脱硫石膏是电厂烟气脱硫过程中产生的副产物,其是否得到有效利用是各电厂脱硫装置能否正常运行的前提条件。
1 脱硫石膏综合利用的国内外实践
中国新型建筑材料工业杭州设计研究院、中国林科院木材工业研究所、 重庆大学、 重庆市建筑科学研究院等研究机构近年来均对脱硫石膏用于石膏板行业的生产工艺进行了研究和实践, 认为脱硫石膏用于制造纸面石膏板、 石膏刨花板等完全可行, 且其性能优于天然石膏生产的产品[1]。目前, 英国杰科 ( bpb) 、 拉法基、可耐福、 北新建材、 山东泰和集团、 浦东水泥厂等中国主要的石膏、 水泥生产企业均开始以脱硫石膏逐渐替代天然石膏。太原第一热电厂、北京国华电厂、 北京石景山电厂、 江苏太仓电厂、 重庆珞璜电厂、 杭州半山电厂、 扬州发电厂、 济南黄台电厂、 上海外高桥电厂、上海宝钢自备电厂等也已逐渐开展对脱硫石膏的综合利用, 主要将其作为水泥添加剂和石膏板原料销往周边石膏生产企业、 水泥厂, 部分电厂还自己投资建设了脱硫石膏综合利用车间生产石膏或水泥建材成品、 半成品。
2 脱硫石膏综合利用的主要途径及技术特点
2.1 替代天然石膏制备建筑石膏
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→冷却→成品包装[2]。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, 减少矿山开采带来生态破坏, 还可形成脱硫石膏制品的新产业和新市场。根据上海拉法基石膏建材有限公司的实践经验与研究[3]
, 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, 从而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, 避免产生边缘空心板, 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, 可提高石膏的平均纯度, 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。
2.2 用作水泥缓凝剂
研究表明[4], 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。从山西孝义国营水泥厂[4]、重庆拉法基水泥厂等国内外应用实践来看, 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, 或者使用前将原状脱硫石膏造粒; 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[5]: ( 1) 纯度( caso4 ·2h2o) 高, 二水硫酸钙的含量可调节, 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, 且含氯离子等腐蚀性杂质少, 从而可提高钢筋混凝土的强度和耐久性。
2.3 用作肥料改良土壤
2.4 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[8]。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[9]。研究表明[10], 废石膏回填材料的路基填料最小强度 ( cbr) 达 19%以上, 并具有良好的耐久性能, 其重金属浸出量远低于国家标准规定值。
3 脱硫石膏综合利用的技术难点
3.1 脱硫石膏有一定的含水量
脱硫石膏含水率一般在 10%~15%, 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。
3.2 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 140μ m 左右,而脱硫石膏粒径一般为 30~60μ m[11], 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, 导致熟石膏粉加水后的流变性差, 颗粒离析、 分层现象严重; 直接用熟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。故熟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。
4 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。 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煅烧石膏较为理想, 见图 1。
4.1 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干燥至水分<2%后, 直接进入连续炒锅内炒制。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。
4.2 回转窑煅烧β - 半水石膏
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。
4.3 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。 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。 中电国华北京热电分公司 ( 原北京第一电厂) 于 2001 年引进该技术建成了使用脱硫石膏的石膏砌块机械化作业生产线。
4.4 沸腾炉煅烧生产β - 半水石膏
沸腾炉设备为我国独创, 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 1~2mpa 的饱和蒸汽或温度为 250~260℃的导热油。 该设备目前在山东等地已有应用。
4.5 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; 煅烧出的石膏粉强度达 15~25mpa;加工原料的粒径范围宽, 最大粒径 12mm, 最小粒径<100μ m; 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。
4.6 krupp polysius 悬浮气流锻烧工艺
德国 krupp polysius 悬浮气流锻烧工艺适合于生产高温石膏, 目前在德国、 荷兰等国应用较多。其组成为一个或多个预热旋流器、带有燃烧装置的燃烧器和带有旋流冷却器的旋风分离器。以高温石膏作为胶凝组分的自流平地面材料, 在由烟气脱硫石膏制成的建筑材料中占较大比例。
5 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, 对其进行综合利用有多种途径, 在技术上也不存在难以解决的问题。在政府出台优先利用脱硫石膏的相应政策、电厂或电厂附近配备脱硫石膏综合利用设施等情况下, 其综合利用前景无限广阔, 尤其是在那些没有天然石膏矿藏的城市和地区。