磷石膏制酸聯產水泥技術研究現狀

譚明洋，相利學，，李國龍

磷石膏制酸聯產水泥技術研究現狀

譚明洋，相利學，，李國龍

（1.金正大生態工程集團股份有限公司，山東臨沂276700；2.金正大諾泰爾化學有限公司，貴州甕安550400；3.貴州省磷化工清潔生產工程技術研究中心，貴州甕安550400）

我國磷石膏制酸聯產水泥技術自20世紀90年代開始試車投產，在國家政策支持下，各公司的“四六”工程紛紛起建。但時至今日，仍在運行中的工程裝置寥寥無幾。從不同方面總結了近年來磷石膏制酸聯產水泥技術的研究現狀及問題所在，據此提出了幾點建議，并認為制酸聯產水泥仍具有優越的前景。

磷石膏；制酸聯產水泥；研究現狀

在水泥行業中磷石膏的應用除了作為水泥緩凝劑外，另一個重要的方向是用于制硫酸聯產水泥，由于磷石膏本身含有的微量有害成分以及應用工藝條件苛刻，目前，這兩個方向均未獲得突破性的進展。對應用技術不斷深入的認識、探索及研究是推動科技進步的重要動力。

1　研究進展

磷石膏制酸聯產水泥工藝是把磷石膏與焦炭、黏土等輔料配成生料，然后送入回轉窯內高溫分解煅燒，生成的熟料用作生產水泥的原料，而生成的SO2窯尾氣經凈化、干燥、轉化、吸收制成硫酸，國內以魯北集團為代表開發的磷石膏綜合利用工藝比較成熟。磷石膏制硫酸聯產水泥熟料之所以沒有得到大范圍的推廣應用，主要是因為生產成本高、尾氣SO2濃度低、熟料質量較差等。

近年來，對磷石膏制酸聯產水泥的研究主要分為3個方面：（1）生料配料及磷石膏雜質對熟料的影響；（2）磷石膏分解特性研究；（3）生產工藝的改善和控制要求。

1.1生料配料及磷石膏雜質對熟料的影響

水泥熟料燒制工藝中，生料的配料極其重要，因為配料的好壞直接影響了燒制過程以及最終產品質量。磷石膏制酸聯產水泥工藝中，其生料的配料和碳酸鈣制水泥的配料有嚴格的區別，因為前者原料中含有P2O5，且以焦炭作還原劑，煅燒中產生SO2，CaS及由其形成的低熔物，反應式如下。

磷石膏用于制酸聯產水泥必須要考慮其含有的雜質對熟料性能的影響，消除有害雜質的影響，并應按照原料的特點確定嚴格的生料率值。影響熟料性能的主要雜質是P2O5，實踐證實磷石膏最基本的品質要求是總P2O5（w）小于1%，其中水溶性小于0.5%，這樣才能使熟料中生成足夠的C3S礦物。否則，P2O5會與CaO形成共熔體，消耗大量的CaO，使熟料中C2S增多，早期強度降低，凝結時間不正常［3］。但是少量的P2O5具有改善熟料易燒性的強烈的礦化作用，促進了固相反應的進行，促進C3S的生成。同時，P2O5配合SO3進一步形成了穩定的β-C2S，使熟料更不易粉化［4］。

1.2磷石膏分解特性研究

磷石膏分解溫度為1 350～1400℃，有碳素（煤粉）的存在，分解溫度便大大降低，雖然很多學者在研究新型還原物質，如S，CO，H2S等，對磷石膏分解特性的研究大多數還是磷石膏碳還原分解的研究。

余蘇等［5］認為磷石膏的分解特性對磷石膏制酸聯產水泥工藝起著至關重要的作用，研究表明：磷石膏開始分解溫度為1 000～1 030℃，最大分解速度出現在1 180℃左右，碳的加入雖然能夠適當降低磷石膏的分解溫度，但在實際工程中無論是否有還原氣氛皆應控制在高于1 200℃，該溫度已高于其熔點溫度，因此采用水泥新型干法技術分解磷石膏制硫酸聯產水泥工藝較普通水泥預分解技術在實際實施過程中有較大的難度，且極易產生結皮堵塞，使生產無法正常進行，利用水泥新型干法技術分解磷石膏工藝，存在明顯的不足與缺陷。

CaSO4還原分解時，不可避免伴有生成CaS的副反應，降低了脫硫率，從而降低了制酸氣體的濃度。根據熱力學研究結果，在高溫下經過氧化反應可以使CaS轉化為CaO和SO2。應國量［6］采用熱重分析對CaS的氧化反應進行了初探。研究結果表明，CaSO4在較強還原氣氛或與焦碳能在低溫700～800℃形成CaS，而CaS需在高溫低氧條件下氧化釋放SO2相對不易，應當避免低溫形成CaS。焦炭摻量應控制C/S不超過0.7，此時反應主要按2CaSO4+C=2CaO+CO2+2SO2進行，對于還原區形成的副產物CaS，可以在高溫段，即焦碳噴入處的上方，鼓入適量氧氣，形成弱氧化區，有利于使少量形成的CaS進一步氧化而脫硫。

1.3生產工藝的改善和控制要求

當前，新型干法水泥生產工藝已經相當成熟，大部分磷石膏制酸聯產水泥工藝在此基礎上建成，但由于生料存在較大程度的差異，以及碳酸鈣與硫酸鈣分解特性的不同，其生產工藝需要改善，而操作控制也有一定的嚴格要求。

高強等［7］提出保證石膏制硫酸聯產水泥裝置穩定生產的最關鍵的操作要點有兩個：（1）合格生料的配制；（2）回轉窯的操作控制。這就要求設備精度高、運行可靠，操作人員經驗豐富、責任心強。再者，熟料燒成與SO2窯尾氣制取與回轉窯配套的設備也需要認真設計，熟料燒成系統與硫酸裝置是聯合生產，兩者之間有機配合，如燒成工藝要保證提供穩定且準確檢測的窯氣量和φ（SO2），盡量減少灰塵的逸出量，以減輕凈化系統的負擔并保持管路暢通，特別是在熟料燒成系統開停時［8］。

磷石膏水泥燒制過程中若窯尾氣中SO2濃度過低，這時候則不能實現當前比較成熟的窯尾氣“2轉2吸”工藝［7］，這時在配料和煅燒過程中可以采用高硫煤或者在煤粉中摻入一定量的硫磺來提高窯尾氣SO2的濃度。許振義等［9］采用“1轉1吸”流程，徑轉化的SO2在4.5%～5%就可實現熱平衡，但尾氣中的SO2一定會超標，不可以直接排放，用氨水吸收尾氣中SO2制成固體硫銨，能確保尾氣達標排放，但是此方法SO2轉化率低。

2　幾點小結

（1）不同磷石膏因原礦礦種和含有的雜質不同，其分解特性存在明顯的差異，準確測定其分解溫度，特別是在還原氣氛下的分解溫度，對整個工藝的設計至關重要。當前研究已證實，磷石膏制酸聯產水泥工藝對總P2O5的含量有一定的要求。原料中氟含量超標的危害也很大，會造成系統阻塞、催化劑粉化、設備內襯的瓷磚遭到腐蝕等［10］。如何降低磷、氟含量仍是重要的關注點之一。

（2）通過大部分學者研究以及技術員實踐發現，實際生產過程中磷石膏生料中由于含有各種雜質和共混物，其分解溫度低于熔融溫度，生料在普通分解爐內無法得到大部分分解，生料直接進入回轉窯從而導致分解效率低，且液相較多，溫度無法提升，正常情況下硅酸鹽水泥熟料回轉窯內燒成帶的溫度應到1 350℃，這是燒制的熟料品質較差，且窯內易結皮堵塞的直接原因，因此新型分解爐的設計極其重要。此外，應考慮如何提高生料熔融溫度或降低分解溫度。

（3）磷石膏制酸聯產水泥工藝采用的C還原分解硫酸鈣，因此合理選擇n（C）/n（SO3）比是保證硫酸鈣分解的關鍵，C多一點，即還原氣氛過濃，就會生成CaS，甚至會產生升華硫，致使SO2濃度過低，升華硫在凈化工段還會冷凝成固態，堵塞泡沫塔。但如果C含量過低，則會導致硫酸鈣剩余過多，窯尾氣中SO2濃度同樣也過低。在實際生產中，保證硫酸鈣充分分解的情況下，同時窯內煅燒應該保持弱氧化氣氛，以減少CaS的產生。

3　未來展望

截至2014年，全國磷石膏年產量已達7 600萬t，而磷石膏各種途徑的利用率之和僅僅有30%，磷石膏的處理方式仍以堆存為主［11］。磷石膏是濕法磷酸生產工藝過程中用硫酸分解磷礦得到的副產物，主要反應式如下：

［1］郝繼斌，龐仁杰.磷石膏制酸聯產水泥的生產與操作［J］.磷肥與復肥，1998（06）:57-62.

［2］劉少文，張茜，吳元欣，等.熱分析在磷石膏制酸反應研究中的應用［J］.化工進展，2008，27（5）:761-764，785.

［3］丁泓廣，丁汝斌，楊興志，等.聯產硫酸和水泥仍然是解決磷石膏問題的有效途徑［J］.硫酸工業，2011（4）:26-30.

［4］陳強.用磷石膏作礦化劑在立窯中燒制水泥熟料［J］.水泥，1989 （4）:38-42.

［5］余蘇，李建錫，馬麗萍.磷石膏分解特性對磷石膏制硫酸聯產水泥新工藝的影響研究［J］.昆明理工大學學報（理工版），2010，35 （4）:80-84.

［6］應國量.磷石膏分解特性的研究［D］.武漢：武漢理工大學，2009：39-41.

［7］高強，馮怡利.工業副產石膏制硫酸聯產水泥技術的實踐與創新［J］.硫酸工業，2014（1）:43-48.

［8］丁泓廣，丁汝斌，俞德田.磷石膏制硫酸聯產水泥熟料的競爭力——大型裝置設計思路［J］.硫磷設計與粉體工程，2013（2）:1-5.

［9］許振義，常暉，武俊軍.磷石膏制酸工程的經濟效益及技術難點問題分析［J］.磷肥與復肥，2008，23（6）：66-67.

［10］孫瑞軍.魯北磷石膏制酸聯產水泥發展循環經濟與技術創新［J］.硫磷設計與粉體工程，2009（3）:47-48.

［11］葉學東.磷石膏利用現狀及“十三五”發展思路［C］.中國建筑材料聯合會石膏建材分會全國石膏技術交流大會暨展覽會，2015.

Research status of manufacturing sulfuric acid and cement from phosphogypsum

TAN Mingyang1，XIANG Lixue1，2，LI Guolong3
（1.Shandong Kingenta Ecological Engineering Co.，Ltd.，Linyi 276700，China；2.China Kingenta Norsterra Chemical Co.，Ltd.，Wengan 550400，China；3.Guizhou Provincial Engineering Technology Research Center for Cleaning Production of Phosphorus Chemical Industry，Wengan 550400，China）

In our country，the technology of manufacturing sulfuric acid and cement from phosphogypsum has been put into operation since the 1990s，and under the national policy support，"four-six"projects have been built in many companies.But today，the engineering devices that still in operation is almost zero.This paper summarizes the present situation of the technology of manufacturing sulfuric acid and cement from phosphogypsum in recent years，and proposes some suggestions.

phosphogypsum，manufacturing sulfuric acid and cement，research status

X799.1

A

1674-0912（2016）06-0036-03

金正大諾泰爾化學有限公司技術中心創新能力建設貴州省工業和信息化專項資金（2015018）

譚明洋（1989-），男，山東臨沂人，碩士研究生，助理工程師，主要從事磷石膏資源化應用研究。

2016-04-23）