CN204369762U - 一种磷石膏制备高强α半水石膏的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种磷石膏制备高强α半水石膏的装置，该装置包括釜体、送风/蒸汽口、送风管、出风口，釜体一端或两端设置有釜盖，釜体内沿进料方向安装有3排送风管，每排送风管由3根以上的送风支管组成，送风/蒸汽口通过管道与每排送风管中的送风支管连通，出风口设置在釜体上，釜体上设置有安全连锁电磁阀，釜体内底部设置有原料输送轨道；该装置是能实现蒸养与烘干一体化的蒸压釜，能较好地制备α半水磷石膏并产出优质建筑材料或墙体材料，且工艺流程简单，易于工业化，可大量利用消耗磷石膏，且转化率高。
Description
技术领域
本实用新型属于固体废弃物综合利用领域，具体涉及一种磷石膏制备高强α半水石膏的装置。
背景技术
α半水石膏，国际上通称为高强度石膏，其主要特点为，基础抗压强度可达40-60MPa，甚至达100MPa。目前国内普遍使用的石膏材料为使用煅烧方法制备的β半水石膏，也称“建筑石膏”，其基础强度仅在5-10MPa左右。
α型半水石膏一般认为属于三方晶系 、层状结构。二水石膏转变为半水石膏时要发生两类变化 ：一是在两个离子层之间的水分子失去3/4 ；二是 Ca 2+与SO42-彼此错开。α型半水石膏与 β型半水石膏只是石膏脱水相一个系统中的2个极端相，二者在微观结构即原子排列的精细结构上没有本质的差别，但是作为石膏胶凝材料，其宏观性能相差很大。α型半水石膏水化速度慢、水化热低、需水量小、硬化体结构密实、强度高，β型半水石膏则恰好相反。
α型半水石膏是以蒸压法、水热法等在湿热环境下由二水石膏脱水而生成。不同于普通建筑石膏（β型半水石膏），其制品具有高强、轻质、隔热、防火、无污染、使用寿命长等许多特点。作为制模材料，α型半水石膏制品可以大大提高陶瓷工业所用的各种成型模具和精密冶金及机械加工所用的各种铸造模型的技术性能与使用寿命；α半水石膏又是一种新颖的功能型活性填料，用于制造高强度的工程塑料、工程橡胶等产品，是高档的装饰装修材料和优质的建筑用原料。但由于国外对一些关键技术的严格保密，我国现行生产工艺复杂，设备投资大，生产成本高，售价高等使它的应用受到限制。优质的α型半水石膏高性能模具石膏其价格高达1000元／吨左右，目前该产品还主要依赖于进口。目前用磷石膏制备α型半水石膏工业化尚未见报道。
我国是一个化学石膏资源十分丰富的国家，特别是存在大量磷石膏、氟石膏、脱硫石膏等化学石膏。开发高性能石膏胶凝材料，替代目前的主导墙体材料，由于其具有重量轻，可调节环境湿度、阻燃，保温隔热性能好，能降低建筑能耗，特别是具有完全可循环利用的绿色建材特点等一系列优点，已成为规模化利用各种磷石膏类化学石膏的有效途径。
1、α半水石膏的形成机理
α半水石膏是石膏在饱和蒸汽或水溶液环境中脱去1.5个结晶水制备出的半水石膏，其形成机理尚无定论，目前主要有三种观点：多数学者认为在加热水蒸气压力下按溶解析晶机制形成。V.Statava认为二水石膏转变为α半水石膏的初期，按局部化学反应机理进行，而后期则按溶解析晶机理进行。Й.А彼列捷尔则认为二水石膏先分解成无水硫酸钙和游离水，当后来结合水分子时，才生成粗大、密实的结晶α半水石膏。从近几年的研究成果看，溶液法是主要方向，增加二水石膏溶解度，促进半水石膏晶体重新生成及晶形控制方面的研究有了一定的突破。
其主要反应方程式如下：
α半水石膏晶形的控制机理与效果
在液相条件下，α半水石膏通过溶解再结晶形成。在受热时液相中二水石膏脱水成半水石膏，形成半水石膏的过饱和溶液很快析出α半水石膏晶核。结晶动力学理论认为，晶体的生长速度实际上是指晶面在单位时间内向外平行推移的距离，各个晶面的相对生长速度决定了晶体的外形，而各晶面相对生长速度的大小可以随所处环境的改变而发生变化。图1是半水石膏的晶形，它在C轴方向的生长速度较快，最终长成针状晶体。当液相掺有外加剂时，外加剂离子选择性地吸附在不同晶面上。石膏的(111)晶面由Ca2+组成,能选择吸附一价负离子，而(110)晶面由Ca2+和SO4 2-组成，正负离子均可以吸附，但阳离子在SO4 2-上的吸附更强烈。晶面吸附离子改变其比表面自由能，并阻碍晶体生长基元在该晶面贴附，从而降低了该晶面方向上的生长速度，进而影响生长后晶体形态。晶体形貌控制α半水石膏在硫酸(盐)、有机酸盐介质中的晶体生长习性。文献指出，金属阳离子大多吸附在(110)晶面上，降低了(110)晶面的自由能，从而降低了该晶面方向上的生长速率。α半水石膏仍为针状或棒状晶体，而多元羧酸盐的阴离子和阳离子可被选择吸附到(111)晶面上形成网络状吸附层，降低了晶体在C轴方向上的生长速度，α半水石膏最终可生长成六方短柱状晶体。
2、近年来型半水石制备工艺和方法有了一定的进展。迄今为止，国内外生产α半水石膏的方法主要有3种，一是加压水蒸气法，二是加压水溶液法，三是上述2种方法联合制取。其它如陈化法、干闷法、液相蒸压法等均为上述工艺方法的改进或变异。生产α型半水石膏方法很多，但质量差别会很大。同一种方法，因受设备条件、控制参数的影响，质量很不稳定。目前制备α型半水石膏的方法主要有蒸压法、水热法、折衷法等。
（1）蒸压法
蒸压法又称加压水蒸气法，是1899年Lewinski实用新型，后经过众多学者的努力使加压水蒸气法逐步完善和实用。其工艺流程为：将一定大小的二水石膏置于蒸压釜内，通入饱和水蒸汽，在一定的温度和压力下，经过一定时间，二水石膏就转变成α型半水石膏，再通过干燥和粉磨，即得α半水石膏。其工艺流程：二水石膏经粗碎，加压水热，2～8大气压力，1．0～1．5小时，再常压干燥，90～160℃，9～3小时，磨碎即得半水石膏。若用20～30mm粒度的原料，在120～130℃、经过5～8h热处理就可得α型半水石膏。若原料粒度50～80mm，在150～160℃经l.5～3h热处理，可制得α型半水石膏。该法的缺陷是能耗比较大，蒸压釜的有效容积利用率低，转晶剂用量大且不明显。
（2）水热法
水热法是将粉状二水石膏与加有机化学转晶剂的水溶液混合所得浆料置于反应釜中，在一定的温度和压力下经过一定时间，它即转变成α型半水石膏。然后再经压滤或离心脱水、干燥和磨细，制得高强石膏粉。此法工艺较复杂、生产效率相对较低、生产能力较小，导致能耗和成本较高。但产品强度等级较高，一般可达30～70MPa，最高甚至100MPa。本法的缺陷是对石膏品位要求高，能耗高以及成本很高等，难于大量应用。
（3）折衷法
折衷法的工艺流程为：二水石膏粉碎后加水溶液润湿粉末，加压、水热(搅拌)在2～5大气压力下3～l小时，在10～160℃下常压干燥2～1小时，磨碎，即得半水石膏。本法简单，可免去洗净、干燥所需特殊设备。通常在石膏原料中加入羧酸盐的水溶液，搅拌成一定程度的湿润状态，在密闭容器中加热转化。处理的条件除与温度、时间有关外，还与羧酸盐的种类、添加量、水量及石膏原料的粒度有关。但该方法的问题仍然是能耗高，成本高等。
（4）常压盐溶液法
常压盐溶液法是在90℃左右的较低温度的盐介质下，将磨细的二水石膏置于盐类溶液中煮沸一定时间后，进行过滤、洗涤、干燥，制得结晶形态良好、试体强度较高、呈短柱状的α型半水石膏晶体。但由于工艺复杂，目前尚未有工业生产的报道。
发明内容
针对上述几种工艺的缺陷，本实用新型提供了一种磷石膏制备高强α半水石膏的蒸压釜，该装置包括釜体1、送风/蒸汽口2、送风管6、出风口3，釜体1一端或两端设置有釜盖4，釜体1内沿进料方向安装有3排送风管6，每排送风管6由3根以上的送风支管组成，送风/蒸汽口2通过管道与每排送风管6中的送风支管连通，出风口3设置在釜体1上，釜体1上设置有安全连锁电磁阀5，釜体1内底部设置有原料输送轨道；该蒸压釜完成蒸养与烘干一体化。
本实用新型方法使用的配料设备、搅拌设备、压球设备、研磨机等均为常规使用设备。
该装置使用时，将原料通过配料设备、搅拌设备混合搅拌均匀，陈化、压球后装于送料车中，打开釜盖4，沿釜体1内底部的原料输送轨道将原料送入釜体1内并使原料置于送风管6间，关闭釜盖，将锅炉产生的高温饱和水蒸汽通过送风/蒸汽口2送入送风管6的排风支管7中，对混合物料进行蒸养，然后降压后再将热风炉产生的热空气通过送风/蒸汽口2送入送风管6的排风支管7中烘干反应物料，降温后打开釜盖4取出产物，通过出风口3排出气体。
本申请还提供了一种磷石膏制备高强α半水石膏的方法，该方法克服了传统的α半水石膏生产技术成本高，磷石膏难于应用的不足，开发出新的低成本、低能耗磷石膏制备α半水石膏的新工艺，解决大量利用磷石膏制备α半水石膏的高效利用关键技术。
本实用新型磷石膏制备高强α半水石膏的方法具体步骤如下：
（1）将磷石膏、预处理添加剂、水、转晶剂混合，搅拌均匀，陈化处理1-2天后在压力为2-20Mpa条件下将混合物压制成球，其中预处理添加剂的添加量是磷石膏质量的1%-4%，水的添加量为磷石膏质量的6%-12%；
（2）将成球物料置于密闭蒸压釜内，采用110℃-180℃的高温饱和水蒸汽在压力0.11-0.6Mpa下进行处理1-6h，使磷石膏分解形成α半水石膏；然后采用热空气加热烘干反应产物，降温后收集产物、粉磨后即得高强α半水石膏。
所述预处理添加剂为CaO；
所述转晶剂为柠檬酸钠和硫酸铝的混合物，柠檬酸钠、硫酸铝的添加量分别为磷石膏质量的0.01%-0.1%。
本实用新型方法相对于现有技术的优点和技术效果如下：
（1）在蒸养干燥一体化釜中制备α半水磷石膏，其成本低（与β半水石膏成本接近），工艺简单，可大量用于建筑石膏、石膏砌块及石膏装饰材料；
（2）采用了特有的压球工艺，这不仅有利于α半水石膏析晶长大，转化率进一步提高，而且是蒸养烘干过程所必需的。在成球条件下，蒸汽及烘干热空气可以通畅地流经球层内部，提高了蒸养和干燥效率，降低成本；
（3）本实用新型方法磷石膏的预处理及陈化工艺，使磷石膏在制备α半水石膏过程中反应更加充分，转化率高，并中和了磷石膏的酸性至近于中性；
（4）本装置所得α半水石膏强度高，抗压强度大于25Mpa；
（5）本技术工艺流程简单，易于工业化，可大量利用消耗磷石膏；
（6）用蒸汽加热磷石膏，并采用热空气通过蒸压釜内部直接烘干磷石膏，效率高，烘干与蒸汽管道共用一套管道，无需蒸压釜转动等不可靠的复杂装置。
附图说明
图1是半水石膏的晶形的结构示意图；
图2是本申请方法的工艺流程示意图；
图3是本实用新型蒸压釜结构示意图；
图4是本实用新型蒸压釜剖面结构示意图；
图中：1-釜体，2-送风/蒸汽口，3为出风口，4-釜盖，5-安全连锁电磁阀，6-送风管，7-送风支管。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本蒸压釜包括釜体1、送风/蒸汽口2、送风管6、出风口3，釜体1一端设置有釜盖4，釜体1内沿进料方向安装有3排送风管6，每排送风管6由4根的送风支管组成，送风/蒸汽口2通过管道与每排送风管6中的送风支管连通，出风口3设置在釜体1上，釜体1上设置有安全连锁电磁阀5；该蒸压釜完成蒸养与烘干一体化（见图3、4）。
该装置使用时，将原料通过配料设备、搅拌设备混合搅拌均匀，陈化、压球后装于送料车中，打开釜盖4，沿釜体1内底部的原料输送轨道将原料送入釜体1内并使原料置于送风管6间，关闭釜盖，将锅炉产生的高温饱和水蒸汽通过送风/蒸汽口2送入送风管6的排风支管7中，对混合物料进行蒸养，然后降压后再将热风炉产生的热空气通过送风/蒸汽口2送入送风管6的排风支管7中烘干反应物料，降温后打开釜盖4取出产物，通过出风口3排出气体，安全连锁电磁阀5用于保证釜体的安全。
本磷石膏制备高强α半水石膏的方法具体步骤如下：
（1）将磷石膏、预处理添加剂、水、转晶剂混合，搅拌均匀，陈化处理1天后在压力为15Mpa条件下将混合物压制成球，其中预处理添加剂CaO的添加量是磷石膏质量的2%，水的添加量为磷石膏质量的12%，转晶剂中柠檬酸钠、硫酸铝的添加量分别为磷石膏质量的0.04%；
（2）将成球物料置于密闭蒸压釜内，采用117℃的高温饱和水蒸汽在压力0.17Mpa下进行处理4h，然后降压采用热空气加热烘干反应产物，降温后收集产物、粉磨后即得高强α半水石膏，采用常规方法4×4×16试块检测性能，其抗折强度为6.3MPa，抗压强度为25.09MPa（见图2）。
实施例2：本蒸压釜结构同实施例1，不同在于釜体1两端设置有釜盖4，每排送风管6由5根的送风支管组成。
本实施例磷石膏制备高强α半水石膏的方法具体步骤如下：
（1）将磷石膏、预处理添加剂、水、转晶剂混合，搅拌均匀，陈化处理2天后在压力为5Mpa条件下将混合物压制成球，其中预处理添加剂CaO的添加量是磷石膏质量的4%，水的添加量为磷石膏质量的8%，转晶剂中柠檬酸钠、硫酸铝的添加量分别为磷石膏质量的0.02%；
（2）将成球物料置于密闭蒸压釜内，采用134℃的高温饱和水蒸汽在压力0.3Mpa下进行处理5h，然后采用热空气加热烘干反应产物，降温降压后收集产物、粉磨后即得高强α半水石膏，采用常规方法检测性能，其抗折强度为6.5MPa，抗压强度为26.8MPa。
实施例3：本实施例装置结构同实施例1。
本磷石膏制备高强α半水石膏的方法具体步骤如下：
（1）将磷石膏、预处理添加剂、水、转晶剂混合，搅拌均匀，陈化处理1.5天后在压力为20Mpa条件下将混合物压制成球，其中预处理添加剂CaO的添加量是磷石膏质量的3%，水的添加量为磷石膏质量的6%，转晶剂中柠檬酸钠、硫酸铝的添加量分别为磷石膏质量的0.08%；
（2）将成球物料置于密闭蒸压釜内，采用160℃的高温饱和水蒸汽在压力0.6Mpa下进行处理2h，然后采用热空气加热烘干反应产物，降温降压后收集产物、粉磨后即得高强α半水石膏，采用常规方法检测性能，其抗折强度为6.6MPa，抗压强度为25.9 MPa。
实施例4：本实施例装置结构同实施例2
本磷石膏制备高强α半水石膏的方法具体步骤如下：
（1）将磷石膏、预处理添加剂、水、转晶剂混合，搅拌均匀，陈化处理1天后在压力为2Mpa条件下将混合物压制成球，其中预处理添加剂CaO的添加量是磷石膏质量的1%，水的添加量为磷石膏质量的9%，转晶剂中柠檬酸钠、硫酸铝的添加量分别为磷石膏质量的0.01%；
（2）将成球物料置于密闭蒸压釜内，采用120℃的高温饱和水蒸汽在压力0.2Mpa下进行处理6h，然后采用热空气加热烘干反应产物，降温降压后收集产物、粉磨后即得高强α半水石膏，采用常规方法检测性能，其抗折强度为5.6MPa，抗压强度为23.5MPa。
Claims (1)
1.一种磷石膏制备高强α半水石膏的装置，其特征在于：包括釜体（1）、送风/蒸汽口（2）、送风管（6）、出风口（3），釜体（1）一端或两端设置有釜盖（4），釜体（1）内沿进料方向安装有3排送风管（6），每排送风管（6）由3根以上的送风支管（7）组成，送风/蒸汽口（2）通过管道与每排送风管（6）中的送风支管连通，出风口（3）设置在釜体（1）上，釜体（1）上设置有安全连锁电磁阀（5），釜体（1）内底部设置有原料输送轨道。
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