CN103304170B - 一种生产硫铝酸盐水泥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生产硫铝酸盐水泥的方法，将石灰石、磷石膏、低品位矾土以及焦炭按一定比例配制成水泥生料，经过粉磨混匀后在高温下煅烧，煅烧过程中通过促进磷石膏尽可能多的分解，分解生成的氧化钙代替部分石灰石，二氧化硫气体可以收集制备硫酸，所得水泥熟料中加入天然二水石膏混合磨细制得水泥成品。本发明方法与已有的传统生产方法相比，可大幅度提高磷石膏利用率，避免生产过程中石膏少量分解排放的二氧化硫达不到利用的浓度，还可以减少石灰石用量，降低二氧化碳排放，所烧成水泥适应性广，可广泛应用于利用磷石膏生产硫铝酸盐水泥，也适用于生产快硬水泥、膨胀水泥等。
Description
技术领域
本发明属于水泥技术领域，特别涉及利用工业废弃物磷石膏生产硫铝酸盐水泥的方法。
背景技术
磷石膏是湿法生产磷酸过程中排放的工业废渣，目前全世界的磷石膏堆存量已达10亿吨之多，我国已经超过3亿吨。磷石膏的资源化利用最初局限于天然石膏的应用领域，主要用于生产石膏胶凝材料、水泥缓凝剂以及制硫酸联产水泥。然而，磷石膏中杂质对材料性能产生不利影响，即使经过预处理，仍不能完全消除；利用磷石膏制硫酸联产水泥过程中磷石膏难以完全分解，这些问题导致磷石膏利用受限，只能进行堆放，不仅占用大量土地，对生态环境造成严重污染。
磷石膏的主要成分为二水硫酸钙，还含有少量磷、氟等杂质，可作为硫铝酸盐水泥生产的原材料。硫铝酸盐水泥的主要矿物为硫铝酸钙和硅酸二钙，硫铝酸钙水化较快，主要提供早期强度，硅酸二钙水化相对缓慢，有利于水泥后期强度发展。该水泥的煅烧温度比普通硅酸盐水泥低150~200℃，而且煅烧过程中二氧化碳排放低，是典型的节能环保型水泥，具有低碱度、高早强、微膨胀、耐侵蚀等特点，目前已经生产出快硬、高强、膨胀、自应力、低碱五种硫铝酸盐水泥，被广泛应用于建材行业。
通常，硫铝酸盐水泥生产要求铝矾土的品位较高，Al2O3含量需大于55%，不仅生产成本增加，而且原材料也受到限制，以致国内硫铝酸盐水泥的年产量并不高，难以满足不断增加的市场需求。目前，一种提高硅酸二钙含量、降低硫铝酸钙含量的贝利特-硫铝酸盐水泥引起广泛关注，该水泥降低了含铝材料的配入量。采用磷石膏生产普通硫铝酸盐水泥，磷石膏用量仅占生料比例10%左右，而如果生产贝利特-硫铝酸盐水泥，磷石膏用量还要降低，无法实现磷石膏资源化利用。
发明内容
针对现有硫铝酸盐水泥的生产问题, 本发明提供一种利用磷石膏部分分解生产硫铝酸盐水泥的制备方法，以提高磷石膏的利用率，实现磷石膏的资源化利用，降低生产成本，满足市场需要。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种生产硫铝酸盐水泥的方法，其特征在于，制备时，在生料中加入焦炭促进磷石膏中部分硫酸钙的分解反应，使得参与分解反应的硫酸钙分解生成氧化钙代替部分石灰石，未分解的磷石膏作为水泥熟料矿物中硫铝酸钙形成的硫酸盐组分。将烧制的水泥熟料外掺天然二水石膏，配制成硫铝酸盐水泥。
具体地说，本发明由以下优化的生产步骤组成：
a．水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：石灰石30-60份、磷石膏25-55份、低品位矾土15-45份；再加入焦炭，焦炭的用量按与配料中磷石膏含CaSO4的量进行计算，即C：CaSO4的摩尔比为0.1-1.0；再将各组分粉磨混匀至细度为100-200目，得到水泥生料；
b．水泥熟料的制备：
将步骤a制备的生料置于回转窑内进行煅烧，煅烧温度为1250~1300℃，煅烧时间为30min，得到水泥熟料；
c．水泥的制备：
向步骤b烧成的水泥熟料中掺入5%的天然二水石膏，混合均匀后，经球磨机粉磨至比表面积为300～450m2/Kg，制成水泥成品。
所述步骤a中，本申请采用的低品位矾土是指其中Al2O3的质量分数为48%的矾土。
其中，作为参数的优选，a步骤中优选按照质量分数为：石灰石32-55份、磷石膏25-50份、低品位矾土18-30份进行配料，焦炭的用量按C：CaSO4的摩尔比为0.5-1.0进行投料，可以使其效果更好。所述步骤a中，焦炭的用量可以进一步优选按C：CaSO4的摩尔比为0.5进行投料，以提高效果。
本发明中通过调整水泥生料配料方式、控制水泥熟料煅烧温度，将磷石膏部分分解和硫铝酸盐水泥熟料煅烧结合起来，控制焦炭的投入量和煅烧温度使磷石膏尽可能分解但又无需完全分解，同时进行水泥熟料煅烧，磷石膏部分分解生成的氧化钙代替部分石灰石，减少石灰石的用量；未分解的磷石膏作为水泥熟料矿物中硫铝酸钙形成的硫酸盐组分。将烧制的水泥熟料外掺天然二水石膏，配制成硫铝酸盐水泥。
上述技术方案中，粉磨混匀后水泥生料的细度为100-200目，以更好地使水泥熟料矿化完全。上述技术方案中，焦炭按C：CaSO4的摩尔比为0.1-1.0进行投料，其中CaSO4来自于磷石膏，将制备的水泥生料于1250-1300℃条件下煅烧30分钟，以得到性能良好的水泥熟料。
上述技术方案中，水泥生料经过高温煅烧后，烧成得到的水泥熟料中含有2-10%的高温硬石膏。
上述技术方案中，水泥生料在高温煅烧过程中，磷石膏在焦炭作用下发生部分分解，分解率为20-70%，其中参与分解反应的硫酸钙分解生成氧化钙代替部分石灰石，分解产生的二氧化硫气体可用于生产硫酸。剩余未分解的磷石膏经高温煅烧后，转化为高温石膏，其中的杂质转化为惰性组分，对水泥的性能无不利影响。
在本发明中，考虑到残留高温石膏的存在，将所得熟料外掺质量份数为5份的天然二水石膏制得水泥成品。
本技术方案中，硫铝酸盐水泥中要求氧化铝的含量较低，因此，采用低品位矾土（Al2O3质量分数为48%）及含铝废渣代替普通硫铝酸盐水泥中使用的高品位矾土，具有原材料来源广、煅烧温度低、磷石膏利用率高、适应性广等特点。
本发明具有如下优点：
1．制备时，在生料中加入焦炭促进磷石膏中部分硫酸钙的分解反应，使得参与分解反应的硫酸钙分解生成氧化钙代替部分石灰石，未分解的磷石膏作为水泥熟料矿物中硫铝酸钙形成的硫酸盐组分。将烧制的水泥熟料外掺天然二水石膏，配制成硫铝酸盐水泥，提高了磷石膏的有效利用率。
2．磷石膏部分分解产生的二氧化硫气体可以收集制备硫酸，避免了二氧化硫的排放问题。
3．相比其他传统的磷石膏利用方式，本发明中磷石膏的投料量达到到质量份数为25-55份，提高了磷石膏的利用率，实现了磷石膏资源化利用，解决了磷石膏导致环境污染的问题。
4．磷石膏中含有的杂质有利于水泥熟料煅烧，在烧制水泥熟料时具有很好的矿化作用，可降低水泥熟料矿物的形成温度，无需另外添加矿化剂。水泥易烧性好，且煅烧的水泥熟料易磨性好，可大大降低生产成本。
5．磷石膏中杂质在水泥熟料煅烧过程中可转化为惰性组分，对水泥性能无不利影响，与其他利用方式相比，本发明可有效消除杂质的不利影响，且无需采用任何预处理方法。
本发明可广泛应用于生产快硬、高强、膨胀、低碱度等不同种类的硫铝酸盐水泥。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
一种利用磷石膏部分分解生产硫铝酸盐水泥的制备方法，具体实施步骤如下：
a．水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：石灰石55份、磷石膏25份、低品位矾土20份；再加入焦炭，焦炭的用量按与配料中磷石膏含CaSO4的量进行计算，即C：CaSO4的摩尔比为0.5；再将各组分粉磨混匀至细度为100-200目，得到水泥生料；
b．水泥熟料的制备：
将步骤a制备的生料置于回转窑内进行煅烧，控制煅烧温度为1300℃，煅烧时间为30min，得到水泥熟料；
c．水泥的制备：
向步骤b烧成的水泥熟料中掺入质量分数为5%的天然二水石膏，混合均匀后，经球磨机粉磨至比表面积为330m2/Kg，制成水泥成品。
所述步骤b中，水泥生料在高温煅烧过程中，磷石膏在焦炭作用下发生部分分解，分解率为28.6%。
所述步骤b中，烧成得到的水泥熟料中含有3.5%的高温硬石膏。
实施例2：
一种利用磷石膏部分分解生产硫铝酸盐水泥的制备方法，具体实施步骤如下：
a．水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：石灰石33份、磷石膏37份、低品位矾土30份；再加入焦炭，焦炭的用量按与配料中磷石膏含CaSO4的量进行计算，即C：CaSO4的摩尔比为0.5；再将各组分粉磨混匀至细度为100-200目，得到水泥生料；
b．水泥熟料的制备：
将步骤a制备的生料置于回转窑内进行煅烧，控制煅烧温度为1250℃，煅烧时间为30min，得到水泥熟料；
c．水泥的制备：
向步骤b烧成的水泥熟料中掺入质量分数为5%的天然二水石膏，混合均匀后，经球磨机粉磨至比表面积为350m2/Kg，制成水泥成品。
所述步骤b中，水泥生料在高温煅烧过程中，磷石膏在焦炭作用下发生部分分解，分解率为40.2%。
所述步骤b中，烧成得到的水泥熟料中含有6.1%的高温硬石膏。
实施例3：
一种利用磷石膏部分分解生产硫铝酸盐水泥的制备方法，具体实施步骤如下：
a．水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：石灰石32份、磷石膏50份、低品位矾土18份；再加入焦炭，焦炭的用量按与配料中磷石膏含CaSO4的量进行计算，即C：CaSO4的摩尔比为1.0；再将各组分粉磨混匀至细度为100-200目，得到水泥生料；
b．水泥熟料的制备：
将步骤a制备的生料置于回转窑内进行煅烧，控制煅烧温度为1300℃，煅烧时间为30min，得到水泥熟料；
c．水泥的制备：
向步骤b烧成的水泥熟料中掺入质量分数为5%的天然二水石膏，混合均匀后，经球磨机粉磨至比表面积为360m2/Kg，制成水泥成品。
所述步骤b中，水泥生料在高温煅烧过程中，磷石膏在焦炭作用下发生部分分解，分解率为64.3%。
所述步骤b中，烧成得到的水泥熟料中含有9.2%的高温硬石膏。
用上述实施例煅烧得到的硫铝酸盐水泥，制备成标准试件，根据国标GB1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》和GB/T17671-1999《水泥强度检验方法》分别测得水泥凝结时间和强度，如表1所示：
表1
从表1中可以看出，利用磷石膏部分分解生产的硫铝酸盐酸盐水泥的强度指标均达到普通硅酸盐水泥42.5等级的强度要求，而且该水泥的初始凝结时间大于25min，满足实际施工要求。因此，本发明利用磷石膏的部分分解生产硫铝酸盐水泥的性能良好，而且可以大幅度提高磷石膏的利用率，节约能源的同时减少了环境污染，本发明的水泥为一种环境友好型胶凝材料。
Claims (4)
1.一种生产硫铝酸盐水泥的方法，其特征在于，制备时，在生料中加入焦炭促进磷石膏中部分硫酸钙的分解反应，使得参与分解反应的硫酸钙分解生成氧化钙代替部分石灰石，未分解的磷石膏作为水泥熟料矿物中硫铝酸钙形成的硫酸盐组分；将烧制的水泥熟料外掺天然二水石膏，配制成硫铝酸盐水泥，包括如下步骤：
a．水泥生料的制备：
按照如下质量份进行配料：石灰石30-60份、磷石膏25-55份、低品位矾土15-45份；再加入焦炭，焦炭的用量按与配料中磷石膏含CaSO4的量进行计算，即C：CaSO4的摩尔比为0.1-1.0；再将各组分粉磨混匀至细度为100-200目，得到水泥生料；低品位矾土是指其中Al2O3的质量分数为48%的矾土；
b．水泥熟料的制备：
将步骤a制备的生料置于回转窑内进行煅烧，煅烧温度为1250~1300℃，煅烧时间为30min，得到水泥熟料；
c．水泥的制备：
向步骤b烧成的水泥熟料中掺入质量分数为5%的天然二水石膏，混合均匀后，经球磨机粉磨至比表面积为300～450m2/Kg，制成水泥成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，按照质量份数为：石灰石32-55份、磷石膏25-50份、低品位矾土18-30份进行配料，焦炭的用量按C：CaSO4的摩尔比为0.5-1.0进行投料。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，水泥生料在高温煅烧过程中，磷石膏在焦炭作用下发生部分分解，分解率为20-70%。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，烧成得到的水泥熟料中含有2-10%的高温硬石膏。
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