乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板技術(shù)研究

張國宣，羅迎娣，袁　琳

(1.河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城　477150；2.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州　450052)

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乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板技術(shù)研究

張國宣1，羅迎娣2，袁琳2

(1.河南金丹乳酸科技股份有限公司，河南 鄲城477150；2.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州450052)

乳酸生產(chǎn)副產(chǎn)石膏廢渣是乳酸生產(chǎn)工藝復(fù)分解反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。為了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)，對乳酸石膏廢渣進行綜合利用，做到變廢為寶；同時，也為了減輕石膏廢渣堆場的堆置處理壓力，降低乳酸生產(chǎn)成本，開發(fā)出一條利用乳酸副產(chǎn)石膏代替天然石膏生產(chǎn)紙面石膏板的重要途徑。

乳酸；副產(chǎn)物；石膏；石膏板

1　乳酸生產(chǎn)及紙面石膏板生產(chǎn)現(xiàn)狀

乳酸生產(chǎn)副產(chǎn)石膏廢渣是乳酸生產(chǎn)工藝復(fù)分解反應(yīng)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物。乳酸副產(chǎn)石膏的主要成分與天然石膏和脫硫石膏等工業(yè)副產(chǎn)石膏一樣，都是二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)。其物理、化學(xué)特性具有共同規(guī)律，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后同樣可得到五種形態(tài)和七種變體，經(jīng)過煅燒后得到的熟石膏粉和石膏制品在水化動力學(xué)、凝結(jié)特性、物理性能上也無顯著差別。其主要差異表現(xiàn)在原始狀態(tài)、機械性能和雜質(zhì)成分方面，導(dǎo)致其脫水特征、易磨性及煅燒后的熟石膏粉在力學(xué)性能、流變性等宏觀特征有所不同。主要具有雜質(zhì)少、品位高、細度好等優(yōu)點，但也存在附著水高、比表面積小、顆粒級配不好，流動性差、可溶性雜質(zhì)多和質(zhì)量不穩(wěn)定等諸多缺點。利用乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板，必須解決好輸送、計量、干燥、改性、均化等技術(shù)問題。乳酸副產(chǎn)石膏白度較低，一般小于60，不適合生產(chǎn)石膏雕塑、石膏線條等有白度要求的產(chǎn)品。乳酸副產(chǎn)石膏含水量較高，一般是經(jīng)真空帶式脫水后排出，游離水含量10%～12%。乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)的建筑石膏，強度高于一般的天然建筑石膏。而且相比兩者標準稠度相差不大，凝結(jié)時間非常接近。乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)的建筑石膏的結(jié)晶體為柱體，其結(jié)構(gòu)緊密，致密的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)使水化、硬化體有較大的表觀密度，比天然石膏硬化體高10%～20%，因而有較高強度。天然建筑石膏水化產(chǎn)物多為針狀、片狀結(jié)晶，而晶體接觸點間壓力較大，晶體結(jié)構(gòu)較疏松，故硬化體強度較低[1-2]。

目前國內(nèi)生產(chǎn)紙面石膏板大多是以天然石膏為主要原料，我國石膏資源雖然儲量較大，已探明的各類石膏總儲量約為600億t，居世界首位，但優(yōu)質(zhì)石膏資源的量很少，主要是普通石膏和硬石膏，硬石膏占石膏總量的60%以上[3]。因此，我國同時又是石膏質(zhì)量的窮國，優(yōu)質(zhì)石膏資源僅占資源總量的8%，纖維石膏儲量占總儲量的1.8%，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，資源相對不足的矛盾將會日益突出，同時石膏礦山部分礦點已過度開采而接近枯竭，部分礦點由于大量的與低品位石膏礦石混雜而難以分離造成資源浪費。受石膏礦山經(jīng)濟效益影響，天然石膏的價格將會不斷上升。充分利用工業(yè)副產(chǎn)石膏資源，是關(guān)系到我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的問題，利用好了是寶貴的資源，棄置不用是危害環(huán)境的廢渣。通過項目的實施，將乳酸工業(yè)副產(chǎn)石膏當作資源來開發(fā)利用，節(jié)約天然石膏資源，給子孫后代留下美好的生存環(huán)境和寶貴的自然資源[4]。

目前石膏廢渣沒有找到合適的綜合利用途徑，大量的石膏廢渣只能被暫時堆放在廢渣臨時堆場，企業(yè)為此每年要花費大量的處置費用，增加生產(chǎn)成本；此外，渣場的長期堆放不僅要占用大量的土地資源，而且也會帶來環(huán)境污染問題。為了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)，對乳酸石膏廢渣進行綜合利用做到變廢為寶；用其代替天然石膏生產(chǎn)紙面石膏板，將是一條利用乳酸副產(chǎn)石膏的重要途徑[5]。

本研究以“資源綜合利用，保護生態(tài)環(huán)境”為目的，以“堅持以人為本，增強創(chuàng)新能力”為動力，按照“減量化、再利用、資源化”的“3R原則”和“低消耗、低排放、高效率”的基本特征，以企業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的廢棄石膏為原料，研究一套系統(tǒng)、完整的適合乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)普通紙面石膏板的技術(shù)方法，尋找乳酸副產(chǎn)石膏煅燒、石膏板原輔料配比及加工成型、烘干條件等最佳控制條件[6]。為以乳酸副產(chǎn)石膏為原料工業(yè)化生產(chǎn)普通紙面石膏板提供技術(shù)參考。

2　試驗材料、設(shè)備

乳酸副產(chǎn)石膏，金丹乳酸公司乳酸生產(chǎn)過程中副產(chǎn)物；改性淀粉，衛(wèi)輝市通達變性淀粉有限公司；復(fù)合添加劑，公司自主研發(fā)；護面紙，上海迪冉集團鄲城紙業(yè)有限公司；調(diào)凝劑，云南云維股份有限公司；紙纖維，市售；發(fā)泡劑，泰安市奇能化工有限公司；聚氨酯膠黏劑，江蘇省靖江市特種黏合劑有限公司；螺旋干燥機，無錫志邦干燥設(shè)備有限公司；斯德煅燒爐，遼寧東大粉體工程技術(shù)有限公司；石膏板生產(chǎn)線，臨沂遠騰機械設(shè)備有限公司。

3　研究內(nèi)容

3.1乳酸生產(chǎn)副產(chǎn)石膏煅燒處理技術(shù)

該技術(shù)生產(chǎn)紙面石膏板所用原料為乳酸生產(chǎn)副產(chǎn)物工業(yè)石膏，純度>80%，其游離水含量約為20%。需經(jīng)過煅燒后，得到β-半水石膏粉，是生產(chǎn)紙面石膏板的關(guān)鍵步驟。乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)熟石膏粉與天然石膏不同，不需進行破碎和粉磨，只需進行預(yù)干燥和煅燒。技術(shù)研究重點是工業(yè)石膏的煅燒方法和設(shè)備選擇問題、煅燒溫度和時間對紙面石膏板有效成分的影響。

3.1.1工業(yè)石膏的煅燒方法和設(shè)備選擇

目前煅燒方式及設(shè)備有炒鍋、回轉(zhuǎn)窯、管式煅燒爐、氣流式煅燒爐。炒鍋是由最初的手工炒制石膏方式發(fā)展而來，是一種慢燒系統(tǒng)，有間歇式和連續(xù)式兩種系統(tǒng)，熱效率較低。間歇式炒鍋適合于較小規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量低、能耗高，生產(chǎn)條件差；連續(xù)式炒鍋，采用直接加熱必須采用清潔能源，適合較大規(guī)模生產(chǎn)，能耗低、質(zhì)量好，但成本較高?；剞D(zhuǎn)窯是一種慢燒工藝，具有連續(xù)進料、連續(xù)出料的特點[7]。物料在窯內(nèi)停留較長，半水石膏的質(zhì)量能得到保證。但這種系統(tǒng)的設(shè)備較多、流程長、占地大、投資較多、熱耗較大。管式煅燒爐是一種速燒工藝方法，該管式煅燒器氣流溫度為600 ℃。該裝置熱氣流直接與物料接觸，熱效率較高，但要求石膏的成分相對穩(wěn)定，系統(tǒng)的溫度控制及操作要求嚴格。氣流式煅燒爐是一種速燒工藝方法，工藝流程是干燥的石膏粉隨熱氣流吸入煅燒器內(nèi)，由于離心作用，在煅燒器內(nèi)部形成了均勻的石膏料環(huán)。它與熱氣流直接接觸，由于石膏粉與熱氣流之間的相對運動，保證了兩者熱量之間的良好交換。由于細粉料受熱煅燒成半水石膏的速度快，煅燒好的粉料被連續(xù)不斷地進入石膏粉氣流推出煅燒器，隨同一定溫度的尾氣在高效旋風分離器上分離，送入特制的間接加熱裝置中進行穩(wěn)定和熟化處理，排出具有較高溫度的尾氣重新回到干燥階段用于石膏干燥[8]。

根據(jù)乳酸生產(chǎn)副產(chǎn)工業(yè)石膏的含水量大，有機質(zhì)含量高的特性，對以上煅燒方式進行了煅燒溫度600 ℃、煅燒時間1 h、對比半水石膏含量試驗，煅燒效率見表1。

表1　同一煅燒溫度和煅燒時間半水石膏含量對比表

根據(jù)乳酸副產(chǎn)石膏水分含量大的特點采用兩步法干燥煅燒工藝，即對加工的乳酸副產(chǎn)石膏先用螺旋干燥機烘干表面水，再進入氣流式煅燒爐，制成半水石膏。

干燥—煅燒形象流程見圖1。

圖1　干燥—煅燒形象流程圖

3.1.2煅燒溫度和時間對石膏粉有效成分的影響

該技術(shù)采用二步法干燥煅燒工藝，為確定工業(yè)石膏煅燒溫度、煅燒時間等最佳工藝參數(shù)，通過試驗對比，結(jié)果如圖2所示。

圖2　煅燒溫度和時間對半水硫酸鈣含量的影響

由圖2可以看出，在煅燒溫度600 ℃、煅燒時間100 min時，石膏粉半水硫酸鈣含量最高。

3.2添加物對紙面石膏板性能的影響

3.2.1改性淀粉添加量對紙面石膏板性能的影響

為提高紙面石膏板性能，添加改性淀粉，檢測分析斷裂縱、橫荷載，需找出最佳添加量，通過試驗，得到性能曲線，詳見圖3。

由圖3可知，在石膏板滿足斷裂負荷符合GB/T9775-2008標準要求和降低成本的前提下，最佳添加量為0.7%。

圖3　改性淀粉添加量對紙面石膏板的性能影響

3.2.2復(fù)合添加劑添加量對紙面石膏板性能的影響

添加復(fù)合添加劑提高紙面石膏板性能，經(jīng)檢測分析棱邊硬度、端頭硬度，尋找最佳添加量，得到性能曲線，最佳添加量為6%。當添加量>6%時，硬度反而下降。詳見圖4。

圖4　改性淀粉添加量對紙面石膏板的性能影響

3.2.3纖維紙漿添加量對紙面石膏板性能的影響

纖維紙漿提高紙面石膏板性能，經(jīng)檢測分析橫向斷裂荷載和棱邊硬度，尋找最佳添加量，得到性能曲線，最佳添加量為2.7%。當添加量>2.7%時，斷裂荷載、硬度反而下降。詳見圖5。

圖5　纖維紙漿添加量對紙面石膏板的性能影響

3.2.4黏合劑對紙面石膏板的性能影響

黏合劑對建筑石膏硬化漿體的斷裂荷載以及棱邊硬度影響如圖6所示，黏合劑添加量為0.125%時，斷裂荷載以及棱邊硬度最佳，繼續(xù)添加斷裂荷載緩慢增加，棱邊硬度逐步下降。

圖6　黏合劑添加量對紙面石膏板的性能影響

3.2.5發(fā)泡劑對紙面石膏板的性能影響

發(fā)泡劑對建筑石膏硬化漿體的斷裂荷載以及棱邊硬度影響如圖7所示，發(fā)泡劑添加量在0.05%～0.15%時，隨著添加量的增加斷裂荷載和棱邊硬度有所增加，再增加添加量，硬化漿體斷裂荷載隨之減少，棱邊硬度逐步下降。

4　主要解決的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)的創(chuàng)新點

項目采用企業(yè)自主研發(fā)的流態(tài)化燃煤余熱回用煅燒工藝，配合選用自動化國產(chǎn)石膏板生產(chǎn)成套設(shè)備，添加自主研發(fā)的復(fù)合添加材料，以企業(yè)乳酸生產(chǎn)過程中副產(chǎn)石膏為原料生產(chǎn)高強度建筑用紙面石膏板，該技術(shù)成熟先進。工藝技術(shù)和設(shè)備主要創(chuàng)新點如下：①成功研發(fā)復(fù)合添加劑，解決了粉化問題。本項目在原料配方中加入自主研發(fā)的復(fù)合添加劑，固化的硅凝膠能堵塞毛細孔通道，并在護面紙與板芯之間形成了一層黏結(jié)層，增強了護面紙與板芯之間的黏結(jié)性，延長了產(chǎn)品的使用周期。②采用自主研發(fā)的流態(tài)化燃煤余熱回用煅燒工藝，有效降低能耗。乳酸副產(chǎn)石膏煅燒采用自主研發(fā)的流態(tài)化燃煤余熱回用回轉(zhuǎn)窯，煤在流化床中得到充分燃燒，窯尾余熱通過6根螺旋熱管引入窯內(nèi)，使窯內(nèi)各處溫度趨于一致，石膏脫水更加迅速、穩(wěn)定。具有熟石膏相組成合理，物理性能穩(wěn)定、收率高、能耗低的特點。

圖7　發(fā)泡劑添加量對紙面石膏板的性能影響

5　推廣應(yīng)用優(yōu)勢說明

乳酸副產(chǎn)石膏在生產(chǎn)建筑石膏的過程中首先需要脫除附著水，增加部分熱能消耗。但天然石膏需破碎、粉磨，電耗增加，兩者相抵，加工成本基本持平。根據(jù)國家資源綜合利用的有關(guān)政策，利用工業(yè)副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板可以免收增值稅和部分所得稅，再加上河南金丹乳酸科技股份有限公司目前的乳酸產(chǎn)量每年可副產(chǎn)石膏廢渣約46萬t，可就地利用，無需采購。因此，用乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板總成本平均與用天然石膏生產(chǎn)相比可降低30%左右，目前我國普通紙面石膏板的出廠價格一般在5.0～7.5 元/m2，而采用乳酸副產(chǎn)石膏生產(chǎn)紙面石膏板出廠價可控制在4.5元/m2以內(nèi)，經(jīng)濟效益和社會效益將十分顯著。

在石膏粉的煅燒過程中，采用國內(nèi)先進的燃煤流態(tài)化余熱回用煅燒爐進行煅燒，優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了質(zhì)量，節(jié)約了煤資源的利用；在生產(chǎn)過程中添加了自主研發(fā)的復(fù)合添加劑，優(yōu)化了工藝配方，使產(chǎn)品在強度和柔韌度上得到了明顯地提高。紙面石膏板作為一種新型建筑材料，近十年來在我國得到了快速發(fā)展，需求量每年都以20%以上的速度遞增，預(yù)計今年將達到17億m2，今后十年紙面石膏板的需求量仍將持續(xù)高速增長，預(yù)計10年內(nèi)我國的產(chǎn)銷量將達到40億m2以上。因此，紙面石膏板的生產(chǎn)應(yīng)用前景十分廣闊。

6　結(jié)語

研究表明，以乳酸副產(chǎn)石膏為原料生產(chǎn)的紙面石膏板工藝技術(shù)切實可行，產(chǎn)品性能符合GB/T9775-2008標準要求，可完全替代天然石膏。乳酸副產(chǎn)石膏的綜合利用從根本上解決企業(yè)石膏廢渣的堆存壓力，實現(xiàn)變廢為寶，減少環(huán)境污染等問題；同時可有效降低天然石膏在建筑材料方面的使用量，為我國利用工業(yè)石膏廢渣生產(chǎn)輕質(zhì)墻體建筑材料開辟了一條新的途徑。

[1]王祁青.石膏基建材與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[2]賈同春.國產(chǎn)紙面石膏板生產(chǎn)線石膏粉制備工藝探討[J].非金屬礦,1995(6):25-27,46.

[3]李傳熾,李波,俞新浩.紙面石膏板生產(chǎn)技術(shù)更新[J].新型建筑材料,2002(8):38-39.

[4]蔣延華.纖維石膏板生產(chǎn)方法[J].建筑人造板,1994(3):37-38.

[5]馮菊蓮.石膏紙板與紙面石膏板技術(shù)性能關(guān)系探討[J].新型建筑材料,2003(1):9-14.

[6]陳紅霞,馮菊蓮.改性淀粉在紙面石膏板中的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料,2011,38(2):71-73.

[7]凌曉暉,歐躍海,施存有,林楚榮.我國紙面石膏板的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀[J].新型建筑材料,2007(8):1-5.

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Technology Research of Gypsum Board Production by Lactic Acid By-product Gypsum

ZHANG Guoxuan1,LUO Yingdi2,YUAN Lin2

(1.Henan Jindan Lactic Acid Technology Co. Ltd，Dancheng477150，China;2.Henan Chemical Industry Research Institute Co.Ltd,Zhengzhou450052,China)

Waste gypsum residue produced by lactic acid is a by-product in the process of lactic acid production complex decomposition reaction.In order to develop circular economy,build a resource conserving and environment-friendly enterprise,lactic acid gypsum waste residue is comprehensively utilized，and waste to treasure.Meanwhile,in order to reduce the stack handling pressure of gypsum residue dump,reduce the production cost of lactic acid,an important way to produce gypsum board using lactic acid by-product gypsum instead of natural gypsum is developed.

lactic acid；by-product；gypsum；gypsum board

2016-07-25

張國宣(1977-)，男，高級工程師，從事乳酸系列產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)工作，電話：13619899218。

TQ177.36，TQ0921.3

A

1003-3467(2016)10-027-04