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磷石膏还原制硫化钙工艺的优化及研究

作　者: 林胜楠
导　师: 梅毅
学　校: 昆明理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 磷石膏硫化钙高温还原造粒
分类号: X786
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国磷肥行业的不断发展,大量堆积的磷石膏废渣已经成为制约行业健康可持续发展的瓶颈。在我国硫资源十分紧缺的情况下,从磷石膏中利用硫资源,尤其是磷石膏制硫磺或制硫酸,不仅可以有效利用磷石膏,还能从长远上解决我国硫资源紧缺的问题,是最具潜力、总体经济效益最明显的工艺路线。本文开展了磷石膏还原制硫化钙的系统研究,为磷石膏制硫化钙工艺的工业化提供了基础实验数据和理论指导。对磷石膏还原制硫化钙工艺的基础热力学研究表明,通过控制反应温度和保持反应体系稳定充分的CO还原气氛,能实现磷石膏高效还原制硫化钙的工艺过程。对磷石膏还原制硫化钙工艺展开了三种不同物料形态下的实验研究。首先,在物料自然堆放状态下,通过单因素实验考察了煅烧温度、高温煅烧时间、反应物配比和颗粒粒度对还原工艺的影响；通过正交实验获得了最佳的工艺条件：煅烧温度900℃、高温煅烧时间3h、反应物配比C过量25%,还原率为97.30%。其次,进行了物料经压实制块的实验研究,通过单因素实验进一步考察了煅烧温度、高温煅烧时间、反应物配比和颗粒粒度对压实制块还原工艺的影响；通过正交实验确定了最佳工艺条件：煅烧温度900℃,高温煅烧时间2h,反应物配比C过量20%,还原率为98.91%；压实制块实验研究获得了比自然堆放状态下更短的煅烧时间,更低的C过量系数,更高的还原率。最后,为适应今后工业化生产,开展了磷石膏制半水石膏造粒还原工艺研究。造粒还原工艺的还原效率优于自然堆放状态还原工艺,在压实制块还原工艺最优工艺条件下造粒还原工艺的还原率为96.54%,明显优于此工艺条件下自然堆放状态还原工艺的还原率。在造粒还原工艺过程中,早期颗粒强度高,有利于还原反应,后期强度低,出料为粉状,有利于后续硫化钙的进一步利用,为磷石膏还原制硫化钙工艺实现工业化提供有益借鉴。开展了磷石膏还原制硫化钙工艺机理研究,提出了在充分的CO还原气氛下,磷石膏还原制硫化钙工艺反应机理是C与CaSO4的固—固反应和CO与CaSO4的气—固反应的结合,C与CaSO4的固—固反应启动了磷石膏的还原反应,随着CO的生成,推动了CO与CaSO4的气—固反应的进行。物料压制成块状可以使磷石膏与煤粉接触紧密,不仅有利于固—固反应的进行,而且可以在块状物料内部形成“富CO还原气氛”,进而有效地通过气—固反应完成CaSO4向CaS的转化。所以,必须通过CO还原CaSO4才能实现高效还原磷石膏制硫化钙。

全文目录

摘要 3-5ABSTRACT 5-11第一章绪论 11-34 1.1 磷石膏简介 12-15 1.1.1 湿法磷酸工艺 12 1.1.2 磷石膏的化学成分 12-13 1.1.3 磷石膏晶体的物理性质 13 1.1.4 磷石膏的危害 13 1.1.5 磷石膏的预处理 13-15 1.1.5.1 水洗法 13-14 1.1.5.2 石灰中和煅烧法 14 1.1.5.3 煅烧法 14 1.1.5.4 简单中和法 14 1.1.5.5 浮选法 14-15 1.2 磷石膏的综合利用及研究现状 15-27 1.2.1 磷石膏在农业上的应用 15-16 1.2.1.1 磷石膏用作土壤调理剂 15-16 1.2.1.2 磷石膏直接用作肥料 16 1.2.2 磷石膏应用于建筑行业 16-18 1.2.2.1 磷石膏生产石膏系列产品 16-17 1.2.2.2 磷石膏用于水泥行业 17 1.2.2.3 磷石膏用作道路建设材料 17-18 1.2.3 磷石膏用作化工原料 18-27 1.2.3.1 我国的硫资源现状 18-20 1.2.3.2 磷石膏生产硫酸基肥料 20-21 1.2.3.3 磷石膏制硫酸联产水泥工艺 21-24 1.2.3.4 磷石膏制硫脲和碳酸钙 24 1.2.3.5 磷石膏制硫磺工艺 24-27 1.3 磷石膏还原制硫化钙工艺的研究现状 27-28 1.4 磷石膏还原分解相关反应机理的研究现状 28-32 1.5 课题的研究意义和内容 32-34 1.5.1 课题的研究意义 32-33 1.5.2 课题的研究内容 33-34第二章实验方法 34-42 2.1 实验仪器设备及化学试剂 34-35 2.1.1 仪器设备 34 2.1.2 化学试剂 34-35 2.2 实验主要原料 35-37 2.2.1 磷石膏和煤粉 35-36 2.2.2 二水石膏和焦炭粉 36-37 2.3 实验分析方法 37-41 2.3.1 硫化钙的测定 37-40 2.3.1.1 碘量法的测定原理 37 2.3.1.2 实验试剂 37 2.3.1.3 标准滴定溶液的标定 37-38 2.3.1.4 实验操作步骤 38-39 2.3.1.5 碘量法测定硫化钙可行性分析 39-40 2.3.2 磷石膏还原制硫化钙的还原率计算 40-41 2.4 X-射线衍射分析 41 2.5 热重分析 41-42第三章磷石膏还原制硫化钙工艺实验热力学分析与基础研究 42-54 3.1 磷石膏还原制硫化钙工艺相关反应的热力学分析 42-49 3.1.1 磷石膏还原制硫化钙工艺相关的反应 42-43 3.1.2 硫酸钙还原制硫化钙相关反应的热力学分析 43-49 3.2 磷石膏还原制硫化钙过程的热重分析 49-51 3.2.1 硫酸钙还原分解非等温热重分析 49-50 3.2.2 磷石膏还原分解非等温热重分析 50-51 3.3 磷石膏还原制硫化钙工艺的实验设计 51-53 3.3.1 实验设计基础 51-52 3.3.2 实验设计 52-53 3.4 本章小结 53-54第四章磷石膏还原制硫化钙工艺的实验研究 54-71 4.1 自然堆放状态磷石膏还原制硫化钙工艺的实验研究 54-59 4.1.1 实验方法 54 4.1.2 单因素实验 54-57 4.1.2.1 煅烧温度 54-55 4.1.2.2 高温煅烧时间 55-56 4.1.2.3 反应物配比 56 4.1.2.4 颗粒粒度 56-57 4.1.3 正交实验 57-59 4.1.3.1 实验因素水平表的确定 57-58 4.1.3.2 正交实验方案 58 4.1.3.3 正交实验结果分析 58-59 4.1.3.4 验证实验 59 4.2 压实制块磷石膏还原制硫化钙工艺的实验研究 59-65 4.2.1 实验方法 59-60 4.2.2 探索实验 60-61 4.2.2.1 自然堆放状态最佳工艺条件下压实制块对还原率的影响 60 4.2.2.2 物料压实制块与自然堆放状态还原工艺对比实验 60-61 4.2.3 单因素实验 61-63 4.2.3.1 高温煅烧时间 61 4.2.3.2 反应物配比 61-62 4.2.3.3 煅烧温度 62-63 4.2.3.4 颗粒粒度 63 4.2.4 正交实验 63-65 4.2.4.1 实验因素水平表的确定 64 4.2.4.2 正交实验方案 64 4.2.4.3 正交实验结果分析 64-65 4.2.4.4 验证实验 65 4.3 磷石膏造粒还原制硫化钙工艺研究 65-70 4.3.1 实验方法 66 4.3.2 工艺对比实验 66-69 4.3.3 颗粒强度测试 69-70 4.4 本章小结 70-71第五章磷石膏还原制硫化钙工艺的机理研究 71-89 5.1 磷石膏还原制硫化钙工艺的反应机理 71-72 5.2 磷石膏还原制硫化钙工艺反应机理的实验验证 72-74 5.2.1 物料衡算初步验证工艺反应机理 72-73 5.2.2 显微结构对反应机理的验证 73-74 5.2.3 反应产物物相对反应机理的验证 74 5.3 改变实验操作条件对反应机理的验证 74-78 5.4 不同反应条件下产物组成对反应机理的验证研究 78-87 5.4.1 二水石膏和焦炭的非等温热失重实验 78-81 5.4.2 不同温度下反应产物的组成分析 81-87 5.5 本章小结 87-89第六章结论、创新与建议 89-91 6.1 结论 89-90 6.2 创新 90 6.3 建议 90-91致谢 91-92参考文献 92-96附录A 攻读硕士期间发表论文目录 96

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