磷石膏是工业湿法生产磷酸的副产物,其主要成分为CaSO4·2H2O,并含有P2O5、F-、有机物、微量重金属以及其他的一些杂质。目前,在全球范围内,大约有15%的磷石膏作为资源被回收利用,主要应用在农业、建材业和水泥缓凝剂等方面,但是,仍有85%的磷石膏作为固体废物被堆放处理,不仅占用土地资源,而且会对周围的环境造成严重的污染。经过国内外学者多年的研究,多集中于将磷石膏作为石膏板等石膏建材和磷石膏制硫酸联产水泥工艺。磷石膏制硫酸联产水泥工艺能将磷石膏变废为宝,用于生产水泥熟料和硫酸,不但能够大批量地利用磷石膏,减少其堆积和污染,而且能够减少对石灰石原料和硫矿资源的开采,具有一定的环境和社会效益。但是在使用该工艺时,也存在着明显的不足,在技术和经济效益方面还有许多问题亟待解决。从国内外建成的磷石膏制硫酸联产水泥工艺的生产线来看,主要存在着以下几个方面的问题：一是磷石膏所含杂质较多,原料成分变动较大,不易工业中的生产控制；二是熟料烧成温度高,系统能耗大,回转窑中容易结圈、粘结甚至堵塞,影响工艺的正常运行；三是生产出的熟料安定性差,质量不稳定。为了降低利用磷石膏烧制水泥熟料的能耗,解决磷石膏的分解和熟料的烧成等问题,本论文以磷石膏、活性炭和粉煤灰为主要原料,在1200℃低温煅烧(相对于熟料的烧成温度1450℃)的条件下,按照一定的配比进行混合煅烧,再将煅烧后的试样同纯硅酸盐水泥熟料进行混合,制备出一种高性能煅烧高硅磷石膏基水泥。在煅烧过程中,磷石膏的分解产物CaO与粉煤灰中的SiO、Al2O3、Fe2O3等活性物质反应生成各种有助于提高其硬化浆体强度的硅酸盐矿物和铝酸盐矿物。适量的碳组分有助于在煅烧过程中形成还原气氛,促进磷石膏的分解,而部分未分解的CaSO4还可以充当水泥缓凝剂,减少或不用外掺天然石膏,不但能够提高水泥的强度,还能够节约资源,带来经济效益。本论文采用正交试验的方法对制备高性能煅烧高硅磷石膏基水泥进行了探索研究。由于低温煅烧制备磷石膏基水硬性胶凝材料中的矿物组成同普通硅酸盐水泥熟料中的矿物组成存在着一定的差异,故在本正交试验中以水硬系数(HM)来代替石灰饱和系数(KH)作为生产控制指标。在正交试验中,以煅烧温度、保温时间、活性炭掺量和HM作为正交试验的四个因素,对高性能煅烧高硅磷石膏基水泥的反应条件进行了研究。结果表明,当煅烧温度为1200℃、保温时间为30min、活性炭掺量为10%以及HM为13时,高性能煅烧高硅磷石膏基水泥的早期强度和后期强度都较高。在实际工业生产中.可以将HM作为主生产率值,SM作为辅助率值。本论文对正交试验中抗压强度典型试样进行了XRD分析。结果表明,抗压强度较高的试样中普遍存在的活性矿物有硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)、铝酸二改(C2A)和钙铝黄长石(C2AS)等。其中,C3S和C3A的水化速度较快,对于硬化浆体的早期强度有着显著的贡献；在低温煅烧条件下生成的 C2S,活性较高.水化速度正常,对于硬化浆体的早期强度和后期强度都有着较大的促进作用；C2A和C2AS属于弱水硬性矿物,水化较慢,对于早期强度的提升无明显贡献,但对于后期强度有着一定的促进作用。本论文还通过XRD、SEM和EDS微观分析手段对高性能煅烧高硅磷石膏基水泥的水化产物进行了研究分析。结果表明,硬化浆体主要由Ca(OH)2、C-S-H凝胶、水化钙铝黄长石(C2ASH8)、钙矾石(AFt)以及水化氧化铝凝胶组成,在整个结构中,以AFt作为网状骨架,其中填充了大量的C-S-H凝胶和水化氧化铝凝胶,形成了致密的结构,使得水泥的宏观表现为抗压强度高。本论文模拟了实际工业生产中的情况,采用等温法对磷石膏—活性炭—粉煤灰体系进行了热分解反应动力学的研究。将S03含量作为分解率的评价标准,对磷石膏—活性炭—粉煤灰体系的指前因子和表观活化能进行了计算,确定了该体系的最概然机理函数。结果表明,磷石膏—活性炭—粉煤灰体系分解的表观活化能为313.78～338.42KJ·mol-1,指前因子1nA为22.22～24.10s-1,最概然机理函数为代表随机成核和随后生长性质的Avrami-Erofeev方程(n=2)。本论文对煅烧制备高性能煅烧高硅磷石膏基水泥时产生的烟气量及其烟气中SO2的含量进行了分析计算,并提出了一个合理的回收方案。结果表明,在煅烧制备高性能煅烧高硅磷石膏基水泥时,每生产1kg的熟料产生的烟气量为1.11Nm3/kg,其中SO2的浓度为14.95%；同时通过分析表明,湿法有机胺脱硫技术,是一种新兴的绿色烟气脱硫工艺,其脱硫剂的循环再生利用,不但对环境的二次污染较少,而且能降低运营中的成本,设备简单,操作流程简便,具有较高的经济合理性和技术可行性,可以作为回收处理煅烧制备高性能煅烧高硅磷石膏基水泥时产生的SO2的方法。本论文针对了磷石膏目前难以得到有效资源化利用的现状,提出了一种在低温煅烧的条件下,制备高性能煅烧高硅磷石膏基水泥的方法。该法具有能耗低、设备简单、操作简便的特点,克服了传统磷石膏制硫酸联产水泥工艺中的种种不足,并从微观和动力学角度阐释了高性能煅烧高硅磷石膏基水泥高强的来源,完善了其制备的理论基础,为下一步进行工业化应用和推广奠定基础。