脱硫灰烧成硫铝酸盐水泥过程中硫元素的迁移规律与矿物转化机理

脱硫灰作为干法半干法脱硫工艺中产生的新型固体废弃物，由于硫、钙含量高难以利用而受到普遍关注,但迄今没有高效易施的利用途径。申请人提出了用脱硫灰生产硫铝酸盐水泥的新思路，并通过试验和工业中试证明了该技术可行，但高温煅烧过程中硫元素存在二次析出的可能，硫的迁移规律和脱硫灰系统内各种矿物之间的反应机制及新矿物的形成机理尚待解析。本项目拟研究脱硫灰高温煅烧过程中含硫矿物向高温稳定型矿物硫铝酸钙转化的条件，优化整合硫元素迁移路径，并通过热力学分析和相图计算实现脱硫灰煅烧后新矿物形式和煅烧产物整体性能的预测，完成脱硫灰烧成硫铝酸盐水泥的化学机理描述。通过本项目，可以阐明脱硫灰烧成硫铝酸盐水泥过程中避免硫元素二次污染的条件，完善脱硫灰烧成硫铝酸盐水泥技术的理论，且研究成果对类似脱硫灰成分的资源或废弃物进行高温处置或利用时如何避免硫元素释放和如何实现矿物优化，具有较为普遍的指导和借鉴价值。

脱硫灰作为干法半干法脱硫工艺中产生的固体废弃物，由于硫、钙含量高难以利用而受到普遍关注,但一直没有高效易施的利用途径。项目负责人提出了用脱硫灰生产硫铝酸盐水泥的新思路，并通过试验和工业中试证明了该技术可行。本项目主要开展了脱硫灰烧成硫铝酸盐水泥过程中硫元素的迁移规律和各种矿物之间的化合规律以及新矿物形成机理的研究。所取得的主要成果包括：1）解析了半干法脱硫副产物在硫铝酸盐型胶凝材料烧成过程中硫元素的迁移规律。鉴于半干法脱硫灰中的CaSO3具有不稳定性，对高温煅烧过程中的硫元素迁移规律进行了专门考察，发现气氛对含硫矿物的存在形式影响重要，证明氧化气氛得以充分保证时，脱硫灰中的CaSO3不但不分解，反而在500℃左右能被迅速氧化成CaSO4，CaSO4进而在1000℃以上转变为高温稳定的3CaO•3Al2O3•CaSO4，因此在硫铝酸盐胶凝材料的烧成温度范围内含硫矿物中硫的释放可以有效避免。2）计算获取了硫铝酸盐胶凝材料体系中关键矿物3CaO•3Al2O3•CaSO4的热力学数据。该数据在文献中一直缺乏，严重限制了相关化学反应的热力学计算，也限制了人们对相关反应机理的认识。项目负责人通过对热力学领域的大量检索和调研，采用多种方法比较计算了该矿物的热力学物性参数，获得了优化的标准生成焓、标准Gibbs自由能、标准熵和定压摩尔热容，结果的发表是对硫铝酸钙热物性参数的首次全面报道，为相关计算开展建立了数据基础。3）通过开创性的模拟计算完成了硫铝酸盐胶凝材料体系中关键化学反应机制的阐释。基于3CaO•3Al2O3•CaSO4的热力学数据，扩展了大型热力学计算软件FACTSAGE的数据库，使针对硫铝酸盐胶凝材料体系的模拟计算成为可能，通过对CaO-SiO2-Al2O3-SO3四元系统的研究，系统阐述了涉及3CaO•3Al2O3•CaSO4矿物的化学反应机理与矿物转化机制，该理论成果对硫铝酸盐水泥生产、硅酸盐水泥改性、燃烧过程高温固硫、煤灰矿物优化等多领域的研究均有重要指导意义。.通过本项目研究，共发表相关论文11篇，其中5篇SCI收录；共申请国家发明专利4项，其中１项已授权；培养了博士硕士研究生４名；还与德国Augsburg应用技术大学建立了稳定的合作关系。预期研究目标均已完全达到。项目组正在拓展研究本项目的更深层次问题并在推动该技术的应用。