浅谈最新燃煤电厂脱硫石膏的处理和资源化

2024-03-10孙祺刘泽阳刘广友孟庆军

中国设备工程 2024年4期

孙祺，刘泽阳，刘广友，孟庆军

（1.国家能源聊城发电有限公司，山东聊城 252000；2.国能（山东）能源环境有限公司，山东济南 250100）

燃煤电厂是我国能源结构的主要组成部分，但是燃煤过程中产生的二氧化硫等大气污染物对环境和人类健康造成了严重影响。为了降低大气污染物的排放，燃煤电厂需进行烟气脱硫处理，大多数电厂采用湿法脱硫技术，其中最主要的脱硫剂是石灰石，脱硫过程中产生副产物脱硫石膏。脱硫石膏是一种含有大量钙、硫和水的固体废弃物，如果不能得到有效处理和资源化利用，会对环境和人类健康造成潜在危害。因此，燃煤电厂脱硫石膏的处理和资源化利用已成为环保领域的一个热点问题。

1 脱硫石膏的处理和资源化技术

1.1 脱硫石膏的产生

燃煤电厂是脱硫石膏的主要产生单位。在燃烧煤炭的过程中，燃料中的硫化物会与氧气反应生成二氧化硫，二氧化硫进一步氧化为三氧化硫，与水蒸气反应生成硫酸。在烟气冷却的过程中，硫酸会结合着烟气中的水分形成硫酸雾。硫酸雾在烟道上升过程中与烟气中的粉尘等杂质相互作用，形成烟气脱硫后产生的固体副产物脱硫石膏。

1.2 脱硫石膏的危害

脱硫石膏是一种含有高浓度的二氧化硫和氧化物的固体废弃物，如果不得到适当的处理和处置，会对环境和人类健康造成危害。首先，脱硫石膏中含有大量的重金属和放射性元素，如汞、铅、镉、铬等，这些物质会在处理和处置过程中释放到大气、水体和土壤中，对环境造成污染和破坏。其次，脱硫石膏堆放过程中，由于含水量高，容易形成积水，导致生物群落的破坏，进而影响水生态系统的平衡。此外，脱硫石膏的堆放还会影响周边居民的健康，因为脱硫石膏中的有害物质会随着风和水的流动扩散到周边地区，对人体健康产生不良影响。

1.3 脱硫石膏的处理工艺

如图1 所示，脱硫石膏的处理工艺主要如下。

图1 脱硫工艺流程简图

（1）脱水。脱硫石膏首先要进行脱水处理，以减少石膏含水率，提高石膏的纯度和可利用价值。常见的脱水方式有压滤、离心脱水等。

（2）干燥。经过脱水处理后的脱硫石膏需要进行干燥，以达到一定的水分含量，便于后续的加工处理。常见的干燥方式有旋转干燥机、流化床干燥机等。

（3）制粉。干燥后的脱硫石膏需要进行制粉处理，以提高石膏的细度和比表面积，增强其吸附和反应活性。制粉方法有机械磨粉和气流磨粉等。

（4）储存。制粉后的脱硫石膏需要进行储存，以便随时调用。储存方式可以采用密闭式仓储、露天堆放等方式。

2 脱硫石膏的资源化利用技术

2.1 脱硫石膏的物理化学性能

（1）化学成分。脱硫石膏的主要成分为硫酸钙及其水合物。（2）水分含量。脱硫石膏是一种含水物质，其水分含量一般在10%～20%。（3）粒度分布。粗颗粒的脱硫石膏更适合用于建筑材料、水泥等领域，细颗粒的脱硫石膏则更适用于化工、农业等领域。（4）化学反应性。脱硫石膏具有良好的化学反应性，可以与其他物质发生一系列化学反应。（5）稳定性。脱硫石膏在干燥状态下比较稳定，但在潮湿环境下易吸收水分，并且在长期储存过程中可能会出现结晶、硬化等问题。

2.2 脱硫石膏的资源化利用现状

（1）作为水泥缓凝剂。脱硫石膏作为水泥缓凝剂的利用现状主要表现在以下两个方面。

大量应用于水泥生产：目前，国内外水泥生产企业普遍采用脱硫石膏作为水泥缓凝剂。例如，中国大部分水泥厂都已采用脱硫石膏作为水泥缓凝剂，脱硫石膏在水泥生产中的利用量已占天然石膏的70%以上。

促进环境保护：水泥生产是一个高能耗、高排放的行业，使用脱硫石膏可以减少天然石膏的开采和运输，同时减少废弃物的排放和对环境的污染。

（2）石膏基干混砂浆。石膏基干混砂浆是利用脱硫石膏作为主要原料制成的一种新型建筑材料，它具有优良的性能和广阔的应用前景。在石膏基干混砂浆中，脱硫石膏充当了水化调节剂的作用，可以控制水泥水化反应的速度，从而提高砂浆的强度、稳定性和耐久性。

2.3 脱硫石膏的资源化利用新技术研究

（1）高温煅烧成碳酸钙/氧化钙。该方法通过高温煅烧的方式来处理脱硫石膏，不仅可以回收硫元素，还可以生成碳酸钙/氧化钙。利用碳粉或一氧化碳与脱硫石膏发生反应，在850 ～1000℃，及催化剂的条件下，生成SO2，再通过高温氧化，将SO2转化为SO3，最后通入浓硫酸中吸收。

（2）煅烧制备氧化钙及硫酸或硫磺。煅烧制备氧化钙及硫酸或硫磺是脱硫石膏资源化利用的一项新技术，可以将脱硫石膏转化为有用的化学品。具体步骤包括煅烧、脱硫、氧化等过程。首先，将脱硫石膏进行煅烧处理，使其分解为二氧化硫和石膏。煅烧温度一般在1200℃左右，可通过调节煅烧温度和时间控制产物的成分和品质。其次，对产生的二氧化硫进行脱硫处理，得到硫化氢或硫磺。这一步可采用湿法或干法进行，湿法脱硫通常使用石灰乳或氢氧化钠等吸收剂，干法脱硫通常使用吸附剂如活性炭、分子筛等。最后，将硫化氢或硫磺进行氧化处理，得到硫酸或硫磺。在生产过程中，还可回收副产物如水蒸气和二氧化碳，以提高资源利用效率。

（3）氨气环境制备碳酸钙和硫酸铵。脱硫石膏采用氨气、二氧化碳和水在催化剂作用下将硫酸钙转化为硫酸铵水溶液和碳酸钙，经固液分离后得到碳酸钙固体和硫酸铵水溶液。其中碳酸钙固体可进一步制成纳米碳酸钙或直接作为脱硫剂使用；硫酸铵水溶液可采用蒸发结晶工艺直接制取硫酸铵作为化肥原料，或经低温催化剂分解，生成氨水和三氧化硫，三氧化硫作为产品可制备硫酸出售。

2.4 脱硫石膏的资源化利用展望

随着我国经济和产业的不断发展，脱硫石膏的产生量也将逐渐增大，因此，如何更好地处理和资源化利用脱硫石膏也是一个急需解决的问题。因此，未来的发展方向将是在进一步探索脱硫石膏的多元化综合利用方面加大研发力度，同时加强政策法规的监管和引导，推动脱硫石膏的合理处理和资源化利用，实现经济效益和环境效益的双赢。

3 脱硫石膏的资源化利用工程实例

3.1 石膏制硫酸工艺技术路线

石膏制硫酸的工艺技术路线主要包括以下几个步骤。

（1）石膏煅烧。将脱硫石膏进行煅烧，得到煅烧石膏。

（2）湿法制酸。将煅烧石膏放入酸槽中，在氧气的作用下，与浓硫酸进行反应，生成硫酸和二氧化硫。

（3）硫酸精馏。通过对硫酸进行精馏，得到高纯度的硫酸。

（4）硫酸储存和销售。将高纯度的硫酸进行储存和销售，作为化肥、冶金、石油化工等领域的原料。

3.2 工艺流程说明

（1）净化工序。净化工序是石膏制硫酸过程中的重要环节，主要用于去除生产过程中产生的杂质和有害物质，其净化工序通常包括以下几个步骤。

沉淀过滤：将含有杂质的硫酸石膏溶液通过沉淀反应，使其中的杂质固定在沉淀物中，再通过过滤将沉淀物与溶液分离。

洗涤：对沉淀物进行反复洗涤，以去除沉淀物中的残余溶液和其他杂质。

烘干：将洗涤干净的沉淀物进行烘干，去除其中的水分。

焙烧：将烘干后的沉淀物进行焙烧处理，将其中的有机物和其他杂质进行燃烧，以进一步提高产品纯度。

（2）干吸工序。干吸工序的主要目的是利用吸收剂对烟气中的二氧化硫进行吸收，将其转化为硫酸，并达到脱硫的目的。其基本流程如下。

吸收剂制备：一般采用氢氧化钙和氢氧化钠作为吸收剂，通过水合反应制备出浓度较高的氢氧化钙、氢氧化钠悬浮液。

干吸装置：烟气在进入干吸器前，需先通过除尘设备进行除尘，然后经过加湿装置进行加湿，使其含水量达到一定的范围，以利于后续的脱硫。进入干吸器后，烟气在吸收剂喷洒器的喷洒下与吸收剂充分接触，二氧化硫被吸收剂吸收后，与吸收剂中的氢氧化钙或氢氧化钠发生化学反应生成硫酸，并产生大量热量，热量可用于蒸汽发生器中生成蒸汽。

脱硫产物处理：在干吸工序中，所产生的脱硫产物为固体硫酸钙或硫酸钠，需要进行处理。

（3）转化工序。转化工序是将含有二氧化硫的气体转化为脱硫石膏的工序。

具体的工艺流程如下。

硫化反应器：脱硫废气进入硫化反应器，与氧化剂进行反应，生成硫酸或硫三酸。

沉淀反应器：将硫酸或硫三酸与石灰石进行反应，生成脱硫石膏。反应时需控制pH 值和温度，以确保反应效果和反应速率。

过滤和洗涤：将生成的脱硫石膏在过滤设备中进行过滤和洗涤，去除其中的杂质和溶解的盐类，得到较为纯净的脱硫石膏。

烘干：对洗涤后的脱硫石膏进行烘干处理，降低其含水率，便于后续的包装、储存和运输。

3.3 主要工艺设备选型

（1）窑气净化设备。洗涤塔（增湿塔）：是一种用于气体洗涤和增湿的设备，通常由一个塔体、一个进气口、一个出气口、一个排水口、一个底部清洗口、一些喷嘴和一些填料组成。进气口和出气口一般位于塔体的顶部和底部，塔体内填充有多种材料，这些材料有助于增加塔体的表面积，从而提高塔体的洗涤效率。

泡沫塔：淋降式，材料为硬聚氯乙烯。泡沫塔的结构通常由塔体、气液分布器、填料、水泵、喷淋装置等组成。废气从塔底进入塔体，同时，在气液分布器的作用下，液体经过填料喷淋到塔体内，废气与液体进行充分接触和混合。填料是泡沫塔中的关键部件，它可以提供充足的接触面积，促进废气和液体的混合，同时也可以提供较大的气液相互作用面积。随着废气在填料中不断上升，废气中的污染物逐渐被液体吸收并与液体一起流向塔顶。此时，经过净化后的废气会从顶部的排气管排出，而液体则会回流到塔底，继续参与净化作用。

间接冷凝器：列管式，换热管为内六翅硬铅管。

电除雾器：管式结构，沉淀极342 管（PVC），材料为钢、铅。

（2）干燥及吸收设备。干吸塔：填料塔，钢壳内衬耐酸砖，塔顶设全层丝网除沫器。

酸冷却器：选用带阳极保护不锈钢管壳式酸冷器。

（3）二氧化硫转化设备。转化器：内设四段钒触媒。装填钒触媒部分钢壳内衬耐火砖。

换热器：均为管壳式高效换热器，材料为碳钢。

表1 石膏制硫酸装置工艺主要设备选型表

3.4 项目效益评价

通过脱硫石膏的综合利用，可以实现资源的高效利用，减少对原材料的消耗，节约成本。同时，还可以减少其对环境的危害，减少对土地、水资源等的污染，可以减少大气污染物的排放，对环境保护具有积极的意义。在项目实施后，能够产生可观的经济效益，包括产品销售收入、减少原材料成本、减少环保成本、减少能源成本等多个方面。