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磷石膏及其综合利用的探讨
磷石膏是硫酸法萃取磷酸生产过程的副产品，每生产1t磷酸(P205)将产生4.5～5.5t的磷石膏。磷石膏的大量排放不仅占用大量的土地，还由于磷石膏经雨水长期浸泡，其中的可溶性只P2O5和F等以水体为媒介向环境传递引起土壤、水系、大气的污染。在50年代初我国已开始磷石膏综合利用的研究，取得了一定的成果。
一、磷石膏的特性
1、磷石膏有一定的含水率。磷石膏的含水率一般达到20%～25%。由于其含水率高，粘性强，在装载、提升、输送过程中极易粘附在各种设备上，造成积料堵塞，影响生产过程的正常进行。
2、磷石膏的颜色偏深。纯净的磷石膏是纯白色的，但通常的磷石膏呈深灰色，作为粉刷石膏和装饰石膏将影响外观。主要原因是杂质的影响。
3、磷石膏的表观密度大。磷石膏的表现密度达到1g/cm3，表观密度大对其贮存、生产和产品的性能有一定影响。
4、磷石膏中含有H+、水溶性P205、F等杂质,且pH值一般在1.5～4.5之间，呈酸性。 
磷石膏与天然石膏的最大不同在于磷石膏含有某‰些杂质，而这些杂质对石膏制品的性能造成不同程度的危害。
二、磷石膏综合利用的主要途径
1、磷石膏制琉铵和碳酸钙
利用氨和二氧化碳将磷石膏转化成琉铵与碳酸钙作为成品直接外销，在国外是较为成熟的技术。
该法的优点是部分碳铵产品转化为硫铵易于外销，磷石膏不需要堆场，也不需要外运。缺点是：流程长，设备多，投资较大。并对磷石膏的质量有一定要求。
2、制硫酸联产水泥
因国内的硫资源比较短缺，随着湿法磷酸的发展，又必须耗用大量的硫酸的情况下，将磷石膏制取硫酸并联产水泥无疑是一条既可弥补硫资源不足，又能解决磷石膏出路，使资源得到综合利用的有效途径。目前，我国已在鲁北企业集团等多家企业建成磷石膏制硫酸联产水泥的“三、四、六”工程，通过多年的实践，技术已趋成熟。
该法的优点：增加硫酸产量，使磷酸生产使用的硫酸有85%～90%自身循环，磷石膏不需要堆场，也不需要外运。缺点是：流程长．设备多，投资大，并对磷石膏的质量有一定要求。据对磷石膏生产硫酸联产水泥的“三、四、六”工程测算，工程总投资在1亿元人民币左右，处理磷石膏约100kt/a。
3、直接施用以改良碱性土壤 
磷石膏pH值为1.5～4.5，直接施用可改良碱性土壤，同时磷石膏中还含有少许植物生长所需的磷、硫、钙、硅、锌、镁、铁等成分。
4、制磷石膏增强球作水泥缓凝剂
在国外采用磷石膏作为水泥缓凝剂已成为磷石膏的主要利用途径之一。我们曾进行过磷石膏作硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥缓凝剂的研究，结果其制得的水泥性能和添加天然石膏制得的水泥性能相当，XRD物相分析其水化物完全相同，其掺入量比天然石膏略低，平均为4%。
由于磷石膏的特性(含水率高、表观密度大)，在生产过程中常发生堵料现象，所以不能被水泥生产企业特别是中大型生产企业所接受。
为了适应水泥生产企业以块状天然石膏作水泥缓凝剂的贮存、运输及计量条件，同时使磷石膏质量更稳定，需要对磷石膏加以造粒成型后作为商品缓凝剂供应给水泥生产企业，这种做法在国外较为普遍。通过对水泥生产企业的调查和铜化集团的生产实践证明，水泥缓凝剂石膏增强球由于不影响水泥的性能，并且可降低水泥的生产成本等优点，受到水泥生产企业的普遍欢迎。
该法的特点是流程简单，设备少，投资省。
5、制建筑石膏粉
在制取水泥缓凝剂的基础上，我们进一步开发完成了制建筑石膏粉工艺，生产的建筑石膏粉可制取各种石膏制品，如纸面石膏板、纤维石膏板、石膏砌块、粉刷石膏等。
该法的特点是流程简单，设备少，投资省。
6、其它用途 
可作为铺路及低级建材等用途。
三、制水泥缓凝剂及建筑石膏粉工艺的特点(以铜化集团100kt/a磷石膏制水泥缓凝剂为例)
磷石膏制缓凝剂具有如下特点：
（1）磷石膏的干基SO3含量高(超过40%)，缓凝效果好； 
（2）物理形态为粒球状，强度适中，颗粒直径为5～25mm，方便电子称料，均匀配料，下料容易。不堵料； 
（3）本产品在水泥生产过程中无需破碎，减少了人员、破碎系统的电耗及维修费用；
（4）磷石膏中的SO3含量较天然石膏高，使用量较天然石膏少；
（5）本产品的价格较天然石膏低，用于水泥添加剂能相应减低水泥的生产成本。
1、工作原理 
磷石膏与天然石膏有一定的区别，但从根本上讲，由于它们的主要成分相同，并且磷石膏主要成分含量更高，故磷石膏是一种比天然石膏更好的胶凝材料。磷石膏要处理成建筑石膏，一般要经过洗涤、预处理、干燥和燃烧等过程。
磷石膏呈粉末状，含水20%～25%，但本身并无胶结性能，需外加部分比例的胶结成分在一定条件下成粒。为保证磷石膏本身的组分，并利用现有的廉价资源，我们采用把部分磷石膏在高温烟气中脱水成半水石膏，再将半水石膏掺人磷石膏，利用其吸水性产生的胶凝作用，在成粒机械中胶凝成水泥缓凝剂增强球，供水泥生产企业用。 
从成粒机械中产生的成型增强球粒径为5～25mm，成球后一次破碎率较低(＜20%)，经3～4天的自然风干后其强度可达到大规模搬运而不破碎的要求。即使是刚成型时破碎的颗粒，也不再呈粉末状而呈粒径大小不一的颗粒，完全能满足水泥生产企业下料口不堵塞的技术要求。
2、主要流程简介
（1）物料流程
经过预处理的磷石膏通过皮带机进入石膏料仓，经过计量后进入单转子锤式烘干机及气流干燥管，和热气流充分接触脱除游离水和大部分的结合水(锤式烘干机的出口温度约160～1700C)，制得半水石膏，这部分熟石膏粉经过旋风除尘器、布袋收尘器和气流彻底分离，熟石膏粉和原料二水石膏混合后进入圆盘造粒机造粒，得到水泥缓凝剂成品。 
如用于制备建筑石膏粉，则原料磷石膏必须经过水洗等预处理，以除去其中的可溶性磷等有害杂质，然后制得半水石膏，半水石膏进入成品稳定器进行成品转型后，得到符合建筑石膏要求的熟石膏粉，供制取后续产品使用。
（2）气体流程 
由燃烧炉产生的高温烟气进入锤式烘干机和原料磷石膏充分接触换热(出口温度约160～1700C)，携带磷石膏的热气流经过布袋收尘器分离出熟石膏粉，分离掉熟石膏的热气流经过引风机牵引直接排空。
3、本工艺的特点 
与传统的工艺相比，本工艺(锤式烘干机+气流干燥管工艺)具有如下特点： 
（1）设备占地面积小，单台生产能力大、装置易于大型化。如目前国内较先进的建筑石膏生产线由Φ3000mm的连续炒锅和由Φ4000mm的沸腾炉工艺线，其单机生产能力仅30kt/a，而3000mm×4000mm的锤式烘干机单机生产能力超过100kt/a。上海博罗公司单台双转子锤式烘干机处理量达35t/h。 
（2）流程简单，主设备不易损坏。如锤式烘干机仅叶轮为传动部件，其他为静止部件；并且，其工作温度铰低(低于2000C)，在铜化集团使用的实践证明其可靠性极高。 
（3）操作简便，自动化程度高。该流程简单，涉及的介质少，仅有热气流和石膏，并且，因其连续操作的特性，只要控制一个温度，其它均可相应得到控制，故（4)换热效果好，能耗低。热能：由于在该流程中物料和热气流直接充分接触，换热效率更高。能源损失更少。电耗：采用该流程，生产能力100kt/a，其装机容量仅400kW，耗电省。
（5）产品质量稳定。由于采用低温热源，熟石膏不易过烧，同时采用成品稳定器使熟石膏粉进一步转型。其操作稳定可靠．得到的产品质量也更稳定。 
（6）投资省、生产费用低。Φ3000mm的连续炒锅和由Φ4000mm的沸腾炉工艺路线设备投资分别为360万元和250万元，装机容量分别为550kW和460kW。而单机生产能力超过100kt/a的锤式烘干机包括其他设备投资460万元，并且其装机容量仅400kW，故其投资更省，操作费用更低。 
（7）产品多样化。通过锤式烘干机制得半水石膏后，可制水泥缓凝剂增强球，也可以制得熟石膏粉后制造多种石膏制品。
四、主要原辅材料消耗 
采用该流程的主要消耗为：原料石膏(含水12%)1.0t/t水泥缓凝剂：总装机容量约400kW，耗电18(kW•h)/t水泥缓凝剂；水250kg/t水泥缓凝剂；耗煤约50kg/t水泥缓凝剂。
五、投资情况 
以100kt/a水泥缓凝剂的生产规模为例，包括工艺设备、电气仪表、厂房建设、公用设施、设备安装、技术转让等工程建设总费用约850万元,厂区占地面积约8000m2，建设期约8个月。
六、存在的问题和探讨 
（1）磷石膏制水泥缓凝剂，虽然附加值不高，利润也不可观，但却不失为大规模处理磷石膏主要途径之一，并且其投资低，加之廉价的石膏资源极易得到，故仿效者肯定不少。 
（2）大量廉价的磷石膏进入水泥生产企业，必然引起天然石膏在水泥中的价格波动，招致竞争对手。但从经济的角度分析，除个别几乎无运输成本的水泥厂能得到廉价的天然石膏外，磷石膏替代天然石膏产生的经济效益的诱惑力是绝大多数企业不能不考虑的因素。从目前的价格来看，天然石膏即使降价也很难摆脱失去大部分市场的命运。 
（3）由于产品附加值低，其运输距离成了其效益好坏的关键因素之一。也就是说周围水泥生产企业生产能力的大小对该工程上马后的效益产生很大的影响。
七、结束语
（1）开发的废渣磷石膏的利用技术，将其变废为宝，既减轻了废渣堆放占用土地的压力，以免造成二次污染，同时还可以保护自然资源，增加建筑材料。
（2）在环保要求日益严格的今天，磷石膏的出路日益受到重视。我院自主开发设计的锤式烘干机+气流干燥管流程是一种新型高效煅烧石膏的专用流程，它有别于目前国内传统的石膏煅烧流程，在铜化集团公司的成功应用，证明它投资低，性能可靠，是大规模处理磷石膏等化学石膏的理想途径。 
（3）在水泥生产比较集中而天然石膏馈乏的地区，建成水泥缓凝剂生产线是磷石膏的最佳出路。
（4）利用三废治理的优惠政策，降低其生产成本，将使其销售价格明显低于天然石膏的销售价格，从而大大提升其市场竞争力，为企业带来明显的经济和社会效益。