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浅析火力发电厂湿法脱硫“石膏雨”产生的原因及防治措施
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国内火电厂脱硫副产品——脱硫石膏综合利用的发展现状及建议.pdf8页
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脱硫石膏、粉煤灰、煤渣处理技术与循环利用研讨会
国内火电厂脱硫副产品??脱硫石膏综合利用
的发展现状及建议
张元赏,周忠华,邵峰
浙江天地环保工程有限公司,浙江省杭州市华星路号创业大厦楼 , ,
摘要:本文简要介绍了我国火电厂脱硫机组的增长趋势,在此基础上推算出
年脱硫石膏的产出量;阐述了火电厂脱硫石膏资源化利用的必要性;对国内外对脱硫石
膏综合利用的发展现状、存在的问题和建议进行了系统地论述。
关键词:火电厂:脱硫石膏:综合利用
近年来,我国火电行业发展迅猛,截至年底我过火电厂装机容量达到.亿千
瓦,煤耗量超过亿千瓦。火电厂二氧化硫排放量为万吨,占全国二氧化硫总排放
脱硫石膏、粉煤灰、煤渣处理技术与循环利用研讨会
量的%。由此可见,火电厂二氧化硫排放量的控制势在必行】。从年开始,国
家环保总局要求新建的燃煤机组必须上脱硫装置,所以今后火电厂投运机组中脱硫机组
所占比例将逐年增加。
据年月发布的环保部号公告介绍:截至年底,全国投运的燃煤脱硫
机组装机容量为万千瓦。到年,全国火电厂烟气脱硫机组总容量将达到
~万千瓦,以%采用湿法脱硫,含硫量%的煤,平均应用基
.//,年运行天,年平均发电煤耗/,
平均脱硫率%,届时每年将产生纯度%以上的烟气脱硫石膏万吨。脱硫
石膏的处理方法一般为:排放、堆存和综合利用。基于环保要求,我国禁止脱硫石膏海
洋、江河排放;采用堆存的方式处理脱硫石膏,将耗费大量的土地资源,并采取必要维
护和环保措施,长期投入资金较大,影响电厂的经济和环境效应。因此国家早已将对脱
硫石膏等火电厂废弃物的综合利用提到了议事日程上,这将是推动我国脱硫石膏综合利
用行业快速发展的动力和要求。
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1.我国脱硫石膏的现状
随着环保意识的增强和《中华人民共和国大气污染防治法》的颁布实施，电厂烟气脱硫已经在全国逐步展开。电力烟气脱硫的装机容量在2000年底时约500万千瓦，2005年底约5000万千瓦，2006年底约1.6亿千瓦，到2007年上半年将达到约２亿千瓦。预计到2010年末，全国投运及建成的烟气脱硫机组容量将达2.3亿千瓦。由于国内的脱硫工程绝大多数采用石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺，照此推算，在这些湿法脱硫装置全部投运后，预计在2010年将年产脱硫石膏约3000万吨。而我国在2004年天然石膏的开采总量就高达4500万吨。
据估计，2006年底全国已投运的火电厂脱硫装机产出约800万吨烟气脱硫石膏。其中已开展脱硫石膏利用或正在建设脱硫石膏利用装置的不到lO％，脱硫石膏外卖给石膏建材制品企业的约占5O％，其余约4O％采用暂时抛弃。
脱硫石膏实际上是一种工业副产品，同样具有利用价值。如果脱硫石膏被充分利用，则相当于解决了全国石膏年需求量的绝大部分。脱硫石膏的综合利用完全符合国家发展循环经济的国策，既保护了生态环境与矿产资源，也解决了火电厂脱硫的后顾之忧，并将给电厂带来一定的经济效益。
脱硫石膏的品质
脱硫石膏作为石膏的一种，其主要成分和天然石膏一样，都是二水硫酸钙(CaSO4.2H20)。脱硫石膏和天然石膏经过煅烧后得到的熟石膏粉和石膏制品在水化动力学、凝结特性、物理性能上无显著的差别。但作为一种工业副产石膏，它具有再生石膏的一些特性，和天然石膏有一定的差异。
脱硫石膏的外观：含有10％～20％左右游离水的潮湿，松散的细小颗粒，脱硫正常时其产出的脱硫石膏颜色近乎白色微黄，有时脱硫不稳定带进较多的煤灰等杂质时颜色发黑。脱硫石膏的水化动力学、凝结特征、产出过程与天然石膏相同，只是速度快；脱硫石膏转化后的5种形态、7种变体，物化性能与天然石膏一致，可以替代天然石膏作建材；脱硫石膏无放射性，不污染和危害健康。
天然石膏与脱硫石膏的不同点是在原始状态下天然石膏粘合在一起；脱硫石膏以单独的结晶颗粒存在。脱硫石膏主要矿物相为二水硫酸钙，主要杂质为碳酸钙、氧化铝和氧化硅，其他成份有方解石或α石英、α氧化铝、氧化铁和长石、方美石等。烟气脱硫石膏部分晶体内部有压力存在，而天然石膏主要以匀态存在，脱硫石膏杂质与石膏之间的易磨性相差较大，天然石膏经过粉磨后的粗颗粒多为杂质，而脱硫石膏其颗粒多的却为石膏，细颗粒为杂质，其特征与天然石膏正好相反。颗粒大小与级配：烟气脱硫石膏的颗粒大小较为平均，其分布带很窄，颗粒主要集中在3O－6Oμm之间，级配远远差于天然石膏磨细后的石膏粉。脱硫石膏呈细粉状，其中二水硫酸钙含量高达95％，脱硫石膏的纯度在75～9O之间，是一种纯度较高的化学石膏。
国外脱硫石膏的应用
在20世纪80年代末90年代初，随着脱硫石膏大量产出，德国和日本及其他欧洲国家对脱硫石膏展开了大量研究，实现了脱硫石膏资源化利用。几乎所有的脱硫石膏都被应用在建材行业，广泛应用在生产熟石膏粉、α石膏粉、石膏制品、石膏砂浆、水泥添加剂等各种建筑材料之中，取得了良好的经济、社会及环境效益。
日本是生产脱硫石膏最早的国家，目前它的脱硫石膏几乎100％得到应用。其脱硫石膏再利用的类型主要有：墙板、建筑熟石膏、工业灰泥、粘接剂、石膏天花板等产品，其中超过90％的脱硫石膏主要用于水泥添加剂和墙板原料。另外，日本将脱硫石膏与粉煤灰及少量石灰混合，形成烟灰材料，利用这种材料在凝结反应过程中产生的强度，作为路基、路面下基层或平整土地所需砂土。
德国在脱硫石膏资源化利用方面具有丰富的经验，大部分脱硫石膏被资源化利用，剩余部分浆液经飞灰稳定后抛弃处置，主要用于填埋露天矿。德国脱硫石膏主要在建筑工业领域应用，约占德国石膏需求总量的50％，脱硫石膏逐渐代替天然石膏的趋势在德国已经形成，因此估计脱硫石膏将来会100％取代天然石膏用于生产胶凝性墙板和水泥。另外，脱硫石膏还用于生产地板衬里和矿物性灰泥，其份额可占该领域的5O％。
欧洲第二个脱硫石膏生产基地是英国。英国制定了必须使用脱硫石膏的法规，同时对现有石膏厂进行必要投资，生产脱硫石膏。在英国，脱硫石膏主要用于生产石膏板，另外还生产一些专用石膏和石膏涂料，保证盎格鲁－撒克逊石膏工业产品品种十分齐全。荷兰和丹麦的脱硫石膏总产量是70万吨/年，由于荷兰和斯堪的维亚没有天然石膏矿，天然石膏主要从西班牙等欧洲国家购买，因此存在脱硫石膏应用的潜在市场。尽管如此，丹麦在2O世纪9O年代以后才在脱硫石膏生产工艺方面有所突破。在美国，脱硫石膏在农业中有两个应用范例：一是在花生生长过程中应用，通过增大花生颗粒而增加产量；另一例是对缺乏硒元素的土壤进行改良。
另外，在欧洲和日本，还有一种以脱硫石膏制得的自流平材料进入工业化商品生产阶段。地面自流平材料是一种无机胶凝型功能材料，具有良好的流动性和稳定性，在未来的混凝土自流平层及旧地面、起砂地面的修补方面具有广阔的前景。
我国脱硫石膏的应用
国内脱硫石膏产生的历史很短，综合利用也是刚刚起步，对其应用价值和市场竞争力普遍认识不够。天然石膏的处理工艺和设备也并不完全适合脱硫石膏，更增加了应用上的难度，导致国内现在还没有很好地展开应用。我国现阶段脱硫石膏仅在少数领域中有应用，如技术含量低的建材石膏、水泥辅助料、路基填埋料，且尚未形成工业规模。
随着全国电厂大规模启动烟气脱硫工程，特别是大多数燃煤电厂采用了石灰石－石膏的湿法脱硫新工艺之后，脱硫石膏的应用必定有一个飞跃式发展。预计，建材行业依旧是消化脱硫石膏的主力军，农业也可以有所作为。
4.1& 脱硫石膏在水泥中的应用
脱硫石膏在水泥基材料中的应用是大规模处置利用脱硫石膏的重要途径。研究表明，脱硫石膏不含对水泥基材料性能有负影响的杂质，适宜作水泥基材料添加剂。脱硫石膏中含有部分未反应的CaCO3和部分可溶盐，如K+、Na+盐，这些杂质的存在有利于加速水泥水化，激发水泥混合材或混凝土掺合料活性的充分发挥，加之脱硫石膏细度大，在水泥中能与水泥颗粒和混合材颗粒充分接触，迅速发生反应，能有效调节水泥凝结时间。对于矿渣水泥、粉煤灰水泥和复合水泥，脱硫石膏既是缓凝剂，同时又是混合材水化时的硫酸盐激发剂，其中含有的CaCO3对水泥硬化浆体的结构与性能也有改善作用。只是因为含水率比天然石膏大，故需要将石膏投料口处的设备作一些调整，或者将原状脱硫石膏造粒，即先自然干燥，然后预热烘干，最后得粒状脱硫石膏。试验表明，这种造粒方式虽然使得脱硫石膏的成本提高了5～10元／吨，但此粒状脱硫石膏能够正常调节水泥的凝结时间，水泥性能正常发展，水泥强度、凝结时间等指标均达到国家有关标准。
目前我国水泥年产量已达9亿多吨，以掺入3～5％的二水石膏作为缓凝剂计算，每年需使用3000多万吨的石膏，而目前几乎100％添加天然石膏。当然，水泥厂由于设备、工艺原因不可能全部使用脱硫石膏。即使如此，只要达到30％的份额，就可以年消耗脱硫石膏900万吨。
脱硫石膏在石膏制品中的应用
4.2.1 石膏砌块
石膏砌块是以石膏为主要原材料，经加水搅拌、浇注成型和干燥制成的块状轻质隔墙材料。石膏砌块的特点可概括为：1、安全——耐火性好；2、舒适——“暖性”和“呼吸功能”；3、快速——石膏建材的生产速度快、施工效率高；4、环保——节能、利废、可回收利用、节材、卫生、不污染环境。由于其生产工艺采用工业化方法，从而保证了产品质量，它适用于工业和民用建筑中的非承重内隔墙。
目前我国石膏砌块生产企业不足百家。其中具有一定生产规模、采用机械化成型机生产的企业约20家左右。以企业数、生产能力划分，山东省是石膏砌块生产的第一大省。这与山东省石膏资源比较丰富有关。以实际应用量分析，北京市仍位居第一。根据测算，我国现有石膏砌块的年生产能力应有600万m2左右，但这几年的实际产量约在100万m2左右。石膏砌块的面密度约为60～97kg，如果现有的全部企业采用脱硫石膏，每年可消耗脱硫石膏50万吨。
目前国内的实心粘土砖墙体(双面抹灰)约为65.4￥/m2，而石膏砌块墙体在25—65￥/m2。随着“禁粘”墙改政策的进一步落实，对实心粘土砖的使用将越来越严格限制，我国石膏砌块的生产规模将逐渐扩大，成本进一步降低，石膏砌块的优势将凸现出来。
目前我国年产7千多亿块粘土砖，耗粘土资源达l0多亿m3，约毁坏农田21～28万亩。如用石膏墙体材料取代2O％的粘土，则每年可少毁地4～6万亩，并可以消耗脱硫石膏1700万吨。
4.2.2 纸面石膏板
研究证明，排除脱硫石膏杂质对纸面石膏板的影响后，可以用脱硫石膏部分或全部代替天然石膏制作纸面石膏板是可行的。石膏在干燥状态下流动性和运输性很难控制，而且同水拌合后有沉淀的趋势，这将导致墙板表面硬度有所不同，产生纸面石膏板纸板的粘结问题，这可以通过特殊的粉磨措施来解决。华能珞璜电厂、太原第一热电厂、北京京能热电股份有限公司、杭州半山电力开发实业有限公司等均有大量的内含10％游离水的副产烟气脱硫石膏，这些脱硫石膏须经干燥、煅烧而生成。纸面石膏板的生产是以脱硫建筑石膏为基材，掺入以纸纤维等外加剂和水混合成石膏料浆，挤压成型纸面石膏板带，经切割干燥而成，干燥温度均匀，效率高，能耗低。
我国目前纸面石膏板的生产能力仅有10亿平米，年消耗天然石膏70万吨，可以全部使用脱硫石膏代替。如果纸面石膏板的人均占有量达到发达国家水平，那么将消耗脱硫石膏250万吨左右。
4.2.3 粉刷石膏
由于烟气脱硫石膏比天然石膏的品位高，生产出的建筑石膏强度也高，比国家标准规定的优等品强度值高40％～45％，是目前国内建筑石膏强度最高的品种。脱硫石膏的自由水含量虽要求小于10％，但仍远高于天然石膏；脱硫石膏的细度较为平均，颗粒主要集中在40～60μm，因此，处理脱硫石膏只需要烘干，不需要再经破碎和细磨，其生产电耗比天然石膏低40％～60％，生产成本则为天然石膏成本的70％～80％。
粉刷石膏是以建筑石膏为主要成分，掺入少量工业废渣、多种外加剂和集料制成的气硬性胶凝材料。作为新型抹灰材料，它既具有建筑石膏快硬早强、粘结力强、体积稳定性好、吸湿、防火、轻质等优点，又克服了建筑石膏凝结速度过快、粘性大和抹灰操作不便等缺点。以脱硫石膏为主的粉刷石膏，各项指标均达到国家标准要求，应用效果良好，价格大幅下降。
粉刷石膏的使用面积大、用量多。按全国房屋每年竣工面积2.4亿m2计算，折合墙面为6亿m2。如果每平方使用3公斤，每年将消耗脱硫石膏200万吨左右。
4.2.4 自流平石膏
自流平石膏目前在我国尚未得到大规模应用，但是自流平石膏是一种非常具有发展前途的新型建筑材料。如果完全使用脱硫石膏，采用新技术，将生产成本降到每吨250-350元，自流平石膏就可以大规模在建筑工程中使用，年使用量可达到300万吨规模。
脱硫石膏在胶结尾砂充填的应用
利用脱硫石膏的胶凝性能，将之与火电厂废弃物按一定比例混合后，能产生与水泥水化产物相似的成分。在保证充填体抗压强度的情况下，脱硫石膏能取代10％～12％的水泥以胶结尾砂充填，从而降低充填成本。这既降低了尾砂胶结充填的成本，又实现了脱硫石膏的“变废为宝”；同时还能促进矿山胶结充填采矿工艺和湿式烟气脱硫工艺的发展，为充填胶凝材料的研究开辟了新的思路。
4.4& 脱硫石膏在农业的应用
脱硫石膏的主要成分与天然石膏相似，含有丰富的S、Ca、Si等植物必需或有益的矿物营养，因而在土壤改良上有很好的前景。脱硫石膏的工业应用研究比较多，并在实际中得到了大量应用，但是农业应用目前还处于实验室研究水平，田间大规模的应用还比较少，但毫无疑问这也是今后脱硫石膏应用的一个重点方向。
我国脱硫石膏利用存在的问题
由于我国建材行业对石膏的认识不足，对于石膏的应用还不是很多，因此市场需求量不大，造成石膏产量在胶凝材料中比例很低。我国对于天然石膏的利用都存在很多问题，那么脱硫石膏的资源化利用的困难就更多。目前主要存在以下几个突出的问题：
5.1& 脱硫石膏的质量问题
脱硫石膏能否被利用，实现其资源化，首先取决于石膏的质量，影响脱硫石膏质量的因素很多，如石膏在浆液中的过饱和度、浆液的pH值、石膏的结晶温度、氧化空气量、浆液搅拌强度以及石膏脱水工序等。此外，为了生产具有商业价值的石膏，必须使生成的石膏容易脱水，且其颗粒不能过细。在脱硫石膏生成的过程中，如果工艺条件控制不好，往往会生成层状尤其是针状晶体，而进一步向块状、毡状结构发展，使得所生成的石膏极难脱水；细颗粒石膏还容易引起系统结垢，因此必须控制石膏的结晶条件，使之生成粗颗粒和棱形结构的石膏晶体。因此，晶体的总表面积以及晶体的生长时间，也会影响脱硫石膏的质量，并且，上述诸因素之间会产生相互影响和制约。经常性的石膏品质波动也给脱硫石膏用户的生产带来困难，制约了脱硫石膏的综合利用．因此，当脱硫装置因外部或内部的原因使得FGD本身运行状况改变时，必然影响副产品石膏的产量和品质。另外，浆液中较多过剩的CaCO3降低了钙的利用率也影响了副产品石膏的纯度。石膏产量和品质的稳定是开拓利用市场的必要条件。
天然石膏资源非常丰富，分布不均
我国石膏资源十分丰富，已探明天然石膏储量大约为570亿t，居世界首位。但是我国石膏资源分布极不均衡，品质差异特别大。在脱硫石膏的丰产区，如重庆珞璜电厂和太原第一热电厂，同时也是天然石膏丰产区，在这些地区脱硫石膏没有成本及技术上的优势，其应用受到严重阻碍。
5.3& 缺乏相应的法规和政策
在脱硫石膏的主要生产国，均以法律法规明确规定了脱硫石膏应用的地位，以新技术和新工艺为保障，实现了以经济和自然环境标准为基础决定可赢利的方法，保证脱硫石膏的资源化利用。但我国在这一领域尚缺乏相应的对策和措施。
5.4& 缺乏相应的标准
脱硫石膏可作为优质建筑材料在欧洲和日本得到了公认，但在我国没有与脱硫石膏应用相适应的标准，因此一些石膏制品生产商和用户拒绝使用脱硫石膏，是脱硫石膏资源化利用的障碍之一。
5.5& 缺乏必要的技术保障
发达国家在脱硫石膏资源化利用过程中投入了大量研究，并由此开发新技术和新工艺。我国石膏建材行业只有几十年的历史，设备和工艺落后，缺乏对含水粉状脱硫石膏进行干燥及高温煅烧的设备，无法对脱硫石膏进行深加工和应用；此外，缺乏对脱硫石膏的完整认识及相关的处理处置新技术、新工艺和应用经验，因此无法建立必要的市场、效益观念和营销手段，脱硫石膏资源化利用在我国没有形成一条好的出路。
公众缺乏脱硫石膏再利用的观念
公众普遍认为，脱硫石膏是一种工业废渣，在使用过程中可能对人体产生危害，加之我国天然石膏储量丰富，因此拒绝使用脱硫石膏是一种普遍的公众心理。造成这种现象的原因是缺乏有说服力的鉴定性工作，没有令公众信服的可靠的技术文件，这是与我国科技水平发展密切相关的不争事实，同时还与我国没有长期利用脱硫石膏的习惯有关。
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