浅析脱硫石膏的综合利用

浅析脱硫石膏的综合利用
脱硫石膏得到有效利用是推动各电厂脱硫装置正常运行的前提条件。

脱硫石膏可作为天然石膏替代品，用作水泥缓凝剂或用于制作石膏制品、改良土壤与路基回填等。

从技术层面考虑，上述综合利用途径在国内外均有了一定实践经验，存在的技术难点也能得到较好的解决，从而为电厂烟气脱硫的实施提供了支持。

关键词电厂烟气脱硫脱硫石膏综合利用
一、脱硫石膏的基本性能
脱硫石膏外观特征
1.脱硫石膏的含水率
脱硫石膏含吸附水〔游离水〕约9－18％，电厂生产附着水也一直处于变动之中甚至高于18％，附着水含量受电厂运行、燃煤含硫量、石灰石碳酸钙含量及脱硫设备等多种因素影响。

〔2〕脱硫石膏颗粒级配分析
石灰石－石膏湿法烟气脱硫系统中，石灰石浆液中的石灰石粒度基本有两种：250目90％通过及325目90％通过。

因此所产生的脱硫石膏颗粒也是很细的且比较集中。

大都在30－60μm之间。

〔3〕脱硫石膏与天然石膏颗粒形状显微观察
脱硫石膏电子图象天然石膏电子图象
由上图可以看出，脱硫石膏与天然石膏的晶型有明显的不同。

天然石膏细粒较多，粗细颗粒差别明显，晶型呈板状，晶体粗大，不规则；脱硫石膏颗粒比较均齐，晶体成短柱状，长径比较小，外观规整。

2. 脱硫石膏化学成份
整体颗粒成分能谱定性分析主要元素有O、K、Al、Si、S、Ca、Fe、Mg Cl。

杂质多含Mg、Al、Na、K、Fe、Si和少量的氯元素。

可溶性杂质及其危害: Cl、Na、K等影响与纸的粘结；Na、K产生析晶使制品出现返霜现象。

K、Na可使制品出现返霜，影响石膏的凝结性能，因此，超量时须增设水洗、分级、中和等净化、脱水设施，对脱硫石膏进行净化处理。

不溶性杂质及其危害CaCO3，MgCO3煅烧后产生CaO、MgO，使石膏碱度加大。

在不利条件下会析出盐类，使制品出现返霜现象，影响产品外观和粘结；颗粒较小的Fe 和未完全燃烧的煤粉颗粒影响产品的白度和粘结性能。

原矿带入的Si将对设备产生磨损；有机质、粉尘等将使产品呈灰色影响外观。

二、我国脱硫石膏利用现状
可作为建筑石膏（生产纸面石膏板和石膏砌块）、模具石膏和水泥缓凝剂等建材领域。

其中：
建筑石膏（可生产纸面石膏板和石膏切块）项目，对脱硫石膏消耗量大是其优势所在。

做纸面石膏板是大量综合利用脱硫石膏的最佳途径之一，但其投资金额，技术含量高。

石膏砌块是新型墙体材料，是国家环保政策鼓励的发展方向。

我国石膏总量的4～7％用于制作石膏墙体，而其它发
达国家石膏总量的45％制作石膏墙体。

模具石膏，对电厂产生脱硫石膏的品质要求较高，并且，耗用量一般不大，很难形成规模效应。

水泥缓凝剂，石膏添加量为水泥总量的3～5％，可消耗大量的脱硫石膏。

脱硫石膏的主要成分是CaSO4·2H2O,化学成分和天然石膏相近似，是二水硫酸钙，有自身品位高、石膏制成品性能好的优点，而且对水泥性能不会造成不利的影响。

脱硫石膏制水泥缓凝剂在国外和国内均有先例。

该项目具有用量最大，相对投资较小的特点。

脱硫石膏经我国权威部门多次化验，证明其品位高、杂质少,不含对水泥性能有负影响的杂质,适宜替代天然石膏作水泥缓凝剂。

与天然石膏相似，脱硫石膏能正常调节水泥凝结时间,掺入3％～5％的脱硫石膏，各品种的水泥凝结时间均能满足国家标准的要求。

脱硫石膏中含有CaCO3和少量可溶性盐,对促进水泥强度发展,激发混合材活性发挥是有利的。

据有关资料显示，用脱硫石膏作缓凝剂的水泥强度与用天然石膏的水泥相当,部分品种水泥的强度有一定幅度的提高。

同时，脱硫石膏中天然放射性符合我国建材安全性GB 6566－2001《建筑材料放射性核素限量》要求。

尽管烟气脱硫石膏是非常好的石膏原料，但它与天然石膏性能不同之处也有很多，利用它生产建材产品时，就要把握烟气脱硫石膏的本质特性，对工艺环节应进行优化调整，
才能获得最优的产品性能。

比如，通过制作成球状水泥缓凝剂来改变其流动性不好的特性，以适应水泥行业使用。

三、脱硫石膏综合利用的技术可行性分析
1.脱硫石膏综合利用的基本工艺技术及优点
替代天然石膏制备建筑石膏粉
用脱硫石膏制备建筑石膏的基本工艺技术路线为：
上料→烘干→煅烧→成品包装
用脱硫石膏替代天然石膏生产各种石膏建材，不仅可以减少天然石膏的消耗量，减少矿山开采带来的生态破坏等问题，还可形成脱硫石膏制品的新产业和新市场。

根据文献，烟气脱硫石膏与天然二水石膏的化学成分、矿物组成基本相似，主要矿物均为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。

脱硫石膏的二水硫酸钙含量可达90%左右(天然石膏为80%左右)，品位较高，用其制作的建筑石膏的性能一般优于以天然石膏为原料的产品。

与天然石膏相比，脱硫石膏具有纯度高、粒度细、氯离子含量低等优点，具体体现为：
①降低料浆液固比
在石膏生产线中，加入一定比例的脱硫石膏可降低料浆液固比，有利于减少干燥机的蒸发水量，提高石膏板产量。

根据生产实践，每降低1%的液固比，可降低1%~2%的干燥机能耗。

②增大料浆流动性
工艺配方相同的情况下，在天然石膏中添加一定比例的脱硫石膏，可增加料浆的流动性，便于去除气泡，增加石膏板的整体性能和强度，避免边缘空心板的产生，提高产品质量。

③降低石膏板的重量
添加一定比例的脱硫石膏，可使石膏的平均纯度提高，在不影响石膏板质量的前提下降低板重和耗材，减少石膏板破损率，降低成本。

④改善石膏板的质量
石膏粉的纯度、粒度、杂质(特别是Cl-的含量)将影响石膏板的机械强度和干粘合。

在天然石膏中添加一定比例的脱硫石膏能提高石膏板的机械强度、边缘硬度，增强纸面与石膏芯之间的干粘合，提高纸面石膏板的可加工性能及美观性能。

⑤革除破碎、球磨工序，减少对设备的磨损
脱硫石膏本身是粉末，无需破碎和锤磨，因此可减少设备磨损，延长设备寿命，降低维修费用和能耗。

(2)用作水泥缓凝剂
研究表明，原状湿式脱硫石膏自然干燥或在140℃以下预烘干的脱硫石膏能够正常调节水泥的凝结时间，水泥性能正常发挥，水泥强度、凝结时间及安定性等指标均达到国家
有关标准。

从信阳金龙水泥厂、信阳天瑞水泥厂、驻马店豫南同力水泥厂等应用实践来看，水泥厂一般采用块状天然石膏作缓凝剂，其生产设备是为适应块状物料而设计的，因此使用脱硫石膏的水泥生产线需增加储存仓、带皮带秤(计量设备)的堆棚、配料库及喂料机等设备，并对投料口处的设备进行一定改造，或者使用造粒脱硫石膏，但可省去破碎工艺。

此外不需其他工艺改变，因此从工艺技术角度而言不存在问题。

在水泥行业使用脱硫石膏的优点在于：
①纯度(CaSO4·2H2O)高，二水硫酸钙的含量可调节，与天然石膏相比杂质少、品质高；
②经试验，脱硫石膏的微观结构使其需水少、水分蒸发后形成孔洞少，力学上有优势，且含氯离子等有腐蚀性杂质少，从而可提高钢筋混凝土的强度和耐久性；
③脱硫石膏是电厂三废产品之一，成本比天然石膏低，并符合国家环保政策。

(3)用作肥料、改良土壤
石膏能明显降低土壤pH值，所含的钙离子(Ca2+)可以置换土壤中的可代换性钠(Na+)，从而达到改良碱土的作用。

烟气脱硫石膏的主要成分是二水硫酸钙，并含有丰富的S、Ca、Si等植物必需或有益的矿物质营养素，其中的钙化合物有利于植物生长，Ca2+能加速盐碱土中的Na+释放，并对
土壤起中和、疏松等调节作用。

因此将脱硫石膏作为肥料以一定比例施加到滩涂中，可以改良滩涂，提高滩涂土壤肥力。

这在技术上没有很大问题，因而具有广泛的农业应用前景。

已有的研究结果表明，脱硫副产物用于土壤改良还有以下优势：
(1)易于利用，脱硫副产物中CaSO4•2H2O的含量在80%~90%之间，颗粒粒度在1μm~100μm之间，只要稍加处理就能直接施用；
(2)调节土壤pH值，改善阳离子交换容量；
(3)提供有益的微量元素，解决日益严重的土壤缺硫问题；
(4)提高根瘤状物质的生长，促进氨转化物增加。

(5)用于矿井、路基回填等
胶结充填采矿法是一种经营费用较高的采矿工艺，其充填成本约占采矿成本的1/3左右，充填成本中充填胶凝材料水泥占80%以上，昂贵的交接充填成本制约了胶结充填采矿法的应用和发展。

将脱硫石膏、火电厂废弃物、尾砂、棒磨砂按一定比例混合后，可得到与普通硅酸盐水泥矿物组成相似的胶结材料。

脱硫石膏水化过程中，会生成大量溶解度低、以胶体微粒析出的硅酸钙凝胶水化产物。

氧化钙含量高、发热量低的脱硫石膏代替水泥，可降低水泥的水化热和充填体的绝热温
升，还可推迟水化热峰值出现的时间，从而防止温度裂缝的产生，提高胶结料的强度。

四、脱硫石膏综合利用的技术难点
由于脱硫石膏本身的特性，在将其应用于建材行业时存在一定的困难，需要采取一些特殊处理方式。

主要原因如下：
1.脱硫石膏有一定的含水量
脱硫石膏含水率一般在10%~20%，粘性强，因此在装载、提升、输送的过程中极易粘附在设备上，造成积料、堵塞，影响生产过程的正常进行；同时，含水率高的特点也使其在煅烧设备及工艺的选择上，需考虑干燥与煅烧两方面。

2.脱硫石膏颗粒级配不合理
天然石膏经过粉碎后，细度一般在140μm左右，而脱硫石膏粒径一般为30μm~60μm，颗粒过细带来流动性和触变性的问题，需要在工艺中进行特殊处理以改善晶体结构。

这也使脱硫石膏煅烧难于天然石膏，对煅烧工艺参数的控制水平要求较高。

脱硫石膏颗粒比表面积是粉磨后天然石膏的40%~60%，颗粒级配不好。

在煅烧后，其颗粒分布特征没有改变，导致石膏粉加水后的流变性差，颗粒离析、分层现象严重；直接用脱硫石膏粉生产的粉刷石膏饱水性差，生产的石膏制品容重较大、强度不均匀。

故脱硫石膏粉应经过粉磨增加颗粒比表面积后，再用于石膏产品的加工生产。

五、解决上述问题的技术方法
脱硫石膏生产线的成功和先进性，关键在于石膏的烘干和煅烧工艺装备技术。

脱硫石膏的烘干可使用闪蒸式的气流烘干工艺、快速转动的双轴桨叶式干燥机、沸腾炉装置、锤式干燥机、管束干燥等。

对于含水量在10%左右、粒度很细的脱硫石膏，选用闪蒸式的热气流直接烘干石膏的效果较好。

脱硫石膏煅烧设备是生产线上的核心设备，一般有间接换热多管式回转窑、连续炒锅、沸腾炉、气流煅烧装置等。

就建筑石膏的质量而言，采用间接换热多管式回转窑和沸腾炉煅烧石膏较为理想。

1.气流干燥、连续炒锅生产β-半水石膏
脱硫石膏在气流干燥管内进行干燥（干燥至水分<2%），干燥后直接进入连续炒锅内进行炒制。

连续炒锅在我国应用较多，其投资较少，可完全实现国产化，但占地面积大，能耗较高，对温度控制要求严格，粉尘较难回收。

2.回转窑煅烧β-半水石膏
回转窑是生产熟石膏的主要煅烧设备之一。

利用直接加热式回转窑可直接煅烧脱硫石膏，煅烧前不必进行预干燥处理，但窑体需有一定长度的干燥带，存在收尘和排潮较困难、煅烧不均匀、品种单一、不易调整等缺陷，国内应用不多。

3.气流干燥、煅烧一体化生产β-半水石膏
气流煅烧磨集干燥、粉磨、煅烧工艺为一体，在德国称风扫磨，是德国沙士基打公司的产品。

石膏颗粒在粉磨的同时与热气流作用，脱水后被热风吹至旋风分离器，沉降冷却后即为建筑石膏粉。

该煅烧工艺适宜脱硫石膏这种粉状物料的处理，但设备及技术需从国外引进，投资较大。

北京国华电厂于2001年引进该技术建成了机械化作业的使用脱硫石膏的石膏砌块生产线。

4.沸腾炉煅烧生产β-半水石膏
沸腾炉是应用固体流态化机理完成石膏煅烧的一种工艺，以蒸汽或载热油为加热介质。

该设备为我国独创，已获得国家专利。

该工艺的物料实现了流态化，无需机械搅拌装置，可降低设备维修率。

其设备投资比同类进口设备低，能耗和电耗比传统的煅烧设备少，热源采用1MPa~2MPa的饱和蒸汽或温度为250℃~260℃的导热油。

5.RFC流化床多功能焙烧炉煅烧生产β-半水石膏
澳大利亚RBS速成建筑系统有限公司开发的RFC流化床多功能焙烧炉应用固体流态化机理，集石膏干燥和煅烧为一体，可直接焙烧带有游离水的脱硫石膏，无需配置精确的喂料计量设备；炉体占地面积小，可露天操作；加工原料的粒径范围宽，最大粒径12mm，最小粒径<100μm；温度控制精度可达到1℃，料层温度梯度小，确保了焙烧参数的实现，生产稳定。

目前，该设备在国内还没有实际应用，其技
术和设备需从国外引进。

六、杂质的影响
脱硫石膏含有很多杂质，这些杂质来源于石灰石和粉煤灰，可溶性杂质会影响石膏制品的质量。

脱硫石膏的质量越好，对下游产品的质量越有保证，建材部门起草编写了脱硫石膏的标准〔征求意见稿〕
1.粉煤灰的影响
若脱硫石膏含有较多粉煤灰，当作纸面石膏时，会影响石膏与护面纸的粘接，易分离；当作粉刷石膏时，墙面会出现黑班。

粉煤灰还会影响产品的白度。

2.Cl、Na、K等影响与纸的粘结；Na、K产生析晶使制品出现返霜现象还影响石膏的凝结性能。

氯离子Cl会腐蝕设备。

3.不溶性杂质及其危害CaCO3，MgCO3煅烧后产生CaO、MgO，使石膏碱度加大，PH值超过8.5，在不利条件下会析出盐类，使制品出现返霜现象，影响产品外观和粘结
4.颗粒较小的Fe影响产品的白度和粘结性能。

七、结语
从国内外市场对脱硫石膏的需求、脱硫石膏综合利用的工艺技术能力与设备等方面来看，电厂烟气脱硫产生的石膏是天然石膏最好的替代物，对其进行综合利用途径也多样，加快脱硫石膏综合利用利国、利民、利企。