磷石膏在建材行業(yè)的綜合利用探討

王金龍，文玉

（云南省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司 云南昆明 650221）

1 磷石膏的來源及成分

普通過磷酸鈣生產(chǎn)過程中，除生成磷肥和磷酸外，還會(huì)形成副產(chǎn)物——磷石膏。每生產(chǎn)1t的磷酸，產(chǎn)生5.0t左右磷石膏。

磷石膏的主要成分為 CaSO4.2H2O、Fe2O3、Al2O3、MgO、P2O5和F等，同時(shí)還含有少量的鉀、鈉等元素，一般呈酸性。部分地區(qū)的磷石膏還含有少量的SiO2、重金屬及放射性元素。

2 磷石膏的產(chǎn)量和利用現(xiàn)狀

全國(guó)除北京、天津、上海、吉林、黑龍江、海南、西藏等省區(qū)市外，其余省份均有磷石膏產(chǎn)出，磷石膏排放企業(yè)主要集中分布在云南、貴州、湖北、四川等產(chǎn)磷省份。目前，我國(guó)磷石膏的累計(jì)堆存量已達(dá)3億t以上。2019年我國(guó)磷石膏產(chǎn)生量為7600萬t。2010~2019年我國(guó)磷石膏的產(chǎn)量見圖1。

圖1 2010～2019年我國(guó)磷石膏的產(chǎn)量

2019年，我國(guó)磷石膏綜合利用量達(dá)到2770萬t，同比增長(zhǎng)4.5%，當(dāng)年綜合利用率36.45%，同比提高了3%，但遠(yuǎn)沒有達(dá)到國(guó)家工信部提出的“十三五”末達(dá)到50%的要求。2010~2019年我國(guó)磷石膏的利用量及利用率見圖2。

圖2 2010～2019年我國(guó)磷石膏的利用量及利用率

3 磷石膏的產(chǎn)生和利用存在的主要問題

3.1 磷石膏產(chǎn)生的資源消耗

按磷礦中P2O5含量28%計(jì)算，每生產(chǎn)1t濕法磷酸，需要2.8~3.3t磷礦石，2.2~2.7t硫酸。由于我國(guó)是缺硫的國(guó)家，每年要進(jìn)口大量硫磺制造硫酸，用于磷肥和磷酸生產(chǎn)。

磷石膏堆存需占用大量土地，造成了大量的土地資源浪費(fèi)。

3.2 磷石膏堆存對(duì)環(huán)境的污染

磷石膏的主要雜質(zhì)是氟化物和五氧化二磷，并且呈較強(qiáng)的酸性。磷石膏的PH值平均為1.9；氟化物含量平均為2.04%；總五氧化二磷平均為17.1%；可溶性五氧化二磷平均為5.7%。因此磷石膏的堆存場(chǎng)地產(chǎn)生的磷溶水對(duì)環(huán)境的危害很大。

3.3 磷石膏尚未獲得大規(guī)模利用

磷石膏中二水硫酸鈣的含量一般在70%以上，其雜質(zhì)分為可溶性和不溶性兩大類?？扇苄噪s質(zhì)主要有可溶磷、可溶性氟、Cl-及堿金屬鹽等，不溶性雜質(zhì)主要是硅砂和少量的有機(jī)物等。這些雜質(zhì)對(duì)磷石膏的性能有很大的影響，是制約磷石膏再利用的主要因素。

4 磷石膏的主要利用途經(jīng)

磷石膏雖然利用起來很難，但對(duì)環(huán)境的污染不可忽視，所以磷石膏的綜合利用勢(shì)在必行，然其利用途徑有限，在我國(guó)國(guó)內(nèi)主要用于建材行業(yè)、土壤改良、硫銨化工等方面。

5 磷石膏在建材行業(yè)的綜合利用

當(dāng)前，磷石膏在建材行業(yè)的綜合利用已取得了很大發(fā)展，主要是用作磷石膏砂漿、磷石膏水泥緩凝劑、磷石膏膩?zhàn)?、磷石膏砌塊等。

5.1 磷石膏砂漿

砂漿主要分為砌筑砂漿、自流平砂漿、嵌縫砂漿及抹灰砂漿，傳統(tǒng)的砂漿采用水泥和價(jià)格低廉的天然河砂作為主要原料，然而對(duì)自然環(huán)境的破壞極大。近年來，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度加大，多地已出臺(tái)“禁砂令”，使得機(jī)制砂得以發(fā)展，然而，機(jī)制砂的生產(chǎn)成本高，且對(duì)自然環(huán)境的破壞也不小。因而，磷石膏作為制作砂漿的主要原料成為了可能。

與水泥砂漿對(duì)比，磷石膏砂漿在粘結(jié)強(qiáng)度、線性收縮率、絕熱防火、重量、施工難度等方面均優(yōu)于水泥砂漿，其對(duì)比見表1。

表1 磷石膏砂漿與水泥砂漿對(duì)比表

同時(shí)，水泥砂漿的施工厚度不能小于25mm，否則極易產(chǎn)生空鼓和開裂等問題，而采用磷石膏砂漿可有效避免此問題。

全國(guó)2019年施工房屋面積89.38億m2，需用砂漿19306萬t，若按市場(chǎng)占比10%進(jìn)行計(jì)算，磷石膏砂漿用量可達(dá)1930萬t，每年可綜合利用磷石膏1500萬t，其市場(chǎng)前景非常廣闊。

5.2 磷石膏水泥緩凝劑

水泥是建筑行業(yè)最大綜的建筑材料，全國(guó)2019年施工房屋面積89.38億m2，需用水泥混凝土35.75億m3，其中水泥用量為12.51億t，需用石膏6256萬t，按磷石膏占比30%進(jìn)行計(jì)算，為1877萬t。目前用于水泥緩凝劑的磷石膏占比較?。ā?0%），主要是因?yàn)榱资嗟奶匦?，在水泥生產(chǎn)過程中當(dāng)磷石膏水泥緩凝劑進(jìn)入磨頭倉(cāng)，在下料的過程中可能會(huì)造成結(jié)倉(cāng)、結(jié)壁和發(fā)生下料堵塞等現(xiàn)象。若直接用于水泥生產(chǎn)會(huì)造成物料輸送不暢、混合不勻，影響水泥正常生產(chǎn)等問題的出現(xiàn)，同時(shí)，磷石膏中的雜質(zhì)對(duì)其作為水泥緩凝劑的性能影響較大，但通過改性等無害化處理后可轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)質(zhì)的改性磷石膏水泥緩凝劑。其有一定的市場(chǎng)份額，但改性磷石膏水泥緩凝劑由于受到于然石膏水泥緩凝劑和脫硫石膏的影響水泥緩凝劑的影響。

5.3 磷石膏膩?zhàn)?/h3>

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，石膏膩?zhàn)拥拈_放工作時(shí)間為50~90min，初凝時(shí)間應(yīng)達(dá)到90~130min，磷石膏的初凝時(shí)間一般在5~10min，需要進(jìn)行大幅度的緩凝，檸檬酸、磷酸鹽、骨膠等三類緩凝劑對(duì)磷石膏的緩凝效果顯著。

檸檬酸作為磷石膏膩?zhàn)拥木從齽┦亲詈线m的，磷石膏漿體的凝結(jié)時(shí)間隨著摻量的增加平緩延長(zhǎng)，在不超過0.1%的摻量，就可以有很好的緩凝效果。當(dāng)摻量超過0.1%時(shí)，對(duì)石膏硬化體強(qiáng)度影響加劇，應(yīng)控制檸檬酸的摻量。同時(shí)引入骨膠，骨膠對(duì)石膏硬化體強(qiáng)度影響很小。在施工過程中，膩?zhàn)颖訉?duì)保水要求很高，應(yīng)增加0.35%的纖維素醚改善其保水性。

全國(guó)2019年施工房屋面積89.38億m2，按每平方的建筑需要膩?zhàn)?.5kg計(jì)算，共需膩?zhàn)臃?810萬t，若按15%的市場(chǎng)份額，每年可綜合利用磷石膏870萬t。市場(chǎng)前景較好。

5.4 磷石膏砌塊

普通的磷石膏砌塊由于自由水占據(jù)了磷石膏砌塊內(nèi)大量的空間，造成了雖然密度小，但硬度小、強(qiáng)度低、搬運(yùn)過程中易破碎、市場(chǎng)認(rèn)同率低等缺陷，制約了磷石膏砌塊的發(fā)展。近幾年，經(jīng)過行業(yè)內(nèi)科研人員的努力，終于解決了以上問題，發(fā)展了幾種磷石膏砌塊的生產(chǎn)工藝。目前，磷石膏砌塊的生產(chǎn)工藝主要有半干法石膏和干法石膏。干法磷石膏砌塊生產(chǎn)時(shí)主要是依靠磷石膏含有的水份進(jìn)行自蒸養(yǎng)，無需加入蒸氣和水。某磷石膏澆注法與干法生產(chǎn)測(cè)試對(duì)比見表2。

表2 磷石膏澆注法與干法生產(chǎn)測(cè)試對(duì)比表

可以看出，干法生產(chǎn)磷石膏砌塊的性能完全優(yōu)于澆注法，同時(shí)，也滿足規(guī)范要求。

干法生產(chǎn)磷石膏砌塊具有以下優(yōu)勢(shì)：工藝簡(jiǎn)單、原料（磷石膏）來源廣泛、原料成本低、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高、熱利用率高、質(zhì)量易控制、產(chǎn)品品種多、市場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、環(huán)保性能好、無工業(yè)廢渣排放。

半干法生產(chǎn)磷石膏砌塊時(shí)水膏比0.3，去除水化結(jié)晶0.185，水化熱排水0.02，成型后多余水0.0145，小于規(guī)范規(guī)定的≤0.08。磷石膏澆注法與干法生產(chǎn)測(cè)試對(duì)比見表3。

表3 磷石膏澆注法與干法生產(chǎn)測(cè)試對(duì)比表

半干法生產(chǎn)磷石膏砌塊表現(xiàn)了其很多優(yōu)點(diǎn)：水膏比低、砌塊成型干燥速度快、生產(chǎn)效率高、砌塊的各項(xiàng)指標(biāo)均高于澆注法、無生產(chǎn)廢料、環(huán)保無粉塵、工藝流程簡(jiǎn)單、力學(xué)性能好、砌塊握裹力強(qiáng)。

綜上來看，磷石膏在石膏砌塊中的應(yīng)用越來越廣泛，市場(chǎng)前景廣闊，磷石膏處置路徑較好。

磷石膏除用在以上4個(gè)方面之外，在公路建設(shè)中，也可以作為路基填料，還可以制作石膏板、裝配式建筑材料等，但因市場(chǎng)認(rèn)可度低，應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)其性能，得到市場(chǎng)的認(rèn)可。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）目前，我國(guó)磷石膏堆積量越來越多，大量的磷石膏堆積占用了大量的土地，同時(shí)還易造成環(huán)境污染，因此，對(duì)磷石膏的綜合利用是迫在眉睫。

（2）磷石膏在建材行業(yè)的綜合利用目前途徑較廣，但整體還處于初級(jí)階段，各種利用附加值低，還需進(jìn)一步開發(fā)高附加值利用的途徑。為工業(yè)廢渣利用和環(huán)境保護(hù)作出更大的貢獻(xiàn)。