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脱硫石膏煅烧工艺及纤维增强力学性能研究

来源:欧得旅游网
新 建巍 中国科技核心期-T4 脱硫石軎煅烧工艺及纤维 增强力学II ̄|E研夯 任振兴,杨道武,肖博,刘军,马永 (长沙理工大学化学与生物工程学院,电力与交通材料保护湖南省重点实验室,湖南长沙4101 14) 摘要:采用成分分析、XRD、粒度分析等测试手段综合分析了脱硫石膏的物理化学性质,以DSC/TG曲线探究脱硫石膏脱水转 化温度,同时分析建筑石膏的相组成,使用纤维解决建筑石膏力学强度低的缺点。实验表明:脱硫石膏和天然石膏在理化性质和矿 物组成上极为相似;两步煅烧工艺有效解决了高耗能问题,煅烧后的脱硫石膏口一CaSO4"0.5H20含量为66.640%;聚丙烯纤维掺加 量为0.08%时力学性能最优。 关键词:脱硫石膏;建筑石膏;煅烧工艺;聚丙烯纤维;力学性能 中图分类号:TQI77.3 文献标识码:A 文章编号:1001—702X(2013)07—0016—04 The research of calcining process and fibers reinforced mechanical property of FGD gypsum REN Zheuxing,YANG Daowu,XIA0 Bo,LIU Jun,MA Yong (Hunan Provincial Key Laboratory of Materials Protection for Electric Power and Transportation, School of Chemistry and Biological Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 4101 14,Hunan,China) Abstract:The physical chemical prope ̄ies of flue gas desulphurization gypsum were analyzed with measurements of compo— nent analysis,XRD and particle size analysis.The temperature of dehydration of FGD gypsum was inquired through DSC/TG curves,and excitation hydration method was applied to analyze the phase composition of building plaster.The low mechanical strength of building plaster was addressed by using fiber.Experiment results indicated that the chemical and physical properties and mineral compositions of FGD gypsum ale very similar to those of natural gypsum.The twice calcination could effectively ad— dress the high—eneryg-cost issue,and the content of 13-CaSO4・0.5H2O in the calcined building plaster is 66.640%.When the adding amount of polypropylene fiber is 0.08%,the mechanical property is the optima1. . Key words:FGD gypsum;building plaster;calcining process;polypropylene fiber;mechanical property 火电厂脱硫石膏(FGD)是湿法烟气脱硫所产生的副产 前脱硫石膏主要用作水泥缓凝剂和生产建筑石膏 。 品,在燃煤火电厂中湿法烟气脱硫是控制SO 排放最普遍的 本实验主要采用热分析方法嘲研究脱硫石膏脱水过程以 方法_¨。到2010年,我国火电厂每年大约产生8000万t脱硫 及脱水温度,提出两步煅烧工艺,解决了直接煅烧耗能高的问 石膏 ,如果不能很好地处理,不仅占用农林用地还污染周边 题[6-71。同时,建筑石膏制品存在力学强度低的问题[8-91。研究和 水环境。然而,脱硫石膏很多品质可以和天然石膏相媲美。目 工程实践表明,聚丙烯纤维能有效地提高水泥砂浆和混凝土 的力学和抗裂性能 ,但聚丙烯纤维用于石膏胶凝材料的研 基金项目:长沙市科技攻关项目(Kl104029—11); 究报道并不多见。本文提出在脱硫石膏中掺加聚丙烯纤维,以 湖南省科技重大专项子项目(2009FJ1009—3); 解决建筑石膏制品存在力学强度低的问题。 电力与交通材料保护专项基金项目(201 10006) 收稿日期:2013—01—13 1实验 作者简介:任振兴,男,1990年生,安徽阜阳人,硕士研究生,主要从 1.1原材料 事石膏建材综合利用方面的研究。通讯作者:杨道武,地址:长沙市雨 脱硫石膏:湖南省益阳电厂排放的工业副产品,其主要成 花区万家丽南路二段960号,E—mail:daowuy@163.com。 分为CaS04"2H20,粉末状,含水量较大,测试前过80目筛备 ・16・ 新型建筑材料 2013.7 任振兴,等:脱硫石膏煅烧工艺及纤维增强力学性能研究 用;天然石膏:湖南省恒基韶峰建材有限公司生产,主要成分 为CaS04"2H20,粉末状,品位较高。 聚丙烯纤维:长沙市博赛特建筑工程材料有限公司生产, 长19 mm、直径45 m,密度0.91 g/em 。 1.2实验方法 脱硫石膏的基本性能测试:石膏的化学成分分析按GB/T 5484--2000((, ̄膏化学分析方法》进行;石膏XRD物相组成分 析由D/Max—IIIC型x射线衍射仪测试完成,电压40 kv,电流 10 2O 3O 40 50 6O 20/(。) 30 mA;采用激光粒度仪测试脱硫石膏粉末的粒度分布。 脱硫石膏煅烧和水化放热研究:脱硫石膏的DSC厂I1G曲线 由法国生产的综合热分析仪Labsys 1600TM测得;建筑石膏水 化放热使用瑞士Thermal Metric AB公司的八通道微量量热 仪,采用水膏比0.5,恒温30℃,将建筑石膏放入安瓿瓶,加盖 密封,恒温稳定8 h后将水注入贮液瓶中测试建筑石膏的水 化曲线。 聚丙烯纤维对试样力学性能的影响:试件制备过程中,搅 拌、成型和力学性能测试分别按照GB/T 9776--2008《建筑石 膏》和GBff 17669.3一l999《建筑石膏力学性能的测定》进行。 聚丙烯纤维掺量分别为建筑石膏质量的0,0.02%、0.04%、 0.06%、0.08%、0.10%和o.2o ̄,按水灰比为0.6制备试样,以 确定聚丙烯纤维的最佳掺量。 2结果与讨论 2.1脱硫石膏的基本性能 2.1.1脱硫石膏和天然石膏的化学成分(见表1) 表1 脱硫石膏和天然石膏的化学成分 % 项目 CaO SO3 MgO A12O3 Fe2O3 SiO2结晶水 脱硫石膏37.04 48.42 0.08 1.37 0.23 1.30 10.63 天然石膏36.12 44.34 0.04 2.74 0.71 5.32 10.34 由表1可知,脱硫石膏的化学成分与天然石膏基本相似, 所含杂质比天然石膏少,主要杂质为MgO、A1 0 、Fe 0,和 Si0 ,脱硫石膏和天然石膏的品位均为一级。 2.1.2脱硫石膏和天然石膏的XRD分析(见图1) - 10 20 3O 40 50 6O 20/(。) (a)脱硫石膏 (b)天然石膏 图1 脱硫石膏和天然石膏的XRD图谱 从图1可以看出,脱硫石膏和天然石膏的主要物相均为 CaS04"2H20,含量最高可达90%以上。脱硫石膏和天然石膏 的化学分析、晶相分析均显示二者化学组成类似,表明脱硫石 膏具有代替天然石膏的潜在价值。 2.1_3脱硫石膏的粒径分布 脱硫石膏大多含10%左右的附着水分,为进行粒度分 析,将脱硫石膏经45℃烘干后取出冷却。使用激光粒度仪测 试脱硫石膏的粒度分布,结果如图2所示。 图2脱硫石膏的粒径分布 从图2可以看出,脱硫石膏粒径主要集中在6 50 m,粒 径在80 m以下的占98.32%。天然石膏在粉碎后颗粒较大, 一般在140 m左右,脱硫石膏与其相比有明显优势。 2.2脱硫石膏煅烧和水化放热研究 脱硫石膏的主要成分CaS04"2H20,既可作为脱水物的原 材料,同时又是脱水石膏再水化的最终产物。所以在研究石膏 晶体材料的水化硬化性能中很具有代表性。为获得建筑石膏, 必须对脱硫石膏进行煅烧处理,其煅烧工艺一直是影响脱硫 石膏制品质量和应用的重要因素f7】 若脱硫石膏煅烧温度低, 则二水硫酸钙的含量较高,产品质量下降;若煅烧温度过高, 则转化为无水硫酸钙的含量较大,且燃料消耗增多将大大提 高建筑石膏的生产成本口因此,确定合理的煅烧温度和时间是 保证产品质量的重要环节。 2.2.1脱硫石膏的DSC/TG分析(见图3) N EW BUI LDING MATERlALS ・17・ 任振兴,等:脱硫石膏煅烧工艺及纤维增强力学性能研究 按照上述两步煅烧工艺得到的建筑石膏中含有32.610% 10O 95 的无水硫酸钙和66.640%的半水硫酸钙,建筑石膏的水化分 90 2个反应进行,反应方程式如式(3)、式(4)所示: 水85 CaSO4+0.5H2o_÷CaSO4"0.5H20 (3) 80 75 CaSO4"O.5H20+1.5H2O-+CaSO4"2H20 (4) 7O 图4为建筑石膏水化过程放热曲线。 65 图3脱硫石膏的DSC/TG曲线 从图3可以看出,随着温度的升高,DSC曲线上的峰谷反 映了试样各个反应阶段的变化:A处反映脱硫石膏中游离水 大量蒸发;B处反映脱硫石膏脱去1.5个水分子生成fl-CaSO ・ O.5H20;继续升温至C点, 一CaSO4 ̄0.5H20脱去剩余的O.5个 水分子生成CaSO 。B点和C点的脱水反应为反应(1)和反应 建筑石膏水化时N/s (2): ’ 图4建筑石膏水化放热曲线 CaSO4"2H20_+CaSO4・0.5H20+1.5H2O (1) 由图4可见,第1个峰A是反应(3)的放热峰,是由于加 CaSO4"0.5H2O--+CaSO4+0.5H20 (2) 入水后,石膏的湿润和无水硫酸钙转化为半水硫酸钙的水化 观察图3曲线变化可知,在158℃温度附近脱硫石膏发 放热而产生。第2个峰B于第1个峰A在一段很小的延迟之 生脱水反应(1),175.5℃附近发生脱水反应(2)。CaSO4"2H20 后出现,是反应(4)的放热峰,它显示的是半水硫酸钙转化为 转变为CaSO4"0.5H20主要是在145~185℃完成。 二水硫酸钙的水化放热。建筑石膏的整个水化过程约4000 s, 100℃时脱硫石膏中的游离水大量蒸发,但60 100 qC已经 对水化放热曲线积分可以得到水化放热量为96.79 kJ/g。 有部分脱硫石膏开始脱去游离水生成JB—CaSO4.0.5H20,为保 2-3聚丙烯纤维对试样力学性能的影响 证脱硫石膏内部所含游离水基本去除,以满足煅烧要求,最终 在现有研究中,纤维增强石膏力学性能的研究并不少见, 确定预烘干条件为:4O qC下烘干3 h。 其中纤维大多使用玻璃纤维【・31或植物秸秆纤维 61。关于聚丙 在158℃时,脱硫石膏脱去1.5个水分子生成口一CaSO4・ 烯纤维的研究主要用来提高水泥砂浆和混凝土试样的力学和 0.5H20,采用脱硫石膏随炉同步升温158℃保温3.5 h后采取 抗裂性能[9- 21。本文主要研究了不同掺量聚丙烯纤维对石膏试 炉体同步降至室温,获得建筑石膏。为使建筑石膏晶体生长完 样力学性能的影响。 全,采取密封陈化7d处理。 ・ 不同掺量聚丙烯纤维试样的强度见图5。 综上所述,煅烧工艺为:40℃下烘干3 h,随炉同步升温 至158 oC下煅烧3.5 h,之后采取炉体同步降至室温,最后密 封陈化7 d处理。此两步煅烧工艺比直接长时间煅烧更节能, 而且能获得更规则的晶体。 2.2.2建筑石膏的相组成分析 目前我国尚无石膏相分析方法标准,实验采用北京市建 筑材料科学研究院研发的激发水化法对煅烧产生的建筑石膏 进行了相组成分析。结果如表2所示。 ’ 表2建筑石膏的相组成 % ’ 图5聚丙烯纤维掺量对试样强度的影响 由图5可知,建筑石膏的抗压和抗折强度均随着聚丙烯 纤维掺量的增加呈现先提高后降低的趋势。当聚丙烯纤维掺量 由表2可知,采用两步煅烧工艺制备的建筑石膏中半水 为0.08%时,建筑石膏的抗压和抗折强度达到最大,分别为6.2 硫酸钙含量不低于60%,符合GB/T 9776--2008标准要求。 MPa和4.62 MPa,符合GB厂II 9776r-_2008规定的3级建筑石膏 2.2_3建筑石膏水化放热分析 的强度标准(2h抗压强度I>6.0MPa,2h抗折强度>13.0MPa)。 ・18・ 新型建筑材料 2013.7 任振兴,等:脱硫石膏煅烧工艺及纤维增强力学性能研究 Cement and Concrete Research,2004,34(1 1):2l19-2125. 3结语 [5】Tydlitdt V,Tesrrek P,Cern ̄R.Effects of the type of calorimeter (1)脱硫石膏的化学成分和矿物组成与天然石膏基本相 and the use of plastieizers and hydrophobizers on the measured 似,在粒径方面明显优于天然石膏,是天然石膏的最佳替代品 hydration heat development of FGD gypsumO].Journal of Ther- 之一。 mal Analysis and Calorimetry,2008,91(3):791-796. (2)脱硫石膏煅烧条件为:在40 qC下烘干3 h,然后升温 [6]姜伟,范立瑛,王志.煅烧温度对脱硫石膏性能影响[J】_山东建材, 至158℃下煅烧3-5 h,降至室温后密封陈化7 d。得到的建筑石 2008(2):46—50. 膏中 一CaS04 ̄O.5H20的含量为66.640%,符合GB/T 9776— [7]谢建海,亢虎宁.不同煅烧条件下脱硫石膏的性能研究[J】_粉煤 2008标准要求。建筑石膏水化放热分析表明:煅烧后的建筑 灰,2012(5):13—14. 石膏中含有一定量的无水硫酸钙,石膏水化放热主要是无水 【8]Zhao F q,Liu H j,Hao L X,et o1.Water resistant block from 硫酸钙水化生成半水硫酸钙,半水硫酸钙继续水化生成二水 desulfurization gypsum[J].Construction and Building Materials, 硫酸钙。 2012,27(1):531—533. (3)适量聚丙烯纤维的掺加能显著提高建筑石膏的力学 [9]Kakooei S,Akil H M,Jamshidi M,et .The effects of polpyro- 性能,当聚丙烯纤维掺量为0.08%时,建筑石膏的抗压强度和 pylene fibers on the properties of reinforced concrete structures 抗折强度达到最大,分别为6.2 MPa和4.62 MPa,达到GB厂I’ [ Construction and Building Materilas,2012,27(1):73-77. 9776--2008规定的3级建筑石膏的强度标准。 【10】康秋波,方永浩,邓红芬.玄武岩/聚丙烯纤维水泥砂浆的力学性 能与抗裂性[J1.材料导报,201 1(12):122—126. 参考文献: [11]张鹏,李清富.聚丙烯纤维水泥稳定碎石干缩特性试验研究[J]. [1l Kalinski M E,Hippley B T.The effect of water content and ce— 公路,2008(6):159—163. ment content on the strength of portland cement—stabilized [12]杨晓杰,王培铭,刘丽芳.复掺羟乙基甲基纤维素和聚丙烯纤维 compacted fly ash[J].Fuel,2005,84(14):1812-1819. 对水泥砂浆塑性收缩开裂性能的影响[J1.新型建筑材料,2009 [21 Tesarek P,Drchalova J,Kollsko J,et a1.Flue gas desulfufization (3):1-3. gypsum:Study of basic mechanical,hydfic and thermal proper一 [13】展琳琳,李国忠.玻璃纤维表面处理对石膏复合材料性能的影 ‘ties[J].Construction and Building Materilas,2007,21(7):1500— 响[J].建筑砌块与砌块建筑,2010(2):52—53. 1509. [14]吴其胜,黎水平,刘学军,等.农作物秸秆纤维增强脱硫石膏墙 [31 Ozkul M H.Utilization of eitro-and desulphogypsum as set re— 体材料的制备与研究[J】.新型建筑材料,2012(1):32—35. tarders in Portland cement【JJ_Cement and Concrete Research, [15]李国忠,高子栋.改性秸秆纤维增强石膏基复合材料性能[J】.建 2000,30(1 1):1755—1758. 筑材料学报,2011(3):413-417. 【4]Tzouvalas G,Rantis G,Tsimas S.Alternative calcium sulfate 【16】王裕银,李国忠,柏玉婷.玉米秸秆纤维,脱硫石膏复合材料的性 bearing materials as cement retarders:PartⅡ.FGD gypsum们. 能[J】.复合材料学报,2010(6):94—99. A (上接第7页) (二)围绕“一条主线”,实施“六位一体”的工作格局 化生产和管理,进一步提升科学生产与管理水平 (三)创新提升‘三新”工作,促进产业转型升级 3、推动信息技术与生产性服务业融合,促进产业链流程 (四)加快行业兼并重组步伐,提高产业集中度 再造,创新企业商业模式,提高行业运行质量和效益 (五)举全行业之力加速推进节能减排,加强生态文明建 4、推进企业管理信息系统的综合集成,加快建立企业现 设,促进行业文明与清洁生产 代经营管理体系,提高现代化经营管理水平 (六)充分发挥行业协会的“引领、协调、服务”作用,争取 5、建立行业信息资源开发和公共服务平台 政府相关政策的支持 A 五、战略举措 (一)转变发展观念,推动“创新提升、超越引领’’战略实施 NEW BUl LDING MATERIALS ・l9・ 

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