一种磷石膏基建筑材料及其制备和应用的制作方法

1.本发明涉及磷石膏无害化处理和建筑材料技术领域，尤其涉及一种磷石膏基建筑材料及其制备和应用。


背景技术：

2.利用磷石膏生产石膏建材制品的首要环节是将磷石膏煅烧脱水制得石膏粉。在专利cn 112624642 b中，公开了一种利用高温陶粒对磷石膏煅炼再生的装置及其使用方法，实现湿磷石膏渣烘干破碎、干磷石膏粉预热与脱水、烧石膏粉冷却的有机整合的技术方案，该方案一方面利用陶粒的高温，实现对磷石膏的高温脱水，另一方面利用陶粒的多孔吸附性，吸附磷石膏中部分有害物，实现对磷石膏的净化，该方法虽然实现了零污染处理磷石膏并制得石膏粉，但是在实践中发现，由该方法得到的充分脱水后悬浮在回转窑中的磷石膏粉，在作为石膏建材制品应用时，应用性能仍然有很大的提升空间。
3.鉴于此，提出本发明。


技术实现要素：

4.本发明通过对cn 112624642 b中技术方案的进一步研究，发现，该方法制得的磷石膏粉与其他方式烘干磷石膏渣得到的磷石膏的性能并未存在明显不同，因此，本发明提供一种磷石膏基建筑材料及其制备和应用，基于陶粒和磷石膏的结构特性，通过重新设计磷石膏脱水烘干的过程，用以解决现有技术中，采用磷石膏制备石膏基建筑材料时，存在的资源综合利用和产品性能协同增效难以同步实现的技术难题。
5.具体地，本发明提供一种磷石膏基建筑材料的制备方法，包括：将温度为60℃以上、游离水含量≤10％且有机质含量为5～20wt％的磷石膏预混物与800℃以上的陶粒混合，利用所述陶粒的余热进行燃烧后，继续进行混合煅烧，而后分离出陶粒粗骨料得到陶粉含量≤30wt％的余料，后处理所述余料即得。
6.本发明通过对cn 112624642 b中技术方案的进一步研究，观察到温度在800℃以上的陶粒和特定条件得到的磷石膏在回转窑的进料口处接触瞬间会发生二次燃烧现象，进而通过大量的试验验证，本发明的所述磷石膏预混物具有可燃性，当将其加入800℃以上的陶粒中时，能够利用所述陶粒的余热进行燃烧，而且该燃烧过程有利于实现对磷石膏的无害化的高效处理，特别是有害物质的固化或者钝化程度明显提升，而且，相较于常规的混合煅烧而言，本发明进行燃烧后继续进行混合煅烧所得的所述余料的强度更高，更适合作为磷石膏基建筑材料使用。
7.上述的后处理可以为：将所述余料冷却、粉磨、陈化后得到所述磷石膏基建筑材料；或者，将所述余料粉磨、冷却、陈化后得到所述磷石膏基建筑材料。
8.上述的混合可以是将磷石膏预混物加入800℃以上的陶粒中进行。
9.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述燃烧和所述继续进行混合煅烧的过程均在零排放体系中进行。
10.为了实现零排放，本发明使所述燃烧和所述继续进行混合煅烧的过程在零排放体系中完成(如所述燃烧发生在窑炉的进料口段，所述混合煅烧发生在窑炉的中端和尾端)，但从大量试验中还意外地发现，该在零排放体系中完成该过程会使所述余料作为磷石膏基建筑材料使用时，其强度进一步提高。
11.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述陶粒的密度≤1200kg/m3，平均粒径＜31.5mm，孔隙率＞30％；
12.根据本发明的试验，陶粒的多孔吸附性能够实现体系中水分的调节，在所述燃烧后继续进行混合煅烧的过程中，陶粒的粒径和孔径等结构参数，会影响磷石膏中的二水硫酸钙、半水硫酸钙和无水硫酸钙之间的相互转变程度，而且在零排放体系中，这种调节作用更为显著，当选择密度≤1200kg/m3、平均粒径＜31.5mm和孔隙率＞30％的陶粒时，能够得到更多的β型石膏。
13.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述陶粒中sio2的含量为53～70％；
14.优选地，所述陶粒是将以下各物料按照配比(均为质量百分比)拌合、陈化、造粒、煅烧得到：
15.废弃土40～70％、污泥20～50％、磷石膏5～8％和矿物余量；
16.其中，矿物主要包括：sio
2 53～70％、al2o
3 12～26％和cao 3～5％；
17.上述矿物成分的其余组分主要为nao2、feo、mgo和fe2o3中的一种以上，占比8～24％。
18.上述制备陶粒的主要原料，如废弃土、污泥中，在煅烧后，均能够提供大量的sio2，同时，也可以通过矿物的选择，调整陶粒的具体结构和sio2含量，以实现本发明的目的。
19.在试验中还发现，当采用硅质材料的陶粒进行本发明的燃烧和混合煅烧时，可以得到硅质磷石膏基建材，在经过高温煅烧后辅以球磨工艺，从而进一步激发硅质磷石膏基建材的活性。由于硅质材料的添加，硅质磷石膏基建材的需水量由60％降低至40％以下，且更均质，强度有也大大得以提高。
20.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述陶粒是将废弃土、污泥、磷石膏和矿物经拌合、陈化、造粒和温度＞1100℃的煅烧得到。
21.为了合理地利用能源，本发明直接将温度＞1100℃的煅烧得到的物料在其冷却过程中利用其余热对特定的磷石膏进行处理，意外地发现，该方法不仅充分地利用了系统的热能，还发现，所述煅烧后未冷却的物料带有明火特性，与本发明中特定的磷石膏预混物瞬间混合可以起到助燃作用，从而加速促进所述磷石膏预混物的有害物质固化和钝化，且提升所述余料的力学性能。
22.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述余料中陶粉的含量为10％以内。
23.本发明发现，所得余料的强度还与该余料中陶粉的含量有明显关系，在实际应用中，通过合理控制所述磷石膏预混物和所述陶粒的质量比，并结合所述燃烧后继续进行混合煅烧的过程，可以使余料具有更佳的组分配比，根据测试，发现，所述余料中陶粉的含量控制在10％以内时，所得的磷石膏基建筑材料的性能更佳。
24.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述磷石膏预混物中二水硫酸
钙的质量含量≥60％，优选为60％～75％。
25.磷石膏预混物中的关键成分为有机质，而主要成分为二水硫酸钙，在试验中发现，二水硫酸钙的含量对最终磷石膏基建筑材料的性能会产生影响，当所述磷石膏预混物中二水硫酸钙的质量含量大于60％时，所述燃烧和所述混合煅烧体系更加稳定。
26.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣是在160℃以上的零排放体系中加热得到。
27.本发明在试验中发现，在零排放体系中处理湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣，可以得到一定游离水和有机质含量的磷石膏预混物，更重要的是，在较高温度下可以使该磷石膏预混物中的游离水更加活跃，有机质更易于燃烧，进而使陶粒在所述燃烧和所述混合煅烧阶段中的作用得到更充分发挥。
28.本发明中的零排放体系是指，体系内的物料发生反应的过程中，不对外排放气体或者杂质等。
29.如磷石膏预混物和陶粒在所述燃烧后，继续进行混合煅烧的过程中，磷石膏预混物中的水分和杂质始终保留在整个体系中，摩擦产生的陶粉也保留在整个体系中，所述燃烧后继续进行混合煅烧的过程结束后，仅产生分离出的陶粒粗骨料和硅质磷石膏基建筑材料余料两部分，比如该过程可以发生在混合煅烧回转窑中端和尾端装置中。
30.又如，所述磷石膏渣制得所述磷石膏预混物的过程中，磷石膏渣因加热产生的游离水和杂质等均不对外排放，而是与磷石膏充分混合形成磷石膏预混物，一起加入陶粒中，比如该过程可以发生在混合煅烧回转窑初始进料口段装置中。
31.本发明中，可以通过控制所述磷石膏渣和所述陶粒的进料部分、以及控制所述陶粒粗骨料和所述余料的出料部分，使整个中间过程处于零排放体系，这样不仅可以实现对所述磷石膏渣的充分回收利用，还合理地利用了系统的能量以及体系内物料间的相互影响，更重要的是，所得到的磷石膏基建筑材料的性能显著优于行业标准，具有巨大的应用价值和技术贡献。
32.优选地，所述磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣在所述燃烧和所述混合煅烧的余热作用下加热得到。
33.为了低碳环保，充分利用能源，可以利用所述燃烧和所述混合煅烧的余热对湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣进行预热处理，在实际应用中，可以合理地设计余热利用装置，实现能量转换率的最大化。
34.根据本发明提供的磷石膏基建筑材料的制备方法，所述燃烧的时间为3～15s，所述混合煅烧的时间＞5min；
35.优选地，所述混合煅烧的温度为400℃以上。
36.为了更好的将磷石膏中含有的可溶性磷、可溶性氟、可溶性钠、可溶性镁及多种重金属等有害物质予以钝化，试验表明，混合煅烧高于400℃时对磷石膏渣中对制备建材的有害物质进行了最大程度上的处理处置，提高了磷石膏基建筑材料的品质和使用范围。
37.此外，在混合煅烧过程中，根据热能转换效率，实现高品质的零碳排放煅烧，对磷石膏渣投入量进行预控，确保预处理的含水量和闪烧品质。
38.本发明还提供如上所述的磷石膏基建筑材料的制备方法制得的磷石膏基建筑材料。
39.优选地，所述磷石膏基建筑材料中含有80％以上的β型石膏；
40.更优选地，所述磷石膏基建筑材料中还含有5～10％的硅酸盐。
41.本发明制得的磷石膏基建筑材料的性能优异，适用范围广，可以用于石膏基保温砂浆，且更适用于道路工程石膏基稳定基层材料。
42.本发明的磷石膏基建筑材料的制备方法中，所分离出的陶粒粗骨料，因具备石膏基胶凝材料残留的特点，可用于绿色建筑工程中自保温墙材、砌块、轻质混凝土干拌料等等。
43.本发明提供的一种磷石膏基建筑材料及其制备和应用，通过将温度为60℃以上、游离水含量≤10％且有机质含量为5～20wt％的磷石膏预混物与800℃以上的陶粒混合，利用所述陶粒的余热进行燃烧后继续进行混合煅烧，实现对磷石膏的无害化的高效处理，特别是有害物质的固化或者钝化程度明显提升，而且，相较于常规的混合煅烧而言，本发明进行燃烧后继续进行混合煅烧所得的所述余料的强度更高，更适合作为磷石膏基建筑材料使用。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
45.实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
46.本发明中的矿物来源于：工业尾矿、废渣等，其主要矿物成分包括：sio
2 53～70％、al2o
3 12～26％和cao 3～5％；其余组分主要为nao2、feo、mgo和fe2o3，占比8～24％。
47.实施例1
48.一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程如下：
49.(1)将磷石膏进行加热预处理，得到温度为70℃、游离水含量为10％且有机质含量为15％的磷石膏预混物，其中，所述磷石膏预混物中二水硫酸钙的质量含量为60％。
50.将60％废弃土、30％污泥、5％磷石膏和矿物余量按照配比拌合、陈化、造粒、高温煅烧(煅烧温度为为1100℃)。
51.(2)将步骤(1)中的磷石膏预混物加入步骤(1)中的高温煅烧后得到的陶粒中，此时，确保加入时陶粒的温度在800℃以上，利用所述陶粒的余热进行燃烧后继续进行混合煅烧，而后分离出平均粒径为2.36mm以上的陶粒粗骨料，使得到的余料中陶粉含量为5％，进一步将所得余料经粉磨、冷却、陈化后即得所述磷石膏基建筑材料；
52.其中，该陶粒中sio2的含量为65％，陶粒的密度为450kg/m3，平均粒径为30mm，孔隙率为45％，且磷石膏预混物和该陶粒的质量比为1:1，在不进行外部加热的情形下，二者持续进行燃烧的时间为10s，控制混合煅烧的时间为10min，物料温度经历短暂上升后逐步达到400～600℃。
53.对制得的磷石膏基建筑材料进行测试，测试结果为：该磷石膏基建筑材料中含有
82％的β型石膏，以及5％的硅酸盐；且该磷石膏基建筑材料的强度达到3.0等级。
54.本发明还对上述磷石膏预混物和制得的磷石膏基建筑材料进行分析，发现，其中部分元素的含量发生较为明显的变化，具体如下：
[0055][0056][0057]
本发明还对上述磷石膏预混物和制得的磷石膏基建筑材料的酸碱性进行测试，发现，磷石膏基建筑材料的ph值要显著高于磷石膏预混物，并提升至7以上。
[0058]
实施例2
[0059]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：分离出平均粒径为5mm以上的陶粒粗骨料，使得到的余料中陶粉含量为10％。
[0060]
实施例3
[0061]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：分离出平均粒径为8mm以上的陶粒粗骨料，使得到的余料中陶粉含量为20％。
[0062]
实施例4
[0063]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：分离出平均粒径为10mm以上的陶粒粗骨料，使得到的余料中陶粉含量为30％。
[0064]
对实施例1～4得到的磷石膏基建筑材料的强度进行测试，测试结果如下：
[0065][0066]
实施例5
[0067]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣是在160℃的零排放体系中加热得到，其中，该磷石膏渣来源于：磷石膏库存场，所得的磷石膏预混物中二水硫酸钙的质量含量为50％。
[0068]
结果发现，制得的磷石膏基建筑材料的强度相较于实施例1下降明显，具体为2小时抗折强度为1.6mpa，2小时抗压强度为4.3mpa。
[0069]
实施例6
[0070]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处在于：调整矿物中sio2的含量，使陶粒中sio2的含量为70％。
[0071]
结果发现，制得的磷石膏基建筑材料中含有5～7％的硅酸盐；且该磷石膏基建筑材料的2小时强度为抗压强度为8.75mpa，抗折强度为3.85mpa。
[0072]
实施例7
[0073]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：调整陶粒的加工工艺，使制得的陶粒的孔隙率为20％左右。
[0074]
结果发现，制得的磷石膏基建筑材料中含有65％的β型石膏。
[0075]
实施例8
[0076]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：所述燃烧后继续进行混合煅烧的过程均在零排放体系中进行。
[0077]
结果发现，制得的磷石膏基建筑材料中含有86％的β型石膏。
[0078]
实施例9
[0079]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例5基本相同，不同之处仅在于：所述磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣在所述燃烧和所述混合煅烧的余热作用下加热得到。
[0080]
对比例1
[0081]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：将步骤(1)中的磷石膏预混物冷却至50℃后加入步骤(1)中的高温煅烧后得到的陶粒中。结果发现，所得磷石膏基建筑材料的强度下降，对余料进行分析发现，余料中陶粉的含量过高，而β型石膏的含量太低。
[0082]
对比例2
[0083]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：磷石膏预混物的游离水含量为50％。结果发现，在其与陶粒接触时，无法发生燃烧，所得的磷石膏基建筑材料的强度下降，有害成分和杂质含量过高。
[0084]
对比例3
[0085]
一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其过程与实施例1基本相同，不同之处仅在于：将步骤(1)中的磷石膏预混物加入步骤(1)中的高温煅烧后得到的温度为750℃且陶粒中。结果发现，在投料入口处未见燃烧现象产生，亦无有机质燃烧时的二次升温现象。在使β型石膏占比达80％以上时，需要将混合煅烧的时间延长至30分钟及以上，且磷石膏预混物的投料比由1:1变成0.8:1及以下，β石膏转换率大幅下降，混合煅烧温度呈直线衰减状态，效能显著下降。
[0086]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，包括：将温度为60℃以上、游离水含量≤10％且有机质含量为5～20wt％的磷石膏预混物与800℃以上的陶粒混合，利用所述陶粒的余热进行燃烧后，继续进行混合煅烧，而后去除陶粒粗骨料得到陶粉含量≤30wt％的余料，后处理所述余料即得。2.根据权利要求1所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述燃烧和所述继续进行混合煅烧的过程均在零排放体系中进行。3.根据权利要求1或2所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述陶粒的密度≤1200kg/m3，平均粒径＜31.5mm，孔隙率＞30％。4.根据权利要求1～3中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述陶粒中sio2的含量为53～70％；优选地，所述陶粒是将以下各物料按照配比拌合、陈化、造粒、煅烧得到：废弃土40～70％、污泥20～50％、磷石膏5～8％和矿物余量。5.根据权利要求1～4中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述陶粒是将废弃土、污泥、磷石膏和矿物经拌合、陈化、造粒和温度＞1100℃的煅烧得到。6.根据权利要求1～5中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述余料中陶粉的含量为5～10％。7.根据权利要求1～6中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述磷石膏预混物中二水硫酸钙的质量含量大于60％；优选地，所述磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣是在160℃以上的零排放体系中加热得到；进一步优选地，所述磷石膏预混物是将湿法磷酸工艺的副产磷石膏渣在所述燃烧和所述混合煅烧的余热作用下加热得到。8.根据权利要求1～7中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法，其特征在于，所述燃烧的时间为3～15s，所述混合煅烧的时间＞5min；优选地，所述混合煅烧的温度为400℃以上。9.一种磷石膏基建筑材料，其特征在于，其由权利要求1～8中任一项所述的磷石膏基建筑材料的制备方法制得。10.一种磷石膏基建筑材料的应用，其特征在于，采用如权利要求9所述的磷石膏基建筑材料。

技术总结
本发明属于磷石膏无害化处理及建筑材料技术领域，具体提供一种磷石膏基建筑材料及其制备和应用，该方法包括：将预处理后温度为60℃以上、游离水含量≤10％且有机质含量为5～20％的磷石膏预混物加入800℃以上的陶粒中，利用所述陶粒的余热进行燃烧后继续进行混合煅烧并分离出陶粒粗骨料，所得余料经后处理即得所述磷石膏基建筑材料。本发明的方法不仅充分利用了磷石膏固废物，而且同步实现了磷石膏的无害化处理，更重要的是，本发明的方法实现了陶粒和磷石膏之间的协同增效，使制得的该磷石膏基建筑材料的强度更高，结构更加均匀，应用范围更广。用范围更广。


技术研发人员：刘志浩 陈娟 胡波 代攀 刘浩 徐静 刘子强 刘国权 郑三平 李杨 陈争荣
受保护的技术使用者：湖北聚海环境科技有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/5