关于脱硫石膏的深度开发与产业价值探讨

冉文生 吕海波 龚小平 张小伟

(1.新疆产品质量监督检验研究院，乌鲁木齐 830011；2.乌鲁木齐益好优科新材料有限公司，乌鲁木齐 830011)



关于脱硫石膏的深度开发与产业价值探讨

冉文生1吕海波1龚小平2张小伟1

(1.新疆产品质量监督检验研究院，乌鲁木齐 830011；2.乌鲁木齐益好优科新材料有限公司，乌鲁木齐 830011)

我国一直以来都是经历重化工业阶段，经济发展对能源的依赖程度远远高于其他发达国家，人均用电量及工业用电量大幅提高。一次性的能源结构决定了我国发电必将以煤电为主的必然格局。这样带来最直接的就是环境问题。作为燃煤烧产物，脱硫石膏的综合利用，不仅可以减少燃煤电厂脱硫产物的堆放场地，减少二次污染，而且可以减少天然石膏的开采量，保护天然石膏资源，节省开矿费用。把大量烟气副产物消耗、再生，实现经济效益，这符合我国可持续发展战略及循环经济理念，具有重要现实意义。

煤；环境污染；燃煤烧产物；脱硫石膏；再生利用；聚U复合材料

引言

幅员辽阔的新疆拥有全国六分之一的国土和40%的煤炭储量，“十二五”期间新疆大型燃煤企业都安装并运行了烟气脱硫装置。空气质量大幅度提升。2015年新疆燃煤企业就固化了250万吨的SO2但也产生了700万吨的脱硫石膏(火电厂安装烟气脱硫装置产生的废弃物)。

“十二五”期间新疆产品质量监督检验研究院在环保、科技、技监及地方政府支持下，成立专项课题整合社会多方资源，组对脱硫石膏进行开发利用，已涉及到水泥、纸面石膏板、墙体、砌块、腻子粉等多种产品，年消化脱硫石膏100万吨，占据新疆石膏制品半壁江山。

随着“西电东送”政策实施，的建设如火如荼，火电厂雨后春笋般的出现在新疆大地。2015至2016年新疆新建火电厂项目多达65家(数据来源于国际电力网)，发电量是2014年发电总量的数倍。大量火电项目上马使电力能源不断输送到东部，但火电厂的二次污染物脱硫石膏却留在了新疆。超高压直流输电项目是世界奇迹，五彩湾集中众多的大型火电厂也是世界奇迹。但这些奇迹背后环境与可持续发展问题应运而生。目前火电厂大气排放已经可以做到与天然气同标准，水可以做到循环利用排放达标。废弃物中炉渣、粉煤灰利用简单而且可以掩埋，脱硫石膏就成了主要问题。目前环保与燃煤企业就脱硫石膏堆放处理已经出现矛盾甚至已经开出大额罚单。2018年超高压直流输电线路贯通，火电厂负荷迅速增加，新疆脱硫石膏处理将是环保的重头戏。

随着建筑业增长趋缓，建材市场竞争日趋激烈，建材业、建筑业进入寒冬期。据项目组统计2015年新疆建材业石膏产品总用量在200万吨。即便是建材销售最佳的2013年也只有300万吨，面对千余万吨的脱硫石膏不得不惊出一身冷汗。对于石膏初加工产品，或低附加值产品在地域广阔的新疆运输成本是无法接受的。新疆脱硫石膏的出路绝不是传统的建筑石膏市场能够解决的。

脱硫石膏是石灰石烟气脱硫的副产物，我国从2004年就已经颁布实施了《大气污染物排放标准》，燃煤锅炉必须要安装脱硫装置来去除煤中的硫，以保护环境。但是，安装脱硫装置后产生的二次污染物脱硫石膏的利用方法多半停留在纸面上。2015年我国脱硫石膏已达8000万吨，新疆已突破700万吨，国内从安装脱硫装置至今已有几十年的时间。德国在用煤开始发电就意识到煤中的二氧化硫会对大气造成污染，六十年代末就已安装烟气脱硫装置来去除二氧化硫，后来各国都开始使用，这时大量的烟气废弃物脱硫石膏不断的增加，后来他们发现脱硫石膏成份和天然石膏内成份相同，可以替代天然石膏，节省自然资源(天然石膏)。70年代至今脱硫石膏利用在各国发展比较快的是德国、日本、美国石膏公司和法国拉法基石膏公司，他们认为脱硫石膏是天然石膏的良好替代品。目前，欧美国家已形成较为完善的开发、研究、应用体系，日本脱硫石膏利用率近100%，德国所有的建材企业均以脱硫石膏为原料，美国脱硫石膏年产1200万吨，利用率75%。而应用最多、最广的也是纸面石膏板。

脱硫石膏可以用作水泥缓凝剂，水泥强度增加，浆料更细，凝结时间正常。用量不是很大。怎样才能充分消耗利用烟气污染物脱硫石膏，使它再生，产生新的材料，新的价值，这一问题一直困扰着我们课题组，此时为了充分解决好脱硫石膏再利用问题，课题组结合社会资源，去国外考察，多次赴内地煤电脱硫石膏及材料专家咨询了解，并对脱硫石膏样品进行理化性能等基础研究，为煤电脱硫石膏在建材领域的推广应用积累了最原始的数据基础。随着研究的逐步深入，发现脱硫石膏中的碳酸钙远远高于天然石膏，可把二水硫酸钙生成无水硫酸钙。这样可大大提高石膏的应用范围和应用层次，使石膏进入更宽阔的使用范围。

通过对脱硫石膏进行资源调查和理化分析，实验室小试及基础试验研究。在实验室小试阶段，通过对脱硫石膏附着水含量的测定、二水硫酸钙含量的测定、化学组成的测定、放射性化学成分分析，经过充分的讨论，几百次的实验，课题组决定另辟蹊径，把脱硫石膏用辐射法多次改性合成使它成为高强度的新型环保材料，我们称为“聚U复合材料”。

简介项目前先介绍两个概念：α-半水石膏：生石膏化学式为CaSO4·2H2O，加热会发生反应，2CaSO4·2H2O=2CaSO4·H2O+2H2O(加热)，生成物2CaSO4·H2O就叫半水硫酸钙，因为其组成是2mol CaSO4与1mol H2O结晶，相当于CaSO4·0.5H2O，所以叫半水硫酸钙。β-半水石膏：熟石膏片状并有裂纹的晶体，结晶很细，比表面积比α型半水石膏大得多。

本研究研发而成的“聚U复合材料”是即不在α-半水石膏范围内，也不再β-半水石膏范围内，是一种介于两者之间的新型材料，优点：可钉、可刨、可钻、可漆，高强度、防火、防潮、无甲醛；应用替代范围涉及木材类产品、石材类产品及塑料类部分产品，2016年3月-8月期间，已申请国家两项发明专利。

1 项目简述

由于环境压力和循环经济的双重驱动，使工业废渣石膏：脱硫石膏、磷石膏的深层次加工和高档化利用被广泛关注。目前国内使用沸腾炉加球磨机生产的β型半水石膏在应用上存在两大缺陷：

(1)成型工艺拌合水参量大使石膏结晶体密度不足，表现出成品强度低、吸水率高，这就制约了应用行业和应用范围。

(2)这种β型半水石膏结晶时很难与骨料、筋料等改善物理性能的填料形成粘合或握裹，物理性能也就难以提高，更局限了应用层次和应用范围。

脱硫石膏在国际、国内应用最多的是建筑行业内墙腻子和纸面石膏板。而以脱硫石膏为主原料生产的聚U复合材料突破了这种局限，可应用在工艺品、包装材料、装修材料等行业，可轻可重，解决了强度低、吸水率高的难题，聚U复合材料还具有很高的抗冲击能力，内部粘接牢固抗折强度高韧性好，在防火、防水、握钉力等方面具有更好的性能，其保温隔热方面也优于纸面石膏板，由于去除了护纸面，它的应用范围会更加广泛灵活，并且更加环保。同时具有天然浑厚的色彩与质感。燃烧等级可以达到A级。是替代塑料、木材、石材的理想材料。

2 技术难点

(1)脱离石膏由于其含水量高达20%左右，而且脱硫石膏极易吸潮，因此，脱硫石膏的应用受气候的影响较大。

(2)在开发利用脱硫石膏时最大的难点是其含水率一般20%左右，怎样才能脱去其中的水，以最佳掺量和最佳配比亦难以确定。

(3)脱硫石膏的SO3含量大约在35%～40%，而天然石膏SO3含量大约30%，脱硫石膏相比于天然石膏掺加量的变化，将直接影响出产品合格率。

3 项目创新点

(1)技术创新：我们采用辐射法，使脱硫石膏生成聚丙烯基无水硫酸钙。

(2)工艺创新：由沸腾炉煅烧改为热辐射，达到无尘、低碳、低能耗。

(3)设备创新；流水线上植入智能和远程模块，可加入3D打印，达到无尘、自动化的准工业4.0标准；在生产过程中没有任何污染(无废物、废水、废渣排放)，产品无甲醛释放。

4 聚U复合材料的应用范围

(1)建筑材料行业可用于外墙装饰墙板、外墙挂板等、一次性模板、各种构件组合出亭台、围栏、桟道等，不仅耐水防火还具有50年不退色不变质容易打理的优点。

(2)装饰装修行业可以开发出内墙装饰板材、线条、建筑模板、门窗等，材料不但色彩、质感极佳同时还具有A级材料的阻燃特性。

(3)家具家私行业可以开发各种天然石材、木材纹理的家具板，是人造板材的升级产品。

(4)饰品工艺品行业也可以广泛的作为原料使用。

(5)包装行业可以开发包装箱、盒(酒盒、礼盒)等。

(6)军工等特殊行业。

聚U可以替代木材、石材、塑料，同时还具有他们的共同优点，通过工艺上的提升，使材料可产生木纹、亚光、仿大理石花纹等不同的纹理，使材料外观更自然，色彩更浑厚。它的物理指标已经接近甚至超过高分子材料，突破法国拉法基石膏公司及美国石膏公司产品的极限指标，石膏最难解决的是它的脆性和防水问题，聚U在这两点上指标远远高于法国拉法基石膏公司及美国石膏公司，因此，我们大幅度提高了石膏的应用范围和应用层次。

表1聚U和其它材料对比

5 聚U复合材料的用途及市场

具有相当大的广泛性和灵活性，可做外墙板、内墙板、立柱、橱柜板、天花板、地板以及特殊用途，如室外保温装饰板、包装材料等。还可像木质板机加工，由于不含甲醛，由全天然材料制成，无毒无害是一种绿色建材，并可替代珍贵的森林资源。2014年，我国木质人造板产销量已达30212万个立方(来源于网络资料)，其中使用了大量的甲醛类胶粘剂，其危害不可忽视；如果聚U复合材料取代木质人造板的十分之一，每年可消化4千万吨的脱硫石膏。

表2 聚U和人造板材料对比

6 社会效益及经济效益

(1)采用废弃物脱硫石膏为主原料，研发新型环保材料，使电厂二次污染物脱硫石膏得以利用，解决电厂对废物废渣无法处理问题，达到节能减排、变废为宝。保护了国家的自然资源(木材、石材、天然石膏)。

(2)新的材料带动新的产业，因其涉及众多行业可生产众多产品，在涉及到行业可产生巨大经济效益，增加税收。复合国家供给侧的政策。

(3)可带动相关产业的发展及万人就业。脱硫石膏这十年来在纸面石膏板的引领下，已进入成熟行业，预计下一个十年还是石膏行业迅速发展的黄金时期，随着，国家十三五规划的步伐，充分利用新疆的地利资源优势，将是石膏作为高强度的胶凝材料发展的最迅猛阶段。聚U复合材料现在已经通过实验室小试，即将进入中试及产业化阶段，希望能得到社会各界资源的支持，踏着这个契机迅速市场化、规模化。如果人造板的2014全年销量是30212万个立方，我们以聚U复合材料来替代它，以最小的市场份额10%，也是过亿元的份额；而且随着产品的深加工，其设备也有数十亿的市场额。

新材料的应用不仅诞生新的产业链，引领老产业的升级，还会影响一代人的生活，在新一轮的工业化革命中，脱硫石膏综合利用产生的经济效益和社会效益是无法用数字来衡量的。

[1]2014人造板全年销量30212万立方(中国产业信息网http：//www.chyxx.com).

[2]2015年全国脱硫石膏产生8000万吨(中国电力新闻网http：//www.cpnn.com.cn/dyy/201203/t20120302_400033.html).

[3]纸面石膏板数据来源于道客巴巴(纸面石膏板现状，王少楠).

[4]日本及各国脱硫石膏应用数据参考百度文库(国外脱硫石膏应用).

[5]新疆脱硫石膏情况参考(新疆玛思科石膏制品企业内部提供).

Study on Depth Development and Industrial Value of Desulfurization Gypsum

RAN Wensheng1LV Haibo1GONG Xiaoping2ZHANG Xiaowei1

(1.Xinjiang Uygur Autonomous Region Product Quality Supervision and Inspection Institute，Urumqi 830011；2.Urumqi Profit Good Optimal Division New Material CO.，LTD，Urumqi 830011 )

China has been experiencing heavy industrial stage，the economic development of the energy dependence is much higher than other developed countries，the per capita consumption and industrial use of electricity increased significantly.Disposable energy structure determines the inevitable pattern of China's power generation will be dominated by coal.This is the most direct way to bring environmental issues.As a product of coal burning and comprehensive utilization of desulfurization gypsum，which can not only reduce the desulfurization of coal-fired power plant yard，reduce two pollution，but also can reduce the exploitation of natural gypsum，protection of natural gypsum resources，saving the cost of mining.It is in line with China's sustainable development strategy and the concept of circular economy，and has important practical significance to use a large number of flue gas byproduct consumption and regeneration to achieve economic benefit.

coal；environmental pollution；combustion products；desulfurization gypsum；recycle；polymerization；U composite materials

冉文生，博士研究生，教授级高工，研究方向为分子级材料

X21

A

1673-288X(2016)06-0105-03

项目资助：维吾尔自治区科学技术厅项目(20166011)

引用文献格式：冉文生 等.关于脱硫石膏的深度开发与产业价值探讨[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：105-107.