9955
.pdf1
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. П. Сучков
ГИПСОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям для обучающихся по дисциплине
«Ресурсосберегающие технологии строительных материалов» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль «Производство и применение строительных материалов,
изделий и конструкций»
Нижний Новгород
2022
2
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»
В. П. Сучков
ГИПСОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕХАНОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИЕЙ ПРИРОДНОГО И ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ
Учебно-методическое пособие по подготовке к лекциям для обучающихся по дисциплине
«Ресурсосберегающие технологии строительных материалов» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство,
профиль «Производство и применение строительных материалов,
изделий и конструкций»
Нижний Новгород ННГАСУ
2022
3
УДК 666.914.4 (075.8)
Сучков В. П./ Гипсовые строительные материалы и изделия, полученные механохимической активацией природного и техногенного сырья : учеб.-метод.
пос. / В.П.Сучков; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т – Н. Новгород:
ННГАСУ, 2022.− 143 с. : ил. – Текст : электронный.
Впособии приводятся рекомендации по изучению курса
«Ресурсосберегающие технологии строительных материалов».
Пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций.
©В.П.Сучков, 2022 © ННГАСУ, 2022
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1 Введение …………………………………………………………………………………………………5
2 |
|
ГИПСОСОДЕРЖАЩИЕ ОТХОДЫ. НАПРАВЛЕНИЯ |
|
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ................................................................................................... |
7 |
||
|
2.1 |
Фосфогипс и фосфополугидрат................................................................ |
7 |
|
2.2 |
Области использования фосфогипса и фосфополугидрата................. |
10 |
2.2.1 Производство гипсовых вяжущих веществ из фосфополугидрата....... |
11 |
||
2.2.2 |
Производство портландцемента ................................................................ |
13 |
|
|
2.3 |
Активация ФПГ и ФГ .............................................................................. |
17 |
2.3.1 |
Механическая активация ............................................................................ |
19 |
2.3.2Применение химических добавок в производстве гипсовых изделий
(химическая активация) ................................................................................... |
21 |
||
2.3.3 |
Комбинированные способы активации..................................................... |
22 |
|
3 |
|
ФОСФОПОЛУГИДРАТ ВОЛХОВСКОГО АЛЮМИНИЕВОГО |
|
ЗАВОДА (ВАЗ)......................................................................................................... |
24 |
||
|
3.1 |
Химический, фазовый, зерновой составы и технические свойства |
|
|
|
фосфополугидрата ................................................................................... |
24 |
|
3.2 |
Химическая активация фосфополугидрата ........................................... |
38 |
|
3.3 |
Механическая активация фосфополугидрата ....................................... |
44 |
|
3.4 |
Способы переработки фосфополугидрата............................................. |
55 |
3.4.1 |
Гранулирование фосфополугидрата. ........................................................ |
55 |
|
3.4.2 Производство гранул методом пластического формования................... |
66 |
3.4.3Влияние окускованного фосфополугидрата на свойства
портландцемента .............................................................................................. |
70 |
|
3.4.3.1 Определение ложного схватывания портландцемента ........................... |
71 |
|
3.4.3.2 |
Влияние гранулированного фосфополугидрата на технические свойства |
|
портландцемента .............................................................................................. |
72 |
|
3.4.3.3 |
Влияние пропаривания на свойства портландцемента ........................... |
76 |
|
4 |
|
3.4.3.4 |
Размалываемость клинкера портландцемента в присутствии |
|
гранулированного фосфополугидрата ........................................................... |
77 |
|
3.4.3.5 Влияние времени хранения на свойства портландцемента .................... |
79 |
|
3.5 Технологическая схема получения искусственного камня на основе |
||
|
фосфополугидрата ................................................................................... |
80 |
4 |
ФОСФОПОЛУГИДРАТ ОАО «ВОСКРЕСЕНСКИЕ |
|
МИНУДОБРЕНИЯ»................................................................................................. |
83 |
|
5 |
ФОСФОГИПС ПО «ФОСФОРИТ» (г. КИНГИСЕПП)........................ |
86 |
6 |
ОТХОД, ОБРАЗУЮЩИЙСЯ ПРИ ОЧИСТКЕ ВОДЫ НА ТЭЦ...... |
105 |
7 |
МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ |
|
ВЫСОКОПРОЧНОГО ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО......................................... |
118 |
|
ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................................ |
143 |
5
1 ВВЕДЕНИЕ
Проектом долгосрочной стратегии развития производства строительных материалов, изделий и конструкций на период до 2020 г. предусматривается создание новых энергоресурсосберегающих, экономически эффективных и экологически безопасных производств, более эффективного использования природного сырья, рост доли использования вторичных ресурсов. При этом предусмотрено увеличение объема произведенной инновационной продукции к её общему объему. В настоящее время рост производства гипсовых материалов и изделий превосходит экономический рост мировых рынков.
При этом более 90% вяжущего из природного сырья производится низких марок, а при производстве высокопрочного гипса автоклавированием щебня используется не более 40% добываемого сырья. Это связано с низким процентом выхода щебня требуемых фракций (более 30-50 мм) из горной породы при дроблении и классификации.
Востребованность в высокопрочном гипсовом вяжущем за последние 5
лет возросла более чем в 2 раза. Это объясняется более высокими требованиями к вяжущему производителей сухих смесей, расширением номенклатуры гипсовых изделий в строительстве, медицине, машиностроении.
Технология производства высокопрочного гипса в жидких средах экономически не эффективна в связи с высокими затратами на сушку вяжущего.
В регионах, где отсутствует природное сырьё, его доставка, как правило,
повышает себестоимость гипсовых материалов и изделий.
В этом случае конкурентоспособными могут быть изделия, полученные переработкой гипсосодержащих отходов.
При производстве ортофосфорной кислоты и сложных минеральных удобрений на 1т основного продукта приходится до 3т отходов (фосфогипса и
6
фосфополугидрата). В настоящее время фосфогипс (ФГ) и фосфополугидрат
(ФПГ) перерабатываются лишь частично, и их запасы в накопителях Северо-
Западного региона РФ превышают 200 млн т и ежегодно увеличиваются более чем на 20 млн т. Среди проблем переработки промышленных отходов вопрос переработки фосфогипса и фосфополугидрата относится к числу важнейших и трудно решаемых. Например, в накопителе ОАО «Аммофос» находится более
80 млн т фосфогипса. В связи с тем что количество выпадающих на Северо-
Западе РФ осадков превышает количество испаряющейся воды, изолировать накопители от окружающей среды практически невозможно, и накопитель ОАО «Аммофос» является источником загрязнения бассейна р. Волги, а
накопитель ОАО «Метахим» (г. Волхов) − бассейнов р. Волхов, Ладожского озера и р. Невы, последняя − источник водоснабжения Санкт-Петербурга.
Решению проблемы способствуют объективные обстоятельства.
1.Истощение запасов природного гипсового камня и их неравномерное распределение на территории РФ. В некоторых регионах запасы природного сырья отсутствуют, а транспортирование повышает его стоимость (в частности Северо-Запад РФ и др. регионы).
2.Экологические проблемы, связанные с отчуждением земли и загрязнением почвы, рек и водоемов. Перспективным направлением в решении этой проблемы является разработка и внедрение технологических процессов,
позволяющих понизить приведенные энергозатраты на переработку ФГ, ФПГ и
природного сырья.
7
2 ГИПСОСОДЕРЖАЩИЕ ОТХОДЫ. НАПРАВЛЕНИЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
По сравнению с другими широко применяющимися в строительстве вяжущими веществами, такими, как портландцемент и известь, гипсовые вяжущие имеют преимущества:
—сравнительно невысокие затраты энергии на производство;
—высокую скорость процессов гидратации, схватывания и твердения,
которые позволяют применять высокопроизводительные технологии производства строительных изделий.
Это обусловливает широкое применение гипсовых изделий в современном строительстве.
Гипсовые вяжущие и изделия получают из природного сырья и промышленных отходов, содержащих сульфаты кальция
Месторождения природного гипса распределены неравномерно на территории РФ. На Северо-Западе, Дальнем Востоке и в других районах разведанные запасы сырья отсутствуют. Добыча шахтным способом и транспортирование сырья на большие расстояния значительно повышают его стоимость.
Гипсовый камень некоторых месторождений (Новомосковское и другие)
загрязнен примесями и является сырьем 3–4-го сорта.
2.1Фосфогипс и фосфополугидрат
Гипсовые вяжущие и изделия можно получить путем переработки промышленных отходов, содержащих сульфаты кальция. Из них наиболее перспективными являются энергогипс (REA-гипс), а также фосфогипс (ФГ) и
фосфополугидрат (ФПГ). REA-гипс на территории РФ не образуется.
8
Фосфогипс образуется при производстве ортофосфорной кислоты и сложных концентрированных удобрений, путем разложения сырья серной кислотой с последующим отделением жидкой фазы на фильтрах.
В зависимости от режима разложения сырья и фазового состава отхода различают дигидратный, полугидратный, а также комбинированные процессы
(дигидрат-полугидратный и полугидрат-дигидратный). При этом образуются отходы, состоящие преимущественно из гипса, или вяжущее, состоящее из полуводного сульфата кальция.
При дигидратном процессе разложение сырья ведут при температуре 70–
80 °С, а образующийся водный раствор ортофосфорной кислоты имеет концентрацию 25–32 % (в пересчете на P2O5). Получаемый при этом попутный продукт состоит в основном из двуводного гипса (фосфогипс), а его влажность после фильтрации составляет 15–40 %.
Разложение сырья при полугидратном процессе ведут при температуре
95–100 °С. Ортофосфорная кислота имеет концентрацию в жидкой фазе
35–50 % (по P2O5). Полугидратный процесс имеет ряд существенных преимуществ перед дигидратным.
Производительность оборудования повышается на 25–60 %.
Скорость фильтрации жидкой фазы увеличивается в 1,8–2,0 раза, что связано с образованием более крупных кристаллов полуводного гипса.
Концентрация раствора ортофосфорной кислоты повышается и достигает
35–50 % (по P2O5).
Себестоимость продукции снижается на 10–15 %.
Образующийся при полугидратном процессе попутный продукт состоит преимущественно из полуводного гипса (фосфополугидрат). За счет лучшей фильтрации влажность попутного продукта снижается до 17–30 %. При этом фосфополугидрат отличается меньшим по сравнению с фосфогипсом содержанием примесей.
В СССР полугидратный процесс впервые осуществлен в 30-х гг 20-го века.
9
В 1965 г. ЛТИ им. Ленсовета, ЛенНИИгипрохим и Винницкий
химкомбинат предложили и осуществили полугидратный способ получения ортофосфорной кислоты, который в РФ преимущественно используется в настоящее время
Недостатком полугидратого процесса является ускорение процессов
коррозии оборудования.
За рубежом были также разработаны комбинированные процессы разложения фосфатного сырья. По дигидрат-полугидратному процессу,
предложенному фирмой Прайон, первоначально образуется полуводный гипс,
который затем превращают в полугидрат с целью получения изометрических кристаллов и улучшения фильтрации. Концентрация ортофосфорной кислоты в жидкой фазе попутного продукта по сравнению с полугидратным и дигидратным процессами понижается и не превышает 0,2 % По полугидрат — дигидратномупроцессу, разработанному японскими фирмами Ниссан, Ниппон и Мицубиси, метастабильный фосфополугидрат кристаллизуется при температуре 95–100 °С, а затем при добавлении кристаллической затравки
превращается в дигидрат при температуре
40–65 °С. В России предложен полугидрат — дигидратный способ получения ортофосфорной кислоты из апатитового концентрата по технологии,
разработанной в ЛТИ им. Ленсовета. Основной целью предлагаемых комбинированных процессов является максимальное извлечение ортофосфорной кислоты. Попутный продукт, получаемый при комбинированных процессах, отличается пониженным содержанием примесей по сравнению с аналогичным показателем дигидратного и полугидратного процессов, что упрощает его переработку. В частности, понижается содержание примесей в структуре сульфата кальция. К недостаткам комбинированных процессов следует отнести получение кислоты более низкой концентрации по сравнению с полугидратным процессом и введение дополнительных технологических операций.