寧夏脫硫石膏固廢利用現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展方向*

關(guān)英林，鄒承君，楊寶平，康亞明

（1. 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏躍元工程有限公司，寧夏 固原 750000；3. 北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

寧夏脫硫石膏主要來(lái)源于燃煤電廠的煙氣脫硫工藝，是鍋爐尾部煙氣濕法脫硫處理后所得到的固體副產(chǎn)品，其主要成分為CaSO4·2H2O，電力行業(yè)是該地區(qū)產(chǎn)生脫硫石膏的重點(diǎn)領(lǐng)域。脫硫石膏的廢棄堆存，不僅占用了大量土地，而且污染土壤和空氣［1］。隨著脫硫石膏產(chǎn)量的逐年提升，相關(guān)決策部門(mén)制定了多項(xiàng)政策法規(guī)支持脫硫石膏的資源化利用［2-3］，這對(duì)我國(guó)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)起到促進(jìn)作用，并且符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，必須提高脫硫石膏的資源化利用率，盡可能早實(shí)現(xiàn)脫硫石膏完全代替天然石膏。

2 寧夏脫硫石膏產(chǎn)量及利用情況

2021年正式公布的寧夏化工園區(qū)名單中包括2個(gè)化工園區(qū)，8個(gè)化工集中區(qū)，其中2個(gè)化工園區(qū)為寧夏寧東能源化工基地和吳忠太陽(yáng)山開(kāi)發(fā)區(qū)。隨著化工園區(qū)建設(shè)的加快，脫硫石膏等工業(yè)廢棄物產(chǎn)量逐年上升，對(duì)寧夏的環(huán)境帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。2010－2019年寧夏脫硫石膏排放量占一般工業(yè)固廢總排放量的11.76%。2019年寧夏各市區(qū)脫硫石膏排放量達(dá)到5.63×106t（見(jiàn)表1）。2020年寧夏僅寧東基地產(chǎn)生的脫硫石膏就達(dá)到1.55×106t，綜合利用率僅為28%。2021年12月寧夏回族自治區(qū)工業(yè)固體廢棄物污染防治“十四五”規(guī)劃中明確指出：2020年全區(qū)一般工業(yè)固體廢物總量達(dá)到了6.74×106t，其中脫硫石膏6.16×106t，占比為9.14%，具體情況見(jiàn)表2，其綜合利用率仍沒(méi)有顯著提高。

表1 2019年寧夏各市/區(qū)脫硫石膏排放量［6］ 106t

表2 2020年寧夏全區(qū)一般工業(yè)固廢排放比例 %

目前，脫硫石膏等工業(yè)廢渣應(yīng)用于石膏建材、土壤改良劑等領(lǐng)域［4］，但寧夏對(duì)于脫硫石膏的利用形式仍較為單一，主要原因是許多地區(qū)并未真正重視和利用脫硫石膏，全區(qū)脫硫石膏利用率僅30%左右，這說(shuō)明寧夏地區(qū)的脫硫石膏綜合利用空間較大。

3 寧夏脫硫石膏化學(xué)分析

脫硫石膏主要來(lái)源于燃煤電廠的煙氣脫硫工藝，是鍋爐尾部煙氣濕法脫硫處理后的固體副產(chǎn)品，其主要成分為CaSO4·2H2O。經(jīng)研究分析，寧夏地區(qū)脫硫石膏中CaSO4·2H2O的含量基本達(dá)到90%以上，因此其石膏品質(zhì)可以得到保證。寧夏地區(qū)脫硫石膏與天然石膏的化學(xué)成分對(duì)比見(jiàn)表3。從表中可以看出寧夏地區(qū)脫硫石膏與天然石膏的化學(xué)成分相差不大，品質(zhì)相當(dāng)，性質(zhì)相似。因此，在一定程度上可以代替天然石膏，從而實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)發(fā)展［5］。

表3 寧夏脫硫石膏與天然石膏主要化學(xué)成分對(duì)比［6-7］ %

4 國(guó)內(nèi)脫硫石膏的資源化利用現(xiàn)狀

我國(guó)脫硫石膏的綜合利用率不高的因素主要包括技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素。在技術(shù)方面，我國(guó)對(duì)脫硫石膏的處理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求沒(méi)有明確的規(guī)定，再加上我國(guó)大多數(shù)燃煤電廠脫硫設(shè)備陳舊簡(jiǎn)陋且處理技術(shù)落后，因此脫硫石膏的質(zhì)量參差不齊。在經(jīng)濟(jì)方面，對(duì)于燃煤電廠來(lái)說(shuō)，將脫硫石膏精細(xì)處理后銷(xiāo)售并不會(huì)帶來(lái)較大利潤(rùn)，另外大部分相關(guān)企業(yè)與燃煤電廠距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸成本高，進(jìn)一步降低脫硫石膏的外銷(xiāo)利潤(rùn)。目前，國(guó)內(nèi)脫硫石膏主要應(yīng)用于水泥行業(yè)、農(nóng)業(yè)和化工行業(yè)。

4.1 脫硫石膏在水泥行業(yè)上的應(yīng)用

王玉蘭等［8］研究了脫硫石膏用作調(diào)凝劑制備的水泥及混凝土性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脫硫石膏調(diào)凝劑水泥制備的混凝土凝結(jié)時(shí)間稍長(zhǎng)、和易性較好、力學(xué)性能較好、收縮值稍低。通過(guò)對(duì)比脫硫石膏調(diào)凝劑水泥與天然石膏調(diào)凝劑水泥配制的混凝土，發(fā)現(xiàn)兩者具有相似的耐久性。此研究佐證了脫硫石膏在一定程度上可以代替天然石膏。

周建偉等［9］研究了不同溫度下熱處理脫硫石膏對(duì)超硫酸鹽水泥性能的影響。通過(guò)對(duì)所制備的超硫酸鹽水泥的基本物理性的表征，發(fā)現(xiàn)摻入45℃、500℃熱處理后脫硫石膏的超硫酸鹽水泥比摻入105℃、165℃熱處理后的脫硫石膏的水泥凝結(jié)時(shí)間更長(zhǎng)；在力學(xué)性能方面，摻入500℃熱處理脫硫石膏的水泥較摻入45℃、105℃、165℃熱處理石膏水泥更出色。

韓暉等［10］進(jìn)行了脫硫石膏對(duì)水泥物理力學(xué)性能與水化過(guò)程影響的研究。最終得出脫硫石膏在水泥生產(chǎn)中可以取代天然石膏，并且脫硫石膏還可以顯著增強(qiáng)水泥的抗壓強(qiáng)度。因此在水泥生產(chǎn)中，與天然石膏相比，脫硫石膏的使用效果更突出。

4.2 脫硫石膏在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

陳虹等［11］研究了施用脫硫石膏后不同年限對(duì)于干旱區(qū)瑪納斯河流域鹽堿地土壤改良效果，并且測(cè)評(píng)了其安全性。首先將脫硫石膏一次性施入鹽堿農(nóng)田，然后分別在第1、第3、第5年定點(diǎn)檢測(cè)土壤pH值、電導(dǎo)率（EC）、有機(jī)質(zhì)和重金屬含量變化等。研究得到脫硫石膏施用5a內(nèi)土壤pH值有所下降，土壤中有機(jī)質(zhì)含量的提升,不會(huì)造成土壤重金屬污染。

許毅等［12］在內(nèi)蒙古河套地區(qū)的硫酸鹽鹽漬化土壤上進(jìn)行試驗(yàn)，探究脫硫石膏和耐鹽植物改良與培肥鹽漬化土壤的作用與效果，對(duì)比施用脫硫石膏和不施用脫硫石膏并種植羊草后土壤鹽分及基礎(chǔ)理化性質(zhì)的變化，研究得出脫硫石膏和羊草在某種程度上存在相互作用，能使鹽漬化土壤改良進(jìn)度加快，為避免養(yǎng)分的不足，應(yīng)適當(dāng)提高P、K肥料的使用量。

4.3 脫硫石膏在化工方面的應(yīng)用

劉秀狀等［13］所選擇的基本原料為自然冷卻黃磷爐渣和脫硫石膏。通過(guò)熔融法，添加一定量的SiO2和Al2O3，制備出了黃磷爐渣微晶玻璃。采用差熱分析（DTA）、X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）等方法闡述了不同比例的黃磷爐渣與脫硫石膏對(duì)微晶玻璃晶化行為的影響。研究表明：在黃磷爐渣與脫硫石膏所添加的配比范圍內(nèi)，隨著脫硫石膏添加量的增加，基體玻璃的形核溫度和結(jié)晶溫度持續(xù)降低，析晶活化能E先減小后增加；黃磷爐渣微晶玻璃的主晶相硅灰石（CaSiO3）沒(méi)有因脫硫石膏添加量的增多而發(fā)生變化，而是先促進(jìn)后抑制了硅灰石晶相的形成。

黃建時(shí)［14］提出乙二醇（EG）水體系中脫硫石膏制備α-HH晶須新技術(shù)，利用非晶格陽(yáng)離子優(yōu)化制備技術(shù)，解釋了在轉(zhuǎn)晶過(guò)程中，重金屬鉛（Pb）的遷移分配規(guī)律，對(duì)脫硫石膏高附加值無(wú)害化利用起到了促進(jìn)作用。此外，研究表明可以使用脫硫石膏為原料制備硫酸鈣晶須，在硫酸溶液中使用水熱法可以制備出形態(tài)均勻、長(zhǎng)徑比高的硫酸鈣晶須。此研究開(kāi)發(fā)了一種采用高能研磨活化脫硫石膏以降低反應(yīng)溫度和硫酸濃度的新工藝，并且得到了最佳研磨時(shí)間。通過(guò)計(jì)算硫酸鈣晶須的轉(zhuǎn)化率和結(jié)晶速率，發(fā)現(xiàn)在結(jié)晶過(guò)程中存在明顯的“自催化”動(dòng)力學(xué)特征［15］。

5 國(guó)外脫硫石膏的研究及利用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于脫硫石膏的研究早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始，如今其綜合利用體系已經(jīng)較為完善。日本和德國(guó)是世界上最主要的脫硫石膏生產(chǎn)國(guó)，主要將脫硫石膏應(yīng)用于建材行業(yè)，其次在水泥行業(yè)及農(nóng)業(yè)方面也有著一定的應(yīng)用。

國(guó)外考察了脫硫石膏的物理、化學(xué)和巖土特性及其在開(kāi)發(fā)無(wú)水泥磚方面的潛在應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏的主要氧化物為三氧化硫（SO3）和氧化鈣（CaO）。脫硫石膏的密度為2.43 g/cm3。最大干密度和最佳含水率值分別為142.5 kg/m3和18.5%。脫硫石膏的液限為51%，但沒(méi)有表現(xiàn)出任何塑性特征。石膏基磚的最佳固化溫度為40℃，脫硫石膏基磚的抗壓強(qiáng)度可達(dá)2.3 MPa，密度比典型黏土磚低28%左右。此外，經(jīng)7次干濕循環(huán)后，其抗壓強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生明顯下降。上述結(jié)果表明，脫硫石膏可用于生產(chǎn)強(qiáng)度要求較低的輕質(zhì)建筑材料［16］。

國(guó)外通過(guò)不同的除碳方法和不同的高爐礦渣取代率，研究脫硫石膏對(duì)大摻量高爐礦渣水泥砂漿的作用。研究得出煙氣脫硫石膏取代后，流量有下降的趨勢(shì)，1∶4水泥砂漿取代量為5%到10%時(shí)，流量略微上升，但對(duì)于1∶4水泥砂漿混合料，當(dāng)脫硫石膏替換10%左右時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳［17］。

國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)脫硫石膏與覆蓋作物都會(huì)提高土壤質(zhì)量，當(dāng)二者結(jié)合時(shí)，對(duì)土壤的化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)、物理性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生積極的影響，而且在表層土壤比在次表層土壤對(duì)土壤質(zhì)量的影響更為有效。二者通過(guò)提高土壤的生物效率、化學(xué)平衡和物理穩(wěn)定性，從而提升土壤的質(zhì)量［18］。

6 寧夏脫硫石膏資源化利用問(wèn)題及解決方案

我國(guó)東部沿海地區(qū)通過(guò)多方共同推動(dòng)，脫硫石膏的利用率已經(jīng)超過(guò)80%，而寧夏脫硫石膏的資源化利用還存在一些問(wèn)題，只有完全解決這些問(wèn)題才能使寧夏地區(qū)脫硫石膏的綜合利用率得到大幅提升。

（1）對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)不足。改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)，但我們走的道路始終是以耗費(fèi)能源，污染環(huán)境為代價(jià)的傳統(tǒng)老路，如果再不進(jìn)行轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟(jì)發(fā)展必然會(huì)倒退。因此，需要加強(qiáng)人們對(duì)低碳環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識(shí)，在學(xué)校、生活小區(qū)、企業(yè)和事業(yè)單位等場(chǎng)所開(kāi)展這方面的教育，并且定期考察群眾對(duì)于這方面知識(shí)的理解。

（2）鼓勵(lì)和引導(dǎo)性政策的跟進(jìn)和落實(shí)不到位。雖然國(guó)家出臺(tái)了相應(yīng)的鼓勵(lì)和引導(dǎo)性政策，但大多數(shù)企業(yè)缺乏利用脫硫石膏的壓力與動(dòng)力，對(duì)國(guó)家相應(yīng)政策的執(zhí)行力不足。因此，各企業(yè)單位必須嚴(yán)格落實(shí)政府的扶持政策，政府應(yīng)進(jìn)行監(jiān)督并且加快建設(shè)法規(guī)和立法體系，對(duì)脫硫石膏的綜合利用下達(dá)強(qiáng)制性政策，并嚴(yán)格設(shè)定獎(jiǎng)懲措施。

（3）寧夏當(dāng)?shù)匮邪l(fā)能力和技術(shù)裝備不足。各高校及研究院對(duì)于研究脫硫石膏資源化利用的投入不夠，加上技術(shù)設(shè)備的缺乏和局限性導(dǎo)致不能進(jìn)行深入研究，使得脫硫石膏綜合利用技術(shù)處于瓶頸期。因此，政府應(yīng)加大各個(gè)高校以及研究院對(duì)該研究的扶持力度，提升相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)水平，從而促進(jìn)脫硫石膏的多元化利用。

（4）對(duì)傳統(tǒng)石膏的使用習(xí)慣一時(shí)難以改變。天然石膏資源充沛，導(dǎo)致人們慣性使用，另外群眾對(duì)脫硫石膏了解不足從而產(chǎn)生戒備心理，導(dǎo)致脫硫石膏的市場(chǎng)處于封閉狀態(tài)。因此，監(jiān)管部門(mén)應(yīng)嚴(yán)格控制天然石膏的使用，并且加強(qiáng)對(duì)脫硫石膏的宣傳，引導(dǎo)人們接受并使用脫硫石膏，將脫硫石膏從以儲(chǔ)為主轉(zhuǎn)變到以用為主。

7 寧夏脫硫石膏未來(lái)發(fā)展方向

近年來(lái)，脫硫石膏在建筑行業(yè)的使用與日俱增，并且取得了較為顯著的效果，在路橋、建筑等工程中通常取部分脫硫石膏作為混凝土、輕質(zhì)回填材料的原材料或摻合料，在一定程度上節(jié)約了成本并且應(yīng)用效果良好?？梢灶A(yù)料，未來(lái)脫硫石膏消耗量最大的領(lǐng)域?qū)?huì)是建筑領(lǐng)域。

近些年為了落實(shí)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的政策，建筑業(yè)已經(jīng)由高消耗、高自重的傳統(tǒng)混凝土材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能環(huán)保、隔音保溫的輕質(zhì)混凝土材料。因此，脫硫石膏在輕質(zhì)混凝土中的應(yīng)用將成為研究的熱點(diǎn)方向。用脫硫石膏代替部分水泥制備輕質(zhì)混凝土，一方面可以解決寧夏堆積成山的脫硫石膏，變“廢”為“寶”，化“害”為“利”，實(shí)現(xiàn)脫硫石膏的資源化利用；另一方面所制備的輕質(zhì)混凝土輕質(zhì)、保溫、隔音性能顯著，不僅能節(jié)約成本還能保護(hù)環(huán)境，這完全符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。由于脫硫石膏存在耐水性差的問(wèn)題，使得所制備的輕質(zhì)混凝土應(yīng)用受限，如果能克服這個(gè)弊端，那么脫硫石膏的堆積問(wèn)題將得到較大程度的緩解。

總體來(lái)看，脫硫石膏在建筑行業(yè)的市場(chǎng)前景非常廣闊，并且所帶來(lái)的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益都非常顯著，是當(dāng)前和今后發(fā)展的重點(diǎn)方向。

8 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著寧夏經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，以浪費(fèi)自然資源和破壞生態(tài)換取經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的時(shí)代一去不復(fù)返，綠色環(huán)保和低碳循環(huán)的發(fā)展方式將成為主流，其中脫硫石膏的資源化利用問(wèn)題必將會(huì)得到重視以及進(jìn)一步的研究，其利用途徑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，脫硫石膏資源化利用的最佳方向是建材領(lǐng)域。因此，積極開(kāi)展利用脫硫石膏制備的輕質(zhì)混凝土耐水性差的研究，將脫硫石膏以最優(yōu)狀態(tài)應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，將可實(shí)現(xiàn)雙贏甚至多贏。