關(guān)英林，鄒承君，楊寶平，康亞明

（1. 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏躍元工程有限公司，寧夏 固原 750000；3. 北方民族大學(xué)機電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

寧夏脫硫石膏主要來源于燃煤電廠的煙氣脫硫工藝，是鍋爐尾部煙氣濕法脫硫處理后所得到的固體副產(chǎn)品，其主要成分為CaSO4·2H2O，電力行業(yè)是該地區(qū)產(chǎn)生脫硫石膏的重點領(lǐng)域。脫硫石膏的廢棄堆存，不僅占用了大量土地，而且污染土壤和空氣［1］。隨著脫硫石膏產(chǎn)量的逐年提升，相關(guān)決策部門制定了多項政策法規(guī)支持脫硫石膏的資源化利用［2-3］，這對我國的循環(huán)經(jīng)濟起到促進作用，并且符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，必須提高脫硫石膏的資源化利用率，盡可能早實現(xiàn)脫硫石膏完全代替天然石膏。

2 寧夏脫硫石膏產(chǎn)量及利用情況

2021年正式公布的寧夏化工園區(qū)名單中包括2個化工園區(qū)，8個化工集中區(qū)，其中2個化工園區(qū)為寧夏寧東能源化工基地和吳忠太陽山開發(fā)區(qū)。隨著化工園區(qū)建設(shè)的加快，脫硫石膏等工業(yè)廢棄物產(chǎn)量逐年上升，對寧夏的環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)。2010－2019年寧夏脫硫石膏排放量占一般工業(yè)固廢總排放量的11.76%。2019年寧夏各市區(qū)脫硫石膏排放量達到5.63×106t（見表1）。2020年寧夏僅寧東基地產(chǎn)生的脫硫石膏就達到1.55×106t，綜合利用率僅為28%。2021年12月寧夏回族自治區(qū)工業(yè)固體廢棄物污染防治“十四五”規(guī)劃中明確指出：2020年全區(qū)一般工業(yè)固體廢物總量達到了6.74×106t，其中脫硫石膏6.16×106t，占比為9.14%，具體情況見表2，其綜合利用率仍沒有顯著提高。

表1 2019年寧夏各市/區(qū)脫硫石膏排放量［6］ 106t

表2 2020年寧夏全區(qū)一般工業(yè)固廢排放比例 %

目前，脫硫石膏等工業(yè)廢渣應(yīng)用于石膏建材、土壤改良劑等領(lǐng)域［4］，但寧夏對于脫硫石膏的利用形式仍較為單一，主要原因是許多地區(qū)并未真正重視和利用脫硫石膏，全區(qū)脫硫石膏利用率僅30%左右，這說明寧夏地區(qū)的脫硫石膏綜合利用空間較大。

3 寧夏脫硫石膏化學(xué)分析

脫硫石膏主要來源于燃煤電廠的煙氣脫硫工藝，是鍋爐尾部煙氣濕法脫硫處理后的固體副產(chǎn)品，其主要成分為CaSO4·2H2O。經(jīng)研究分析，寧夏地區(qū)脫硫石膏中CaSO4·2H2O的含量基本達到90%以上，因此其石膏品質(zhì)可以得到保證。寧夏地區(qū)脫硫石膏與天然石膏的化學(xué)成分對比見表3。從表中可以看出寧夏地區(qū)脫硫石膏與天然石膏的化學(xué)成分相差不大，品質(zhì)相當(dāng)，性質(zhì)相似。因此，在一定程度上可以代替天然石膏，從而實現(xiàn)低碳環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟以及可持續(xù)發(fā)展［5］。

表3 寧夏脫硫石膏與天然石膏主要化學(xué)成分對比［6-7］ %

4 國內(nèi)脫硫石膏的資源化利用現(xiàn)狀

我國脫硫石膏的綜合利用率不高的因素主要包括技術(shù)因素和經(jīng)濟因素。在技術(shù)方面，我國對脫硫石膏的處理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求沒有明確的規(guī)定，再加上我國大多數(shù)燃煤電廠脫硫設(shè)備陳舊簡陋且處理技術(shù)落后，因此脫硫石膏的質(zhì)量參差不齊。在經(jīng)濟方面，對于燃煤電廠來說，將脫硫石膏精細處理后銷售并不會帶來較大利潤，另外大部分相關(guān)企業(yè)與燃煤電廠距離較遠、運輸成本高，進一步降低脫硫石膏的外銷利潤。目前，國內(nèi)脫硫石膏主要應(yīng)用于水泥行業(yè)、農(nóng)業(yè)和化工行業(yè)。

4.1 脫硫石膏在水泥行業(yè)上的應(yīng)用

王玉蘭等［8］研究了脫硫石膏用作調(diào)凝劑制備的水泥及混凝土性能，實驗結(jié)果表明脫硫石膏調(diào)凝劑水泥制備的混凝土凝結(jié)時間稍長、和易性較好、力學(xué)性能較好、收縮值稍低。通過對比脫硫石膏調(diào)凝劑水泥與天然石膏調(diào)凝劑水泥配制的混凝土，發(fā)現(xiàn)兩者具有相似的耐久性。此研究佐證了脫硫石膏在一定程度上可以代替天然石膏。

周建偉等［9］研究了不同溫度下熱處理脫硫石膏對超硫酸鹽水泥性能的影響。通過對所制備的超硫酸鹽水泥的基本物理性的表征，發(fā)現(xiàn)摻入45℃、500℃熱處理后脫硫石膏的超硫酸鹽水泥比摻入105℃、165℃熱處理后的脫硫石膏的水泥凝結(jié)時間更長；在力學(xué)性能方面，摻入500℃熱處理脫硫石膏的水泥較摻入45℃、105℃、165℃熱處理石膏水泥更出色。

韓暉等［10］進行了脫硫石膏對水泥物理力學(xué)性能與水化過程影響的研究。最終得出脫硫石膏在水泥生產(chǎn)中可以取代天然石膏，并且脫硫石膏還可以顯著增強水泥的抗壓強度。因此在水泥生產(chǎn)中，與天然石膏相比，脫硫石膏的使用效果更突出。

4.2 脫硫石膏在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

陳虹等［11］研究了施用脫硫石膏后不同年限對于干旱區(qū)瑪納斯河流域鹽堿地土壤改良效果，并且測評了其安全性。首先將脫硫石膏一次性施入鹽堿農(nóng)田，然后分別在第1、第3、第5年定點檢測土壤pH值、電導(dǎo)率（EC）、有機質(zhì)和重金屬含量變化等。研究得到脫硫石膏施用5a內(nèi)土壤pH值有所下降，土壤中有機質(zhì)含量的提升,不會造成土壤重金屬污染。

許毅等［12］在內(nèi)蒙古河套地區(qū)的硫酸鹽鹽漬化土壤上進行試驗，探究脫硫石膏和耐鹽植物改良與培肥鹽漬化土壤的作用與效果，對比施用脫硫石膏和不施用脫硫石膏并種植羊草后土壤鹽分及基礎(chǔ)理化性質(zhì)的變化，研究得出脫硫石膏和羊草在某種程度上存在相互作用，能使鹽漬化土壤改良進度加快，為避免養(yǎng)分的不足，應(yīng)適當(dāng)提高P、K肥料的使用量。

4.3 脫硫石膏在化工方面的應(yīng)用

劉秀狀等［13］所選擇的基本原料為自然冷卻黃磷爐渣和脫硫石膏。通過熔融法，添加一定量的SiO2和Al2O3，制備出了黃磷爐渣微晶玻璃。采用差熱分析（DTA）、X射線衍射儀（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）等方法闡述了不同比例的黃磷爐渣與脫硫石膏對微晶玻璃晶化行為的影響。研究表明：在黃磷爐渣與脫硫石膏所添加的配比范圍內(nèi)，隨著脫硫石膏添加量的增加，基體玻璃的形核溫度和結(jié)晶溫度持續(xù)降低，析晶活化能E先減小后增加；黃磷爐渣微晶玻璃的主晶相硅灰石（CaSiO3）沒有因脫硫石膏添加量的增多而發(fā)生變化，而是先促進后抑制了硅灰石晶相的形成。

黃建時［14］提出乙二醇（EG）水體系中脫硫石膏制備α-HH晶須新技術(shù)，利用非晶格陽離子優(yōu)化制備技術(shù)，解釋了在轉(zhuǎn)晶過程中，重金屬鉛（Pb）的遷移分配規(guī)律，對脫硫石膏高附加值無害化利用起到了促進作用。此外，研究表明可以使用脫硫石膏為原料制備硫酸鈣晶須，在硫酸溶液中使用水熱法可以制備出形態(tài)均勻、長徑比高的硫酸鈣晶須。此研究開發(fā)了一種采用高能研磨活化脫硫石膏以降低反應(yīng)溫度和硫酸濃度的新工藝，并且得到了最佳研磨時間。通過計算硫酸鈣晶須的轉(zhuǎn)化率和結(jié)晶速率，發(fā)現(xiàn)在結(jié)晶過程中存在明顯的“自催化”動力學(xué)特征［15］。

5 國外脫硫石膏的研究及利用現(xiàn)狀

國外對于脫硫石膏的研究早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始，如今其綜合利用體系已經(jīng)較為完善。日本和德國是世界上最主要的脫硫石膏生產(chǎn)國，主要將脫硫石膏應(yīng)用于建材行業(yè)，其次在水泥行業(yè)及農(nóng)業(yè)方面也有著一定的應(yīng)用。

國外考察了脫硫石膏的物理、化學(xué)和巖土特性及其在開發(fā)無水泥磚方面的潛在應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏的主要氧化物為三氧化硫（SO3）和氧化鈣（CaO）。脫硫石膏的密度為2.43 g/cm3。最大干密度和最佳含水率值分別為142.5 kg/m3和18.5%。脫硫石膏的液限為51%，但沒有表現(xiàn)出任何塑性特征。石膏基磚的最佳固化溫度為40℃，脫硫石膏基磚的抗壓強度可達2.3 MPa，密度比典型黏土磚低28%左右。此外，經(jīng)7次干濕循環(huán)后，其抗壓強度沒有發(fā)生明顯下降。上述結(jié)果表明，脫硫石膏可用于生產(chǎn)強度要求較低的輕質(zhì)建筑材料［16］。

國外通過不同的除碳方法和不同的高爐礦渣取代率，研究脫硫石膏對大摻量高爐礦渣水泥砂漿的作用。研究得出煙氣脫硫石膏取代后，流量有下降的趨勢，1∶4水泥砂漿取代量為5%到10%時，流量略微上升，但對于1∶4水泥砂漿混合料，當(dāng)脫硫石膏替換10%左右時，抗壓強度達到最佳［17］。

國外研究發(fā)現(xiàn)脫硫石膏與覆蓋作物都會提高土壤質(zhì)量，當(dāng)二者結(jié)合時，對土壤的化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)、物理性質(zhì)會產(chǎn)生積極的影響，而且在表層土壤比在次表層土壤對土壤質(zhì)量的影響更為有效。二者通過提高土壤的生物效率、化學(xué)平衡和物理穩(wěn)定性，從而提升土壤的質(zhì)量［18］。

6 寧夏脫硫石膏資源化利用問題及解決方案

我國東部沿海地區(qū)通過多方共同推動，脫硫石膏的利用率已經(jīng)超過80%，而寧夏脫硫石膏的資源化利用還存在一些問題，只有完全解決這些問題才能使寧夏地區(qū)脫硫石膏的綜合利用率得到大幅提升。

（1）對循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識不足。改革開放以來，國民經(jīng)濟突飛猛進，但我們走的道路始終是以耗費能源，污染環(huán)境為代價的傳統(tǒng)老路，如果再不進行轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟發(fā)展必然會倒退。因此，需要加強人們對低碳環(huán)保、循環(huán)經(jīng)濟以及可持續(xù)發(fā)展的認(rèn)識，在學(xué)校、生活小區(qū)、企業(yè)和事業(yè)單位等場所開展這方面的教育，并且定期考察群眾對于這方面知識的理解。

（2）鼓勵和引導(dǎo)性政策的跟進和落實不到位。雖然國家出臺了相應(yīng)的鼓勵和引導(dǎo)性政策，但大多數(shù)企業(yè)缺乏利用脫硫石膏的壓力與動力，對國家相應(yīng)政策的執(zhí)行力不足。因此，各企業(yè)單位必須嚴(yán)格落實政府的扶持政策，政府應(yīng)進行監(jiān)督并且加快建設(shè)法規(guī)和立法體系，對脫硫石膏的綜合利用下達強制性政策，并嚴(yán)格設(shè)定獎懲措施。

（3）寧夏當(dāng)?shù)匮邪l(fā)能力和技術(shù)裝備不足。各高校及研究院對于研究脫硫石膏資源化利用的投入不夠，加上技術(shù)設(shè)備的缺乏和局限性導(dǎo)致不能進行深入研究，使得脫硫石膏綜合利用技術(shù)處于瓶頸期。因此，政府應(yīng)加大各個高校以及研究院對該研究的扶持力度，提升相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)水平，從而促進脫硫石膏的多元化利用。

（4）對傳統(tǒng)石膏的使用習(xí)慣一時難以改變。天然石膏資源充沛，導(dǎo)致人們慣性使用，另外群眾對脫硫石膏了解不足從而產(chǎn)生戒備心理，導(dǎo)致脫硫石膏的市場處于封閉狀態(tài)。因此，監(jiān)管部門應(yīng)嚴(yán)格控制天然石膏的使用，并且加強對脫硫石膏的宣傳，引導(dǎo)人們接受并使用脫硫石膏，將脫硫石膏從以儲為主轉(zhuǎn)變到以用為主。

7 寧夏脫硫石膏未來發(fā)展方向

近年來，脫硫石膏在建筑行業(yè)的使用與日俱增，并且取得了較為顯著的效果，在路橋、建筑等工程中通常取部分脫硫石膏作為混凝土、輕質(zhì)回填材料的原材料或摻合料，在一定程度上節(jié)約了成本并且應(yīng)用效果良好?？梢灶A(yù)料，未來脫硫石膏消耗量最大的領(lǐng)域?qū)墙ㄖI(lǐng)域。

近些年為了落實國家可持續(xù)發(fā)展的政策，建筑業(yè)已經(jīng)由高消耗、高自重的傳統(tǒng)混凝土材料逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能環(huán)保、隔音保溫的輕質(zhì)混凝土材料。因此，脫硫石膏在輕質(zhì)混凝土中的應(yīng)用將成為研究的熱點方向。用脫硫石膏代替部分水泥制備輕質(zhì)混凝土，一方面可以解決寧夏堆積成山的脫硫石膏，變“廢”為“寶”，化“害”為“利”，實現(xiàn)脫硫石膏的資源化利用；另一方面所制備的輕質(zhì)混凝土輕質(zhì)、保溫、隔音性能顯著，不僅能節(jié)約成本還能保護環(huán)境，這完全符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。由于脫硫石膏存在耐水性差的問題，使得所制備的輕質(zhì)混凝土應(yīng)用受限，如果能克服這個弊端，那么脫硫石膏的堆積問題將得到較大程度的緩解。

總體來看，脫硫石膏在建筑行業(yè)的市場前景非常廣闊，并且所帶來的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益都非常顯著，是當(dāng)前和今后發(fā)展的重點方向。

8 結(jié)束語

近年來，隨著寧夏經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，以浪費自然資源和破壞生態(tài)換取經(jīng)濟增長的時代一去不復(fù)返，綠色環(huán)保和低碳循環(huán)的發(fā)展方式將成為主流，其中脫硫石膏的資源化利用問題必將會得到重視以及進一步的研究，其利用途徑將會進一步擴大。目前，脫硫石膏資源化利用的最佳方向是建材領(lǐng)域。因此，積極開展利用脫硫石膏制備的輕質(zhì)混凝土耐水性差的研究，將脫硫石膏以最優(yōu)狀態(tài)應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，將可實現(xiàn)雙贏甚至多贏。