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(xué)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%?？梢姡谖覈?，燃煤發(fā)電還是占據(jù)主導(dǎo)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(guān)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(xué)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(yīng)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(yīng)。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(yīng)，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(dāng)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(xué)反應(yīng)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(fēng)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(guān)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(yīng)，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(dāng)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(yīng)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(shè)計值應(yīng)不低于90%。例如，歐洲石膏協(xié)會就規(guī)定其含量應(yīng)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(xué)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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(xué)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(xué)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)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。