脫硫石膏代替天然石膏在水泥生產中的應用

陳庭，孫濤，臧軍

（江蘇名和集團有限公司，江蘇 鎮江 212028）

石膏在水泥中起到了調節凝結時間、改善漿體流變性能、控制硬化漿體體積收縮等重要作用，是水泥生產中不可或缺的重要功能組分。長期以來，我國在水泥工業中大量使用的石膏為天然石膏，隨著對天然石膏的大規模應用，我國高品位的天然石膏資源日益匱乏，為了實現水泥工業的持續健康發展，必須尋找天然石膏的替代產品[1]。

我國現在每年排放的脫硫石膏在 50 萬噸以上，大多露天棄置，不僅占據大量的土地，而且對環境造成了二次污染，浪費了大量優質資源。大量的實驗證明：脫硫石膏與天然石膏具有相同的水化動力學和凝結特征，其硫酸根的溶出速率與天然石膏的溶出速率相近，可以達到與天然石膏對水泥凝結時間的調節效果；脫硫石膏無放射性，不會對環境造成污染；脫硫石膏與天然石膏相比，價格低廉，具有明顯的市場競爭優勢[2,3]。

因此，將大量的脫硫石膏應用于水泥工業中，不僅可以有效緩解由于天然石膏短缺對水泥工業造成的影響，而且能夠降低水泥的綜合生產成本，屬于對脫硫石膏的高附加值利用。

本文將從天然石膏與脫硫石膏在水泥中的性能比較、脫硫石膏在應用過程中存在的問題及對策和經濟效益比較等角度展開論述。

1 天然石膏與脫硫石膏的比較

天然石膏屬于非可再生資源，各行業尤其是建材行業對石膏的需求量較大，同時石膏資源分布具有地域不平衡性，對石膏的需求量較大的東部沿海發達地區，其天然石膏產量尤其是高品位的天然石膏資源嚴重不足，已經制約了包括水泥行業在內的整個建材行業的健康發展。

與此同時，隨著國家對環境保護力度的加大，火力電廠的工業副產脫硫石膏的產量也日益增加。脫硫石膏（FGD 石膏）和天然石膏一樣，其主要成分也是 CaSO4·2H2O，含量通常在 90% 以上，硫酸根的溶出速率與天然石膏相近，理論上可以用作生產水泥的凝結時間調節組分。脫硫石膏與天然石膏的化學成分比較見表 1。

表1 脫硫石膏與天然石膏的化學成分比較 %

由表 1 的化學成分比較可以看出，脫硫石膏與天然石膏的主要化學成分接近，尤其是 SO3等關鍵指標優于天然石膏，這是脫硫石膏代替天然石膏作為水泥緩凝劑的基礎。

采用天然石膏與脫硫石膏分別生產普通硅酸鹽水泥，生產配比及各項性能檢驗數據見表 2 和表 3。

表2 天然石膏與脫硫石膏水泥配比及性能檢驗結果

表3 天然石膏與脫硫石膏對水泥流變性能的影響

分別采用上述四種水泥進行混凝土試配，配合比及相應的實驗結果見表 4 和表 5。

表4 混凝土配合比 kg/m3

表5 不同水泥配制混凝土的性能檢驗結果

從表 2～5 的實驗結果分析可知：采用脫硫石膏代替天然石膏生產水泥，水泥的凝結時間略有延長，對水泥的流動性能和強度等物理指標沒有不良影響；對混凝土的用水量以及與外加劑的適應性方面沒有負面影響，初始坍落度與1h坍落度損失和天然石膏相比，沒有明顯變化，對混凝土各齡期強度均未產生影響。因此，在生產水泥時摻加 4% 左右的脫硫石膏代替天然石膏是完全可行的。

2 脫硫石膏在使用過程中存在的問題及對策

脫硫石膏作為調凝劑在水泥中使用，有效緩解了天然石膏不足對水泥工業造成的影響，但由于脫硫石膏顆粒較細、含水率較高、物料的粘性比較大，在下料過程中容易出現堵料現象，導致配料不準而造成水泥質量的波動。

為了克服脫硫石膏粘性較大、容易堵料的問題，通過對現有的下料設備進行改造處理，在下料倉中部增加螺旋轉動裝置，根據脫硫石膏的下料情況，適時啟動電機開關，通過電機減速器帶動傳動軸轉動，由轉向齒輪將動力傳遞至螺旋轉動棒，轉動棒的旋轉運動使下料口的物料產生擠壓，保證物料能夠正常下卸，防止堵料情況的發生。脫硫石膏下料倉改造裝置原理示意圖如圖 1 所示。

圖1 脫硫石膏下料倉改造裝置示意圖

本裝置料倉采用的材料為超分子量聚乙烯增滑板，可以避免脫硫石膏物料在料倉的邊壁產生吸附粘連；物料進入進料口之后，經過鋼筋篩網的過濾后，避免結成塊狀的物料進入料倉而產生堵塞；當脫硫石膏下料不暢時，皮帶秤的電流會發生異常，此時螺旋裝置自動開啟，向下擠壓堵在下料口的物料，確保脫硫石膏能夠連續均勻下料，另外還可以通過中控室的視頻監控脫硫石膏的下料情況，發生堵料時手動開啟螺旋裝置，防止物料堵塞下料口。

通過對料倉進行的上述改造，可以有效避免脫硫石膏粘結堵料或下料不暢的問題，確保了水泥質量的穩定。

3 經濟效益分析

目前天然石膏的價格約為 140 元/噸，而現在的脫硫石膏由于在應用技術上存在障礙，其價格明顯低于天然石膏，鎮江地區的價格約為 60～70 元/噸，石灰石價格約為 60 元/噸。

由于我們已經對現有設備進行了改造處理，克服了脫硫石膏粘性較大導致下料不暢的技術難題，公司引入脫硫石膏代替天然石膏生產水泥，可以在保證水泥各項性能的基礎上，有效降低水泥的生產成本。

以每噸水泥摻天然石膏 6% 計算，天然石膏價格以 140元/噸計算，則使用天然石膏的水泥噸成本為：

若使用脫硫石膏，由于其 SO3含量高于天然石膏，則摻量低于天然石膏，生產水泥時，采用 4% 的脫硫石膏和 2% 的石灰石代替天然石膏，脫硫石膏成本以70元/噸、石灰石以 60元/噸計算，則生產水泥的噸成本為：

使用脫硫石膏與石灰石代替天然石膏生產水泥時，每噸水泥可以節約成本為：

[1]成先紅，張梅．脫硫石膏在我國推廣應用的技術和市場前景分析[J]．礦冶，1999, 8(4): 69-72．

[2]王娟，張慧明．中國電力工業煙氣脫硫的現狀及發展趨勢[J]．環境污染治理技術與設備，2004, 5(6): 12-16．

[3]范立瑛，王志．硫酸鈉對脫硫石膏基鋼渣復合材料性能的影響[J]．綠色建筑，2010,(3): 57-59．