淺析脫硫石膏綜合利用的技術(shù)可行性
脫硫石膏是電廠煙氣脫硫過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)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(nèi)外實踐
中國新型建筑材料工業(yè)杭州設(shè)計研究院、中國林科院木材工業(yè)研究所、 重慶大學(xué)、 重慶市建筑科學(xué)研究院等研究機構(gòu)近年來均對脫硫石膏用于石膏板行業(yè)的生產(chǎn)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(yōu)于天然石膏生產(chǎn)的產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)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(fā)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(chǎn)企業(yè)、 水泥廠, 部分電廠還自己投資建設(shè)了脫硫石膏綜合利用車間生產(chǎn)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(shù)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(shù)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(chǎn)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(tài)破壞, 還可形成脫硫石膏制品的新產(chǎn)業(yè)和新市場。根據(jù)上海拉法基石膏建材有限公司的實踐經(jīng)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(yōu)點, 具體體現(xiàn)為:
( 1) 降低料漿液固比。在石膏生產(chǎn)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(fā)水量, 提高石膏板產(chǎn)量。根據(jù)生產(chǎn)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(chǎn)生邊緣空心板, 提高產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(zhì)量。 石膏粉的純度、 粒度、 雜質(zhì)( 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(shè)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(shè)備磨損, 延長設(shè)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(yù)烘干的脫硫石膏能夠正常調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間, 水泥性能正常發(fā)揮, 水泥強度、 凝結(jié)時間及安定性等指標均達到國家有關(guān)標準。從山西孝義國營水泥廠[4]、重慶拉法基水泥廠等國內(nèi)外應(yīng)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(chǎn)設(shè)備是為適應(yīng)塊狀物料而設(shè)計的,因此使用脫硫石膏的水泥生產(chǎn)線需增加儲存?zhèn)}、 帶皮帶秤 ( 計量設(shè)備) 的堆棚、 配料庫及喂料機等設(shè)備, 并對投料口處的設(shè)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(shù)角度而言不存在問題。在水泥行業(yè)使用脫硫石膏的優(yōu)點在于[5]: ( 1) 純度( CaSO4 ·2H2O) 高, 二水硫酸鈣的含量可調(diào)節(jié), 雜質(zhì)少、品質(zhì)高; ( 2) 經(jīng)試驗, 脫硫石膏的微觀結(jié)構(gòu)使其需水少、 水分蒸發(fā)后形成孔洞少, 力學(xué)上有優(yōu)勢, 且含氯離子等腐蝕性雜質(zhì)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(jié)充填采礦法是一種經(jīng)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(jié)充填采礦法的應(yīng)用和發(fā)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(jié)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(chǎn)物。氧化鈣含量高、發(fā)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(xiàn)的時間, 從而防止溫度裂縫的產(chǎn)生, 提高膠結(jié)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(guī)定值。
3 脫硫石膏綜合利用的技術(shù)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(shè)備上, 造成積料、 堵塞, 影響生產(chǎn)過程的正常進行; 同時, 含水率高的特點也使其在煅燒設(shè)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(jīng)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(jié)構(gòu)。這也使脫硫石膏煅燒難于天然石膏,對煅燒工藝參數(shù)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(dǎo)致熟石膏粉加水后的流變性差, 顆粒離析、 分層現(xiàn)象嚴重; 直接用熟脫硫石膏粉生產(chǎn)的粉刷石膏飽水性差, 生產(chǎn)的石膏制品容重較大、 強度不均勻。故熟脫硫石膏粉應(yīng)經(jīng)過粉磨增加顆粒比表面積后, 再用于石膏產(chǎn)品的加工生產(chǎn)。
4 解決上述問題的技術(shù)方法
脫硫石膏生產(chǎn)線的成功和先進性, 關(guān)鍵在于石膏的烘干和煅燒工藝裝備技術(shù)。 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(shè)備是生產(chǎn)線上的核心設(shè)備, 一般有間接換熱多管式回轉(zhuǎn)窯、 連續(xù)炒鍋、 沸騰爐、氣流煅燒裝置等。就建筑石膏的質(zhì)量而言, 采用間接換熱多管式回轉(zhuǎn)窯煅燒石膏較為理想, 見圖 1。
4.1 氣流干燥連續(xù)炒鍋生產(chǎn)β - 半水石膏
脫硫石膏在氣流干燥管內(nèi)干燥至水分<2%后, 直接進入連續(xù)炒鍋內(nèi)炒制。連續(xù)炒鍋在我國應(yīng)用較多,其投資較少, 可完全實現(xiàn)國產(chǎn)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(zhuǎn)窯煅燒β - 半水石膏
利用直接加熱式回轉(zhuǎn)窯可直接煅燒脫硫石膏, 煅燒前不必進行預(yù)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(diào)整等缺陷, 國內(nèi)應(yīng)用不多。
4.3 氣流干燥煅燒一體化生產(chǎn)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(fēng)掃磨。 石膏顆粒在粉磨的同時與熱氣流作用, 脫水后被熱風(fēng)吹至旋風(fēng)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(shè)備及技術(shù)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(shù)建成了使用脫硫石膏的石膏砌塊機械化作業(yè)生產(chǎn)線。
4.4 沸騰爐煅燒生產(chǎn)β - 半水石膏
沸騰爐設(shè)備為我國獨創(chuàng), 已獲得國家專利。該工藝的物料實現(xiàn)了流態(tài)化, 無需機械攪拌裝置, 可降低設(shè)備維修率。其設(shè)備投資比同類進口設(shè)備低, 能耗和電耗比傳統(tǒng)的煅燒設(shè)備少, 熱源采用 1~2MPa 的飽和蒸汽或溫度為 250~260℃的導(dǎo)熱油。 該設(shè)備目前在山東等地已有應(yīng)用。
4.5 RFC 流化床多功能焙燒爐煅燒生產(chǎn) β - 半水石膏
澳大利亞 RBS 速成建筑系統(tǒng)有限公司開發(fā)的RFC 流化床多功能焙燒爐應(yīng)用固體流態(tài)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(shè)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(shù)的實現(xiàn), 生產(chǎn)穩(wěn)定。目前, 該設(shè)備在國內(nèi)還沒有實際應(yīng)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(chǎn)高溫石膏, 目前在德國、 荷蘭等國應(yīng)用較多。其組成為一個或多個預(yù)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(fēng)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(jié)語
從國內(nèi)外市場對脫硫石膏的需求、 脫硫石膏綜合利用的工藝技術(shù)能力與設(shè)備等方面來看, 電廠煙氣脫硫產(chǎn)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(shù)上也不存在難以解決的問題。在政府出臺優(yōu)先利用脫硫石膏的相應(yīng)政策、電廠或電廠附近配備脫硫石膏綜合利用設(shè)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(qū)。
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