→包裝入庫→石膏膩子→石膏粉類產品 →粘貼石膏→包裝機包裝入庫→建筑石膏粉→各種石膏制品
5.3原材料消耗及部分運行參數
燃料：所需燃料為煤，其發(fā)熱值須大于5000kcal/kg;
生產中采用了各種節(jié)能降耗的措施，建筑石膏粉的煤耗在70公斤煤/Ⅱ屯，粉刷石膏煤耗在90公斤煤/噸(原料含水為20%時);
生產線無生產用水，主要為生活用水。
原材料：含水率小于20qo的磷石膏，其消耗定額為約為0.14噸/噸成品。
電消耗：生產線的電消耗定額為45度電/噸產品。
廢渣主要為煤燃燒后(燃燒較完全，渣基本為白色的渣灰)少量的灰渣，基本為燃煤量的10%左右。
煙氣溫度大于800℃，尾氣溫度小于120℃。
5.4 產品的性能指標
6.經濟及社會效益
6.1磷石膏資源化利用的經濟效益
通過采用閃燒法工藝和技術，將磷石膏進行資源化處理，形成一系列的產業(yè)化產品，一般均具有較高的經濟效益，這主要是由以下幾點所決定的：
A、磷石膏是一種廉價優(yōu)質的原料，與日漸緊缺的優(yōu)質天然資源相比，既節(jié)省生產的原材料費用，又節(jié)省了石膏礦的大量投資，相當于低成本的建設了一些大型露天礦。
B、磷石膏的高細度的特性，節(jié)省了生產線建設中的多級破碎的投資，節(jié)省了生產線運行中電耗較大的破碎設備的運行費用及降低了磨機的電耗，降低了生產的運行成本和產品成本。
C、由于磷石膏的高品位，增加了產品系列，提高了產品性能和檔次，增強了產品的市場競爭力。
D、由于工業(yè)廢渣的利用，企業(yè)可以享受國家的相應減免稅政策，為新建企業(yè)的發(fā)展減輕了資金壓力，提供了資金**，增加了經濟效益。
因此，采用磷石膏作為生產原材料與天然石膏原材料相比，產品具有較低的成本(一般低20-40%)，較強的市場競爭力，較高的經濟效益。
6.2磷石膏資源化利用的社會效益
能源節(jié)約和資源綜合利用是我國經濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，是實現經濟可持續(xù)發(fā)展的重要**，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略必須要求節(jié)約資源、保護環(huán)境，正確處理好經濟發(fā)展與資源、環(huán)境的關系。解決資源問題必須首先要大力節(jié)約資源、優(yōu)化利用資源、提供資源的利用價值和利用率。
利用適宜的配套技術及設備，采用每年相關企業(yè)產生的大量的磷石膏，根據各自的特性結合市場需求，生產各種市場需要的、容量大小不等的、對礦石要求各異的各類石膏產制品如：紙面石膏板、石膏砌塊、石膏條板、石膏纖維板等石膏墻體材料及粉刷石膏、石膏膩子、粘貼石膏、自流平石膏等石膏建筑建材石膏產品，既可以變廢為寶，解決大量磷石膏的堆放”，污染問題，支持相關工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還可以為企業(yè)產生良好的經濟效益和社會效益，并為迅猛發(fā)展的建筑行業(yè)提供大量綠色環(huán)保的新型建筑墻體材料，為日益發(fā)展的石膏行業(yè)的生產提供新的原料途徑。同時由于磷石膏的大量應用節(jié)約了大量的天然石膏資源、大量新型筑墻體材料的應用節(jié)約了能源、節(jié)約了土地。
7.結束語
7.1利用閃燒法的工藝技術和設備，磷石膏在生產過程中不需做任何預處理，生產過程簡單控制，利用該方法磷石膏將成為一種廉價的、優(yōu)質的、高品位的石膏產制品生產的原材料.
7.2通過寧夏石膏設計研究院的閃燒法磷石膏資源化途徑的研究及產業(yè)化技術的應用，可以根據各類石膏的不同特性，生產各種市場需要的、容量大小不等的、對產品要求各異的各類石膏產制品，作到資源的優(yōu)化利用，提高資源的利用價值和利用率。
7.3采用閃燒法的磷石膏資源化技術，具有較高的經濟效益和較好的社會效益，既發(fā)展了經濟、符合了環(huán)保、節(jié)約了資源，利用了廢渣。
