脫硫石膏做粉煤灰水泥緩凝劑的研究與應用

許麗麗

0 引言

目前，水泥生產使用的緩凝劑一般以天然石膏為主[1-2]。長此以往，不僅加劇天然石膏的消耗速度，同時石膏礦的過度開采必然會造成生態環境的破壞。電廠的工業副產品脫硫石膏若不能得到有效的處理與利用[3-6]，也會對環境造成嚴重的污染。若能利用脫硫石膏來取代天然石膏作為粉煤灰水泥的緩凝劑[7-8]，不僅保護了生態環境，也有效的實現了電廠資源合理利用。

1 關鍵技術與目標

采集電廠脫硫石膏樣品，通過在不同的脫硫石膏/天然石膏比與粉煤灰和熟料進行小磨試驗工作，確定使用脫硫石膏后水泥的最佳配合比及調控技術，以保摻入脫硫石膏時水泥的性能正常穩定。根達到節約天然石膏礦產資源，節約成本，實現廢物利用、循環經濟，提高社會經濟效益和環境效益。

2 脫硫石膏取代天然石膏的研究

2.1 脫硫石膏的利用

目前，煙氣脫硫技術是解決SO2排放造成的污染最直接有效途徑，在眾多脫硫工藝中，濕式石灰石-石膏法應用最為廣泛，它的副產物就是脫硫石膏。表1是可由電廠直接提供的部分脫硫石膏的質量情況。

表1 不同電廠脫硫石膏質量情況

由表1可見，A廠的脫硫石膏粘性大，流動性較差；B廠基本上呈干粉狀態，方便運輸；C廠是濕的粘塊狀;D廠則是經過成型的小立方體狀。A廠的濕粉狀脫硫石膏的SO3含量高達42.98%（純CaSO4?2H2O的SO3為46.5%），但由于含水量高導致的粘性大，流動性較差而無法輸送下料。因此，脫硫石膏能否使用不在于其純度，而在于能否被輸送、計量。水分高的需要經過烘干、造粒、壓塊或曬干。大量儲存應建堆棚，避免受潮雨淋。脫硫石膏的水分、SO3含量和顆粒度往往有較大的波動，必須進行均化處理。目前，同煤集團建材公司水泥廠采購的脫硫石膏已經過烘干成球處理。

2.2 試驗研究內容

通過小磨做了25組粉煤灰水泥試驗，磨粉磨時間為25分鐘，其中抗壓強度檢測按GB/T17671—1999(ISO法)進行，水泥凈漿稠度用水量及凝結時間按GB/T1346—2001方法檢測，用GB/T 1345-2005“水泥細度檢驗方法篩析法”測定0.045 mm篩余和0.08 mm篩余，勃氏比表面積按GB/T 8074—2008“水泥比表面積測定方法（勃氏法）”，化學分析按GB/T 176—2008“水泥化學分析方法”，結果見15頁表2。

表2 脫硫石膏小磨試驗數據

由表2中整理出脫硫石膏取代率為30%時的小磨試驗數據，可得出圖1和圖2。作圖中曲線的趨勢線，進行線性回歸，得回歸公式和相關系數R2值。

圖1 煤灰摻量對凝結時間的影響（脫硫石膏取代率30%）

圖2 煤灰摻量對抗壓強度的影響（脫硫石膏取代率30%）

同樣的方法可得出在不同脫硫石膏取代率情況下凝結時間和抗壓強度變化曲線的線性回歸公式，見表3。

表3 凝結時間和抗壓強度變化曲線的線性回歸公式

2.2.1 水泥性能與粉煤灰和熟料摻量的關系

用粉煤灰取代熟料制造水泥，其凝結時間和強度與粉煤灰的摻量和采用的石膏種類有很大的關系。當采用100%天然二水石膏、50%天然石膏+50%脫硫石膏或者100%脫硫石膏時，物理性能變化接近線性，即按一定速率增加或減少，易于控制。對于脫硫石膏取代率30%和70%的水泥，性能呈非線性變化，難于控制。實際生產使用石膏時，宜采用單一品種，或對半混摻。從7天和28天抗壓強度曲線的線性回歸公式看，隨脫硫石膏摻量的增加，粉煤灰零摻量強度（趨勢線截距）和單位粉煤灰抗壓強度下降值增加，但天然石膏∶脫硫石膏比為70∶30和30∶70混摻水泥的試樣例外，這四條趨勢線的截距和斜率均比較小，離線性差距較大。比較抗壓強度線性回歸公式的截距和斜率，28天抗壓強度下降幅度和速率均大于7天的強度的變化。

2.2.2 脫硫石膏的緩凝作用

在試驗之初，發現脫硫石膏與天然石膏摻量相同時采用脫硫石膏的水泥凝結時間延長，利用這一特點試生產了公路工程急需的緩凝水泥。經過全面大量試驗后，認識到脫硫石膏緩凝問題完全可控。一般情況下，由于脫硫石膏含SO3較高，顆粒較細，其緩凝作用要強于天然石膏，用脫硫石膏時應適當減少石膏用量。由表3可知，增加熟料用量或者減少粉煤灰摻量可縮短凝結時間。使用脫硫石膏后，降低了水泥的生產成本，這種方法也是可行的。

3 試驗效果分析

小磨試驗結果表明，在SO3摻量為2.1%～2.5%時，利用脫硫石膏等量替代天然石膏之后（與用等SO3替代含義不同），水泥0.08 mm篩篩余稍微降低，勃氏比表面積卻明顯提高，初、終凝時間都有延長。可見，使用脫硫石膏后，不僅水泥的3天、7天、28天強度都有提高，抗壓強度也有一定程度的提高。

4 工業性試驗

試驗完成后，依托大同煤礦集團公司塔山電廠、王坪電廠和建材公司水泥廠的原料及設備，進行了工業性試驗。分別生產出P·O 42.5水泥和P·C32.5水泥，并對其0.08 mm篩余、勃氏比表面積、SO3、初凝時間、終凝時間的測試，同時開展了7天、28天抗折和抗壓強度的測試。試生產的各項指標都在可控范圍內，質量良好，見表4、5。

表4 P·O42.5水泥加脫硫石膏的工業性生產試驗數據

表5 P F32.5水泥加脫硫石膏的工業性生產試驗數據

本次試驗發現，脫硫石膏的緩凝能力要強于天然石膏，單獨利用脫硫石膏可以制得終凝時間9.5小時的粉煤灰水泥，而且其7天和28天抗壓強度比單用天然石膏磨得水泥的相應強度要高。用φ500×500 mm小磨磨制的緩凝粉煤灰水泥的配合比和性能見表6。

表6 緩凝粉煤灰水泥配比和性能

根據開發技術并結合公路工程單位的要求，同煤集團水泥建材廠生產了終凝時間為6～7小時的P·C32.5緩凝水泥，水泥配比：脫硫石膏6.2%、粉煤灰27%、熟料64.8%、石灰石2%。其物理性能見表7。

表7 P·C32.5緩凝水泥大磨生產數據

5 結論

通過不同含量的脫硫石膏替代天然石膏對水泥各項性能的實驗研究，找出了脫硫石膏粉煤灰水泥配方的設計優化原則，成功研發了制造緩凝粉煤灰水泥的新技術。研制出P·C32.5緩凝水泥，使電廠的工業副產品脫硫石膏與粉煤灰得到有效的處理與利用。