烟气脱硫副产物资源化利用现状与发展方向
摘要:简述了我国燃煤电厂湿法、 半干法烟气脱硫副产物——脱硫石膏、 脱硫灰渣的利用现状 ,针对利用过程中所遇到的问题 ,提出了烟气脱硫副产物资源化利用的新技术方向 ,并对新技术的可行性进行了论证。
关键词:烟气脱硫副产物,资源化,现状,发展
烟气脱硫产业的迅猛发展有效地遏制了SO2污染态势 ,同时也产生了大量的脱硫副产物。根据脱硫工艺的不同 ,脱硫副产物大致可分为两类:湿法脱硫石膏、 半干法脱硫灰渣。另据预计 ,至 2010年 ,我国每年将分别排出脱硫石膏、 脱硫灰渣 1 500、 140 余万吨。目前 ,针对烟气脱硫副产物的综合利用研究较少 ,大量的副产物仍然以露天堆放为主 ,不仅占用土地资源 ,还会对环境造成二次污染。此外 , 脱硫副产物未有效利用 ,会造成资源浪费。对脱硫渣进行资源化利用研究 ,既是一个处于国际学术前沿的热点研究课题 ,也是我国现阶段处置燃煤电站脱硫副产物所需要解决的关键问题之一。
1 脱硫副产物的特性
脱硫石膏是石灰石 — 石膏湿法脱硫得到的副产物;脱硫石膏颗粒较细 ,平均粒径在 40～60μm,呈灰、 黄色;其中含二水硫酸钙 90% ～95% ,游离水 10%～15% ,此外还含有少量飞灰、 有机碳、 碳酸钙、亚硫酸钙以及微量钠、 钾、 镁的硫酸盐或氯化物组成的可溶性盐等杂质。
脱硫灰渣是干法、 半干法脱硫工艺产生的副产物;它是脱硫产物和粉煤灰的混合物 ,平均粒径 10 ～20μm,呈青、 灰色;一般由亚硫酸钙、 硫酸钙、 碳酸钙、 氢氧化钙、 氯化钙、 氟化钙以及飞灰组成 ,其中 , CaSO3· 1 /2H2O在 600℃ 或者酸性条件下能够分解; 因为含有 Ca (OH) 2 ,脱硫灰渣呈碱性;在与潮湿空气接触时 ,其中的 CaSO3·1 /2H2O和 Ca (OH) 2可分别转变为 CaSO4·2H2O和 CaCO3。
2 脱硫副产物资源化利用现状
2.1 研究现状
发达国家在采用烟气脱硫技术减排 SO2 的初期 ,就开始了脱硫副产物的资源化研究。我国引进烟气脱硫技术的时间不长 ,针对烟气脱硫副产物资源化利用的研究刚刚起步。但是 ,通过研究人员的努力 ,我国在脱硫副产物资源化利用方面也取得了大批的研究成果。如脱硫石膏制备纸面石膏板、 粉刷石膏、 水泥缓凝剂以及其他石膏制品,目前, 已经有脱硫石膏的产业化项目在运行。脱硫灰渣因其成分复杂 ,利用不当则会造成二次污染 ,因此 ,其资源化利用方向受到限制 ,主要应用于筑路回填、 土壤改良、 水泥建材,尚未形成产业化。
2.2 利用过程中遇到的问题
(1)脱硫石膏应用中存在的主要问题:由于飞灰等杂质含量较高、 颜色偏深 ,从而影响石膏品质, 有必要制定相应的行业技术标准保证石膏的品质; 一般脱硫石膏水分为 10%～15% ,具有一定的黏结性 ,为生产合格石膏需要添加烘干、 煅烧、 拌料设备这需要增加投入。脱硫石膏加工企业为了自身的经济效益 ,主动将生产线建造在电厂附近 ,但是 ,企业却面临着脱硫石膏品质不能满足生产技术要求 ,必须投资进行设备改造以对脱硫石膏进行深加工使其符合生产要求的问题 ,在一定程度上影响了脱硫石膏加工企业的经济效益。
(2)脱硫灰渣的特性对其综合利用产生较大的影响。首先 ,过高的硫含量使其在用作水泥混和材和混凝土掺和料时受到限制 ,因为在普通水泥的国家标准中规定 ,水泥中 SO3不能超过 3 . 5% ,所以一般脱硫灰渣不能直接作为水泥混和材料使用 ,只能少量掺加;其次 ,如果利用得不合理 ,脱硫灰渣中亚硫酸钙可能释放出 SO2 ,造成二次污染;再者 ,脱硫灰中游离氧化钙含量较高 ,会在长期水化过程中不断生成 Ca (OH) 2 ,致使含脱硫灰渣材料的制品体积不断膨胀 ,以至于开裂 ,这是脱硫灰渣在建材领域中应用的一个障碍。
3 脱硫副产物资源化利用新技术
3.1 脱硫石膏利用新技术
3.1.1 自流平石膏砂浆
自流平石膏砂浆是由脱硫石膏制得的无水石膏粉、 骨料及添加剂组成的 ,在搅拌状态下具有良好的流动性 ,是一种能够自动流平的地面找平材料, 适合用于室内地面的精度找平 ,可作为室内地坪铺设瓷砖、 PVC地板、 地毯、 各种地板和环氧自流平等薄层装饰材料的预浇找平基层 ,也可用于旧地面、 起砂地面和施工不合格地面的修补。自流平石膏砂浆的特点是:具有自流平性和自愈性能 ,可精度找平; 体积稳定性好 ,早期强度高 ,与基层粘结紧密、 牢固、不易空鼓、 开裂;还具有一定的降噪、 调湿功能 ,保温性能好 ,有利于建筑节能;使用方便 ,施工速度快 ,效率高 ,可降低单项工程造价。
3.1.2 模具石膏
模具石膏是陶瓷生产中常用的重要原料 ,用于制作石膏模型使陶瓷成型。半水石膏经水化、 硬化形成二水石膏 ,干燥后成为具有吸水性和一定强度的石膏模型。目前 ,用于制作模具石膏的半水石膏有α型半水石膏和β型半水石膏两种。由于二者制作条件不同 ,其制品功能与性能有明显差异。混掺两种半水石膏可以克服单独使用β型半水石膏做模具石膏时软化系数低、寿命短和单独使用α型半水石膏时吸水率低的缺陷。利用脱硫石膏制备 α、 β型半水石膏的工艺简单 ,投入不大。
3.2 脱硫灰渣利用新技术
3.2.1 制贫水泥控制性低强度材料
控制性低强度材料 (CLS M)的开发是工业固体废物资源化利用的一个主要途径。CLS M的典型组成为水泥、 粗细集料、 水和以粉煤灰为代表的其他工业废弃物。CLS M不需要养护或压实 ,虽然其强度比混凝土低得多 ,但与压实回填料相当; CLS M通常具有低强度、 高流动性、 大量消耗工业固体废物等特点 ,且对抗冻融性、 抗磨蚀、 抗化学侵蚀能力要求不高; CLS M比土质或者砂粒回填材料贵 ,但比传统的回填材料性能优越。美国混凝土协会定义 CLS M的使用范围广泛 ,包括开放式涵洞、 露天矿山、 桥梁底部、 涵箱及排水渠或者排水管的内外部、 其他回填应用等。
脱硫灰渣制贫水泥 CLS M的研究可分为两个技术层面 ,首先是利用脱硫灰渣的潜在胶凝活性 ,配合矿渣复合料、 化学激发剂等外掺材料制备灰渣胶凝材料以替代水泥;其次 ,以未活化的脱硫灰渣、 粉煤灰作为细集料 ,以破碎钢渣、 废旧混凝土、 砖石等为粗集料 ,加入适量的水和外加剂制备贫水泥 CLS M 材料。笔者对脱硫灰渣制贫水泥 CLS M的可行性进行了探讨 ,认为该技术的优点在于回填过程中无需夯击捣实 ,施工工作量小、 噪音低;回填区管构受力小、 变形均匀 ,施工面沉降小;强度低 ,方便回填区的二次开挖。因此 ,适合在市政工程中大量应用。
3.2.2 作填埋场防渗材料
封闭型垃圾填埋场要求人工改性防渗材料具有良好的空隙结构、 能吸附渗滤液中的污染物质 ,能与渗滤液中的部分物质发生化学反应。同时,大多数重金属在碱性环境中不易析出 ,另外 ,防渗材料的自胶凝特性可以使衬层底部防渗透特性大为改善。因此 ,笔者认为脱硫灰渣用作填埋场防渗材料具有可行性。一方面 ,脱硫灰渣中含有相当一部分飞灰 ,而飞灰已被证明具有极强的吸附重金属能力;脱硫灰中的游离 CaO、 Ca (OH) 2 及 CaCO3 等成分都可以直接与酸性垃圾渗滤液发生化学反应, 具有较强的酸中和能力;经过适当改性后 ,脱硫灰渣具有自胶凝特性。另一方面 ,填埋场考虑的首要问题是渗滤液中的有毒、 有害污染物质的去除与稳定化。笔者曾利用脱硫灰渣作为吸附材料 ,对模拟垃圾渗滤液中的属于优先需要控制的污染物如重金属、 CODCr、 BOD5、 总磷和氨氮、 以及滤液 pH值进行了室内吸附试验 ,结果表明:吸附后的滤液中污染物浓度满足《生活垃圾填埋场污染控制标准 》 (GB 16889 - 2008)的限值要求;以脱硫灰渣掺合天然黏土材料以及一定比例的石灰、 粉煤灰合成的人工改性防渗材料可以满足渗透率不大于 1 ×10 - 7 cm / s,抗压强度大于 0 . 6MPa的要求。
3.2.3 脱硫灰渣淤泥固化
淤泥是一种流变性很强的饱和软粘土 ,次固结变形在总变形中占有很大的比重 ,经过固化处理的淤泥 ,物理、 力学性质发生变化可形成土工材料 ,并可广泛应用于市政建设中。脱硫灰渣改性淤泥一是可在制备灰渣胶凝材料中作为胶结料使用; 其次 ,由于脱硫灰渣自身具有很强的亲水性以及微集料效应 ,可以作为淤泥固化改性的掺合料。利用正交试验 ,根据固化后材料的含水率、 干密度、 干缩性和抗压强度等指标确定最佳配合比 ,脱硫灰渣改性淤泥的抗剪强度达到:粘聚力 C ≥30 kPa、 内摩擦角φ > 25° 、 渗透系数为 1 × 10 - 6 cm / s。可以满足市政工程中对回填土方性能的要求。
4 结语
利用对燃煤电厂而言 ,烟气脱硫副产物的资源化可以增加其经济效益 ,降低废物处置成本 ,延长灰场使用年限 ,降低环境污染风险;对其他以脱硫副产物为原材料的企业而言 ,可以降低产品的成本 ,部分提高产品的使用性能 ,增强产品的竞争力。因此 ,要结合产品的“性价比 ” 来评价脱硫副产物的综合利用 ,对性能好但成本高的产品考虑用含脱硫副产物等低成本产品替代。在脱硫副产物应用的传统领域 ,应继续加大推广力度 ,使其产品迅速形成产业化规模;对于某些资源化新领域 ,研究成果要能够有针对性地切实解决经济发展中遇到的问题 ,这样才能形成产业化。
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