CC BY
31ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
Научная статья УДК 691.3; 666.9
ГРНТИ: 67.09 Строительные материалы и изделия ВАК: 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_55
К ВОПРОСУ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ГИПСОВОГО КАМНЯ ИЗ ФОСФОГИПСА1
© Авторы 2023 SPIN: 8551-8324 AuthorID: 282921
БУРЬЯНОВ Александр Фёдорович
доктор технических наук, доцент
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (Россия, Москва)
ПОЛУМИЕВ Эдуард Викторович
инженер
ООО «Скайград-Инновации»
(Россия, г. Королёв, Московская область)
Аннотация. Мировая промышленность массово вырабатывает концентрированные простые и сложные удобрения, содержащие Р205 в водно-растворимой форме производимые, как правило, на базе экстракционной фосфорной кислоты, получаемой сернокислым разложением фосфатного сырья. В промышленности России используются только дигидрат-ные и полудигидратные способы, за рубежом - и дигидратно-полугидратные, и полугидратно-дигидратные способы. Получаемые в качестве побочного продукта фосфогипс (ФГ) и фосфополугидрат (далее фосфогипс) являются многотоннажными и весьма обременительными отходами производства. Негативное влияние отвалов фосфогипса на окружающую среду общеизвестно, поэтому скорейшее решение вопросов, связанных с использованием указанных отходов производства, является весьма актуальным. В данной работе рассмотрено одно из направлений использования фосфогипса, как вторичного сырья, в производстве цемента и гипсовых вяжущих. В ходе анализа исследований российских ученых, включающие полупромышленные испытания, получен вывод о перспективности использования фосфогипса как вторичного сырья взамен природного при промышленном производстве искусственного гипсового камня.
Ключевые слова: строительные материалы; фосфогипс; искусственный гипсовый камень; промышленность строительных материалов; вопросы экологии; безотходное производство
Для цитирования: Бурьянов А.Ф., Полумиев Э.В. К вопросу получения искусственного гипсового камня из фосфогипса // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 55-58. do¡:10.51608/26867818_2023_1_55.
Original article
ABOUT PRODUCING AN ARTIFICIAL PLASTER STONE FROM PHOSPHOGYPSUM
© The Author(s) 2023 BURYANOV Alexander Fedorovich
doctor of technical sciences, associate professor
National Research Moscow State University of Civil Engineering
(Russia, Moscow)
POLUMIEV Eduard Viktorovich
engineer
Skygrad-Innovations, LLC (Russia, Korolev, Moscow region
Annotation. The world industry is making a lot of concentrated simple and complex fertilizers with P2O5 in water-soluble form. These fertilizers are usually made with phosphoric acid, which is made by reducing phosphate raw materials with sulfuric acid. In the Russian industry only dihydrate and semi-dihydrate methods are used, and abroad - also both dihydrate-semihydrate and
1 Материалы данной статьи использовались в докладе на Научно-технической конференции «Расширение применения местных сырьевых материалов и отходов предприятий Республики Мордовия, при изготовлении строительных материалов и изделий» (18-19 ноября 2022 г., Саранск, МГУ им. Огарева).
Технические науки. Строительство и архитектура ■
semihydrate ways. Phosphogypsum and phosphosemihydrate (hereinafter phosphogypsum) produced as a by-product are multi-tonnage and very burdensome production wastes. The negative impact of phosphogypsum dumps on the environment is well known, so the early resolution of issues related to the use of these waste products is very relevant. This paper considers one of the uses of phosphogypse as a secondary raw material in the production of cement and gypsum binders. In the course of the analysis of research by Russian scientists, including semi-industrial tests, a conclusion has been made about the prospect of using phosphogypsum as a secondary raw material instead of natural in the industrial production of artificial gypsum stone.
Keywords: building materials; phosphogypsum; artificial plaster stone; industry of building materials; environmental issues; waste-free production
For citation: Buryanov A.F., Polumiev E.V. About producing an artificial plaster stone from phosphogypsum // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Рр. 55-58. (InRuss.). doi:10.51608/26867818_2023_1_55.
В настоящее время во всем мире концентрированные простые и сложные удобрения, содержащие P2O5 в водно-растворимой форме, производятся и будут производиться в основном на базе экстракционной фосфорной кислоты, получаемой сернокислым разложением фосфатного сырья. Образующийся при этом сульфат кальция в зависимости от температуры процесса и концентрации P2O5 в жидкой фазе кристаллизуется в виде дигидрата, полугидрата или ангидрита. Получаемые в качестве побочного продукта дигидрат или полугидрат сульфата кальция в связи с содержанием в них примесей P2O5 (неразложенного фосфата, недомытой фосфорной кислоты, сокристализационного P2O5) называют соответственно фосфогипс (ФГ) и фосфополугидрат. Но при рассмотрении проблемы транспортирования, хранения и использования оба продукта обычно называют фосфогипсом. Фосфогипс является многотоннажным и весьма обременительным отходом производства. На отдельных предприятиях количество получаемого фосфогипса достигло огромных величин, а в целом по стране на сегодня в отвалах скопилось сотни млн. тонн. Вопросы использования фосфогипса становятся все более актуальными по многим причинам:
- транспортирование фосфогипса в отвалы и его хранение в них связано с большими капитальными вложениями и эксплуатационными затратами;
- для создания отвалов фосфогипса приходится отчуждать большие площади, иногда даже обрабатываемых земель; хранение фосфогипса в отвалах, даже при нейтрализации растворимых примесей фосфогипса и правильной эксплуатации отвала, наносит вред окружающей среде.
Негативное влияние отвалов фосфогипса на окружающую среду проявляется в загрязнении атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почвенно-растительного покрова вредными веществами. Поэтому решение вопросов, связанных с использованием фосфогипса является весьма актуальным. Одним из направлений использования фосфогипса как вторичного сырья взамен природного является его применение для производства цемента и гипсовых вяжущих.
Работами, выполненными под руководством П.П. Будникова [1-2], показана возможность получения искусственного гипсового камня из природного гипсового сырья без образования на промежуточной стадии метастабильных модификаций сульфата кальция (полугидрата или ангидрита). Это направление, несмотря на его технико-экономическое преимущество, не нашло развития, на наш взгляд, из-за высоких энергозатрат при помоле природного гипсового сырья, характеризующегося прочностью при сжатии до 80-90 МПа, сложностью прессового оборудования, а также высокой объемной массой изделий.
Ряд из указанных негативных сторон этого направления исключается при использовании вместо природного сырья дисперсных гипсосодержа-щих отходов и, в частности, фосфогипс.
Исследования и разработки по окускованию фосфогипса велись еще в Советском Союзе во ВНИИСТРОМе им. П.П. Будникова, МХТИ им. Д.И. Менделеева, НИУИФ, НИИЦЕМЕНТЕ и продолжаются сегодня [3-6].
Однако разработанные технологические схемы и оборудование для гранулирования и брикетирования фосфогипса оказались достаточно энергоемкими, металлоемкими, требующими значительных капитальных затрат, создания дорогостоящих систем очистки и утилизации сточных вод или дорогостоящих пылеосадительных систем. В результате стоимость получаемого окускованного фосфогипса значительно превышает стоимость природного сырья.
Целью исследований, проводимых группой компаний «Скайград» совместно с НИУ МГСУ является разработка комплексной безотходной промышленной технологии переработки отвалов фосфо-гипса и организация промышленного производства искусственного гипсового камня из фосфогипса, полученного после выделения группового концентрата редкоземельных элементов (РЗЭ), в Московской области на территории отвалов фосфогипса в Воскресенском районе мощностью 150 тыс. тонн в год.
В качестве исходного сырья использован фос-фогипс ПО "Минудобрения" (г. Воскресенск Москов-
ЭКСПЕРТ: ■ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2023. № 1 (20)
EXPERT: THEORY AND PRACTICE
ской области) с влажностью 32%, удельной поверхностью 0,3 м2/г и рН = 1,2 и химическим составом, приведенным в табл. 1.
Таблица 1
Не-растворимый в НС1 AI2O3 Fe2O3 Р2О5 СаО SO3 Вода гидратная CaS04 . 2Н2О (расчетное)
1,12 0,02 0,06 0,91 32,98 45,55 19,45 92,8
В результате проведенных исследований разработаны технологии извлечения РЗЭ, создано опытно промышленное производство (7-10) в г. Королев, Московской области. Образующийся после извлечения РЗЭ фосфогипс, передается на опытно-промышленную линию производства искусственного гипсового камня.
Отфильтрованная после очистки от РЗЭ, фосфора, фтора и нейтрализации влажная пластичная вязкая масса фосфогипса поступает в приемный бункер шнекового дозатора и поступает в сушилку для подсушивания до технологической влажности 1520%. Стабилизированный по влажности ФГ направляется в смеситель-гомогенизатор. Задача данной операции заключается в уплотнении и гомогенизации фосфогипса. В процессе обработки происходит существенное увеличение объемной плотности сырья.
Уплотненный фосфогипс выгружается на ленточный транспортер и подается в бункер-дозатор барабанного гранулятора. В грануляторе происходит окомковывание и уплотнение материала. На выходе гранулятора образуется полифракционный состав гранул в среднем от 5 до 30 мм. Гранулы размером 5-10 мм возвращаются на вход гранулятора для дополнительной грануляции и увеличения размеров. Остальные гранулы подаются в сушилку для окончательной сушки то требуемой влажности. Готовый гранулированный гипсовый камень поступает на склад готовой продукции.
Форма и полифракционный состав продукта (см. рисунок) позволяет использовать для его перемещения нестандартные методы, например, пневмотранспорт, который подает материал трубопроводом на расстояние до 200 м.
Исследование возможности использования полученного на опытно-промышленной установке
Таблица 2. Химический состав искусственного гипса_
ООО «Скайград Инновации» искусственного гипсового камня из фосфогипса в качестве регулятора сроков схватывания проводили на кафедре цемента БГТУ им. В.Г. Шухова
Для проведения испытаний были использованы клинкеры ЗАО «Белгородский Цемент» и АО «Себряковцемент».
Рис. Общий вид гранул фосфогипса
Произведен совместный помол клинкера и гипса в шаровой лабораторной мельнице с остатком на сите №008 не более 7 %. Для сравнения использовали также новомосковский гипсовый камень, применяемый ЗАО «Белгородский Цемент» при производстве цемента.
Проведен химический анализ искусственного гипсового камня (таблица 2), новомосковского гипса (таблица 3) и полученных цементов на себряковском и белгородском клинкере с гранулами и новомосковским гипсом.
Гипс, в пересчете на БОз, вводили в клинкер в 2-х дозировках - 2,35 и 3,7 % (ГОСТ 31108-2016).
Определение сроков схватывания проводили по методике, изложенной в ГОСТ 30744-2001 «Методы испытаний».
Испытания показали, что ввод 3,7% несколько замедляет начало сроков схватывания на обоих клинкерах. Использование новомосковского и искусственного гипса при снижении ввода БОз до 2,35 % не дает отличий в сроках начала и конца схватывания.
Оксиды CaO SO3 SrO MgO SiO2 P2O5 AI2O3 Fe2O3 Другие ппп
масс.% 32,2 43,2 1,53 0,89 0,65 0,34 0,18 0,14 0,42 20,45
Таблица 3. Химический состав новомосковского гипса
Оксиды CaO SO3 SrO MgO SiO2 P2O5 AI2O3 Fe2O3 Другие ппп
масс.% 30,7 42,39 0,0481 2,85 1,12 - 0,32 0,12 0,35 22,1
Технические науки. Строительство и архитектура
ф
Таким образом, регулируя количество вводимого гипса в пересчете на БОз, можно изменять сроки схватывания.
Полупромышленные испытания искусственного гипсового камня были проведены на ряде цементных заводов Центрального региона России, таких как Серебрянский, Подольский и др.
Результаты испытаний в заводских лабораториях подтвердили выводы, сделанные кафедрой цемента БГТУ им. В. Г. Шухова о том, что содержание БОз в гранулах из фосфогипса выше (43,8%), чем в природном гипсовом камне (38%), что позволяет снизить дозировку при помоле цемента.
Также отмечено, что искусственный гипсовый камень из фосфогипса имеет неоспоримые технологические преимущества при транспортировке, подаче и дозировании.
Библиографический список
1. Будников П.П. Избранные труды. Изд. Ак. наук Украинской ССР, Киев, 1960.
2. Гулинова Л.Г., Ипатьева В.А. Гипсовый безобжиговый цемент и изделия. Изд. Ак. архитектуры Украинской ССР, Киев, 1954.
3. Шестаков В.Л., Дворкин Л.И. Возможность гранулирования фосфогипса // Цемент. - 1983. - №7.
4. Бурьянов, А. Ф. Гипс, его исследование и применение - от П. П. Будникова до наших дней / А. Ф. Бурьянов // Строительные материалы. - 2005. - № 9. - С. 40-44. - ЕЭЫ НИБУВ.
5. Михеенков, М. А. Искусственный гипсовый камень на основе фосфогипса / М. А. Михеенков // Цемент и его применение. - 2009. - № 5. - С. 81-84. - EDN KYAVJF.
6. Михеенков, М. А. Производство искусственного гипсового камня / М. А. Михеенков, В. Ким, Л. И. Полянский // Строительные материалы. - 2010. - № 7. - С. 1317. - EDN MTHGBJ.
7. Абрамов А.М., Соболь Ю.Б., Галиева Ж.Н., Галиев Р.С., Сабинина О.Р. Комплексная технология переработки фосфогипса с получением концентрата РЗМ, гипсового вяжущего и строительных изделий на его основе // Редкоземельные элементы: геология, химия, производство и применение: Сб. материалов международной конференции, Москва, 29-31 октября 2012 г. - М.: ОАО «ВНИИХТ», 2012.- С. 41-42
8. Разработка универсальной технологии и оборудования для разделения редкоземельных концентратов в каскадах центробежных экстракторов, освоение производства / Ж. Н. Галиева, А. М. Абрамов, Ю. Б. Соболь [и др.] // Химическая промышленность сегодня. - 2019. - № 3. -С. 54-60. - EDN PALOSI.
9. Патент № 2487834 C1 Российская Федерация, МПК C01F 17/00. Способ извлечения редкоземельных металлов из фосфогипса : № 2011153512/05 : заявл. 27.12.2011 : опубл. 20.07.2013 / А. М. Абрамов, Ж. Н. Галиева, Р. С. Галиев [и др.] ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория Инновационных Технологий". - EDN FPKNXJ.
10. Separating Rare-Earth Elements on Centrifugal Extractors: Developing Technology, Designing Equipment, and Engineering Production / A. M. Abramov, O. I. Volobuev, Z. N. Galieva [et al.] // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2020. - Vol. 54, No. 4. - P. 762-768. - DOI 10.1134/S0040579520040028. - EDN OULLKX.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 17.01.2023; одобрена после рецензирования 16.02.2023; принята к публикации 20.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 17.01.2023; approved after reviewing 16.02.2023; accepted for publication 20.02.2023.
