磷石膏基水泥研究进展
摘要
磷石膏是磷化工业生产中最主要的工业副产品，其综合利用是世界性难题。磷石膏基水泥是以磷石膏为主要原料，通过改性处理和组分优化设计制备出的一种新型水硬性胶凝材料，具有很好的耐水性和抗硫酸盐性能，不但可消耗大量磷石膏，而且符合国家提出的节能、减排、降耗的经济发展方向，对提高磷石膏利用率、解决磷石膏资源化问题具有十分重要的意义。
引言
磷石膏作为磷肥生产伴生的副产物，我国磷石膏大部分以堆存为主，不仅占用大量土地，而且容易造成水体环境污染。而在国家建设和发展的道路上，水泥和混凝土便是使用量最大的建筑材料。石灰石是生产水泥的主要原材料，随着水泥产量的增大会消耗大量石灰石资源，同时其生产过程也会造成相当大的能源消耗。为实现绿色低碳发展，积极发展循环经济，推进固废资源化利用。及适应我国建筑材料发展的需求，推动磷石膏制品在建筑材料、道路材料、磷石膏基水泥等方面的应用，对于我国磷石膏的资源化利用和节能减排具有重要的现实意义。
01磷石膏应用途径
1.1 磷石膏分解制硫酸联产硅酸盐水泥
磷石膏分解制硫酸联产硅酸盐水泥的工艺原理是将磷石膏高温分解产生的SO3可用于生产硫酸，CaO 则可作为生产硅酸盐水泥的原材料。20世纪六七十年代欧洲开发出转窑法煤还原磷石膏生产硫酸联产水泥的工艺，1986年云南磷肥厂建成国内第一套磷石膏生产硫酸联产水泥装置。从20世纪80年代末我国就开始研究开发利用磷石膏制备水泥的工艺，通过利用磷石膏制硫酸联产水泥，使磷石膏中的硫、钙等资源充分利用，而且还可以使对硫磺的进口量降低，可以有效缓解我国硫资源短缺的状况。据测算，建设一条年产150万吨水泥的磷石膏制硫酸联产水泥的生产线，每年可消耗干基磷石膏220万吨，同时可基本实现磷铵企业硫酸的消耗和生产平衡，既提高了材料利用率，又降低了对环境的污染。同时经热力学分析，磷石膏在 721℃开始分解，优化反应条件，在一定的条件下，磷石膏的最大转化率为99.12%。该工艺具有转化率高、能耗低、投资少等优点，属于资源循环型绿色技术，可降低环境污染。从长远来看，磷石膏生产硫酸，水泥的工艺在一定的规模下，并大力降低能耗，不失为一条具有前景的道路。
1.2 磷石膏用作硅酸盐水泥缓凝剂
磷石膏的基本组分决定了其代替天然石膏使用是最具有经济价值的利用方式之一，其中作为硅酸盐水泥缓凝剂是磷石膏利用最直接的方式。磷石膏经过水洗除去可溶性杂质和有机物，与石灰中和后于800摄氏度煅烧的无水石膏作水泥缓凝剂，能克服磷石膏作缓凝剂时水泥早期强度降低的缺陷。面临天然石膏资源的不断枯竭，以及磷化工企业磷石膏堆存的压力，加大磷石膏的综合利用是必然趋势，将其用作水泥缓凝剂是磷石膏发展和推广的主要方向。磷石膏作为一种极具发展潜力的二次资源，其来源广泛，主要组分的优越性，这些优点决定了磷石膏可以代替天然石膏来进行生产，这样有利于节约生产成本，提高生产经济效益。
1.3 磷石膏基水泥研究
“十三五”期间中国磷石膏综合利用水平有了较为明显的提升，从环境意义上和消耗的总量上来看，水泥是目前建筑行业使用量最大，最广的建筑材料。将磷石膏用于制备建筑材料水泥，解决了传统的石膏材料只能作为气硬性胶凝材料的问题，而且这样不仅可以大量消耗工业上的废渣磷石膏，而且该水泥具有良好的性能，对于我国磷石膏的生态化利用，扩展磷石膏的附加价值，以及对我国2030年实现碳达峰和碳中和；磷化工产业，建筑材料行业都具有重要意义。
02磷石膏基水泥的优势及面临风险
2.1 磷石膏生产硅酸盐水泥优势
磷石膏可作为生产各类水泥的原料。磷石膏制酸联产硅酸盐水泥能回收利用硫、钙元素，既降低硫酸生产成本，也解决磷石膏堆存带来的环境问题。磷石膏是一种常见的工业废渣，它对于水泥的质量改善和降本增效起着重要作用。磷石膏主要用于生产硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥。磷石膏用于制作水泥的原料时，可以为水泥提供必需的钙质。在对水泥进行高温煅烧时，磷石膏的存在可以消除水泥中的某些杂质，降低杂质对成品水泥质量的影响。
2.2 磷石膏生产硅酸盐水泥面临的挑战
由于磷石膏在水泥生产中有着重要的地位，所以目前国际上对该原料的使用进行了大量的实验和研究。在技术上虽然取得了一定的进展，但是依然有一些问题始终得不到突破，这些问题的存在限制了磷石膏的使用。
03磷石膏应用未来展望
随着我国磷肥业的快速发展，磷石膏排放量呈逐年大幅递增趋势，磷石膏的综合利用已被国家列为资源化重点工程，其综合利用和无害化处理成为磷肥行业的重要任务。目前磷石膏用量最大的是制水泥缓凝剂，与发达国家相比，我国的磷石膏资源化利用率低，因此加快磷石膏资源化利用的研究刻不容缓。 磷石膏无害化处理作为解决磷石膏综合利用的重要手段，成为各方关注的焦点。同时“双碳”战略的提出，对于磷石膏资源综合利用既是机遇又是挑战。
“双碳”背景下的水泥行业产能产量必然受到影响，火电规模将会逐步下降，相应的脱硫石膏的产量也会降低，以磷石膏为原料的石膏建材产品将迎来良好的市场环境，同时石膏还能代替部分水泥产品的用途，为大规模利用磷石膏创造了条件。
目前，磷石膏的堆存已经给环境、企业等造成严重的负担，使资源化利用迫在眉睫。我国石膏占胶凝材料的比重还很低，且磷石膏代替天然石膏潜力巨大。磷石膏的资源化利用应重点着眼于生产水泥缓凝剂和建筑石膏基胶凝材料，因地制宜选择合适的开发利用途径。对于生产磷石膏的企业也应积极改善生产工艺，为磷石膏的利用提供保障。随着国家节能减排、绿色经济政策的深入，以及科学技术的发展，磷石膏必将会在建材领域成为最宝贵的二次资源。
04总结
目前，我国磷石膏产量巨大，并且磷石膏资源利用面临种种困难，以及建材行业水泥消耗巨大，为了贯彻国家提出的绿色节能，低碳环保的经济发展方向，以及促进磷化工产业和水泥行业可持续发展，磷石膏能在水泥等建材行业得到广泛应用，综合利用磷化工产业所生产的副产品，又能解决因磷石膏堆放而造成的环境污染问题。同时又能降低水泥成本，所以开展磷石膏的应用研究很有实用意义。
作者：任春 全峰
来源：湖北文理学院
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