淺談最新燃煤電廠脫硫石膏的處理和資源化

孫祺，劉澤陽，劉廣友，孟慶軍

（1.國家能源聊城發(fā)電有限公司，山東 聊城 252000；2.國能（山東）能源環(huán)境有限公司，山東 濟南 250100）

燃煤電廠是我國能源結(jié)構(gòu)的主要組成部分，但是燃煤過程中產(chǎn)生的二氧化硫等大氣污染物對環(huán)境和人類健康造成了嚴(yán)重影響。為了降低大氣污染物的排放，燃煤電廠需進行煙氣脫硫處理，大多數(shù)電廠采用濕法脫硫技術(shù)，其中最主要的脫硫劑是石灰石，脫硫過程中產(chǎn)生副產(chǎn)物脫硫石膏。脫硫石膏是一種含有大量鈣、硫和水的固體廢棄物，如果不能得到有效處理和資源化利用，會對環(huán)境和人類健康造成潛在危害。因此，燃煤電廠脫硫石膏的處理和資源化利用已成為環(huán)保領(lǐng)域的一個熱點問題。

1 脫硫石膏的處理和資源化技術(shù)

1.1 脫硫石膏的產(chǎn)生

燃煤電廠是脫硫石膏的主要產(chǎn)生單位。在燃燒煤炭的過程中，燃料中的硫化物會與氧氣反應(yīng)生成二氧化硫，二氧化硫進一步氧化為三氧化硫，與水蒸氣反應(yīng)生成硫酸。在煙氣冷卻的過程中，硫酸會結(jié)合著煙氣中的水分形成硫酸霧。硫酸霧在煙道上升過程中與煙氣中的粉塵等雜質(zhì)相互作用，形成煙氣脫硫后產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物脫硫石膏。

1.2 脫硫石膏的危害

脫硫石膏是一種含有高濃度的二氧化硫和氧化物的固體廢棄物，如果不得到適當(dāng)?shù)奶幚砗吞幹茫瑫Νh(huán)境和人類健康造成危害。首先，脫硫石膏中含有大量的重金屬和放射性元素，如汞、鉛、鎘、鉻等，這些物質(zhì)會在處理和處置過程中釋放到大氣、水體和土壤中，對環(huán)境造成污染和破壞。其次，脫硫石膏堆放過程中，由于含水量高，容易形成積水，導(dǎo)致生物群落的破壞，進而影響水生態(tài)系統(tǒng)的平衡。此外，脫硫石膏的堆放還會影響周邊居民的健康，因為脫硫石膏中的有害物質(zhì)會隨著風(fēng)和水的流動擴散到周邊地區(qū)，對人體健康產(chǎn)生不良影響。

1.3 脫硫石膏的處理工藝

如圖1 所示，脫硫石膏的處理工藝主要如下。

圖1 脫硫工藝流程簡圖

（1）脫水。脫硫石膏首先要進行脫水處理，以減少石膏含水率，提高石膏的純度和可利用價值。常見的脫水方式有壓濾、離心脫水等。

（2）干燥。經(jīng)過脫水處理后的脫硫石膏需要進行干燥，以達到一定的水分含量，便于后續(xù)的加工處理。常見的干燥方式有旋轉(zhuǎn)干燥機、流化床干燥機等。

（3）制粉。干燥后的脫硫石膏需要進行制粉處理，以提高石膏的細(xì)度和比表面積，增強其吸附和反應(yīng)活性。制粉方法有機械磨粉和氣流磨粉等。

（4）儲存。制粉后的脫硫石膏需要進行儲存，以便隨時調(diào)用。儲存方式可以采用密閉式倉儲、露天堆放等方式。

2 脫硫石膏的資源化利用技術(shù)

2.1 脫硫石膏的物理化學(xué)性能

（1）化學(xué)成分。脫硫石膏的主要成分為硫酸鈣及其水合物。（2）水分含量。脫硫石膏是一種含水物質(zhì)，其水分含量一般在10%～20%。（3）粒度分布。粗顆粒的脫硫石膏更適合用于建筑材料、水泥等領(lǐng)域，細(xì)顆粒的脫硫石膏則更適用于化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。（4）化學(xué)反應(yīng)性。脫硫石膏具有良好的化學(xué)反應(yīng)性，可以與其他物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)。（5）穩(wěn)定性。脫硫石膏在干燥狀態(tài)下比較穩(wěn)定，但在潮濕環(huán)境下易吸收水分，并且在長期儲存過程中可能會出現(xiàn)結(jié)晶、硬化等問題。

2.2 脫硫石膏的資源化利用現(xiàn)狀

（1）作為水泥緩凝劑。脫硫石膏作為水泥緩凝劑的利用現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

大量應(yīng)用于水泥生產(chǎn)：目前，國內(nèi)外水泥生產(chǎn)企業(yè)普遍采用脫硫石膏作為水泥緩凝劑。例如，中國大部分水泥廠都已采用脫硫石膏作為水泥緩凝劑，脫硫石膏在水泥生產(chǎn)中的利用量已占天然石膏的70%以上。

促進環(huán)境保護：水泥生產(chǎn)是一個高能耗、高排放的行業(yè)，使用脫硫石膏可以減少天然石膏的開采和運輸，同時減少廢棄物的排放和對環(huán)境的污染。

（2）石膏基干混砂漿。石膏基干混砂漿是利用脫硫石膏作為主要原料制成的一種新型建筑材料，它具有優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景。在石膏基干混砂漿中，脫硫石膏充當(dāng)了水化調(diào)節(jié)劑的作用，可以控制水泥水化反應(yīng)的速度，從而提高砂漿的強度、穩(wěn)定性和耐久性。

2.3 脫硫石膏的資源化利用新技術(shù)研究

（1）高溫煅燒成碳酸鈣/氧化鈣。該方法通過高溫煅燒的方式來處理脫硫石膏，不僅可以回收硫元素，還可以生成碳酸鈣/氧化鈣。利用碳粉或一氧化碳與脫硫石膏發(fā)生反應(yīng)，在850 ～1000℃，及催化劑的條件下，生成SO2，再通過高溫氧化，將SO2轉(zhuǎn)化為SO3，最后通入濃硫酸中吸收。

（2）煅燒制備氧化鈣及硫酸或硫磺。煅燒制備氧化鈣及硫酸或硫磺是脫硫石膏資源化利用的一項新技術(shù)，可以將脫硫石膏轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品。具體步驟包括煅燒、脫硫、氧化等過程。首先，將脫硫石膏進行煅燒處理，使其分解為二氧化硫和石膏。煅燒溫度一般在1200℃左右，可通過調(diào)節(jié)煅燒溫度和時間控制產(chǎn)物的成分和品質(zhì)。其次，對產(chǎn)生的二氧化硫進行脫硫處理，得到硫化氫或硫磺。這一步可采用濕法或干法進行，濕法脫硫通常使用石灰乳或氫氧化鈉等吸收劑，干法脫硫通常使用吸附劑如活性炭、分子篩等。最后，將硫化氫或硫磺進行氧化處理，得到硫酸或硫磺。在生產(chǎn)過程中，還可回收副產(chǎn)物如水蒸氣和二氧化碳，以提高資源利用效率。

（3）氨氣環(huán)境制備碳酸鈣和硫酸銨。脫硫石膏采用氨氣、二氧化碳和水在催化劑作用下將硫酸鈣轉(zhuǎn)化為硫酸銨水溶液和碳酸鈣，經(jīng)固液分離后得到碳酸鈣固體和硫酸銨水溶液。其中碳酸鈣固體可進一步制成納米碳酸鈣或直接作為脫硫劑使用；硫酸銨水溶液可采用蒸發(fā)結(jié)晶工藝直接制取硫酸銨作為化肥原料，或經(jīng)低溫催化劑分解，生成氨水和三氧化硫，三氧化硫作為產(chǎn)品可制備硫酸出售。

2.4 脫硫石膏的資源化利用展望

隨著我國經(jīng)濟和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，脫硫石膏的產(chǎn)生量也將逐漸增大，因此，如何更好地處理和資源化利用脫硫石膏也是一個急需解決的問題。因此，未來的發(fā)展方向?qū)⑹窃谶M一步探索脫硫石膏的多元化綜合利用方面加大研發(fā)力度，同時加強政策法規(guī)的監(jiān)管和引導(dǎo)，推動脫硫石膏的合理處理和資源化利用，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的雙贏。

3 脫硫石膏的資源化利用工程實例

3.1 石膏制硫酸工藝技術(shù)路線

石膏制硫酸的工藝技術(shù)路線主要包括以下幾個步驟。

（1）石膏煅燒。將脫硫石膏進行煅燒，得到煅燒石膏。

（2）濕法制酸。將煅燒石膏放入酸槽中，在氧氣的作用下，與濃硫酸進行反應(yīng)，生成硫酸和二氧化硫。

（3）硫酸精餾。通過對硫酸進行精餾，得到高純度的硫酸。

（4）硫酸儲存和銷售。將高純度的硫酸進行儲存和銷售，作為化肥、冶金、石油化工等領(lǐng)域的原料。

3.2 工藝流程說明

（1）凈化工序。凈化工序是石膏制硫酸過程中的重要環(huán)節(jié)，主要用于去除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)和有害物質(zhì)，其凈化工序通常包括以下幾個步驟。

沉淀過濾：將含有雜質(zhì)的硫酸石膏溶液通過沉淀反應(yīng)，使其中的雜質(zhì)固定在沉淀物中，再通過過濾將沉淀物與溶液分離。

洗滌：對沉淀物進行反復(fù)洗滌，以去除沉淀物中的殘余溶液和其他雜質(zhì)。

烘干：將洗滌干凈的沉淀物進行烘干，去除其中的水分。

焙燒：將烘干后的沉淀物進行焙燒處理，將其中的有機物和其他雜質(zhì)進行燃燒，以進一步提高產(chǎn)品純度。

（2）干吸工序。干吸工序的主要目的是利用吸收劑對煙氣中的二氧化硫進行吸收，將其轉(zhuǎn)化為硫酸，并達到脫硫的目的。其基本流程如下。

吸收劑制備：一般采用氫氧化鈣和氫氧化鈉作為吸收劑，通過水合反應(yīng)制備出濃度較高的氫氧化鈣、氫氧化鈉懸浮液。

干吸裝置：煙氣在進入干吸器前，需先通過除塵設(shè)備進行除塵，然后經(jīng)過加濕裝置進行加濕，使其含水量達到一定的范圍，以利于后續(xù)的脫硫。進入干吸器后，煙氣在吸收劑噴灑器的噴灑下與吸收劑充分接觸，二氧化硫被吸收劑吸收后，與吸收劑中的氫氧化鈣或氫氧化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸，并產(chǎn)生大量熱量，熱量可用于蒸汽發(fā)生器中生成蒸汽。

脫硫產(chǎn)物處理：在干吸工序中，所產(chǎn)生的脫硫產(chǎn)物為固體硫酸鈣或硫酸鈉，需要進行處理。

（3）轉(zhuǎn)化工序。轉(zhuǎn)化工序是將含有二氧化硫的氣體轉(zhuǎn)化為脫硫石膏的工序。

具體的工藝流程如下。

硫化反應(yīng)器：脫硫廢氣進入硫化反應(yīng)器，與氧化劑進行反應(yīng)，生成硫酸或硫三酸。

沉淀反應(yīng)器：將硫酸或硫三酸與石灰石進行反應(yīng)，生成脫硫石膏。反應(yīng)時需控制pH 值和溫度，以確保反應(yīng)效果和反應(yīng)速率。

過濾和洗滌：將生成的脫硫石膏在過濾設(shè)備中進行過濾和洗滌，去除其中的雜質(zhì)和溶解的鹽類，得到較為純凈的脫硫石膏。

烘干：對洗滌后的脫硫石膏進行烘干處理，降低其含水率，便于后續(xù)的包裝、儲存和運輸。

3.3 主要工藝設(shè)備選型

（1）窯氣凈化設(shè)備。洗滌塔（增濕塔）：是一種用于氣體洗滌和增濕的設(shè)備，通常由一個塔體、一個進氣口、一個出氣口、一個排水口、一個底部清洗口、一些噴嘴和一些填料組成。進氣口和出氣口一般位于塔體的頂部和底部，塔體內(nèi)填充有多種材料，這些材料有助于增加塔體的表面積，從而提高塔體的洗滌效率。

泡沫塔：淋降式，材料為硬聚氯乙烯。泡沫塔的結(jié)構(gòu)通常由塔體、氣液分布器、填料、水泵、噴淋裝置等組成。廢氣從塔底進入塔體，同時，在氣液分布器的作用下，液體經(jīng)過填料噴淋到塔體內(nèi)，廢氣與液體進行充分接觸和混合。填料是泡沫塔中的關(guān)鍵部件，它可以提供充足的接觸面積，促進廢氣和液體的混合，同時也可以提供較大的氣液相互作用面積。隨著廢氣在填料中不斷上升，廢氣中的污染物逐漸被液體吸收并與液體一起流向塔頂。此時，經(jīng)過凈化后的廢氣會從頂部的排氣管排出，而液體則會回流到塔底，繼續(xù)參與凈化作用。

間接冷凝器：列管式，換熱管為內(nèi)六翅硬鉛管。

電除霧器：管式結(jié)構(gòu)，沉淀極342 管（PVC），材料為鋼、鉛。

（2）干燥及吸收設(shè)備。干吸塔：填料塔，鋼殼內(nèi)襯耐酸磚，塔頂設(shè)全層絲網(wǎng)除沫器。

酸冷卻器：選用帶陽極保護不銹鋼管殼式酸冷器。

（3）二氧化硫轉(zhuǎn)化設(shè)備。轉(zhuǎn)化器：內(nèi)設(shè)四段釩觸媒。裝填釩觸媒部分鋼殼內(nèi)襯耐火磚。

換熱器：均為管殼式高效換熱器，材料為碳鋼。

表1 石膏制硫酸裝置工藝主要設(shè)備選型表

3.4 項目效益評價

通過脫硫石膏的綜合利用，可以實現(xiàn)資源的高效利用，減少對原材料的消耗，節(jié)約成本。同時，還可以減少其對環(huán)境的危害，減少對土地、水資源等的污染，可以減少大氣污染物的排放，對環(huán)境保護具有積極的意義。在項目實施后，能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，包括產(chǎn)品銷售收入、減少原材料成本、減少環(huán)保成本、減少能源成本等多個方面。

4 結(jié)語

通過對脫硫石膏的綜合利用技術(shù)的研究，可以將其轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用和環(huán)境的凈化，具有廣闊的應(yīng)用前景。同時，脫硫石膏綜合利用工程需要考慮技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境等方面的因素，全面評價其投資和效益。