烟气脱硫石膏资源化利用现状及展望

烟气脱硫石膏资源化利用现状及展望吴晓琴,吴忠标(浙江大学环境工程系,浙江杭州　310027) 摘　要:本文介绍了脱硫石膏的生成及其特点,从脱硫石膏的定义上确定脱硫石膏是一种与天然石膏等价资源的思想。

通过对脱硫石膏主要生产国如日本、德国和美国等发达国家在烟气脱硫石膏资源化利用的情况以及我国脱硫石膏利用现状的总结,指出了我国脱硫石膏资源化利用过程中存在的问题,并提出我国脱硫石膏资源化利用的几点建议。

关键词:烟气脱硫;石膏;资源化;利用中图分类号:X 701.3 文献标识码:A 文章编号:1001-2141(2003)11-0192-04 随着脱硫石膏生产排出而终止的石膏生态循环得到越来越广泛的关注,脱硫石膏需要资源化利用,而且选择合适的脱硫石膏处理处置方式,也是从根本上解决SO 2排放污染问题的关键环节,可进一步提升湿法烟气脱硫的技术水平,推进我国脱硫事业的良性发展。

1　脱硫石膏的物化性质1.1　定义收稿日期:2002-07-09作者简介:吴晓琴(1972-),女,湖北武汉人,武汉科技大学讲师,现为浙江大学环境工程系博士生。

主要从事大气污染控制和固废处理等方面的研究。

这里列举两种典型的脱硫石膏定义:欧洲对脱硫石膏的定义为[1]:来自烟气脱硫工业的石膏是经过细分的湿态晶体,是高品位的二水硫酸钙(CaSO 4・2H 2O )。

美国测试学会(A STM )对脱硫石膏的定义为[2]:脱硫石膏在烟气脱硫过程中产生,是一种化工副产品,主要由含两个结晶水的硫酸钙组成。

1.2　脱硫石膏的性质烟气脱硫工艺决定了脱硫石膏的性质,其特点是纯度高[3],成分稳定,游离水份约10%,粒度小,粉状,含较多的水溶性盐。

一般根据燃烧的煤种和烟气除尘效果不同,脱硫石膏从外观上呈现不同的颜色,常见颜色是灰黄色或灰白色,灰色主要是由于烟尘中未燃尽的碳质量分数较高的缘故,并含有少量CaCO 3颗粒。

天然石膏与之相比,呈粉状,化学成分与脱硫石膏相差不大,杂质主要以粘土类矿物为主。

表1[3]列出了天然石膏和脱硫石膏的化学成分及细度。

表2[3]则是脱硫石膏(重庆珞璜电厂脱硫石膏)和天然石膏粒径分布情况。

在扫描电镜下可观察到,脱硫石膏颗粒外形完整,水化后晶体呈柱状,结构紧密,其水化硬化体的表观密度较天然石膏硬化体大10%～20%,而且,脱硫石膏颗粒一般不超过200目,粒径分布范围较小。

但脱硫石膏在某些使用过程中,必须严格控制一些可溶性盐类的浓度,如氯、钾、钠等离子。

表1　天然石膏和脱硫石膏的化学成分及细度项目CaOSi O 2A l 2O 3SO 3Fe 2O 3M gO L o ss 筛余(%)0.045mm 天然石膏31.54.31.7341.11.151.3017.28.8脱硫石膏31.62.70.742.40.51.019.21.0表2　石膏颗粒粒径分布(%)粒度(L m )806050403020105天然石膏筛余10.94.79.54.914.415.520.012.7脱硫石膏筛余5.015.58.321.931.015.71.70.4　注:天然石膏中未计入8.8%的大于80L m 的颗粒。

2　国外脱硫石膏利用现状在20世纪80年代末90年代初,随着脱硫石膏大量产出,德国和日本对脱硫石膏展开了大量研究,实现了脱硫石膏资源化利用,取得了较好的经济、社会及环境效益。

2.1　日本日本是生产脱硫石膏最早的国家[425],第一批脱硫石膏于1972年产出,且在短时间内得到了惊人的发展。

在日本,促使脱硫石膏资源化利用的主要因素是:(l )缺乏天然石膏资源,对脱硫石膏的市场需求量大;(2)缺少处置副产品可利用的场地;(3)调整后的政策不提倡对未氧化的脱硫副产品进行处置。

在日本,脱硫石膏占日本国内石膏总消耗量的20%～25%,是日本石膏工业的重要来源,表3提供了1991年～1999年日本国内石膏的使用情况[4]。

表3　1991年～1999年日本国内石膏供应量统计(万t )年 份19911995199719981999磷石膏163.5122.4119.4117.1114.3脱硫石膏201.6213.6216.1224.3231.6钛石膏68.460.969.069.069.0氟石膏52.043.841.041.041.0精制石膏23.193.5104.8104.8106.2其它23.019.519.019.019.1进口石膏390.6382.2435.0441.8454.1当年日本国内石膏使用量合计922.2935.91004.31019.21035.4　在日本,脱硫石膏再利用的类型主要有:墙板、建筑熟石膏、第25卷　第11期 重　庆　环　境　科　学2003年11月工业灰泥、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,但日本的墙板工业越来越倾向于以天然石膏取代脱硫石膏。

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。

这一技术由美国C.S.I公司开发,作为能廉价大量处理粉煤灰和脱硫石膏的先进技术被引进到日本,目前有50多家工厂正在从事这种材料的生产作业。

2.2　欧洲欧洲的脱硫石膏大规模应用研究始于20世纪80年代后期至90年代初期,主要由石膏工业、火力发电工业和具有新方法及新产品的设计工作者紧密结合,共同开发,保证脱硫石膏得到全部利用。

2.2.1　德国德国在脱硫石膏资源化利用方面具有丰富的经验[1,6-7],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。

德国大型燃烧设备法规规定[7]:燃烧化石燃料的火力发电厂必须安装烟气脱硫装置。

因此,德国有90%的燃煤锅炉采用烟气脱硫装置,其中80%的烟气脱硫装置生产石膏。

1980年～2000年间德国脱硫石膏产量持续增长,在原东德,脱硫石膏于1996年超过490万t,2000年则达到630万t。

德国脱硫石膏主要在建筑工业领域应用[8],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50%。

以一套发电设备为例,每年生产440,000t脱硫石膏,其中77%用于胶凝性墙板,剩余部分通过以下途径应用:16%经过干燥形成饼状物并在当地销售生产水泥,7%在当地加工成矿物性灰泥。

德国使用脱硫石膏所具有的优势是,60至95英里的运输距离被认为是经济的,因此短距离的运输不会对脱硫石膏的竞争造成危害。

德国还在鲁尔区建立了两个大的石膏工厂,对脱硫石膏进行深加工,提高脱硫石膏利用过程中的品位。

2.2.2　其它生产国家欧洲第二个脱硫石膏生产基地是英国[1,6,10],自1994年开始生产脱硫石膏,有两个主要生产地:D rax和R atciffe。

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。

生产脱硫石膏的欧洲国家还有荷兰、丹麦、以及东欧各国[1,6],如捷克和波兰。

荷兰和丹麦的脱硫石膏总产量是70万t a,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20世纪90年代以后才在脱硫石膏生产工艺方面有所突破。

1994年捷克第一台烟气脱硫石膏生产装置投入运行,年产石膏13万t,这些脱硫石膏直接应用在波希米亚城附近的Pocerady发电厂装备现场,生产石膏灰泥板。

表4显示了1996年欧洲烟气脱硫石膏的产量分布。

表4　1996年欧洲火力发电厂(以煤和褐煤为燃料)脱硫石膏产量分布表地域脱硫石膏产量(万t)地域脱硫石膏产量(万t)德国490奥地利10丹麦34波兰77芬兰19俄罗斯6英国120捷克13意大利4乌克兰1415荷兰36欧洲总计823.5 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。

2.3　美国美国是采用烟气脱硫装置最多的国家之一[9],截止到1991年,美国有273套湿法脱硫装置,其中有12%采用强制氧化生产脱硫石膏,但由于操作上的困难,有两套系统取消了强制氧化操作。

在10个利用强制氧化的系统中,只有三家报道了脱硫石膏在墙板制造业中的工业化应用,其中只有两家能够对所生产的脱硫石膏100%利用。

美国脱硫石膏的应用领域主要是水泥工业,但用量相当有限,在被调查的具有烟气脱硫系统的生产厂家中,只有6%表现出在水泥工业领域使用脱硫石膏的兴趣;另外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。

在美国,脱硫石膏相对于天然石膏而言不具有竞争优势,主要原因是:(1)脱硫石膏不能在诸如运输距离等方面与天然石膏进行成本上的竞争;(2)墙板生产所要求的脱硫石膏纯度不能保持恒定,尤其是特定的氯和飞灰含量;(3)当地的天然石膏供应已为当地的墙板生产工厂所接受。

因此脱硫石膏在美国主要采用抛弃法进行处置,除了经济的原因之外,美国所具有的广阔国土面积,为抛弃法处置脱硫石膏废渣提供了场地保障。

2.4　国外脱硫石膏利用总结发达国家的石膏工业由于它的竞争性和灵活性,成为最现代化、装备最好的工业,通过促进新产品和新工艺的不断开发,解决了脱硫石膏对环境保护的重要问题,而且通过脱硫石膏的综合利用还在增加劳动就业、减小环境污染和提供优良建筑制品方面起着重要作用,其中的重要观点是[7]:(1)在当地新的石膏厂和水泥工业中利用;(2)作为有价值的石膏资源进行存储;(3)作为可支配的石膏储量计算在总战略中;(4)在没有传统销售市场的地方建立和发展建材销售市场;(5)借助传统运输技术将这种材料运输到其它地方使用。

3　我国脱硫石膏利用现状我国20世纪90年代开始实施电厂烟气脱硫示范工程,主39111期　吴晓琴等:烟气脱硫石膏资源化利用现状及展望要采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺的电厂见表5。

表5　我国主要采用石灰石石灰湿法的FGD示范工程项目名称脱硫机组(MW)脱硫效率(%)投运年份预计石膏产量万t a重庆珞璜电厂一期2×36095199322.5重庆珞璜电厂二期2×36095200022.5山西太原第一发电厂2008019965重庆电厂2×20090200010浙江半山电厂2×1259020005北京第一热电厂2×1009020005 我国脱硫石膏最早于1992年重庆珞璜电厂产出,到目前为止,重庆珞璜电厂的脱硫石膏年排放量达45万t。