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烟气脱硫石膏嵌缝腻子的研制
周建中，冯菊莲，赵金平，周梦文，邓嫔，李拓，陈红霞，王霞
（北新集团建材股份有限公司，北京100096）
3.5 性能测试
石膏嵌缝腻子是以建筑石膏为主要原材料，添加一定的缓凝剂、保水剂、粘接剂及其它调整剂干混而成，工艺简单，施工方便，是纸面石膏板工程应用中不可缺少的配套材料。石膏嵌缝腻子传统的做法都是以天然建筑石膏粉为原料配制而成。但近年来，随着脱硫石膏的推广与应用，国内石膏板企业大多数都改用脱硫石膏来生产纸面石膏板。北新集团建材股份有限公司已在全国建成了10 多条100%采用脱硫石膏为原料的石膏板生产线。因此，要求我们能尽快地配套研制生产出100%脱硫石膏嵌缝腻子，适应市场的需求，实现企业稳步发展。
烟气脱硫石膏和天然石膏的主要成分都是二水硫酸钙，经煅烧后可制成β 型建筑石膏粉，但由于其粒度小，粒径分布窄，比表面积小，在使用中与天然建筑石膏还有所区别。而且石膏煅烧工艺和装备并不完全相同，有的采用以蒸汽为热源的回转窑间接加热煅烧石膏，这是一种低温慢速煅烧工艺，如北新宁海石膏板生产线；有的采用以热风为热源的“干燥一体的热风炉”直接加热煅烧，这是一种高温快速煅烧工艺，如北新太仓石膏板生产线。这2 种工艺生产的建筑石膏粉在相组成上有着较大差别，这就需要我们做进一步的研发工作，以100%的烟气脱硫石膏来代替天然石膏，生产出合格的嵌缝石膏腻子产品。
本研究要实现以100%建筑脱硫石膏替代建筑天然石膏来生产石膏嵌缝腻子，且所选的配方和工艺能适应目前北新的“慢、快”2 种脱硫石膏煅烧工艺。为此，我们选用的原料是北新宁海石膏板厂和北新太仓石膏板厂生产的建筑脱硫石膏粉。为了证实配方的稳定性，后期又采集其它生产线生产的建筑脱硫石膏粉进行配制、研究。
1 建筑脱硫石膏的基本性能
1.1 建筑脱硫石膏的化学成分及物理性能
脱硫石膏主要化学成分为CaSO4·2H2O，但因脱硫石膏的杂质含量及其酸碱性与其所用原料及工艺过程控制有关，所以它不仅与天然石膏的性能有差异，而且各电厂的脱硫石膏也存在较大的差异，从而影响脱硫石膏嵌缝腻子的性能，这就要求有确定的供货单位和基本稳定的性能。北新建材为了保证纸面石膏板的产品质量，制定了脱硫石膏企业标准，从源头上控制脱硫石膏中杂质含量。本研究所采用的建筑脱硫石膏的化学分析见表1，物理分析见表2。
1.2 粉磨程度对建筑脱硫石膏性能影响
脱硫石膏的粒径分布范围较窄，通过粉磨能使其粒径分布范围扩大，从而改善浆体的流变性能。脱硫石膏粉磨前后的粒径分布曲线见图1。
从图1 可以看出，该脱硫石膏粉磨前的平均粒径为43.4μm，粒径小于2 μm 或者大于120 μm 的颗粒几乎不存在；在粉磨3.5 min 后脱硫石膏的平均粒径为25.33 μm，粒径小于2μm 的颗粒明显增多。因此，粉磨过程使脱硫石膏的粒径分布较窄的现象得到较大改善。
1.3 粉磨时间对脱硫石膏腻子抗开裂性能的影响
比表面积在一定程度上反映脱硫石膏水化时与水的接触面积，因此比表面积的变化可能带来水化性能的改变。粉磨时间对脱硫石膏比表面积以及标准稠度下的水膏比、凝结时间的影响见表3，脱硫石膏粉磨不同时间后制成嵌缝腻子的抗开裂性能见表4，粉磨不同时间后脱硫石膏的相组成见表5。
从表3～表5 可以看出，脱硫石膏的比表面积随着粉磨时间的增加而增大；在一定范围内，粉磨对标准稠度下的水膏比和凝结时间的影响并不明显，但当比表面积过大时，标准稠度水膏比明显增加，凝结时间大大降低，且脱硫石膏嵌缝腻子开裂明显。粉磨使脱硫石膏熟料的凝结时间延长，浆体的可操作时间增加，有利于脱硫石膏嵌缝腻子生产；然而粉磨时间过长时，凝结时间又将缩短，且容易引起脱硫石膏嵌缝腻子开裂，对生产反而不利。因此，选择合适的粉磨时间，控制建筑脱硫石膏的比表面积为4000～4500 cm2/g，这样更有利于脱硫石膏嵌缝腻子的生产。
从表3～表5 可以看出，脱硫石膏的比表面积随着粉磨时间的增加而增大；在一定范围内，粉磨对标准稠度下的水膏比和凝结时间的影响并不明显，但当比表面积过大时，标准稠度水膏比明显增加，凝结时间大大降低，且脱硫石膏嵌缝腻子开裂明显。粉磨使脱硫石膏熟料的凝结时间延长，浆体的可操作时间增加，有利于脱硫石膏嵌缝腻子生产；然而粉磨时间过长时，凝结时间又将缩短，且容易引起脱硫石膏嵌缝腻子开裂，对生产反而不利。因此，选择合适的粉磨时间，控制建筑脱硫石膏的比表面积为4000～4500 cm2/g，这样更有利于脱硫石膏嵌缝腻子的生产。
2 陈化对脱硫石膏嵌缝腻子性能的影响
由于建筑石膏中AⅢ相不稳定，它的存在使得建筑石膏的物性也不稳定。陈化能使建筑石膏中AⅢ相充分吸收空气中的水分，转化成半水石膏，从而使建筑石膏物性稳定。陈化时间对脱硫石膏嵌缝腻子凝结时间的影响分别见表6、表7。
表6 中嵌缝石膏原料为高温快速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏，表7 中嵌缝石膏原料为低温慢速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏。
对于高温快速煅烧工艺生产的建筑脱硫石膏来说，由于是直热式煅烧，物料直接与烟气接触，因此生产的建筑脱硫石膏粉内存在较多的AⅢ相，受其影响，石膏粉物性稳定性差，其陈化时间相对低温慢速煅烧的建筑脱硫石膏要长一些。从表6 可以看出，高温快速煅烧工艺生产的建筑石膏，陈化4 d左右时建筑脱硫石膏粉中的AⅢ相转化完全，6 d 左右时其脱硫石膏粉物性相对稳定。从表7 可以看出，低温慢速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏，陈化3 d 左右时脱硫石膏粉物性相对稳定。
表6 中嵌缝石膏原料为高温快速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏，表7 中嵌缝石膏原料为低温慢速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏。
对于高温快速煅烧工艺生产的建筑脱硫石膏来说，由于是直热式煅烧，物料直接与烟气接触，因此生产的建筑脱硫石膏粉内存在较多的AⅢ相，受其影响，石膏粉物性稳定性差，其陈化时间相对低温慢速煅烧的建筑脱硫石膏要长一些。从表6 可以看出，高温快速煅烧工艺生产的建筑石膏，陈化4 d左右时建筑脱硫石膏粉中的AⅢ相转化完全，6 d 左右时其脱硫石膏粉物性相对稳定。从表7 可以看出，低温慢速煅烧工艺生产出的建筑脱硫石膏，陈化3 d 左右时脱硫石膏粉物性相对稳定。
实验结果证明，利用陈化完全的建筑脱硫石膏来配制石膏嵌缝腻子和粘接石膏，能有效地抑制建筑脱硫石膏水化过程中气泡的产生。
3 脱硫石膏嵌缝腻子助剂的选择
通常脱硫石膏嵌缝腻子存在的问题是容易开裂，可操作时间较短，施工性能较差，因此选择合适的抗裂剂、缓凝剂和保水剂，并找出各助剂的最佳掺量是解决问题的关键。
3.1 脱硫石膏嵌缝腻子抗裂剂的选择
表8 是不同掺量的抗裂剂对脱硫石膏嵌缝腻子凝结时间和开裂性能的影响。
从表8 可以看出，抗裂剂的最佳掺量为10%，在该掺量下既能延长脱硫石膏嵌缝腻子的初、终凝时间，又能有效地改善其开裂性能。
3.2 脱硫石膏嵌缝腻子缓凝剂的选择
对于脱硫石膏嵌缝腻子而言，凝结时间是一个关键指标。实验证明，低温慢速煅烧的建筑脱硫石膏，由于其本身的物性差异较小，因此我们只需要制定1 个基础配方，再根据不同生产线生产的建筑脱硫石膏的物性差异，相应地调整缓凝剂的掺量即可。但对于高温快速煅烧的建筑脱硫石膏，其本身的物性差异较大，即使是同一条生产线上煅烧的建筑石膏，不同批次建筑石膏的物性也存在较大差异。因此，我们在基础配方基础上，通过缓凝剂的复配调整腻子的凝结时间，使其技术指标符合相关标准要求。通常情况下，不管是无机、有机还是复合类的缓凝剂，都会对建筑脱硫石膏的强度有很大影响（见表9）。
从表9 可以看出，当缓凝剂的掺量超过0.15%时，其强度低于建筑石膏标准要求，必须辅助掺入适量的增强剂。
3.3 脱硫石膏嵌缝腻子保水剂的选择
保水剂分子链上的羟基与水分子作用形成氢键，延缓腻子中水分的蒸发，从而改善腻子的操作性能和可操作时间。表10 为在其它助剂不变的情况下，不同掺量的3 种保水剂对嵌缝腻子凝结时间的影响。
试验中发现，1＃、2＃ 保水剂在掺量为0.3％～0.6％时嵌缝腻子的刮平性能均好，3＃ 保水剂只有当掺量不低于0.5%时刮平性能才好。综合表10 可以判断，1＃ 和2＃ 保水剂的最佳掺量为0.3%，3＃ 保水剂的最佳掺量为0.5%，同时1＃ 和2＃ 保水剂对嵌缝腻子的缓凝效果更加明显。
3.4 助剂平衡点及整体配方确定
由于不同煅烧工艺生产的建筑脱硫石膏的物性有别，因此我们根据建筑脱硫石膏的来源，分别进行了助剂选择和助剂平衡点及整体配方确定研究，配方见表11。
3.5 性能测试
在实验室现有条件下，我们对上述配方的脱硫石膏嵌缝腻子进行小批量试生产，并进行了性能测试，结果见表12。
从表12 可以看出，研制的脱硫石膏嵌缝腻子各项性能指标均符合企业标准要求。
4 结语
作为石膏板制造业内全面领先的企业，北新建材高度重视企业的社会责任，大力发展以资源综合利用为特征的循环经济产业。自2006 年以来，北新建材先后在江苏太仓、浙江宁海、广东肇庆等地建设了以100%烟气脱硫石膏为原料的多条石膏板生产线。与此同时，北新建材技术中心开始组织研发与生产线相配套的脱硫石膏嵌缝腻子。该项目的关键技术在于选择合适的助剂，确定最佳配方，满足以不同煅烧工艺制备的建筑脱硫石膏为原料来生产脱硫石膏嵌缝腻子；解决脱硫石膏嵌缝腻子初终凝时间间隔短、施工性能较差及易开裂等问题。
烟气脱硫石膏（FGD）是火力发电厂采用“石灰石-石膏”法（湿法）得到的工业废渣。该课题对电厂烟气脱硫石膏进行综合利用，实现100%替代原配方中的建筑天然石膏，是循环经济的重要体现。其重大意义在于如下2 个方面：
烟气脱硫石膏（FGD）是火力发电厂采用“石灰石-石膏”法（湿法）得到的工业废渣。该课题对电厂烟气脱硫石膏进行综合利用，实现100%替代原配方中的建筑天然石膏，是循环经济的重要体现。其重大意义在于如下2 个方面：
（1）企业产品配套发展的需要
北新建材依托国家级企业技术中心，广泛开展脱硫石膏配套产品研究。本课题实施完成后，能研发出满足北新产业规模和行业地位相匹配的脱硫石膏嵌缝腻子。
（2）资源综合利用，发展循环经济的需要
本课题的实施，将促进建材行业企业对烟气脱硫石膏等工业固体废弃物的综合开发利用，可以降低产品生产成本，实现废弃物的循环利用，取得良好的环保和生态效益。
