脱硫石膏是含硫烟气脱硫过程中,通过石灰(石)浆液吸收烟气中SO2产生的一种工业副产品,主要成分二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。社会和工业迅速发展的同时,大量的烟气脱硫装置被广泛地应用,烟气脱硫副产物脱硫石膏的生态循环得到越来越广泛的关注。实现烟气脱硫石膏的资源化综合利用,可以提升烟气脱硫的技术水平,变废为宝,同时优化脱硫行业产业链结构。经过国内外学者多年的努力,脱硫石膏综合利用的一些方法被提出:制粉刷石膏、α石膏;制砖、板等建筑材料;做水泥缓凝剂;做土壤改良剂;制碳酸钙和硫酸铵等,但较多工艺仍未实现工业化应用。其中利用脱硫石膏制碳酸钙和硫酸铵工艺与法本化学工业公司(IG Farben)提出的梅斯贝格过程相似,说明本论文的研究具有一定的理论基础和依据,但由于该公司的研究对象石膏与脱硫石膏在组成、结构、性质等方面存在一定的差异,并且反应环境的不同及过程控制条件的不同,导致反应机制存在一定差异,因此本论文的研究又具有一定的必要性。本论文系统研究了原料脱硫石膏的物理化学性质,对脱硫石膏和碳酸铵体系进行热力学计算,研究固膜扩散控制条件下的反应机制;在一个反应分离设备中进行脱硫石膏制碳酸钙实验,研究该设备中的化学反应特性和分离特性;研究不同添加剂和过程程序搅拌控制对碳酸钙生长成核过程的影响。研究成果如下:1.利用热力学相关知识和Factsage软件计算脱硫石膏制备碳酸钙反应的热力学参数;通过分析该反应相图的变化情况,模拟物相的迁移转化规律,考察该工艺的理论可行性。研究结果显示:脱硫石膏制备碳酸钙的反应为自发的放热反应,升高温度不利于反应的进行;该反应速率常数较大,因此反应生成硫酸铵和碳酸钙的趋势很大;模拟相图分析结果表明,物相变化情况符合工艺要求,该工艺具备理论可行性。2.脱硫石膏与碳酸铵溶液的反应,整个转化体系中阴离子CO32-迁移扩散是关键,C32-逐步与Ca2+生成难溶的CaCO3。随着扩散反应的进行,未反应核(CaSO4·2H2O)逐渐缩小,该反应属于收缩未反应芯模型。当反应时间是2 h;脱硫石膏粒度不大于0.125 mm;搅拌速率不小于250 rpm时,经实验发现,脱硫石膏与碳酸铵溶液的反应过程由化学反应控制变为固相产物层扩散控制。在固膜扩散控制条件下,求得反应的动力学方程及反应速率常数与温度存在的关系。3.在反应分离设备中,一步法实现脱硫石膏与碳酸铵的充分反应和固液相产物碳酸钙和硫酸铵的分离,最优实验结果为:化学反应转化率为83.14%,固液相分离效率为81.83%。通过研究固相碳酸钙的生长过程研究该设备的化学反应特性:碳酸钙晶体逐渐由小颗粒生长成核,固相中的硫元素逐渐被碳元素所取代,碳酸钙由无定型的方解石、球霰石和文石共存体逐渐向稳定单一的方解石型碳酸钙转化。利用计算流体力学(CFD)研究反应分离设备中的分离特性发现:搅拌桨的旋转授予其周围的液固相一定的离心力,固相颗粒由于质量大导致所受重力较大,其所受离心力的作用小于重力作用而逐渐下沉从排料口排出,液相受到的重力作用小于离心力作用而沿排液管排出,进而实现固液相的分离。4.研究添加剂和程序搅拌控制对碳酸钙生长成核过程的影响发现:以二水合柠檬酸三钠和十六烷基溴化铵为添加剂时,所得碳酸钙晶体几乎是单一的方解石型碳酸钙;而添加硫酸所得碳酸钙是方解石、球霰石和文石三种晶型的共存体。对于三种添加剂,最佳的程序搅拌方案均是方案Ⅲ(450rpm→350rpm→250rpm),实验开始前40 min以450 rpm的速率快速搅拌,强化过程的混合与传质,从而提高扩散速率和化学反应速率。然后以350 rpm速率搅拌40 min,为晶型生长成核做准备,实验最后40 min是碳酸钙晶须的生长成核时期,降低搅拌速率,可以促进完整碳酸钙晶型的形成。