摘要:随着重庆市烟气脱硫工程的推进,必将产生大量的烟气脱硫副产物——脱硫石膏,这些脱硫石膏如不加以处置,不仅占用大量土地,还可能给环境带来二次污染,处置和利用好脱硫石膏,对重庆市的环境尤其是生态环境保护有着重要意义,而且具有良好的经济效益和社会效益。首先阐述了重庆燃煤电厂脱硫石膏的产生、特性及国内外综合利用现状。结合重庆市实际情况,对脱硫石膏在建筑建材业、农业等领域的应用前景进行了分析,并提出了脱硫石膏综合利用的建议。
关键词:烟气脱硫,石膏,综合利用
前言
由于重庆是中国最早的重工业城市之一,空气污染特别严重,尤其是so2 污染,导致重庆成为典型的酸雨区。近年来,重庆市采取了一系列的措施,改善大气环境质量,例如“蓝天行动”等,并且禁止在城区及近郊区新建燃煤火电厂,新建、改造燃煤含硫量大于1%的电厂必须建设脱硫设施,现有燃煤含硫量大于1%的电厂应采取二氧化硫减排措施。
随着烟气脱硫工程的推进,必将产生大量的脱硫副产物——脱硫石膏。这些脱硫石膏如不加以处置,不仅占用大量土地,还可能给环境带来二次污染;如果能加以综合利用,则能“变废为宝”,实现废物的资源化,不仅能产生良好的环境效益,而且能创造可观的经济效益和社会效益。
1 国内外脱硫石膏综合利用
在国外,在脱硫石膏的综合利用方面,美国、欧洲、日本走在前列,脱硫石膏的工业化生产已经超过 20年。德国是脱硫石膏开发和应用最发达的国家,也是最早采用脱硫石膏生产石膏板的国家,脱硫石膏利用率将近100%,日本对脱硫石膏利用率也较高,已经达到80%～90%,其次是美国、英国、奥地利、荷兰[ 1 ] 。
目前国外脱硫石膏主要用在生产建筑建材业中, 例如用脱硫石膏生产建筑石膏、纸面石膏板、粉刷石膏、石膏砌块、石膏空心条板、石膏矿渣板以及作为生产水泥的缓凝剂使用等[ 2 - 4 ] 。农业方面,脱硫石膏中含有的钙化合物有利于作物的生长和气高作物产量, 并对土壤起到中和或调节作用[ 5 ] 。发达国家在脱硫石膏的利用上已经形成了较为完善的研究、开发、应用体系,其工艺设备也已专业化、系列化。
中国对脱硫石膏的综合利用才刚刚起步,与这些发达国家间还存在很大的差距。目前,中国燃煤电厂生产的脱硫石膏主要用于石膏板生产和水泥行业,另外在粉刷石膏、石膏粉、农业、矿山填埋及公路路基回填材料等领域也有所应用,但是均未达到规模应用[ 6 - 7 ] 。重庆珞璜电厂将脱硫石膏加工成石膏球和半水石膏,作为制作水泥和建材的原料,主要生产纸面石膏板等;杭州半山电厂将脱硫石膏供应给附近中小纸面石膏板厂和石膏空心砌块生产企业使用;北京第一热电厂将脱硫石膏制成石膏砌块等。但是总体来说,国内脱硫石膏的综合利用率较低,尚未形成专业化、规模化生产。国内脱硫石膏在农业方面的应用尚处于试验阶段,田间大规模的应用还比较少,可以作为今后的研究重点。
2 重庆市燃煤电厂脱硫石膏的产生及特性
2. 1 脱硫石膏的产生
重庆大多数的燃煤电厂采用的脱硫技术是湿式石灰石/石膏法( fgd) ,这种方法是目前世界各国燃煤电厂采用的最主要的烟气脱硫技术,其脱硫效率高、技术成熟,而且脱硫副产物具有较高的利用价值。其工艺过程是:烟气经锅炉空气预热器出来,进入电除尘器除掉大部分粉煤灰烟尘,再经过一个专门的热交换器,然后进入吸收塔,烟气中so2 与含有石灰石的浆液进行气液接触,生成caso3 ,通入空气将caso3 氧化,生成石膏晶体caso4 ·2h2o。
2. 2 脱硫石膏的特性
电厂脱硫石膏的主要成分和天然石膏一样,都是二水硫酸钙晶体(caso4 ·2h2o) ,其物理化学性质和天然石膏具有共同规律,但作为一种工业副产物石膏,它具有再生石膏的一些特点,和天然石膏有一定差异。重庆地区脱硫石膏其平均粒径约30μm ～40μm,颜色近于白色,二水硫酸钙含量较高,为 90%～95% ,含水量为10%。表1为重庆脱硫石膏与天然石膏的成分比较。从表1中可以看出,脱硫石膏的主要成分与天然石膏相似,质量比磷石膏更好。与天然石膏相比,脱硫石膏具有粒度小、成分稳定、有害杂质含量少、纯度高等特点,是一种品质较好的石膏。
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3 烟气脱硫石膏综合利用的技术经济可行性分析
重庆市脱硫石膏综合利用的主要途径有:用作水泥缓凝剂、建筑石膏、粉刷石膏、纸面石膏板等,这些产品的技术经济指标均达到或超过天然石膏产品。
3. 1 技术可行性
通过对珞璜电厂的脱硫石膏分批进行取样分析,其品位达到天然优质二水石膏品位,是制作粉刷石膏的理想原料。脱硫石膏生产的建筑石膏性能优异,强度比国家标准规定的优等品的强度值高40% ～45% (见表2) ,这为脱硫石膏的大量应用奠定了基础。
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脱硫建筑石膏粉具有粒度细、强度高的特点,完全能满足生产粉刷石膏的要求。在建筑石膏粉中加入砂子或膨胀珍珠岩以及各种化学添加剂,组合制成的新型抹灰材料,这种新型石膏砂浆与传统水泥类砂浆相比,具有轻质、高强、节能等特点,且粘结性能较好,不易起壳和开裂;并可以有效解决混凝土剪力墙等各类墙体的保温问题。
山东太和东新股份有限公司选用适当的添加剂,并经过大量试验与工艺调整,使碳酸钙、碳酸镁的含量控制在115%以内,符合纸面石膏板的生产要求,生产出来的脱硫石膏板各项指标均符合gb /t 9775 - 1999的技术要求,部分指标还优于天然石膏生产的纸面石膏板(见表3) [ 8 ] 。工艺方面,只需在传统的石膏板制造工业中增加烘干、煅烧系统即可,其他的工艺和设备无需更改,这使得利用脱硫石膏生产纸面石膏板在工艺技术上具有可行性。
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研究表明[ 9 ] ,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。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;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[ 10 ] 。
将脱硫石膏、火电厂废弃物、矿物外加剂以50 z 40z 10比例配制成路基回填材料,试验中回填材料28 d时强度达325#水泥标准,在膨胀率、溶出率等影响路基材料应用性质方面也符合有关要求[ 11 ] 。
3. 2 综合利用脱硫石膏的经济优势
对于缺乏天然石膏的地区,如从外地购置天然石膏,其运费就是无法削减的成本,而且脱硫石膏的价格(一般在60元/ t)比天然石膏(市面价一般在 95元/ t)的价格低很多,如果企业能就近采用本地电厂的脱硫石膏,将使生产的原料成本大大降低。天然石膏生产的粉刷石膏价格为380 元/ t,而中国自行开发的以脱硫石膏制造的粉刷石膏的价格在180～230元/ t左右,比前者低了150～200元/ t, 且各项指标均达到国家标准,应用效果较好。
另外,根据《国务院批转经贸委等部门关于进一步开展资源综合利用意见的通知》———国发 (1996) 36号和财政部、国家税务总局财税字(1996) 20号通知精神,“以废渣为原料生产的建材产品免征增值税”,本产品将享受免税政策。因此,综合利用脱硫石膏在经济上具有巨大的优势。
4 重庆市脱硫石膏应用前景分析
重庆市环境保护条例规定, 燃煤含硫量大于 1%的电厂都要设置脱硫设施,按照煤含硫量1%计算,重庆市每年将产生脱硫石膏约85万吨。随着人们对大气环境的要求越来越高,且品质优良的天然石膏储备日益减少,脱硫石膏的生产与应用蕴藏着巨大的市场机遇,相信在不久的将来会有大量的脱硫石膏代替天然石膏生产建材制品。
4. 1 应用于水泥行业
只需把脱硫石膏制成且具有一定的强度、直径为φ20～40的球,脱硫石膏即可作为水泥生产中的缓凝剂使用,这是脱硫石膏的一个较大的用户。根据重庆市经委建材处提供的资料显示,重庆市有水泥企业近160家, 2007年水泥产量约2 700万吨,水泥生产过程需掺加熟料质量3% ～5%的二水石膏作缓凝剂,按平均4%计算,则重庆市每年可消耗脱硫石膏108万吨。
4. 2 用于生产建筑石膏粉
建筑石膏粉是对脱硫石膏进行煅烧、破碎、制粉而成,操作工艺较为简单,如果仅仅生产石膏粉,虽然有市场,但其产品附加值较低,建厂生产收益并不是很大。因为建筑石膏粉是生产纸面石膏板、粉刷石膏、石膏砌块等的原料,这些产品的附加值就较高,在充分进行市场调研之后,可以在生产石膏粉的基础上增加纸面石膏板、粉刷石膏等的生产线,以提高经济效益。
4. 3 用于生产纸面石膏板
制造纸面石膏板是脱硫石膏另一个大量使用的途径,国外脱硫石膏一般也是用于制造纸面石膏板。重庆江津市、万盛区等几个区县都规划建设纸面石膏板生产线,仅以江津市年产2 000万平方米纸面石膏板生产线计算,按照每平方米使用10公斤脱硫石膏计算,一年可消化脱硫石膏20万吨。且目前中国纸面石膏板需求量还在以每年20%左右的速度增长,脱硫石膏的利用潜力很大。
4. 4 利用于粉刷石膏砂浆
2005年- 2006年,重庆新增的居住建设用地面积为3 117万m2 , 2006年住宅竣工面积达到4 09716万 m2 ,按重庆每年新增1 000万m2 住宅面积,每1万平方米建筑使用1 400 m3 (合2 700 t)水泥砂浆,内墙墙面和天花板面占整个建筑需粉刷表面及砌筑所用砂浆量的近70%计算,重庆每年建筑内墙需要189万t 抹面砂浆,按石膏与料1z 3比例计算,每年可消耗脱硫石膏47125万t。粉刷石膏砂浆可作为新型墙体的配套材料,具有良好的品质和施工特点,其中保温型粉刷石膏砂浆还可广泛用于节能住宅[ 12 ] ,随着重庆市建筑节能的推进以及人们环保意识的提高,粉刷石膏系列产品(包括面层、底层粉刷石膏砂浆,保温层粉刷石膏砂浆,顶棚粉刷石膏砂浆等)作为高品质的新型建材已显示出广阔的应用前景。
4. 5 利用于制造石膏砌块
中国虽在外墙建设中大力推荐以石膏砌块代替实心粘土砖,但目前最大的石膏砌块生产线仅30万 m2 ,每年约可利用脱硫石膏2万吨(湿基) ,大部分生产线都是10万m2 以下的小生产线,用量不大,市场未推开。
4. 6 用于制造模具石膏
中国模具石膏市场较大,但是目前使用脱硫石膏制造模具石膏还存在技术工艺和脱硫石膏白度的问题,工艺不成熟,有待进一步开发新技术。
4. 7 用作回填路基材料
“十一五”期间,重庆市将继续加强公路建设。重庆市加大县际公路升级改造力度,新建二级公路 2 000 km 左右,形成主要由7 000 km 一、二级公路构成的县际公路网。实施农村公路通达、通畅工程, 新建、改建416万km农村公路。
大规模公路建设对路基回填材料量的需求很大,对质量要求也越来越高。充分利用脱硫石膏作为建筑道路的回填材料,既可为城市筑路提供材料来源,又可解决脱硫石膏的利用问题。
4. 8 在农业上的应用
脱硫石膏在理论上可以作为土壤改良剂,改良酸性、碱性土壤,在这方面国外研究较多,国内近年来也有不少的研究,但是大多数都还处于实验室研究水平,田间的规模应用还比较少,虽然脱硫石膏在农业上的应用前景是广阔的,但是现阶段还主要集中在建材行业。
在各种利用途径中,用于水泥行业和生产纸面石膏板是最主要的利用方式,因此水泥企业和纸面石膏板生产厂应布置在离电厂不远的地方,以便于利用脱硫石膏,例如重庆珞璜电厂附近就有多家水泥企业、拉法基以及山东太和纸面石膏板厂等。
5 建议
按照循环经济理念,当地政府应鼓励脱硫石膏综合利用项目的实施,并给予大力扶持,通过政策优惠如免税等吸引资金开发脱硫石膏综合利用的新技术,结合地域特点、企业实际、资源现状、应用前景等,积极、稳妥地处理脱硫副产物石膏,让大量的脱硫石膏尽早地变废为宝。
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