郭帝，蒙海寧，敖林，張帥，許彥明

（鎮(zhèn)江建科建設科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

1 研究背景及意義

電力能源目前為我國的產業(yè)發(fā)展和國民經濟建設提供源源不斷的動力。電力能源消費情況在一定程度上反映了一個國家經濟發(fā)展的程度和水平，受我國燃料能源分布特點、能源設備水平等制約，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電仍然占據主導地位。而煤炭在火力發(fā)電的過程中排放大量的硫氧化物和氮氧化物等有害氣體，二氧化硫的大量排放造成了酸雨和霧霾等惡劣環(huán)境污染，煙氣脫硫制備半水石膏技術的應用既解決了環(huán)境污染的問題同時又給石膏產業(yè)發(fā)展提供了另一個節(jié)能環(huán)保的發(fā)展方向。

脫硫石膏又稱煙氣脫硫石膏、硫石膏、或 FGD 石膏（Flue Gas Desulfurization Gypsum），是對含硫燃料（煤、油等）燃燒后產生的煙氣進行脫硫凈化處理得到的工業(yè)副產石膏。其主要成份為二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O)。

經過全世界眾多學者的研究發(fā)現(xiàn)脫硫石膏的二水硫酸鈣相對天然石膏含量更高，因此，對脫硫石膏的制備技術進行研究意義重大。

本文旨在探索合適的脫硫石膏煅燒制度，并且通過單因素分析法來最終確定煅燒制度。以期將此煅燒制度應用到脫硫石膏產品的生產應用之中。

2 研究路線

根據研究內容，制定了脫硫石膏的研究路線：

3 脫硫石膏的特性及煅燒工藝研究

3.1 副產石膏和天然石膏（CaSO4·2H2O）的對比分析

3.1.1 化學成分分析

通過 X 射線熒光光譜分析（X Ray Fluorescence），將低溫烘干預處理后（45℃ 烘干，恒重，過0.2mm 方孔篩）脫硫石膏與天然二水石膏進行化學組分分析，結果如表 1 所示。由表 1 可以看出，脫硫石膏的化學組分與天然二水石膏相近，且硫酸鈣有效含量更高。

3.1.2 晶型分析

通過 X 射線衍射分析（X-Ray Diffraction）方法，將預處理后脫硫石膏與天然石膏進行晶體結構分析，結果如圖 1。

圖1 預處理后脫硫石膏與天然石膏晶體結構分析

由圖 1（b）可以看出，與（a）相比，脫硫石膏的主要成分也為 CaSO4·2H2O，且硫酸鈣的三強峰峰強更高，這說明脫硫石膏雜質含量更低，這也與 XRF 測試結果相吻合。

表1 脫硫石膏與天然石膏化學組分對比 %

圖2 天然石膏與脫硫石膏的 FE-SEM 圖譜

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）方法，將天然石膏與預處理后脫硫石膏進行微觀形貌表征，結果如圖 2 所示?？梢钥闯觯烊皇嗟木Я３叽缫蟠蠹氂诿摿蚴?，團聚現(xiàn)象較為嚴重，且天然石膏的晶粒主要呈現(xiàn)為不規(guī)則形狀，其中夾雜著長條柱狀。脫硫石膏晶粒分布較為均勻，無明顯的團聚現(xiàn)象，呈現(xiàn)多邊形板狀。

3.1.3 粒度分析

石膏的粒度分析見圖 1，粒度分布數據見表 2。

圖3 天然石膏與脫硫石膏的粒度分布圖

表2 天然石膏與脫硫石膏的粒度分布數據 μm

由圖3和表 2 可得，脫硫石膏和天然石膏相比粒度大小相似，粒徑更小。

3.2 副產脫硫石膏煅燒工藝的研究

3.2.1 副產石膏的熱分析

將預處理后的脫硫石膏進行熱性能分析，由圖 4 可見，脫硫石膏在 149.69℃ 處出現(xiàn)了吸熱峰，說明脫硫石膏此時發(fā)生了脫水反應，具體反應為：

圖4 脫硫石膏的 TG-DSC 圖

3.2.2 最佳煅燒溫度的確定

以 149.69℃ 為最佳脫水溫度，分別設定 120、130、140、150、160、170、180、190、200℃ 作為煅燒溫度，煅燒時間統(tǒng)一設定為 2 小時，陳化時間統(tǒng)一設定為 7d，陳化環(huán)境參考 GB/T 17669.1—1999《建筑石膏 一般試驗條件》中標準試驗的試驗條件：溫度在(20±2)℃，濕度在 (65±5)%。分別測試這九組的三相、標準稠度需水量、2h 強度、凝結時間等性能指標（見表 3），同時，結合 XRD（圖 5）分析，從而確定其最佳的煅燒溫度。

表3 不同煅燒溫度下樣品的性能指標

由表 3 可知，隨著煅燒溫度的增加，二水相向半水相轉變的程度越來越高，到 180℃ 的時候，二水相達到最高值 88.39%，此后，隨著煅燒溫度的增加，半水相和二水相趨于穩(wěn)定。

圖5 不同溫度煅燒后脫硫石膏的 XRD 圖譜

在 180℃、190℃ 及 200℃ 時，在未陳化的情況下，存在半水石膏受熱轉化為 α-Ⅲ-CaSO4的可能性，但是 Ⅲ 型無水石膏極易受潮吸水重新變成半水石膏。由于半水石膏和 Ⅲ 型無水石膏的三強峰重疊，僅通過XRD 很難判斷，而且 Ⅲ 型無水石膏吸水變成半水石膏的反應過程較快，本節(jié)試驗中均以 7d 陳化時間作為基本反應條件，因此本文不做詳細研究討論。

圖6 為 120℃ 和 180℃ 煅燒后脫硫石膏斷面的SEM，從圖（a）中可以看出 120℃ 煅燒后的脫硫石膏的晶粒發(fā)育不完全，晶粒之間間隙較大且搭接點較少；從圖（b）中可以看出 180℃ 煅燒后的脫硫石膏晶粒尺寸細長較大，相較于 120℃ 煅燒的樣品，其晶粒發(fā)育完整，晶粒排布呈現(xiàn)針柱狀搭接且致密。

在煅燒溫度較低的情況下，大量的硫酸鈣分子仍以CaSO4·2H2O 形式存在，當石膏發(fā)生水化的時候，只有部分 CaSO4·1/2H2O 消耗自由水分子，剩余大量的自由水未參與水化反應，最終以水蒸氣的形式離開整個反應體系，原水分子占據的晶格位置空出，微觀上表現(xiàn)為晶粒間隙較大且多，宏觀上表現(xiàn)為強度較低。

3.2.3 最佳煅燒時間的確定

以 180℃ 為最佳煅燒溫度，分別設定 1、1.5、2、2.5、3、3.5h 作為煅燒時間，陳化時間設定為 7d，分別測試這五組的三相分析、標準稠度需水量、2h 強度、凝結時間等性能指標（見表 4），從而確定其最佳的煅燒時間。根據表 4 可知，煅燒溫度在 3h 時脫硫石膏的二水相含量最高，抗折抗壓和凝結時間都可達到施工要求，因此選擇 3h 為最佳煅燒時間。

圖6 不同溫度煅燒后脫硫石膏的 FE-SEM 圖

表4 180℃ 不同煅燒時間下樣品的性能指標

3.2.4 最佳陳化時間的確定

以 180℃、3h 為最佳煅燒工藝，設定 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10d 作為陳化時間，分別測試這五組的三相分析、標準稠度用水量、2h 強度、凝結時間等性能指標（見表 5），從而確定其最佳的陳化時間。

表5 180℃，3h 不同陳化時間下樣品的性能指標

通過表 5 可以看出，溫度設定為室溫25℃，分別測定 1d 至 13d 陳化時間內，脫硫石膏樣品的三相分析、標準稠度需水量、2h 強度、凝結時間等性能指標，成化時間為第 10 天時綜合抗折抗壓強度相對最高且第 10天后抗壓抗折強度趨于穩(wěn)定。

4 總結

經過本文研究試驗發(fā)現(xiàn)：

（1）脫硫石膏隨著煅燒溫度的增加，二水相向半水相轉變的程度越來越高，到 180℃ 的時候，二水相達到最高值 88.39%，此后，隨著煅燒溫度的增加，半水相和二水相趨于穩(wěn)定，因此確定最佳煅燒溫度為180℃。

（2）煅燒溫度在 3h 時脫硫石膏的二水相含量最高，抗折抗壓和凝結時間都可達到建筑石膏施工要求，因此選擇 3h 為最佳煅燒時間。

（3）溫度設定為室溫 25℃，分別測定 1d 至 13d陳化時間內，脫硫石膏樣品的三相分析、標準稠度用水量、2h 強度、凝結時間等性能指標，成化時間為第 10天時綜合抗折抗壓強度相對最高且第 10 天后抗壓抗折強度趨于穩(wěn)定。從而確定最佳陳化時間為 10 天。

綜上所述，工廠在實際生產中，可以參考本文試驗所得相關數據加快脫硫石膏的生產。