淺析脫硫石膏綜合利用的技術可行性
脫硫石膏是電廠煙氣脫硫過程中產生的副產物,其是否得到有效利用是各電廠脫硫裝置能否正常運行的前提條件。
1 脫硫石膏綜合利用的國內外實踐
中國新型建筑材料工業杭州設計研究院、中國林科院木材工業研究所、 重慶大學、 重慶市建筑科學研究院等研究機構近年來均對脫硫石膏用于石膏板行業的生產工藝進行了研究和實踐, 認為脫硫石膏用于制造紙面石膏板、 石膏刨花板等完全可行, 且其性能優于天然石膏生產的產品[1]。目前, 英國杰科 ( BPB) 、 拉法基、可耐福、 北新建材、 山東泰和集團、 浦東水泥廠等中國主要的石膏、 水泥生產企業均開始以脫硫石膏逐漸替代天然石膏。太原第一熱電廠、北京國華電廠、 北京石景山電廠、 江蘇太倉電廠、 重慶珞璜電廠、 杭州半山電廠、 揚州發電廠、 濟南黃臺電廠、 上海外高橋電廠、上海寶鋼自備電廠等也已逐漸開展對脫硫石膏的綜合利用, 主要將其作為水泥添加劑和石膏板原料銷往周邊石膏生產企業、 水泥廠, 部分電廠還自己投資建設了脫硫石膏綜合利用車間生產石膏或水泥建材成品、 半成品。
2 脫硫石膏綜合利用的主要途徑及技術特點
2.1 替代天然石膏制備建筑石膏
用脫硫石膏制備建筑石膏的基本工藝技術路線為:上料→烘干→煅燒→冷卻→成品包裝[2]。用脫硫石膏替代天然石膏生產各種石膏建材, 不僅可以減少天然石膏的消耗量, 減少礦山開采帶來生態破壞, 還可形成脫硫石膏制品的新產業和新市場。根據上海拉法基石膏建材有限公司的實踐經驗與研究[3]
, 與天然石膏相比, 脫硫石膏具有純度高、 粒度細、 氯離子含量低等優點, 具體體現為:
( 1) 降低料漿液固比。在石膏生產線中, 加入一定比例的脫硫石膏可降低料漿液固比, 從而減少干燥機的蒸發水量, 提高石膏板產量。根據生產實踐, 每降低1%的液固比, 可降低 1%~2%的干燥機能耗。
( 2) 增大料漿流動性。工藝配方相同的情況下, 在天然石膏中添加一定比例的脫硫石膏, 可增加料漿的流動性, 便于去除氣泡, 增加石膏板的整體性能和強度, 避免產生邊緣空心板, 提高產品質量。
( 3) 降低石膏板的重量。添加一定比例的脫硫石膏, 可提高石膏的平均純度, 在不影響石膏板質量的前提下降低板重和耗材, 減少石膏板破損率, 降低成本。
( 4) 改善石膏板的質量。 石膏粉的純度、 粒度、 雜質( 特別是 Cl-的含量) 將影響石膏板的機械強度和干粘合。在天然石膏中添加一定比例的脫硫石膏能提高石膏板的機械強度、 邊緣硬度, 增強紙面與石膏芯之間的干粘合, 提高紙面石膏板的可加工性能及美觀性能。
( 5) 革除破碎、 球磨工序, 減少對設備的磨損。脫硫石膏本身是粉末, 無需破碎和錘磨, 因此可減少設備磨損, 延長設備壽命, 降低維修費用和能耗。
2.2 用作水泥緩凝劑
研究表明[4], 原狀濕式脫硫石膏、 自然干燥或在140℃以下預烘干的脫硫石膏能夠正常調節水泥的凝結時間, 水泥性能正常發揮, 水泥強度、 凝結時間及安定性等指標均達到國家有關標準。從山西孝義國營水泥廠[4]、重慶拉法基水泥廠等國內外應用實踐來看, 水泥廠一般采用塊狀天然石膏作緩凝劑, 其生產設備是為適應塊狀物料而設計的,因此使用脫硫石膏的水泥生產線需增加儲存倉、 帶皮帶秤 ( 計量設備) 的堆棚、 配料庫及喂料機等設備, 并對投料口處的設備進行一定改造, 或者使用前將原狀脫硫石膏造粒; 但可省去破碎工藝。此外不需其他工藝改變, 因此從工藝技術角度而言不存在問題。在水泥行業使用脫硫石膏的優點在于[5]: ( 1) 純度( CaSO4 ·2H2O) 高, 二水硫酸鈣的含量可調節, 雜質少、品質高; ( 2) 經試驗, 脫硫石膏的微觀結構使其需水少、 水分蒸發后形成孔洞少, 力學上有優勢, 且含氯離子等腐蝕性雜質少, 從而可提高鋼筋混凝土的強度和耐久性。
2.3 用作肥料改良土壤
2.4 用于礦井路基回填等
膠結充填采礦法是一種經營費用較高的采礦工藝, 其充填成本約占采礦成本的 1/3 左右, 充填成本中充填膠凝材料水泥占 80%以上, 昂貴的交接充填成本制約了膠結充填采礦法的應用和發展[8]。將脫硫石膏、 火電廠廢棄物、 尾砂、 棒磨砂按一定比例混合后, 可得到與普通硅酸鹽水泥礦物組成相似的膠結材料。脫硫石膏水化過程中, 會生成大量溶解度低、 以膠體微粒析出的硅酸鈣凝膠水化產物。氧化鈣含量高、發熱量低的脫硫石膏代替水泥, 可降低水泥的水化熱和充填體的絕熱溫升, 還可推遲水化熱峰值出現的時間, 從而防止溫度裂縫的產生, 提高膠結料的強度[9]。研究表明[10], 廢石膏回填材料的路基填料最小強度 ( CBR) 達 19%以上, 并具有良好的耐久性能, 其重金屬浸出量遠低于國家標準規定值。
3 脫硫石膏綜合利用的技術難點
3.1 脫硫石膏有一定的含水量
脫硫石膏含水率一般在 10%~15%, 粘性強, 因此在裝載、 提升、 輸送的過程中極易粘附在設備上, 造成積料、 堵塞, 影響生產過程的正常進行; 同時, 含水率高的特點也使其在煅燒設備及工藝的選擇上, 需考慮干燥與煅燒兩方面。
3.2 脫硫石膏顆粒級配不合理
天然石膏經過粉碎后, 細度一般在 140μ m 左右,而脫硫石膏粒徑一般為 30~60μ m[11], 顆粒過細帶來流動性和觸變性的問題, 需要在工藝中進行特殊處理以改善晶體結構。這也使脫硫石膏煅燒難于天然石膏,對煅燒工藝參數的控制水平要求較高。脫硫石膏顆粒比表面積是粉磨后天然石膏的 40%~60%, 顆粒級配不好。在煅燒后, 其顆粒分布特征沒有改變, 導致熟石膏粉加水后的流變性差, 顆粒離析、 分層現象嚴重; 直接用熟脫硫石膏粉生產的粉刷石膏飽水性差, 生產的石膏制品容重較大、 強度不均勻。故熟脫硫石膏粉應經過粉磨增加顆粒比表面積后, 再用于石膏產品的加工生產。
4 解決上述問題的技術方法
脫硫石膏生產線的成功和先進性, 關鍵在于石膏的烘干和煅燒工藝裝備技術。 對于含水量在 10%左右、粒度很細的脫硫石膏, 選用閃蒸式的熱氣流直接烘干石膏的效果較好。脫硫石膏煅燒設備是生產線上的核心設備, 一般有間接換熱多管式回轉窯、 連續炒鍋、 沸騰爐、氣流煅燒裝置等。就建筑石膏的質量而言, 采用間接換熱多管式回轉窯煅燒石膏較為理想, 見圖 1。
4.1 氣流干燥連續炒鍋生產β - 半水石膏
脫硫石膏在氣流干燥管內干燥至水分<2%后, 直接進入連續炒鍋內炒制。連續炒鍋在我國應用較多,其投資較少, 可完全實現國產化, 但占地面積大, 能耗較高, 對溫度控制要求嚴格, 粉塵較難回收。
4.2 回轉窯煅燒β - 半水石膏
利用直接加熱式回轉窯可直接煅燒脫硫石膏, 煅燒前不必進行預干燥處理, 但窯體需有一定長度的干燥帶, 存在收塵和排潮較困難、 煅燒不均勻、 品種單一、 不易調整等缺陷, 國內應用不多。
4.3 氣流干燥煅燒一體化生產β - 半水石膏
氣流煅燒磨集干燥、 粉磨、 煅燒工藝為一體, 在德國稱風掃磨。 石膏顆粒在粉磨的同時與熱氣流作用, 脫水后被熱風吹至旋風分離器, 沉降冷卻后即為建筑石膏粉。 該煅燒工藝適宜脫硫石膏這種粉狀物料的處理,但設備及技術需從國外引進, 投資較大。 中電國華北京熱電分公司 ( 原北京第一電廠) 于 2001 年引進該技術建成了使用脫硫石膏的石膏砌塊機械化作業生產線。
4.4 沸騰爐煅燒生產β - 半水石膏
沸騰爐設備為我國獨創, 已獲得國家專利。該工藝的物料實現了流態化, 無需機械攪拌裝置, 可降低設備維修率。其設備投資比同類進口設備低, 能耗和電耗比傳統的煅燒設備少, 熱源采用 1~2MPa 的飽和蒸汽或溫度為 250~260℃的導熱油。 該設備目前在山東等地已有應用。
4.5 RFC 流化床多功能焙燒爐煅燒生產 β - 半水石膏
澳大利亞 RBS 速成建筑系統有限公司開發的RFC 流化床多功能焙燒爐應用固體流態化機理, 集石膏干燥和煅燒為一體, 可直接焙燒帶有游離水的脫硫石膏, 無需配置精確的喂料計量設備; 爐體占地面積小, 可露天操作; 煅燒出的石膏粉強度達 15~25MPa;加工原料的粒徑范圍寬, 最大粒徑 12mm, 最小粒徑<100μ m; 溫度控制精度可達到 1℃, 料層溫度梯度小,確保了焙燒參數的實現, 生產穩定。目前, 該設備在國內還沒有實際應用。
4.6 Krupp Polysius 懸浮氣流鍛燒工藝
德國 Krupp Polysius 懸浮氣流鍛燒工藝適合于生產高溫石膏, 目前在德國、 荷蘭等國應用較多。其組成為一個或多個預熱旋流器、帶有燃燒裝置的燃燒器和帶有旋流冷卻器的旋風分離器。以高溫石膏作為膠凝組分的自流平地面材料, 在由煙氣脫硫石膏制成的建筑材料中占較大比例。
5 結語
從國內外市場對脫硫石膏的需求、 脫硫石膏綜合利用的工藝技術能力與設備等方面來看, 電廠煙氣脫硫產生的石膏是天然石膏最好的替代物, 對其進行綜合利用有多種途徑, 在技術上也不存在難以解決的問題。在政府出臺優先利用脫硫石膏的相應政策、電廠或電廠附近配備脫硫石膏綜合利用設施等情況下, 其綜合利用前景無限廣闊, 尤其是在那些沒有天然石膏礦藏的城市和地區。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
