CN116003011B - 一种制备无缓凝磷酸镁水泥的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置及方法，包括搅拌机、第一料仓、第二料仓、二氧化碳储液罐、第一螺旋定量给料机、第二螺旋定量给料机和供水管路，所述搅拌机顶部设有密封盖板，且密封盖板上连接有泄压管、二氧化碳进液管、进水管、第一进料管和第二进料管，所述第一进料管上设有第一螺旋定量给料机，且第二进料管上设有第二螺旋定量给料机。本发明磷酸镁水泥的固化时间由3‑10min延长至30‑45min，在实际生产过程中可操作性更强，又能在相对较短的时间内固化，未使用硼砂或硼酸作为缓凝剂，保证了人在长期接触时，不会造成慢性中毒，肝、肾脏收到损害及脑肺水肿。

Description

一种制备无缓凝磷酸镁水泥的装置及方法

技术领域

本发明涉及固废资源化利用领域、低碳环保水泥技术领域，具体为一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置及方法。

背景技术

磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）是由重烧氧化镁与磷酸盐及缓凝剂按照一定的比例配制而成的一种无机胶凝材料，与少量水混合后会发生酸碱中和反应键合成六水磷酸铵（钾）镁相（MgNH₄（K）PO₄·6H₂O）等主要水化产物，MPC具有其凝结硬化快、早期强度高、体积稳定性好、环境温度适应性强、抗冻、耐盐腐蚀和粘结力强等特点，但由于凝结时间短（几分钟之内即可完成水化反应，完全凝结硬化），造成了施工的不方便，需要加入大量的缓凝剂（目前使用效果较好的是硼砂或硼酸）来延缓水化时间，但是使用硼砂或硼酸作为缓凝剂，硼会随着雨水溶解到地下水中，造成“硼害”，而人长期接触硼也会造成慢性肝肾中毒及脑肺水肿，因此有必要降低使用量或不用含硼元素的缓凝剂。

磷酸镁所用的重烧氧化镁煅烧温度一般为1600℃以上，生产1t磷酸镁水泥综合CO₂排放为64kg，这种高能耗、高碳排放水泥显然难以符合我国环保需求，因此，寻找一种降低磷酸镁水泥生产能耗和碳排放的方法提上日程。

近年来，随着菱镁矿资源被高度开采，产生了大量难以在耐火材料行业利用的高铁、高钙、高硅废弃菱镁矿，耐火材料所需的菱镁矿煅烧温度需在1650-1750℃之间，并且每开采1t优质菱镁矿会产生3-4t废弃矿，这些废弃矿主要以铁、钙、硅其中的一种或几种含量高而得不到有效利用，硅铁含量高会形成低温共熔矿物，不利于制备耐火材料，而硅钙含量高易形成低温相钙镁橄榄石，降低材料耐火度，而目前处理这些废弃矿主要以填埋处理，填埋需要对填埋区域进行绿化，不仅提高了生产成本，还造成了资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置及方法，克服现有技术的不足，用低品位菱镁矿生产建材，对高钙低温煅烧氧化镁进行碳酸化处理，使氧化镁颗粒表面形成一层碳化层，来控制及延缓其凝结时间，不采用硼酸或硼砂作为缓凝剂，提高了生物相容性，并且提高其工作性能，以低温煅烧废弃高钙菱镁尾矿为原料，避免资源浪费，同时固化部分二氧化碳，达到减碳固碳的效果，解决烧结氧化镁过程中煤耗高和二氧化碳的排放问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置，包括搅拌机、第一料仓、第二料仓、二氧化碳储液罐、第一螺旋定量给料机、第二螺旋定量给料机和供水管路，所述搅拌机顶部设有密封盖板，且密封盖板上连接有泄压管、二氧化碳进液管、进水管、第一进料管和第二进料管，所述第一进料管上设有第一螺旋定量给料机，且第二进料管上设有第二螺旋定量给料机，同时，进液阀与二氧化碳储液罐之间的二氧化碳进液管上设有二氧化碳增压计量装置。

优选的，所述第一料仓或第二料仓的出料口位于仓体底部，且出料口直接与第一螺旋定量给料机或第二螺旋定量给料机相连通，同时，第一螺旋定量给料机或第二螺旋定量给料机的出料口垂直位于密封盖板的上方。

优选的，所述二氧化碳进液管与二氧化碳储液罐相连通，且二氧化碳进液管上设有进液阀，同时，搅拌机为卧式桨式双轴搅拌机或卧式螺带式双轴搅拌机，且第二进料管与第二料仓相连通。

优选的，所述进水管与水源相连通，且进水管上设有进水阀，同时，第一进料管与第一料仓相连通，且搅拌机的底部出料口连接有螺旋输送机或刮板输送机。

优选的，所述泄压管与大气相连通，泄压管上设有泄压阀，且第一料仓中装有低温煅烧后的高钙氧化镁粉，同时，第二料仓中装有磷酸二氢盐，搅拌机的电机为变频调速电机，且转速范围为60-400r/min。

一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置进行制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其制备方法包括以下步骤：

A、将第一料仓中的氧化镁粉通过第一螺旋定量给料机输送到搅拌机中，将水按比例通过进水阀输送到搅拌机中，且水的重量为氧化镁重量的5wt.%-20wt.%；

B、将液态二氧化碳通过二氧化碳增压计量装置和进液阀输送到搅拌机中，搅拌机开启开始搅拌，且液态二氧化碳流体的用量为氧化镁用量的1wt.%-5wt.%；

C、搅拌15-25min后，泄压阀打开，使搅拌机内压力降至常压，将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机输送到搅拌机中，然后将水按比例通过进水阀输送到搅拌机中，搅拌至浆体均匀，且水的重量为氧化镁和磷酸二氢盐总重量的10wt.%-15wt.%，最后由搅拌机底部的出料口排出，即可用于浇筑成型或修补。

优选的，所述氧化镁为低温煅烧后的高钙氧化镁粉，其氧化钙含量在2%-15%，煅烧温度在850-1100℃，且煅烧时间为1-4h。

优选的，所述磷酸二氢盐为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中的任一种或任两种以上组合。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明磷酸镁水泥的固化时间由3-10min延长至30-45min，在实际生产过程中可操作性更强，又能在相对较短的时间内固化，未使用硼砂或硼酸作为缓凝剂，保证了人在长期接触时，不会造成慢性中毒，肝、肾脏收到损害及脑肺水肿。

2、本发明以低温煅烧废弃高钙菱镁尾矿为原料，避免了资源浪费，同时还能固化部分二氧化碳，达到减碳固碳的效果，减少烧结氧化镁过程中煤耗高和二氧化碳的排放问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图中：搅拌机1、第一料仓2、第二料仓3、二氧化碳储液罐4、第一螺旋定量给料机5、第二螺旋定量给料机6、密封盖板7、供水管路8、泄压管9、二氧化碳进液管10、进水管11、第一进料管12、第二进料管13、泄压阀14、进液阀15、进水阀16、二氧化碳增压计量装置17。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请的搅拌机1、第一料仓2、第二料仓3、二氧化碳储液罐4、第一螺旋定量给料机5、第二螺旋定量给料机6、密封盖板7、供水管路8、泄压管9、二氧化碳进液管10、进水管11、第一进料管12、第二进料管13、泄压阀14、进液阀15、进水阀16和二氧化碳增压计量装置17部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

请参阅图1，一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置，包括搅拌机1、第一料仓2、第二料仓3、二氧化碳储液罐4、第一螺旋定量给料机5、第二螺旋定量给料机6和供水管路8，其特征在于：所述搅拌机1顶部设有密封盖板7，且密封盖板7上连接有泄压管9、二氧化碳进液管10、进水管11、第一进料管12和第二进料管13，所述第一进料管12上设有第一螺旋定量给料机5，且第二进料管13上设有第二螺旋定量给料机6，同时，进液阀15与二氧化碳储液罐4之间的二氧化碳进液管10上设有二氧化碳增压计量装置17。

在氧化钙存在的情况下，氧化镁的碳酸化反应速率会增加，并且氧化钙与二氧化碳的反应动力学大于氧化镁，因此对高钙氧化镁进行碳酸化处理，可以消化体系中的氧化钙，同时促进氧化镁的碳酸化程度，在氧化镁颗粒表面形成一层碳化层，这层碳化层抑制了氧化镁与水的反应程度，因此控制了磷酸镁水泥主要水化产物-鸟粪石的形成速率，达到控制凝结时间的效果，从而可以替代硼类缓凝剂。

第一料仓2或第二料仓3的出料口位于仓体底部，且出料口直接与第一螺旋定量给料机5或第二螺旋定量给料机6相连通，同时，第一螺旋定量给料机5或第二螺旋定量给料机6的出料口垂直位于密封盖板7的上方。

二氧化碳进液管10与二氧化碳储液罐4相连通，且二氧化碳进液管10上设有进液阀15，同时，搅拌机1为卧式桨式双轴搅拌机或卧式螺带式双轴搅拌机，且第二进料管13与第二料仓3相连通。

进水管11与水源相连通，且进水管11上设有进水阀16，同时，第一进料管12与第一料仓2相连通，且搅拌机1的底部出料口连接有螺旋输送机或刮板输送机。

泄压管9与大气相连通，泄压管9上设有泄压阀14，且第一料仓2中装有低温煅烧后的高钙氧化镁粉，同时，第二料仓3中装有磷酸二氢盐，搅拌机1的电机为变频调速电机，且转速范围为60-400r/min。

实施例

一种用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置进行制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其制备方法包括以下步骤：

A、选取低温烧结高钙氧化镁：

将搅拌机1中的低温煅烧后的高钙氧化镁粉通过第一螺旋定量给料机5输送到搅拌机1中，将水按比例通过进水阀16输送到搅拌机1中，水的重量为氧化镁重量的5wt.%-20wt.%；

B、低温烧结高钙氧化镁碳化处理：

将液态二氧化碳通过二氧化碳增压计量装置17和进液阀15输送到搅拌机1中，搅拌机1开启开始搅拌，液态二氧化碳流体的用量为氧化镁用量的1wt.%-5wt.%；

C、制备磷酸镁水泥：

搅拌15-25min后，泄压阀14打开使搅拌机1内压力降至常压，将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机6输送到搅拌机1中，将水按比例通过进水阀16输送到搅拌机1中，搅拌至浆体均匀，水的重量为氧化镁和磷酸二氢盐总重量的10wt.%-15wt.%，由搅拌机1的底部出料口排出，即可用于浇筑成型或修补。

实施例中所用氧化镁为低温煅烧后的高钙氧化镁粉，其氧化钙含量在5±1%，氧化镁含量在85±1%；煅烧温度在850-1100℃，煅烧时间为1-4h，碳化压力为1atm，碳化时间为1-4h，磷酸二氢盐为工业级磷酸二氢铵，其纯度≥95%。

按不同的原料配比和工艺参数，测试实施例10组，其相应参数如下表1。

表1 实施例

对比例1

A、选取低温烧结高钙氧化镁：

首先，选用低温烧结高钙氧化镁，其煅烧温度在850℃，煅烧时间为1h。

B、制备磷酸镁水泥：

将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机6和第二进料管13输送到搅拌机1中，搅拌转数为400r/min，水通过水泵输送到搅拌机1中，加水量为总粉料重量的10wt.%，搅拌至浆体均匀；

C、磷酸镁水泥成型：

通过卸料装置将浆体倒出，浇筑成型或进行修补。

对比例2

A、选取低温烧结高钙氧化镁：

首先，选用低温烧结高钙氧化镁，其煅烧温度在1050℃，煅烧时间为4h。

B、制备磷酸镁水泥：

将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机6和第二进料管13输送到搅拌机1中，搅拌转数为400r/min，水通过水泵输送到搅拌机1中，加水量为总粉料重量的10wt.%，搅拌至浆体均匀；

C、磷酸镁水泥成型：

通过卸料装置将浆体倒出，浇筑成型或进行修补。

对比例3

A、选取烧结氧化镁：

首先，选用烧结氧化镁，其煅烧温度在1650℃，煅烧时间为4h。

B、制备磷酸镁水泥：

将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机6和第二进料管13输送到搅拌机1中，搅拌转数为400r/min，水通过水泵输送到搅拌机1中，加水量为总粉料重量的10wt.%，搅拌至浆体均匀；

C、磷酸镁水泥成型：

通过卸料装置将浆体倒出，浇筑成型或进行修补。

分别对上述实施例1-9和对比例1-3中制得浆料进行性能测试，其搅拌后的浆体浇注在40mm×40mm×40mm和40mm×40mm×160mm的模具中成型，2h后脱模，置于空气中养护到相应龄期，测试其抗折与抗压强度值，按照国家标准GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》的要求测试了MPC抗压强度，按照国家标准GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定其初、终凝时间。

各样品具体测试结果见下表2所示。

表2 实施例与对比例性能测试结果

从表2中数据可知，本发明用液二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥与传统的磷酸镁水泥相比，传统磷酸镁水泥采用重烧氧化镁，煅烧温度在1600-1700℃，而本发明采用轻烧氧化镁制备磷酸镁水泥，煅烧温度在850-1100℃，降低了磷酸镁水泥中主要原料氧化镁的生产能耗，同时使用了碳酸化方法处理低温烧结氧化镁，对生产氧化镁原料所带来的二氧化碳进行回收利用，本发明所采用高钙轻烧氧化镁固碳率可达10wt.%，完成了“十四五”期间，国家的政策“碳达峰”、“碳中和”的要求，并且未使用缓凝剂硼砂或硼酸，在人长期接触不会造成了慢性肝肾中毒及脑肺水肿等疾病，从凝结时间、抗压和抗折强度来看，可以大面积使用，具有可施工性。

三个对比例中，对比例1、2选取的和实施例相同的高钙氧化镁，属于轻烧氧化镁，而轻烧氧化镁由于活性较高，是制备不出磷酸镁水泥的，磷酸镁水泥是重烧氧化镁（煅烧温度在1650℃）和酸式磷酸盐制备而成，如果不加入缓凝剂，磷酸镁水泥的凝结时间在2-5min，同时伴有大量的放热，对于施工来说，是很不方便的，而且根据磷酸镁修补砂浆标准，本专利的实施例全都符合标准，并且没有使用缓凝剂，但同时也加大了凝结时间，对于现场的工程有很大的帮助，并不能说实施例没有优于对比例，首先考虑煅烧重烧氧化镁的煅烧温度高，所需的煤就会更多，这对资源利用方面没有益处，其次，煅烧氧化镁会产生二氧化碳，二氧化碳的排放不符合十四五规划提出的碳达峰，碳中和，为什么写对比例3，因为传统的磷酸镁水泥所用的氧化镁为重烧氧化镁，包括重烧氧化镁，酸式磷酸盐、缓凝剂和矿物掺合料组成的，本发明专利主要是用氧化镁和磷酸盐，所以对比例3中，并没有加入缓凝剂，所以对比例3中的水化反应速率快，强度较高的原因，如果加入缓凝剂的情况下，对比例3并没有实施例的效果好，所以并不能说本发明效果优于对比例，才能证明发明的创造性，我们通过对资源的节省，碳中和的处理，使制备的磷酸镁水泥与传统的磷酸镁水泥（无缓凝剂的）拥有相同的性能，现阶段使用的磷酸镁水泥都是有缓凝剂的，如果不加入缓凝剂使用不了磷酸镁水泥。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不用形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的装置制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：其中装置包括搅拌机（1）、第一料仓（2）、第二料仓（3）、二氧化碳储液罐（4）、第一螺旋定量给料机（5）、第二螺旋定量给料机（6）和供水管路（8），其特征在于：所述搅拌机（1）顶部设有密封盖板（7），且密封盖板（7）上连接有泄压管（9）、二氧化碳进液管（10）、进水管（11）、第一进料管（12）和第二进料管（13），所述第一进料管（12）上设有第一螺旋定量给料机（5），且第二进料管（13）上设有第二螺旋定量给料机（6），同时，进液阀（15）与二氧化碳储液罐（4）之间的二氧化碳进液管（10）上设有二氧化碳增压计量装置（17）；其制备方法包括以下步骤：

A、将第一料仓（2）中的氧化镁粉通过第一螺旋定量给料机（5）输送到搅拌机（1）中，将水按比例通过进水阀（16）输送到搅拌机（1）中，且水的重量为氧化镁重量的5wt.%-20wt.%；

B、将液态二氧化碳通过二氧化碳增压计量装置（17）和进液阀（15）输送到搅拌机（1）中，搅拌机（1）开启开始搅拌，且液态二氧化碳流体的用量为氧化镁用量的1wt.%-5wt.%；

C、搅拌15-25min后，泄压阀（14）打开，使搅拌机（1）内压力降至常压，将磷酸二氢盐通过第二螺旋定量给料机（6）输送到搅拌机（1）中，然后将水按比例通过进水阀（16）输送到搅拌机（1）中，搅拌至浆体均匀，且水的重量为氧化镁和磷酸二氢盐总重量的10wt.%-15wt.%，最后由搅拌机（1）底部的出料口排出，即可用于浇筑成型或修补；

其所述氧化镁粉为低温煅烧后的高钙氧化镁粉，其氧化钙含量在2%-15%，煅烧温度在850-1100℃，且煅烧时间为1-4h。

2.根据权利要求1所述的一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：所述第一料仓（2）或第二料仓（3）的出料口位于仓体底部，且出料口直接与第一螺旋定量给料机（5）或第二螺旋定量给料机（6）相连通，同时，第一螺旋定量给料机（5）或第二螺旋定量给料机（6）的出料口垂直位于密封盖板（7）的上方。

3.根据权利要求1所述的一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：所述二氧化碳进液管（10）与二氧化碳储液罐（4）相连通，且二氧化碳进液管（10）上设有进液阀（15），同时，搅拌机（1）为卧式桨式双轴搅拌机或卧式螺带式双轴搅拌机，且第二进料管（13）与第二料仓（3）相连通。

4.根据权利要求1所述的一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：所述进水管（11）与水源相连通，且进水管（11）上设有进水阀（16），同时，第一进料管（12）与第一料仓（2）相连通，且搅拌机（1）的底部出料口连接有螺旋输送机或刮板输送机。

5.根据权利要求1所述的一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：所述泄压管（9）与大气相连通，泄压管（9）上设有泄压阀（14），且第一料仓（2）中装有低温煅烧后的高钙氧化镁粉，同时，第二料仓（3）中装有磷酸二氢盐，搅拌机（1）的电机为变频调速电机，且转速范围为60-400r/min。

6.根据权利要求1所述的一种用液态二氧化碳拌合氧化镁制备无缓凝磷酸镁水泥的方法，其特征在于：所述磷酸二氢盐为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠中的任一种或任两种以上组合。