CN115368038B - 一种掺杂多缩硅醇聚合物的磷石膏基矿化剂及其水泥熟料制备方法 - Google Patents

一种掺杂多缩硅醇聚合物的磷石膏基矿化剂及其水泥熟料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺杂多缩硅醇聚合物的磷石膏基矿化剂及其水泥熟料制备方法，包括以下步骤：以磷石膏作为矿化剂的基体，所述磷石膏中，P2O5的含量不小于4％、F的含量不小于1％，SO3的含量不小于1％，所述磷石膏与萤石和多缩硅醇聚合物催化剂复合，得到粉体矿化剂。本公开提供的水泥生料矿化剂能够减少磷石膏堆置造成的环境污染的同时降低煤耗、改善生料易烧性和脱硫等综合效果。

Description

一种掺杂多缩硅醇聚合物的磷石膏基矿化剂及其水泥熟料制 备方法
技术领域
本发明涉及工业废料再利用技术领域，特别涉及一种掺杂多缩硅醇聚合物的磷石膏基矿化剂及其水泥熟料制备方法。
背景技术
磷石膏在黄磷生产中是作为一种废渣而存在，但由于其化学成分和矿物组成与水泥相似，可应用在水泥工业中。磷石膏对促进水泥熟料烧成有明显的改善作用，磷石膏中CaO含量约38％-45％，SiO2含量约40％-43％，所以磷石膏可以替代部分石灰石和粘土。此外磷石膏中含量约3％-5％，可以起到晶种作用，加快了熟料矿物的反应速度，使熟料中在低温下快速大量形成。可在较低温度下制得高C3S含量的水泥熟料。其中磷石膏中所含P2O5的作用是关键适量的P2O5有利于C3S的形成和β-C2S的稳定，从而提高水泥熟料质量。
硅酸乙酯在碳存在的条件下水解，可生成具有一定化学组份的含有类羰键的多缩硅醇及部分亲合性碳硅键合物，过程如式(1)所示。多缩硅醇的沸点在250℃～300℃左右，多缩硅醇及碳硅键合物的分解温度在600℃～700℃，它们在高温下受热分解产生羰基、酮基(醚基)，有时有部分羟基、以及碳硅键合物游离的碳、硅键原子等活性原子及基团，可促进Ca+、F-等离子的扩散速率；具有醇性质的催化剂的添加，润湿了生料固体粉末，且在固体微粒表面形成了吸附层，降低了固液界面的表面张力，增加了固体微粒在球磨时在液体介质中的分散力，减少了团聚颗粒，最大限度地克服了混合不充分的缺点，从而使各种原料得到充分的混合。烧结时，添加催化剂后所得生料，一方面，由于破碎球磨时原料充分的混合，使得烧结的试样的总体晶格构型更加合理，原料中的游离离子更易进入彼此的晶格空位中，进而加快反应进程，降低煅烧温度。
Figure BDA0003815941540000011
发明内容
本发明所要解决的技术问题：提供一种矿化剂，加快水泥熟料的反应速度并降低煅烧温度。
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
一种磷石膏基矿化剂，以磷石膏作为矿化剂的基体，所述磷石膏与萤石和多缩硅醇聚合物催化剂复合得到粉体矿化剂。
优选地，所述磷石膏中，P2O5的含量不小于4％、F的含量不小于1％，SO3的含量不小于1％。
优选地，所述多缩硅醇聚合物催化剂是利用石墨化元素盐与硅酸乙酯进行反应，再经水解、中和、风干、焖放得多缩硅醇聚合物，然后将多缩硅醇聚合物与尿素混合而制成的。
一种水泥生料粉体，包含以下成分，按重量份数计：
f-CaO：10～20份；SiO2：10～40份；MgO：4～20份；P2O5：3～9份；CaF2：8～32份；SO3：1.5～8份；矿化剂：2～5份，所述矿化剂的含水量小于8％，所述矿化剂采用上述磷石膏基矿化剂。
一种生产水泥熟料的方法，具体步骤如下：
将上述磷石膏基矿化剂和水泥待磨生料一起进行粉磨处理，得到生料粉磨产物，煅烧所述生料得到熟料；所述磷石膏基矿化剂与水泥待磨生料的质量比为2～5∶100，所述煅烧温度为1360℃～1420℃。
本发明获得的有益效果：
本发明中萤石的引入其作用是促进CaCO3分解与过渡相形成。萤石加速CaCO3的分解、促进固相反应的作用是通过CaF2在高温蒸汽作用下产生HF断裂硅氧键生成SiF4和CaF2加速CaCO3分解破坏SiO2的晶格促进固相反应进行。CaF2与生料组分通过固相反应产生氟硅酸钙、氟铝酸钙等中间过渡相从而促进硅酸三钙和硅酸二钙的形成。作为黄磷生产中经过高温淬冷作用得到的磷石膏，主要是以玻璃体介稳态的形式存在，其中含有F、S、P的化合物被玻璃体所包裹。因此磷石膏通过温度场的作用易于在较低温度下产生融化、促进了液相提前出现，增加液相量，降低液相粘度，从而改善钙离子在液相中的扩散速度，提高熟料中阿利特的生成速度，使反应颗粒之间产生键合，质点在较低粘度的液相作用下发生扩散、完成烧结，从而避免了高温时萤石快速挥发后，导致生料石灰饱和系数的增加，易烧性变差，改善了水泥生料易烧性。
本发明所提供的方法制得的多缩硅醇聚合物催化剂可加速物质反应速度，能够在700℃后分解产生有强烈催化作用的羰基、酮基、碳硅键合物及其游离的碳及硅键原子等活性原子及基团。本发明一改过去在1360℃～1420℃煅烧的过程，温度变为1100～1250℃，以及高温保温采用平台式及上升式。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1：一种磷石膏基矿化剂的制备方法，包括如下步骤：
矿化剂主要包括磷石膏、萤石和多缩硅醇聚合物，其中，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为60％：25％：15％，所述磷石膏中，P2O5的含量4.46％、F的含量1.1％，SO3的含量1.96％。分别取磷石膏和萤石12.5g和5.2g进行破碎，后加入多缩硅醇聚合物3.125g。多缩硅醇聚合物的配置如下：将硅酸乙酯与石墨化元素盐如磷酸铁锂/石墨烯复合物反应，其比例为每10g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加入1g硅酸乙酯，反应时间20分钟，反应过程中不断搅拌得碳合物；将碳合物加水水解，一般按每20g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加水200mL，水解1h，反应温度30℃；水解过程中加入50％碳酸钠溶液以保持中性或微碱性，加适量水进行二次水解；将溶液隔绝空气的容器内，在室温下焖放2天；向焖放物中加入尿素，尿素与混合料质量比为1:4，搅拌均匀。再与磷石膏等粉体物质混合均匀后矿化剂仍为粉体状态即得磷石膏基矿化剂。
实施例2：一种磷石膏基矿化剂的制备方法，包括如下步骤：
矿化剂主要包括磷石膏、萤石和多缩硅醇聚合物，其中，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为55％：30％：15％，所述磷石膏中，P2O5的含量5.2％、F的含量1.6％，SO3的含量1.4％。分别取磷石膏和萤石12.5g和5.2g进行破碎，后加入多缩硅醇聚合物3.125g。多缩硅醇聚合物的配置如下：将硅酸乙酯与石墨化元素盐如磷酸铁锂/石墨烯复合物反应，其比例为每10g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加入3.3g硅酸乙酯，反应时间40分钟，反应过程中不断搅拌得碳合物；将碳合物加水水解，一般按每20g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加水500mL，水解1h，反应温度60℃；水解过程中加入50％碳酸钠溶液以保持中性或微碱性，加适量水进行二次水解；将溶液隔绝空气的容器内，在室温下焖放2天；向焖放物中加入尿素，尿素与混合料质量比为1:4，搅拌均匀。与磷石膏等粉体物质混合均匀后矿化剂仍为粉体状态即得磷石膏基矿化剂。
实施例3：一种磷石膏基矿化剂的制备方法，包括如下步骤：
矿化剂主要包括磷石膏、萤石和多缩硅醇聚合物，其中，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为70％：20％：10％，所述磷石膏中，P2O5的含量4.8％、F的含量1.3％，SO3的含量1.5％。分别取磷石膏和萤石12.5g和5.2g进行破碎，后加入多缩硅醇聚合物3.125g。多缩硅醇聚合物的配置如下：将硅酸乙酯与石墨化元素盐如磷酸铁锂/石墨烯复合物反应，其比例为每10g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加入2.5g硅酸乙酯，反应时间30分钟，反应过程中不断搅拌得碳合物；将碳合物加水水解，一般按每20g石墨化元素盐(磷酸铁锂/石墨烯复合物)加水350mL，水解1h，反应温度45℃；水解过程中加入50％碳酸钠溶液以保持中性或微碱性，加适量水进行二次水解；将溶液隔绝空气的容器内，在室温下焖放2天；向焖放物中加入尿素，尿素与混合料质量比为1:4，搅拌均匀。与磷石膏等粉体物质混合均匀后矿化剂仍为粉体状态即得磷石膏基矿化剂。
实施例4：一种生产水泥熟料的方法，包括以下步骤：
将水泥生料与实施例1制备的磷石膏基矿化剂按96％：4％的质量比进行配制；提供包含至少CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3源的生料，将水泥生料共0.5kg混合均匀，将上述磷石膏基矿化剂加入生料中，生料与粉体矿化剂混合后用破碎机对进行破碎，混合均匀，放置2天。在1360℃～1420℃烧结所述生料得到水泥熟料。
本实施例中水泥生料成分按重量份数计包括SiO2：13～14份；Al2O3：3～4份、Fe2O3：1.8～2.2份，CaO：43～44份；MgO：1～2份；P2O5：0.15～0.25份；SO3：0.2～0.3份。
本实施例所用的磷石膏的主要化学成分(按质量分数计)包括：
主要成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO P2O5 SO3
质量分数/％ 34.86 4.67 0.86 46.11 2.08 4.46 1.96
本实施例所使用的水泥生料中的主要化学成分(按重量分数计，其中LOSS是指烧失量)为：
化学成分 LOSS SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO
质量分数/％ 36.39 12.81 2.92 1.9 44.43 1.35
实施例5：其余均与实施例4相同，不同之处在于：矿化剂采用实施例2中制备的磷石膏基矿化剂。
实施例6：其余均与实施例4相同，不同之处在于：矿化剂采用实施例3中制备的磷石膏基矿化剂。
对比例1：其余均与实施例4相同，不同之处在于：不添加磷石膏基矿化剂。
对比例2：其余均与实施例4相同，不同之处在于：磷石膏基矿化剂中不加入多缩硅醇聚合物，磷石膏与萤石的质量比为60:25。
对比例3：其余均与实施例4相同，不同之处在于：磷石膏基矿化剂中不加入萤石，磷石膏与多缩硅醇聚合物的质量比为60:15。
对比例4：其余均与实施例4相同，不同之处在于：矿化剂中不加入磷石膏，萤石：多缩硅醇聚合的质量比为25:15。
测定实施例4～6和对比例1～4制备的水泥熟料中的矿物组成，测定结果见下表：
表2水泥熟料中的矿物组成
矿物组成 实施例4 实施例5 实施例6 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
C3S/wt％ 61.43 62.03 61.97 56.33 58.98 59.77 57.02
C2S/wt％ 14.27 14.48 15.32 11.32 13.02 13.89 12.56
C3A/wt％ 7.54 7.49 7.38 6.02 6.98 7.11 6.95
C4AF/wt％ 10.45 11.98 9.02 8.21 8.54 8.73 8.12
f-CaO/wt％ 1.24 1.05 1.11 6.73 4.32 2.34 4.49
表3水泥熟料的烧结温度
组别 烧结温度(℃)
实施例4 1360～1420
实施例5 1360～1420
实施例6 1360～1420
对比例1 1550～1620
对比例2 1500～1550
对比例3 1400～1450
对比例4 1520～1580
由表3结果可知，磷石膏基矿化剂能够有效降低水泥生料的煅烧温度。而由表2结果可见磷石膏矿化剂的加入使得水泥熟料中f-CaO含量有所降低，这表明矿化剂在节约能耗的基础上还改善了生料的易烧性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种磷石膏基矿化剂，其特征在于，以磷石膏作为矿化剂的基体，所述磷石膏与萤石和多缩硅醇聚合物催化剂复合得到粉体矿化剂，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为60%：25%：15%，所述多缩硅醇聚合物催化剂是利用石墨化元素盐与硅酸乙酯进行反应，再经水解、中和、风干、焖放得多缩硅醇聚合物，然后将多缩硅醇聚合物与尿素混合而制成的；所述磷石膏中，P2O5的含量不小于4％、F的含量不小于1%，SO3的含量不小于1％。
2.一种磷石膏基矿化剂，其特征在于，以磷石膏作为矿化剂的基体，所述磷石膏与萤石和多缩硅醇聚合物催化剂复合得到粉体矿化剂，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为55%：30%：15%，所述多缩硅醇聚合物催化剂是利用石墨化元素盐与硅酸乙酯进行反应，再经水解、中和、风干、焖放得多缩硅醇聚合物，然后将多缩硅醇聚合物与尿素混合而制成的；所述磷石膏中，P2O5的含量不小于4％、F的含量不小于1%，SO3的含量不小于1％。
3.一种磷石膏基矿化剂，其特征在于，以磷石膏作为矿化剂的基体，所述磷石膏与萤石和多缩硅醇聚合物催化剂复合得到粉体矿化剂，磷石膏：萤石：多缩硅醇聚合物的质量分数为70%：20%：10%，所述多缩硅醇聚合物催化剂是利用石墨化元素盐与硅酸乙酯进行反应，再经水解、中和、风干、焖放得多缩硅醇聚合物，然后将多缩硅醇聚合物与尿素混合而制成的；所述磷石膏中，P2O5的含量不小于4％、F的含量不小于1%，SO3的含量不小于1％。
4.一种水泥生料粉体，其特征在于，包含以下成分，按重量份数计：
f-CaO：10～20份； SiO2：10～40份； MgO：4～20份； P2O5：3～9份； CaF2：8～32份； SO3：1 .5～8份；矿化剂：2~5份，所述矿化剂的含水量小于8％，所述矿化剂采用权利要求1~3中任一项所述磷石膏基矿化剂。
5.一种生产水泥熟料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将权利要求1~3中任一项所述磷石膏基矿化剂和水泥待磨生料一起进行粉磨处理，得到生料粉磨产物，煅烧生料得到熟料；所述磷石膏基矿化剂与水泥待磨生料的质量比为2～5∶100，所述煅烧温度为1360℃～1420℃。
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