磷渣制备低温陶瓷基复合材料可行性研究报告.docx

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磷渣制备低温陶瓷基复合材料可行性研究报告

磷渣制备低温陶瓷基复合材料

可行性报告

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1.项目基本信息

（1）项目概述

本项目是利用黄磷炉渣生产CBC复合材料，在前期已经完成小试的基础上，进行中试，并达到20万平米/年仿石材规模化生产。

CBC复合材料是在接近常温下通过物质内部的化学反应固结而成的类陶瓷材料。

其生产过程包括磷渣活化、混凝复合、成型、养护、加工等。

生产过程不需高温烧结，能耗仅为水泥的1/12，不产生二次废弃物。

磷渣利用率达100%，仿石材产品中磷渣量可达95%以上，产品抗压强度为混凝土的2～3倍，其抗渗、耐冻、耐腐蚀、耐水、耐温等也显著优于混泥土，其生产成本不高于混凝土。

CBC复合材料的生产原料可扩展到粉煤灰、煤矸石、矿渣、冶金渣、尾矿、赤泥、城市垃圾、植物剩余物等固体废弃物。

材料的形式除仿石材外，可延伸到低温陶瓷木材、低温泡沫陶瓷、水泥基材料、高分子材料等；产品除仿石材地砖外，可进一步开发窨井盖、落水篦子、给排水管道、化工设备及管道、墙体材料、保温隔热材料、屋面瓦、装饰材料等。

CBC复合材料的原理为工业废渣的规模化和高附加值利用提供了新思路。

通过工业废渣的规模化利用和传统大宗建筑材料的替代，将为我国的生态环境良性循环、资源利用持续不衰的发展战略产生积极有益的贡献。

2.项目技术方案

（1）总体技术方案

CBC是化学结合陶瓷（ChemicallyBondedCeramics）的英文简写，表示一种在接近常温下通过化学反应进行固结的类陶瓷材料。

其基本结构单元为无机的硅—氧四面体与铝—氧四面体，其三维网状结构是由硅铝、双硅铝、三硅铝长链通过共用所有的氧连接起来，因此物质之间以离子键和共价键连接为主，表现出优良的物理力学性能和耐久性。

CBC复合材料不需陶瓷材料的高温烧结，也不需水泥熟料的高温煅烧。

本项目利用云南省堆积如山的固体废弃物—黄磷炉渣制备CBC复合材料，具有原料价格低廉，变废为宝的特点。

根据已经取得的技术成果，主要技术指标与混凝土地砖、天然石材比较如表3。

表3CBC复合材料与同类产品综合比较

产品

性能

混凝土地砖

天然石材（大理石）

CBC复合材料（仿石砖）

抗压强度（MPa）

≤30

65～120

70～120

抗冻性（25次冻融循环）

难合格

好

好

软化系数

＞0.85

＞0.98

0.95

装饰性

颜色鲜艳

古朴庄重（好）

仿石效果好

自然颜色

灰（可调）

青灰

青灰（可调）

耐久性

容易褪色

耐久

耐久

资源消耗

80%以上天然资源

100%天然资源

90%以上工业废渣

使用成本

25～30元/m2

60～90元/m2

30～40元/m2

生产周期

28天

较长

2天

从表看出，CBC复合材料（仿石材）与混凝土地砖相比：

强度高、耐磨性好、耐久、仿石效果好；与天然石材相比，性能基本接近，但应用成本要低得多。

因此与传统材料相比，CBC复合材料具有较高的性价比。

表4是CBC复合材料与传统材料的工艺、能耗和废弃物排放指标对比。

表4工艺和废物排放指标比较

材料

项目

水泥（以孰料占80％为例）

陶瓷（以粘土烧结砖为例）

聚合物基废弃物复合材料

CBC复合材料

天然资源消耗

＞90%

＞90%

＜10%

＜10%

原料成本

较低

高

高

极低

主要工序

两磨一烧

烧结

加热挤出

混凝蒸养

最高温度

＞13500C

＞10500C

＜2000C

＜1800C

电能消耗（kw.h/t）

95～110

11

350

9.4

煤耗（kg标煤/吨）

138.8kg

33

无

11.5

水耗（kg/吨）

100

10

106

废渣排放（kg/吨）

2.0（粉尘）

几乎无

无

无

废水排放（kg/吨）

无

几乎无

7

无

废气排放（kg/吨）

CO2

800

99

50

34.5

S02

0.8

0.19

NOX

1.2

0.285

由表可见，CBC复合材料的主原料是工业废渣，没有高温煅烧工艺，电耗是水泥的1/10，聚合物复合材料的1/35；煤耗是水泥的1/12，陶瓷砖的1/3；没有废水和废渣排放；CO2类工业废气排放是水泥的1/23，砖的1/3。

因此，和传统材料相比，绿色环保，符合我国大力倡导的节能、环保产业导向。

本项目首先选择磷渣作为生产CBC复合材料的主原料，符合云南省的产业发展导向。

云南省是全国黄磷的主要生产基地，2005年，黄磷产能占全国的46%，产量占40%，实际黄磷产量达到39万吨，副产磷渣量约350万吨。

目前除少量被用于水泥原料外，仍主要以堆存为主。

在云南的“十一五”规划中，磷化工是云南优先发展的支柱产业，黄磷产量要占到全国的45%以上，这样磷渣的产量将不断增加，若不利用，将严重污染环境、占用土地和造成可用资源的极大浪费。

而CBC复合材料的技术原理为磷渣这种固体废弃物的资源化找到了一条理想的出路。

生产CBC复合材料的原料来源非常广泛，包括磷渣、煤渣、钢渣、铜渣、氧化铝赤泥、铝矿尾矿等。

另外，本项目生产CBC仿石材，项目完成后可进一步开发CBC仿木材、CBC泡沫材料等。

这些技术都已经完成了小试。

该项目的产品为一种新技术产品，目前尚无质量技术标准，拟通过项目的实施制定企业标准。

（2）项目创新内容

本项目属于技术创新，是一种新材料技术，与之相近的技术是水泥混凝土、陶瓷材料、磷渣砖。

CBC复合材料的生产工艺流程表示如图1：

1CBC复合材料与水泥混凝土比较

材料结构方面不同：

CBC复合材料中物质之间的连接是以离子键和共价键为主，范德华力和氢键为辅；而传统水泥基材料则以范德华力和氢键连接为主。

因此，在同样条件下，CBC复合材料的性能显著高于传统的水泥基材料；另外从两种材料的微观结构也能说明（见图2）：

CBC复合材料致密，没有内外物质交换的通道，因此强度高，耐久性好。

生产工艺不同：

传统水泥要经过两磨一烧；而CBC材料只需一次球磨，无需高温烧结，因此生产周期较短，生产能耗只是水泥的1/12

生产原料不同：

传统水泥大量消耗自然资源（如石灰石、粘土、煤），混凝土也需要砂、石头等天然资源，而CBC复合材料中胶凝材料为活化的磷渣，骨料为粗磷渣，95％以上的原料都是工业废渣，消耗天然资源极少。

产品性能不同：

与传统水泥混凝土比较，CBC材料具有收缩小、强度高、抗渗耐冻、耐腐蚀、耐高温、耐水热、耐久等优良性能。

其强度是普通混凝土的两倍以上。

②CBC复合材料与陶瓷材料比较

生产工艺不同：

CBC复合材料不采用传统陶瓷的高温烧结工艺，其生产能耗远低于高温陶瓷材料。

原料不同：

陶瓷材料的原料种类很多，但一般的主原料以高岭土为代表，以天然资源为主；而CBC复合材料却利用工业废渣为原料。

材料的结构也不同：

陶瓷材料具有晶体结构，晶界是陶瓷材料的薄弱环节；而CBC复合材料的基体是磷渣玻璃体解离、离子重组和缩聚形成的非晶态无机高分子网络，没有明显的晶界，因此其物理力学性能达到陶瓷，甚至高于陶瓷。

基体与骨料之间的连接非常良好，没有明显的界面（见图3）。

CBC复合材料的衍生制品多：

因为没有高温陶瓷的烧结工艺，避免了高温可能对改性材料的热失配和化学不相容，从而可采用无机物、有机物、颗粒、纤维、泡沫对材料进行改性，大大延伸了产品链。

③与磷渣砖相比

磷渣砖是以石灰、砂、磷渣为原料，经过石灰粉磨、配料消化、轮碾、压制、蒸压而成，砖的抗压强度一般为10～15MPa左右，而CBC复合材料不需消化、轮碾、和蒸压，不用石灰和天然砂，只在低于90C的湿热条件下就能完成材料的强化，所制备的材料强度是磷渣砖的5～10倍。

磷渣砖中磷渣主要起骨料作用，掺量一般为40%；而CBC复合材料中的基体和骨料都是磷渣，制品中磷渣的最大使用量高达90%以上（固体物料中95%以上都可采用磷渣）；

磷渣砖的最终水化矿物有氢氧化钙、钙矾石、水化硅酸钙等，磷渣自身的矿物结构没有改变；而CBC复合材料的水化产物没有氢氧化钙、钙矾石等不耐久矿物，而主要以水化硅酸钙、碳酸钙为主，这与磷渣的原始矿物明显不同。

其中水化硅酸钙是由磷渣玻璃体解体形成的，另外在磷渣解体过程中，必然要释放部分Ca（OH）2,一方面和系统中的活性SiO2进行缩聚生成水化硅酸钙，另外，与空气和水中的CO2反应生成碳酸钙，而碳酸钙凝胶可对网络空隙进行填补，增加材料的致密性。

综上所述，CBC复合材料从结构、生产方法、原料配比、性能等多方面都与传统材料不同，具有原始创新性。

CBC复合材料对磷渣的利用效率、产品的附加值和工艺的绿色环保性都比传统技术优越先进。

（3）项目技术现状

固体废弃物资源化是世界各国共同关心的资源和环境问题，并都在努力开发新工艺和新技术。

工业废渣的资源化利用比较广泛的形式如水泥、烧结砖、蒸压砖、砌块、陶粒等。

这些方式技术含量较低，利用效益不高。

目前发展的废弃物复合材料、矿渣微晶玻璃、轻型材料、硅铝铁合金、新型水泥基材料等是废物综合利用向高技术和高效益方向发展的代表性技术。

分别介绍如下：

废弃物复合材料：

产生于20世纪90年代初期的废弃物复合材料是一种固体废弃物资源化的新理念，目前已经开发成功的废弃物复合材料有三种：

以废塑料为基体、铸造废砂为增强材料制备的聚合物基废弃物复合材料；以铸造废砂、石灰为主要原料，采用蒸压工艺制备的硅酸盐基废弃物复合材料；以烧结产生的玻璃体为基体，通过诱发玻璃微分相而产生的微晶和高温不熔颗粒共同强化的玻璃基废弃物复合材料。

这些废弃物复合材料通过替代传统材料如铸铁、混凝土、塑料、陶瓷在市政建设、建筑、矿山行业得到了部分应用，在国内多家企业实现了产业化，显示了废弃物复合材料理论在指导废物利用方面的独特作用。

但是从目前已经开发出的几种废弃物复合材料的形成机理、制备工艺、材料性能上看，还远远不能适应固体废物千差万别、数量巨大、急待处理的特点和高附加值利用的迫切需要，必须拓展研究领域，开发新型的废弃物复合材料。

矿渣微晶玻璃：

1956年美国康宁公司发明了以氧化钛为晶核剂制成了100%的微晶玻璃；1960年前苏联开发出了用矿渣和尾矿制备建筑微晶玻璃；我国在上世纪80年代开始微晶玻璃的研究，并相继在上海、广东、安徽、河北等地实现了产业化。

由于微晶玻璃具有膨胀系数低、能承受急剧的温度变化、强度高、耐磨性好、耐腐蚀，可广泛用于建筑装饰板材、微波炉加热器、茶具、餐具等。

由于微晶玻璃的晶核剂一般为重金属，存在渗出的危险性，而且投资大、成本高、工艺复杂、成品率低下，近年来处于发展徘徊阶段。

多孔轻质材料：

多孔材料因其共有的特征如轻质、比强度高、隔绝性能优良而成为国民经济领域不可缺少的材料，按其本体材料的不同，大致分为玻璃基、硅酸盐基、磷酸盐基、聚合物基、陶瓷基和金属基等几大类。

用工业废渣制备多孔材料的代表性产品有泡沫玻璃、泡沫（加气）混凝土，已经在工业与民用工程得到了广泛应用。

新型水泥：

水泥及其衍生制品是大量消耗工业废渣的主要途径，在国内，主要通过水泥生料配料和混合材的使用达到利用废渣、降低成本的目的，水泥生产的模式没有显著改变。

而在国外，利用工业废渣生产的土聚水泥（法国）、碱激发矿渣水泥（前苏联）、陶瓷水泥（日本）、“pyramentcement”（美国）、“F胶凝材料”（芬兰）已经在核废料固化、道路修补、模具材料、人造石材方面获得了广泛应用。

这些新型水泥的主要原料离不开偏高岭土、矿渣；激发材料离不开强碱和水玻璃。

所制备的混凝土材料抗压强度一般在50MPa以下，依然属于低技术混凝土的范畴。

近年来，我国的一些学者也在这方面进行了跟踪研究，产生了诸如“凝石”、“地质聚合物”