燃煤電廠脫硫石膏的產(chǎn)生及綜合利用

劉顯麗

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

我國是世界第一大煤炭消耗國，根據(jù)BP 世界能源統(tǒng)計年鑒報告，2020年中國燃煤發(fā)電占中國發(fā)電量的63.2%，中國燃煤發(fā)電量占全球燃煤發(fā)電量的52.2%；中國燃煤發(fā)電量占全球發(fā)電總量的18.3%。可見，在我國，燃煤發(fā)電還是占據(jù)主導地位。以內(nèi)蒙古為例，內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)有60多座燃煤電廠，大部分在600MW 以上，其中托克托電廠的發(fā)電量更是達到了6 720MW。燃煤電廠消耗了大量的煤炭資源，燃煤后產(chǎn)生的硫化物、硝化物都需要經(jīng)過處理，煙氣脫硫基本都是采用濕式石灰石-石膏法工藝，這個過程中會產(chǎn)生大量的脫硫石膏。目前我國脫硫石膏年產(chǎn)量已達8 000萬t，不僅需要大片的場地堆放，還會在堆放過程中對環(huán)境造成二次污染，如何做好脫硫石膏的資源再利用，是迫切需要關注的問題。首先從燃煤電廠脫硫石膏產(chǎn)生進行論述，探討脫硫石膏的物理化學屬性，并進一步分析脫硫石膏的各種再利用方式。

1 燃煤電廠脫硫石膏的產(chǎn)生分析

目前國內(nèi)的電廠在處理二氧化硫煙氣時，主要采用的都是石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，該技術(shù)的基本工藝流程如圖1所示。

圖1 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝流程

濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫過程反應如下：

這其中，包含了二氧化硫的吸收、碳酸鈣的消溶、亞硫酸鹽的氧化、石膏結(jié)晶等反應。該技術(shù)是目前世界上最成熟穩(wěn)定的脫硫技術(shù)，脫硫效率能夠達到95%以上，適合多種不同的煤質(zhì)。一般來說，該技術(shù)是利用石灰石漿液洗滌煙氣，將煙氣中的二氧化硫與石灰石漿液進行充分混合反應，生成硫化物結(jié)晶，實現(xiàn)脫硫的目的。其中，脫硫后的副產(chǎn)物還能被綜合利用，產(chǎn)生新的價值。

綜上可知，濕式石灰石-石膏法主要由煙氣系統(tǒng)、吸收劑制備系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、氧化系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)等組成。

1.1 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)是煙氣的一系列處理過程，標識了煙氣的流動工程。通過與FGD 系統(tǒng)的接入和分離，實現(xiàn)由原煙氣到凈煙氣排放。煙氣經(jīng)過除塵后，在換熱器中降溫，當煙氣溫度低于100℃后，進入脫硫塔，煙氣中的二氧化硫與塔中的碳酸鈣以及氧氣進行化學反應脫除二氧化硫，脫硫后，凈煙氣溫度通常會降到50℃以下，再次脫水升溫氣化后，排入大氣中。煙氣系統(tǒng)流程為：除塵→煙道進口→增壓風機→GGH 原煙側(cè)→吸收塔→GGH 凈煙側(cè)→煙道出口→煙囪。

1.2 吸收劑制備系統(tǒng)

石灰石價格低、儲量大，是吸收劑的最佳材料。一般在FGD 系統(tǒng)中，石灰石的顆粒度在200～400目，氧化鈣含量高于50%。在石灰石漿液制備系統(tǒng)中，先將石灰石研磨成粉末，然后再制作成濃度為20%～30%的石灰石漿液。吸收劑的制備關鍵是石灰石的粒徑要控制在適宜的范圍內(nèi)，否則對石膏晶體的粒度和純度都會產(chǎn)生較大的影響。

1.3 SO2吸收系統(tǒng)

煙氣中含有的硫氧化物和煙塵被吸收和捕集，煙氣得到凈化。作為煙氣的主要成分，二氧化硫與石灰石漿液反應，生成了結(jié)晶的石膏，其余的無害廢氣則在脫水后，升溫排出。煙氣流量、二氧化硫的濃度、漿液的濃度等都會影響吸收效果。

1.4 氧化系統(tǒng)

1.5 石膏脫水系統(tǒng)

常用的石膏脫水系統(tǒng)如圖2所示，主要由排漿泵、旋流器、真空脫水機組成。當吸收塔底的漿液固態(tài)量為8%時，經(jīng)過一級旋流器將石膏等殘留物分離出來，受重力自動進入溢流箱，然后再利用溢流泵返回吸收塔，直到旋流器中的固態(tài)量達到約50%時，石膏旋流站底流漿液利用真空脫水機脫水后，送入石膏倉。

圖2 石膏脫水系統(tǒng)

從反應式中看出，CaSO4·2H2O 是脫硫石膏的主要產(chǎn)物和指標，理想的石灰石-濕法煙氣脫硫裝置中，CaSO4·2H2O 設計值應不低于90%。例如，歐洲石膏協(xié)會就規(guī)定其含量應超過95%，但我國目前的脫硫石膏中，CaSO4·2H2O 的含量普遍低于90%。這對于我們后續(xù)的工藝改進也提出了需求。

2 脫硫石膏的特性

煙氣脫硫石膏的顆粒較細，主要成分為二水硫酸鈣（＞90%），平均粒徑30～60μm，形狀為多柱狀，長度與粒徑的比值在1.5～2.5。顏色上，脫硫石膏多為白色、白灰色，其中，還有飛灰、碳酸鈣等顆粒更小的雜質(zhì)。這種特性顯然與天然石膏恰恰相反。天然石膏中細小顆粒為石膏，具有更好的漿液流變性，品容適中。表1給出了一組天然石膏和脫硫石膏的具體數(shù)值對比。

表1 天然石膏和脫硫石膏的顆粒度分布對比

表2 脫硫石膏和天然石膏的化學成分及細度

相對于天然石膏，總結(jié)出脫硫石膏的特點如下：

2.1 脫硫石膏的顆粒特性

天然石膏均為單斜晶系，大部分呈六角板狀，少數(shù)為棱柱狀。脫硫石膏晶體雖然很大比例上是單獨存在的晶體，形狀完整均勻，但也會有雙晶態(tài)的狀態(tài)。另外，除了六角板狀外，還有菱形和短柱狀晶體。脫硫石膏晶體相比天然石膏的晶體粒度很細，這也為后續(xù)的利用帶來了問題，還需要考慮晶體顆粒太細而導致的流動性和觸變性。

2.2 脫硫石膏的含水量

天然石膏的含水量一般都低于10%，而脫硫石膏的含水量多在10%以上，甚至達到20%。較高的含水率導致了脫硫石膏的黏性較高，裝載、提升、運輸?shù)倪^程中，容易發(fā)生堵料、黏附等問題，影響正常的生產(chǎn)。

2.3 脫硫石膏的顏色

天然石膏一般是白色，當然，工藝精良產(chǎn)生出質(zhì)量優(yōu)良的脫硫石膏也是純白的，但是，相當多的脫硫石膏顯示出黃色、深灰色等，這樣的顏色顯然不適合做裝飾石膏使用，導致顏色較深的原因是煙氣除塵不凈，雜質(zhì)較多。

2.4 脫硫石膏的化學成分

脫硫石膏可溶性的鹽離子和氯離子占比較大，雜質(zhì)成分包含飛灰、無機鹽、金屬離子等，組成復雜，用于建筑時可能出現(xiàn)表面泛霜、黏結(jié)力降低等問題。

3 脫硫石膏綜合利用的途徑

脫硫石膏的用處眾多，在建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)都有廣泛的應用前景，用脫硫石膏可以制備石膏板、石膏砌塊、石膏條板、水泥緩凝劑等，也可以制作硫酸鈣晶須用于制造業(yè)，還可用于農(nóng)業(yè)中改善土壤，下面分析幾種典型的綜合利用。

3.1 制備石膏板

石膏板是最常見的建筑材料，其生成工藝簡單、保溫耐熱性好、質(zhì)量輕、價格低，相比于磚瓦，同樣硬度下厚度僅為磚塊的1/15，而導熱系數(shù)僅為磚瓦的1/6，遇火還能釋放出化合水降溫，非常適合用于替代磚塊來做隔墻等建筑材料。石膏板是在熟石膏中加入纖維和添加劑，用板紙覆蓋于表面，工藝流程簡單，主要包含澆注、凝結(jié)、切斷、烘干等步驟，可分為普通型、防水性、耐火性三種。

脫硫石膏想要制作成石膏板，需要先煅燒成β型半水石膏，然后再經(jīng)過石膏板制作的摻雜、澆筑、凝結(jié)、切斷、烘干等就可完成。在脫硫石膏煅燒過程中，影響煅燒物質(zhì)量的主要有氯離子、水溶性鹽離子。高濃度的離子雜質(zhì)會改變石膏板成型的時間，進而影響其強度。而在石膏板干燥過程中，水溶性鹽離子會逐漸聚集到石膏板表面，時間長了以后，發(fā)生堿化造成外觀不平整，既不能很好的粘黏貼合板紙，又影響石膏板的美觀。脫硫石膏中的Cl-、鈉鹽、鎂鹽等主要來自飛灰，為了后續(xù)保障石膏板的性能，需要在脫水的濾餅沖洗階段盡量降低無機鹽的濃度。

3.2 制備水泥緩凝劑

水泥生產(chǎn)中摻入1-4%的石膏，可以起到調(diào)節(jié)凝結(jié)時間、增加水泥強度的作用，同時，還會減低水泥的干縮程度，提高水泥的抗凍性、穩(wěn)定性。

脫硫石膏因為本身的粒徑較小，在當作水泥緩凝劑時，不需要再進行研磨，并且，經(jīng)過嚴格制備的脫硫石膏中的CaSO4·2H2O 含量能達到90%以上。這比天然石膏性能相差無幾甚至更優(yōu)，對于水泥的細度、凝結(jié)時間、抗壓抗折等都沒有損耗，且能降低能耗。因此，脫硫石膏可以直接用于水泥緩凝，對于建筑行業(yè)來說具有重要的利用價值。

3.3 制備硫酸鈣晶須

硫酸鈣晶須是一種用途較多的化學制品，可用于造紙、橡膠、PVC 等制造方面。例如，硫酸鈣晶須與橡膠聚合物具有很強的親和力，可形成抗高溫、耐化學腐蝕的綠色環(huán)保材料，用于制造業(yè)和建材行業(yè)。

脫硫石膏在合理的制作工藝下，可以像天然石膏那樣產(chǎn)出硫酸鈣晶須，當然，目前利用脫硫石膏制備硫酸鈣晶須的技術(shù)和工藝要求較高，對于反應的溫度、時間、石膏的粒度、環(huán)境的pH 等都有嚴格的要求，還處于待發(fā)展階段，將來會具備更好的市場潛力，創(chuàng)造出更好的市場價值。

3.4 制備粉刷石膏

粉刷石膏是一種新型的高效節(jié)能環(huán)保材料，可用于底層、面層和保溫層的墻體抹灰。比水泥砂漿更具有黏結(jié)性，可用的基材更多，同時，也有石膏材料固有的質(zhì)量輕、防火、耐高溫、易吸收等優(yōu)點。

用脫硫石膏生產(chǎn)的石膏粉粒度小且強度高，非常適合制備粉刷石膏。制作粉刷石膏與制作石膏板類似，也是先將脫水石膏煅燒成β 型半水石膏，然后再加入纖維、黏結(jié)劑等其他外加劑制備而成。我國的脫水石膏在制備中白度略差，后續(xù)在此方面提升工藝后，還可以創(chuàng)造更多的價值。

4 結(jié)語

隨著濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)的廣泛應用，我國脫硫石膏產(chǎn)量增長快速，但目前的利用率還比較低，尤其是在經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，石膏消耗很少，是迫切需要關注的問題。未來在脫硫石膏的生產(chǎn)和綜合利用上，還具有很多的應用市場可以挖掘，在建筑業(yè)、建材業(yè)、制造業(yè)、工農(nóng)業(yè)中創(chuàng)造更多的價值。