（机械设计及理论专业论文）用利脱硫石膏制取a半水石膏装备与工艺技术研究.pdf

at h e s i si nm e c h a i c a id e s i g na n d t h e o i 。y l i i | 1 1 1 1 i l | 1 1 i i f l l l l i | i l i m l y 18 4 16 9 8 s t u d i e so fe q u i p m e n ta n d t e c h n o l o g y o f m a k i n ga l p h ah e m i h y d r a t eg y p s u mb yu s i n g d e s u l f u r a t e dg y p s u m b yc h e ng u a n 曲u i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i nw 色n q i a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成景滁加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二此 恳。 学位论文作者签名：搿，乞娣 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名：潸屯群 签字日期： 黼叶l 夸 ， i 东北大学硕士学位论文 摘要 利用脱硫石膏制取q 半水石膏装备与工艺技术研究 摘要 本文通过对国内外脱硫石膏利用的研究，和制取q 半水石膏的相关工艺研究自主创 新研究了处于国内外前沿的新工艺方法，并根据此工艺方法，确定了整条生产线的工艺 设备，对以往所采用的工艺设备进行了改良。而且提高了原料的浆液浓度，提高了生产 量，使其能实现产业化的目的。并通过加入媒晶剂等工艺方法，提高了产品的性能参数， 拓展了产品的市场应用空间。 本文针对所建立的工艺生产流程，和相关的工艺设备，建立了中试实验的实验过程 规划，确定了实验条件参数和实验设备的使用，并都已投入了生产，同时编制了实验方 案，对实验做了可行性分析报告。并根据大量资料调研，确定了实验所要实现的目标。 在经过借鉴以往专家所曾经做过的相关实验，所得出的相关实验数据，并通过正交 实验分析，得出了最优的实验数据参数和实验方案，综合以往的资料和正交分析结果， 压力是最重要的影响因素，其次要有足够的反应时间，研究表明：最佳的工艺数据参数 为：反应压力为o 6 m p a ，浆液停留时间为1 2 0 m i n ，温度为1 5 0 。 由于实验进度的安排，本文采用b p 人工神经网络，包括网络结构和学习算法。以 正交试验数据为样本，利用m a t l a b 7 o 软件编程建立半水石膏抗压强度的b p 神经网络 模型，而后对其进行训练、预测。通过此方法可以在试验之前对其进行初步的结果预测， 因此，对实验的进行和生产实际具有较大的指导意义。 本文通过对脱硫石膏制取q 半水石膏进行了改性研究，即响应了国家的节能减排的 政策要求，同时也解决了燃煤电厂的燃煤副产物的处理难题。在保护环境的同时也带来 了经济效益，并可实现产业化生产，对未来新产品的市场开发和新能源的利用起到了一 定的指导意义。 关键词：脱硫石膏；q 半水石膏；水热法；正交试验；b p 神经网络。 、 ， s t u d i e so fe q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g y o f m a k n ga l p h ah e m i h y d r a t eg y p s u mb y u s i n g d e s u l f u r a t e dg y p s u m a b s t r a c t b yr e s e a r c h i n gt l l e1 l s eo fd e s u l 缸a t e dg y p s 吼h o m e 锄da b r o a d 吼d m a k i n gi n q u i s i t i o n o f 也em 破e t p l a c eo fa l p h ah e m i h y d r a t eg y p s 啪，t 1 1 i sp a p e rs m d i e st 1 1 en e w t e c m c sm e t h o d i nb e i n gf o r 、v a r dp o s i t i o nh o m ea i l da b r o a di n d e p e n d e n t l yi r u l o v a t i v e l y b a s i n g o nt l l i s t e c h n i c sm e t h o d ，t 1 ：l i sp a p e ra s c 嘶a i n sm et e c h i l i c se q u i p m e n to ft h ee n t i r ep r o d u c t i o nl i n e ， w m c ht 埝sc a r r i e do u tr e f o n no nm ee q u i p m e n tu s e db e f o r e nh a sr a i s e dr a wm a t e r i a l t l l i c k n e s sa i l di m p r o v e dp r o d u c t i o nc 印a c i 吼b yu s i n gt h em e t h o d so fa d d i n gc 巧s t a la n d s o o i l ，m e 劬c t i o np a r 锄e t e rh a sb e e nr 豳：da n dt h em a r k 唧l a c eo ft h ep r o d u c th a s b e e n e x p l o i t e d b a s i n go nm ee s t a b l i s h e dt e c h i l i c sp r o c e s sa 1 1 d r e l a t i v ee q u i p m e m ，t h ee x p e r i m e m p r o c e s s 、c o n d i t i o np a r 锄e t e ra i l de x p e r i m e n te q u i p m e n th 2 l v eb e e na s c e r 试n e d ，w h i c hh a v e b e e np u ti n t op r o d u c t i o n a tt h es a m et i m e ，n ：l ep l a na n df e a s i b i l i t ) ra n a l y s i sr e s e a r c ho ft h e e x p e r i m e n ta r em a d e b a l s i n go nr e s e a r c l l i n gl a r g ea m o u n t o fd a t a ，m et a r g e to fm ee x p e r i m e n t h a sb e e na s c e n a 曲e d b yu s i n gr e l a t i v ee x p 耐m e n td o n eb ye x p e n sb e f o r ea n d t h er e l a t i v ee x p e r i m e n t a ld a t a f o rr e f e r e n c ea 1 1 do r m o g o n a l i t ) ，e x p e r i m e n ta m l y s i s ，o p t i m 眦e x p e r i m e n td a t ap a r 锄e t e ra 1 1 d e x p e r i m e n ts c h e m ea r eg a i n e d p r e s s u r eh 2 l sb e e nm em o s ti m p o r t a n ti n f l u e n c i l l gf a c t o ra n d e n o u 西t i m et or e a c t i o ns e c o n d l y ，讪1 i c hi sg a i n e db ya n a l y z m gr e s u l t i i l 戗l ep a s ta i l d o n h o g o n a l 时d a t a a c c o r d i n gt 0 恤r e s e a r c h ，m eo p t i m 眦t e c m c s d a t ap a r a m e t e r h a l sb e e n ： r e a c t i o np r e s s u r ei s0 6m p a ，s e r i n u ) 【s o j o 啪t i m ei s12 0m i n sa i l dt l l et e m p e r a n i r ei s15 0 b e c a u s eo ft h ea r r a l l g e m e n to ft h ee x p e r i m e n t ，t h i sp a p e ra d o p t s 也eb pm a n p o w e r n e u r a ln e 似o r k 幅c hi n c l u d e sm en e 研o r ks t m c t t 脱a 1 1 ds t u d ya na l g o r i t h m a c c o r d i n gt h e o r t h o g o n a l i 付d a t aa sas 觚l p l ea n db yi l s i n gt l l eh a l fw a t e rg y p s 啪c o m p r e s s i o n s 仃e n g t h sb p n e n ，en e t w o r km o d e lo ft h em a t l a b 7 os o 脚a r e ，t _ h em o d e li st r a i n 讨a n df o r e c a s t e dt i m ea f k r i i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i m e 7 i 1 1 i sm e t h o dc a nf o r e c a s tt 1 1 er e s u l tb e f o r et l l ee x p e r i m e n t ，w h i c hh a ss i g l l i f i c a n c eo f i n s t m c t i l l gt l l ee x p e r i m e n ta i l dp r o d u c t i o n b yr e s e a r c h i n gm em e t h o do fm a “n ga l p h ah e m i h y d r a t eg y p s u mb yu s i n gd e s u l 胁a t e d g y p s u m ，m es t u d yi n 眦sp 印e rc 肌n o to m yr e s p o n dt ot 1 1 er e q u e s to fs u b t r a c t i n gp o l l u t i o ni n o u rc o u i l 仃y ，b u ta l s os o l v et l l ed i m c u hp r o b l e m so f 仃e a t i n gs u b s i d i a r yo u t c o m eo fc o a l e l e c t r i cp o 、e rp l a n t b r i n g i n ga ne c o n o m i ce a e c tw h j l ep r o t e c t i n gt h ee n v i r o m n e n t ，m e r e s e a r c hc a nr e a l i z ep r o d u c t i o i l ，w h i c hh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei i lt e m so fe x p l o i t i n gn e w p r o d l l c t i o na i l du s i n gn e w s o u r c e s k e yw o r d s ：d e s u l f 叶a t e dg y p s u m ；a l p h ah e m i h y d r a t eg y p s 啪；m e m o do fh e a t i n gu p w a t e r ；o r t h o g o n a l i 够t e s t ；b pn e u r a ln e “v o r k s - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 与本课题相关技术的国内外研究现状一2 1 2 1 国外的发展应用情况2 1 2 2 国内的发展应用情况2 1 3 本论文研究的意义和实际应用价值3 1 4 课题的主要工作和研究内容一5 第2 章制取q 半水石膏的基本理论7 2 1q 半水石膏的形成原理7 2 2q 半水石膏的应用8 2 2 1 陶瓷模具9 2 2 2 精密铸造9 2 2 3 工艺美术品1 0 2 2 4 齿科超硬石膏1 0 2 3 影响q 半水石膏性能的相关因素1 0 2 3 1 转化温度与转化时间1 0 2 3 2 媒晶剂。1 1 2 3 3 原始结晶形态1 3 2 3 4 制作条件1 4 2 3 5 溶液的浓度。1 4 2 3 6 溶液的p h 值1 5 2 3 7 溶液的运动速度1 5 第3 章方案设计1 6 3 1 制取a 半水石膏的相关的工艺方法1 6 3 1 1 蒸压法1 6 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 2 水热法1 6 3 2 工艺方案的设计1 7 3 2 1 制取q 半水石膏的工艺流程设计17 3 2 2 工艺流程设备设计2 0 3 2 3 工艺方案的创新性分析。2 4 第4 章实验流程设计2 6 4 1 测定脱硫石膏浆液p h 值及其浆液流动性的实验2 6 4 1 1 实验目的2 6 4 1 2 实验原料2 6 ， 4 1 3 实验仪器2 6 4 1 4 实验过程2 6 4 1 5 实验结论2 9 4 2 制取q 半水石膏中试实验研究2 9 4 2 1 实验目的2 9 4 2 2 实验原料3 0 4 2 3 实验设备3 0 4 2 4 实验检测设备3 1 4 2 5 实验条件3 2 4 2 6 实验方案3 2 4 2 7 实验产品检测3 4 第5 章实验数据比拟分析3 8 5 1 实验环境比较3 8 5 1 1 实验环境比较分析3 8 5 1 2 实验环境的比较总结3 8 5 2 实验数据正交分析3 9 5 2 1 正交表的建立3 9 5 2 2 正交实验的方差分析4 2 5 2 3 正交实验的效应预估计4 5 5 3 基于m a t l a b 的b p 神经网络预测4 9 5 3 1 人工神经网络概述4 9 5 3 2b p 神经网络的结构及其算法5 0 5 3 3 基于m a t l a b 的b p 神经网络模型5 1 5 3 4 正交试验半水石膏抗压强度预测5 4 一v t 东北大学硕士学位论文 目录 第6 章结论与展望5 9 6 1 论文结论5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 l 致谢6 5 一v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 据世界卫生组织和联合国环境规划署统计，目前每年由人类制造的，含硫燃料燃烧 排放到大气中的二氧化硫高达2 亿吨左右，严重破坏了大气环境，制约着世界经济的发 展。其中，电厂燃煤每年向大气中排放的二氧化硫高达1 2 0 0 万吨，成为造成环境污染 的罪魁祸首。因此，消减二氧化硫的排放量，防治大气二氧化硫污染迫在眉睫。 燃煤电厂应用最广泛和最有效的二氧化硫控制技术为烟气脱硫。其中，湿式石灰 石灰石一一石膏法，是世界上技术最成熟、应用最多的脱硫工艺，带来的副产品“脱硫 石膏”也便于利用。这种脱硫工艺每一吨二氧化硫可产生脱硫石膏2 7 吨，一个3 0 万 k w 的燃煤火力电厂，其燃煤含硫量即使按1 计算，每年排出的脱硫石膏约为3 万吨， 因此副产脱硫石膏的产量十分巨大。 日本是世界上最早大规模应用脱硫装置的国家，每年的排放量保持在2 0 0 万吨左右。 欧洲国家脱硫石膏排出量主要集中在四个区域。第一个是德国，烟气脱硫技术水平最高、 发展最快；第二个是英国；第三个是荷兰和丹麦；东欧各国包括捷克、斯洛伐克和波兰 为第四区域。美国根据控制二氧化硫排放量计划，1 9 7 8 年重新修改了环境法案，到2 0 0 0 年已经达到9 0 0 万吨年。按照目前的发展趋势，预计到2 0 1 0 年，全世界脱硫石膏的排 放量将超过5 0 0 0 万吨。 我国脱硫石膏的排放量及增长趋势。据初步统计，目前已投入运行和即将投产的脱 硫机组总容量为2 8 0 0 多m 1 】| ，预计到2 0 1 0 年末，全国总装机将达到4 5 万m w ，烟气脱 硫石膏设计能力约8 5 0 万吨左右。仅在北京，国华北京热电分公司投巨资引进德国湿法 脱硫技术对电厂的烟气进行脱硫建设，使电厂烟气排放达到国家环保要求，每年因此消 纳的二氧化硫超过1 1 5 万吨，生产出了纯度高达9 5 的脱硫石膏近5 万吨。通过引进当 今世界先进水平的脱硫石膏砌块生产设备，对脱硫石膏进行加工利用，又可以生产出4 0 万平米的石膏砌块，即避免了脱硫后副产品二次污染。 为了提高脱硫石膏的利用水平，充分利用现有脱硫石膏资源，生产出高强q 半水石 膏，是脱硫石膏资源综合利用的突破方向。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 与本课题相关技术的国内外研究现状 1 2 1 国外的发展应用情况 在国外水热法生产q 半水石膏一般有不经干燥制取q 半水石膏和经干燥制取q 半 水石膏二种。 前西德朱利尼( g e b r g i u l i n i ) 公司1 9 9 6 年于鲁仕路德维希洪建成了第一个日产1 6 5 吨q 半水石膏的工厂。占地面积为1 6 2 0 平米，该生产流程利用工业废渣一磷石膏作原料 【l 】 o a b 伏尔任斯基利用化学工业所采用的连续作业的结晶槽制备q 半水石膏的方案。 根据这种方案，将破碎的化学石膏石由盘式给料机从料斗传送到反应罐内。同时也送入 清滤用的外加剂工作溶液。要求液相同固相的比值为0 5 5 时，原料必须粉磨至不超过 0 1 舳的粒子。 英国i c i 公司曾经采用类似于德国朱利尼工艺流程生产半水石膏。所不同的是转 化过程采用二个串联的反应槽，料浆浓度为3 0 ，在1 5 0 1 6 0 温度下进行转化，因此大 大提高转化速度，一般在3 一l o 分钟内即能完成。他们也是采用磷石膏作原料【l 】。 采用水热法生产的q 半水石膏主要用于工业模型。因此，主要性能指标有白度、水 膏比、浇注时间、凝结时间、凝结膨胀率、一小时抗压强度、干燥抗压强度、布氏硬度 等。这类石膏大多均有他们本国制定的标准而且有详细分类，如日本、美国、德国、英 国、法国等国家。目前国内主要参照i s 0 6 8 7 3 1 9 8 3 ( e ) 和d i n 3 9 l l ( 5 9 r ) 键他 q 超高强模型石膏是制作工业模具不可缺少的材料之一，国外利用高强模型石膏制 作工业模其1 嘭使用领域非常广泛，而且针对各种领域使用要求有品种繁多的系列产品。 采用这种材料的最大优势：强度高、线变量小、仿真强、精度高、制造周期短、工效快、 成本低。 1 2 2 国内的发展应用情况 国内采用液相转化q 半水石膏起步较晚，在7 0 年代中期开始研制水热法生产的 q 半水石膏。如南京化工公司磷肥厂，他们利用生产中排放出的磷石膏废渣作原料，基 本按i c i 流程的原理设计了一条试生产线。生产出来的q 半水石膏湿料，不经干燥直接 成型空心条板，制品机械强度基本在3 0m p a 左右。 8 0 年代初，上海市建筑科学研究院采用水热法利用天然石膏工艺路线研制成功q 超 高强模型石膏，制品的干燥抗压强度达到最高可达9 0m p a 。整个流程包括：原料制备、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 水热反应、干燥、粉磨等四大部分【l 】。 目前国内制取q 半水石膏比较成熟的山东某企业是利用天然石膏为原料制取q 半 水石膏，目前拥有一条年产3 万吨的a 高强石膏粉生产线，从德国引进一条高档模具石膏 粉生产线，是目前国内唯一的连续性生产的湿法工艺生产线。 国内采用蒸压法生产q 半水石膏的厂家很多，如宁夏、山东、江西、江苏、河北、 甘肃、湖北、湖南等地均有生产，但性能不一，其干燥强度基本在2 5 4 5m p a ，主要应 用于陶模，以及建材制品。随着科学技术的迅速发展，近年来”高强石膏应用领域日趋 广泛，已涉及航空、汽车、橡胶、塑料、船舶、铸造、机械、医用等多种领域，而且产 品也越趋系列化。 1 3 本论文研究的意义和实际应用价值 以解决脱硫石膏对环境构成的潜在污染，努力实现电力生产固体排放物的“减量化、 再利用、资源化目标，以循环经济发展理念探索建立电力生产生态化工业出路，促进 社会与环境的和谐发展，是电力企业强制性规定不容推辞的责任和义务。脱硫石膏利用 水热法生产q 半水石膏，工艺可行，产品质量优于其他方法工艺生产的产品；市场前景 广阔，是环保领域的重大突破，并可填补国内有关技术空白；可有效利用电厂资源进行 循环开发利用【4 5 1 。 ( 1 )环保效益显著。综合利用脱硫石膏项目，可以增加脱硫石膏开发量。产品 的多样化，变废为宝的创新思路，是环保领域的重大突破，并填补了国内有关技术空白。 ( 2 )社会效益显著。本项目建成后，其一，电厂具备了生产b 、q 建筑石膏的生 产能力可以随时调节市场的需求，可以开发建筑石膏行业的各种产品，市场前景广阔。 其二，每年可以节约大量的堆存土地，脱硫石膏不再堆放，地下水源，不受污染，有效 的控制了二次污梨1 到 ( 3 )经济效益显著。其一，应用国内外现有技术的基础上，开发水热法生产高效 能的q 石膏粉技术。利用电厂高效率的热源生产出q 石膏粉，与b 石膏粉相比，成本降 低，附加值将提高4 5 倍。其二，由于建设场地靠近电厂脱硫系统，脱硫石膏的中间 输送环节少，运输成本底，具有较强的价格竞争优势。其三，本项目建成后，每年可以 节省脱硫石膏堆存土地迁地费，运输费用。 ( 4 )技术先进、可靠。本项目利用的生产工艺及设备主要是消化引进德国的成熟 水热法技术工艺。选用国内先进成熟的装备，该项目所需热源，很适应火力发电厂余热 的开发工作，电厂的余热完全能满足q 一半水石膏的工艺要求。产品质量能达到国家标 准的要求。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 )脱硫石膏可以替代天然石膏。脱硫石膏的原料质量( 纯度) 高于天然石膏， 脱硫石膏本来就需要处理的固体排放物，成本远远低于天然石膏，可以解决矿产资源有 限和需求无限增长的矛盾。节约石膏矿产资源，符合国家可持续发展的循环经济产业政 策，促进社会与环境和谐发展。 q 半水石膏是石膏墙材、陶瓷模具、支护、防火胶结料的基础材料，同建筑石膏一 起与石灰、水泥一起为建筑材料中最主要的三种胶结材料。随着新型建筑材料的发展， q 半水石膏作为建筑物室内高档装饰装修材料，广泛地被用作大型浮雕、仿大理石吊顶、 和装饰构件，深受市场欢迎。 q 半水石膏与石灰、水泥相比，具有以下特点： ( 1 ) 节能 建材行业在全国的工业生产系统中，能耗居首位，其中粘土实心砖和水泥是耗能大 户。2 0 0 0 年水泥能耗和粘土砖能耗合计超过1 5 亿t 标煤，这将对我国的能源工业造成 巨大的压力。因此，必须对粘土砖和高能耗的水泥生产加以控制，代之以其它低能耗的 材料。在水泥、石灰、石膏三大胶结材料中，石膏的能耗最低，约为水泥能耗的l 4 在 墙体材料中，石膏建筑制品的能耗最低。石膏板的能耗仅为粘土实心砖的3 7 【1 8 】。 ( 2 ) 质轻 石膏建筑制品的容重为8 0 0 1 1 0 0 k g m 3 ，仅为水泥混凝土制品、粘土实心砖和各种 工业废渣制品容重的1 3 1 2 ，用于建筑工程，尤其是高层建筑时，将大大减轻建筑物 的自重。 ( 3 ) 防火性能好 石膏建筑制品中的主要矿物成分为二水硫酸钙，当外界温度升高时，二水硫酸钙开 始分解析出水分，在制品表面形成水蒸汽膜，对火焰起阻隔作用，从而延缓了制品背面 温度升高为人们迅速撤离火灾现场和扑灭争取了时间。用普通石膏板装配的墙体，耐火 极限可达2 h 以上，若在钢筋混凝土的两面抹上带玻璃网格布的粉刷石膏1 5 c m 厚，耐 火时间可由3 0 m i n 提高到3 h 以上。 ( 4 ) 凝结硬化快 通常q 半水石膏的终凝时间不大于3 0 m i n ，由于凝结硬化快，有利于制品的机械化、 自动化连续生产。如用于生产石膏装饰板时，提高模具周转速度，从而提高生产效率。 用于粉刷石膏时，可使内墙抹灰工程的工期比传统的抹灰工期缩短一倍以上，在冬季施 工时有特别的意义。 ( 5 ) 装饰效果好 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 a 半水石膏胶结料和石膏建筑制品色泽柔和，表面光滑细腻，装饰典雅、豪华。 ( 6 ) 卫生舒适 由于石膏制品微观结构具有多孔性。因此使其有独特的吸收和释放空气中湿气的 “呼吸功能 ，从而提高了居住环境的舒适感。 以脱硫石膏为原料生产q 半水石膏具有普通建筑石膏的性能外，还具有以下优势： ( 1 ) 社会效益 ( a ) 变废为宝，成为再生资源，符合国家可持续发展的战略，符合循环经济要求。 ( b )节省土地。以本项目为例，生产5 万吨q 半水石膏需脱硫石膏6 5 万吨左右， 若不利用每年就要占用土地2 5 亩( 以4 m 堆高计算) 。综合利用后，每年可以节省脱硫石 膏堆存土地的征地费，并节省堆存场地建设投资，每年还可节省脱硫石膏运输费。 ( c )改善了环境。脱硫石膏不再堆放，使地下水资源不受污染，防止发生二次污 染。 ( 2 ) 政策优势 国家提倡资源综合利用。国务院国发( 1 9 9 6 ) 3 6 号文国务院批转国家经贸委等部 门关于进一步开展资源综合利用意见的通知中指出：坚持“因地制宜，鼓励利用、多 种途径、讲求实效、重点突破、逐步推广 的方针。国家发展和改革委员会、财政部国 家税务总局等部门在关于进一步开展资源综合利用的意见中指出：享受优惠政策的 范围按照资源综合利用目录执行。 ( 3 ) 经济效益 因为是脱硫石膏的综合利用，符合国家产业政策，享受增值税全免，所得税免五年 的优惠政策，因此具有一定的经济效益。 1 4 课题的主要工作和研究内容 关于利用脱硫石膏制取q 半水石膏生产线主要是根据现在电厂副产物脱硫石膏的 再利用，减少脱硫石膏对环境的二次污染，达到变废为宝，形成产业化，实现经济价值。 在这条生产线的设计开发过程中，我们需要详细了解脱硫石膏和q 半水石膏的性能参 数，及其相关的生成反应条件，从而制定相关的工艺流程参数，确定整个生产线的工艺 流程条件及其相关的工艺设备，之后建立实验室，通过反复的实验寻求最佳的工艺流程 条件和性能参数，最终达到制取预期的半水石膏粉，实现最优的生产条件，通过实验所 得的数据，设计改良相关的工艺设备，最终设计开发实际生产设备，并制定符合生产条 件的工艺流程，真正实现产业化。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制取q 半水石膏所需的工艺设备有：浆液搅拌罐，反应釜，料浆泵，缓冲罐，泄压 阀，闪蒸干燥机等。 q 半水石膏的工艺方案：脱硫石膏输送至浆液搅拌罐，再经料浆泵泵送至1 # 反应 釜，2 # 反应釜，经泄压阀输送至缓冲罐，最后经由螺旋输料机送至闪蒸干燥机进行干 燥成粉，送至储仓。 浆液搅拌主要目的是将脱硫石膏与水混合，配制我们所要达到的浆液浓度，此装置 由单位自主设计制造，设计内容包括搅拌电机选择，搅拌桨叶选择，搅拌速度确定等相 关过程。 反应釜由于设计本身特殊要求，必须由具有生产能力和相关执照的生产厂家进行生 产，采用高压搅拌釜，设计压力大于2 5 m p a ，搅拌转速为1 0 2 0 0 转分，设计搅拌最 大转速大于2 5 0 转分。反应釜内需要同时加入媒晶剂，表面活性剂等添加剂。 平稳的输 闪蒸干燥 东北大学硕士学位论文 第2 章制取a 半水石膏的基本理论 第2 章制取q 半水石膏的基本理论 2 1q 半水石膏的形成原理 二水石膏脱去1 5 个结晶水形成半水石膏，其反应式为 c a s 0 4 2 h2o = c a s 0 4 。 1 2 h 2o + 1 5 h2o 在不同压力下二水石膏脱水形成半水石膏石膏的温度也不同，图2 1 中曲线l 为二 水石膏一半水石膏的压力一温度平衡曲线。在图中可以看出，曲线1 非常接近液相水一 气相水的压力一温度平衡曲线2 ，并相交于c 点，在没有添加转晶剂条件下，要制成q 半水石膏，二水石膏的结晶水要以液态水排出，所以，二水石膏在图1 a b c 温度一压力区 间内( 图中斜线阴影部分) 就容易制成q 半水石膏。在曲线2 的下方就制成b 半水石膏， 在曲线1 的下方，结晶水不能排出通常蒸压法生产q 半水石膏，是以饱和蒸汽加热， 蒸压釜内温度一压力的关系在曲线2 上致使二水石膏结晶水可能以液态排出制成q 半水 石膏，也可能以汽态水排出制成b 半水石膏，所以用饱和蒸汽蒸压二水石膏制成的产品， 实际上是qb 混合的半水石膏，质量难以确定【l 】。 o o o 0 图2 1 二水石膏与水“压力温度”平衡曲线图 f i g 2 1p r e s s u r e t e m p e 枷r ed i a g r 锄f o r 影p s u ma n dw a t e r ) 东北大学硕士学位论文第2 章制取o 【半水石膏的基本理论 二水石膏的脱水化学反应： q 娼q 2 h 2 d 鼍蒲b c c 因阮1 2 日2 d + 3 2 日2 d c 7 她2 h 2 d 堕隧蔫雪炒q c 心d 4 1 2 日2 d + 3 2 日2 d q 半水石膏的形成机理与b 型不同，它是在加压水蒸气( 水热) 条件下溶解析晶形 成。q 半水石膏的形成机理有三种观点，多数认为在加热水蒸汽压力下安溶解析晶机制 形成；v s t a t a v a 认为二水石膏转化为q 半水石膏的初期，按局部化学反应机理进行， 而后期按析晶机理进行；a 彼列捷尔认为二水石膏先分解成无水硫酸钙和游离水，当后 来结合成水分子时，才生成粗大，密实的结晶q 半水石膏。 半水石膏按结晶的形态不同，可分为不同的种类，而不同的结晶状态，则取决于他 的煅烧条件及其制备过程，观察二水石膏和水的压力一温度平衡曲线，则可发现二水石 膏一半水石膏的平衡曲线非常接近液相水一气相水的平衡曲线，这两条曲线在接近1 0 0 度时相交。如果在大于1 个大气压的压力锅内使二水石膏脱水，液相的溶解一再结晶机 理就决定了q 半水石膏的形成。曲线上1 2 3 4 点的脱水周期，完全再液相中完成，能 形成结晶良好的q 型半水石膏。相反，在低于1 个大气压下使二水石膏脱水，二水石膏 的水就以干蒸汽状态蒸发，从而生成微观晶体呈松散聚集的微空隙固体，这就是b 半水 石膏【1 1 。 5 爰4 为 塞3 r 夕 瞪。 1 溢度： 图2 2 热处理条件的温度压力曲线 f i g 2 2h e a ：ct r e a t m e n tc o n d i t i o nt e m p e r a t u r e p r e s s u r ed i 雄即m 2 2 q 半水石膏的应用 随着科学技术的发展，q 高强石膏应用的领域也日益广泛，这种石膏在一定的条件 下可以浇铸出锐利的棱边，同时因为强度和硬度高，可安全的进行加工作业。并根据各 东北大学硕士学位论文 第2 章制取o 【半水石膏的基本理论 根据各领域的应用要求，目前国内先后又有数种系列高强石膏问世，制品性能基本达到 国外同类先进产品水平。现已被广泛的用于医用、航空、船舶、汽车、精密铸造、塑料、 陶瓷、建筑艺术和工艺美术等领域，制造各种模型，获得显著效果【2 】【4 7 1 。 2 2 1 陶瓷模具 我国目前大部分陶瓷厂使用水泥或玻璃钢制母模，前者制的母模质量粗糙，后者制 的成本较高。常压炒制的b 型半水石膏的比容大、水膏比大，胶凝后气孔率高、强度低。 用b 型半水石膏制造的陶瓷模具，有吸水率高的优点，但模具使用寿命短，不能适应于 压力较高的滚压成形。而q 型半水石膏的结晶完整致密，比容小、水膏比小，水化凝结 后强度高，所以q 型半水石膏可在吸水率要求较低、精度和使用次数要求较高的陶瓷产 品模具上应用n 引。采用q 高强石膏制作模具，强度高、线变量小、仿真强、精度高、制 造周期短、工效快、成本低。用q 型半水石膏制造的陶瓷模具强度高，使用寿命长，并 可以提高陶瓷表面的光洁度，提高陶瓷产品档次。而国外最先进的母模材料是低膨胀率 的超高强石膏粉，目前我国南方大型陶瓷生产企业己开始使用国外进口石膏母模粉。根 据建材工业目前发展状况，国家建材局颁发的建筑卫生陶瓷工业实施细则；“2 0 0 7 年建 筑陶瓷总量将达到5 5 亿万件，淘汰落后生产能力3 5 0 万件，发展高档陶瓷生产线，使 高档产品占总产量的20 以上，中国轻工总会预测日用陶瓷总产量达到7 5 亿件按每万 件卫生陶瓷耗石膏粉2 0 吨；每万件日用陶瓷耗石膏，粉o 3 5 吨计算，卫生陶瓷年耗 石膏粉1 1 万吨，日用陶瓷年耗石膏粉2 6 万t ，工业建筑特种陶瓷及其它年用量8 万t ， 则仅陶瓷耗石膏粉量每年就达4 5 万t 【i j l 4 j 。 2 2 2 精密铸造 铸造业先后兴起了熔模和拔模石膏型精密铸造工艺，它利用石膏料浆对熔模的良好 复印性和导热系数小，有利于金属液对铸型充填等特点，用来铸造薄壁、复杂、整体铝 合金无余量精密铸件，以及贵金属金银饰品等。q 型半水石膏水化硬化后具有很高的强 度，可配制出耐火性、光洁度很好的精密铸造模具。q 型半水石膏作为铸造石膏主要应 用与精密铸造中的熔模或拔模铸造，这种铸造方法要求石膏在高温情况下不仅体积变化 率小，无开裂或龟裂现象，而且希望高强和残留强度高等性能。一般b 型半水石膏远远 达不到上述要求，而q 型半水石膏则可以满足以上工艺技术要求，为此国内外均采用q 型半水石膏作为铸造石膏。石膏型模体必须具有一定的强度、透气性、耐膨胀、收缩性 以及耐火性能等综合性能，一般的石膏达不到上述的要求。铸型用q 高强石膏具有较好 的综合性能，加入一些固体耐火填料配制成石膏型混合料，制成的高质量石膏铸型，可 东北大学硕士学位论文第2 章制取o 【半水石膏的基本理论 浇铸出优质的整体铸件。这种铸型用的q 高强石膏为基体材料的石膏型混合料具有流动 性好，胶凝速度适中，强度高、线变量小，裂纹倾向性小，尺寸稳定且精度高，有良好 的成型性和表面光洁度，以及较好的导热性等综合性能。 2 2 3 工艺美术品 q 型半水石膏凝结时间适中，早期强度高，可替代有机材料制作工艺美术品和玩具。 过去在建筑业特别是建筑装饰工艺美术等方面，一般使用普通b 型半水石膏，因此强度 很低，损坏率高。而用q 型半水石膏成本较低，强度很高，广泛地应用于建筑装饰板材， 装饰嵌条，浮雕壁画及玩具制造等领域。其强度高用途广，可适用于许多制品，而且价 格与普通b 型半水石膏相仿，但强度却高出很多。 2 2 4 齿科超硬石膏 q 超硬石膏可用于制造假牙的石膏工作模型，当病人修复缺失牙齿，一定要仿制真 牙的解剖生理的外形和功能，从而要求取的印模所翻注成的石膏模型，必须与口腔内牙 列和缺失牙形态相一致，制成的假牙与自然牙齿和缺失的牙列形态相一致。随着口腔材 料的发展，尤其制造金属烤瓷假牙时，不仅精度要求高，而且要求石膏的硬度更高，在 国外一些医学发达的国家均采用q 超硬石膏。这种石膏性能特别优越，除了作为口腔科 模型材料外，还用于制造一些棱边锐利，尺寸精密的工业模具。q 型半水石膏还可用于 永久建筑模板、装饰板、隔离板，电缆密封以及塑料制品的吸塑模具等方面【2 8 】。 2 3 影响q 半水石膏性能的相关因素 对于q 半水石膏的性能有很多因素对其有直接的影响，对于q 半水石膏相关性能的 改良，需要在工艺流程中，控制相关的影响因素，从而达到形成最佳的石膏性能的目的。 2 3 1 转化温度与转化时间 二水石膏在水溶液中转化为半水石膏并能稳定存在，主要条件就是温度，当温度达 到1 0 7 时，二水石膏开始转化为半水石膏，这个温度只是一个平衡温度，二水石膏的 温度远远超过平衡温度时，才能很快的完成二水石膏的脱水过程，同时二水石膏温度升 高也会加快分解速度，尤其在有媒晶剂存在的条件下，更利于半水石膏的转化。但是转 化温度过高会导致半水石膏脱水形成无水石膏，因此压力釜内液相温度一般控制在 1 3 5 1 4 5 为宜川。 当二水石膏以纯水为介质进行分解时，二水石膏分解后基本按原有的结晶习性进行 东北大学硕士学位论文 第2 章制取o 【半水石膏的基本理论 结晶，形状为针状晶体，此时转化速度很快，基本在3 0 分钟转化完毕。当在一种或几 种媒晶剂存在时，媒晶剂对二水石膏转化为半水石膏有抑制作用，改变原有的结晶习性， 使结晶中心减少，结晶速度迟缓，转化时间最长可达2 3 小时之久。 表2 1q 半水石膏转化温度与时间 t a b l e 2 1i n v e r s i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m eo fah e m i h y d r a t e 国，p s u m 从表可以看出温度过低