【分享】煤电干法脱硫灰渣资源化利用进展的浅析
1 引言
据新疆自治区发改委的官方数据显示，截至2018年底，全区电力总装机容量全国排名在第12 位为4959万kW，新疆将新建火电厂项目65个。据估计，新疆区域仅煤电脱硫灰渣年产量在几十万吨，相较于内陆省市脱硫灰渣研究起步较早，目前新疆地区脱硫灰渣的资源化利用仍处于试验探索阶段。苏少龙[1]等研究显示目前煤电企业干法脱硫技术主要采用是金属氧化物干法脱硫技术和炉膛喷钙脱硫技术。其中金属氧化物干法脱硫技术多应用于煤电燃烧废气利用脱硫塔的形式固硫；炉膛喷钙脱硫技术主要主流采用循环流化床干法烟气脱硫。循环流化床干法烟气脱硫是目前采用较为广泛的烟气脱硫方法。循环流化床干法脱硫“超洁净”工艺为先进干法脱硫工艺的突出代表，具有高效传质、传热效率，吸收和吸附两种净化机制，脱硫除尘一体化协同脱除等优势，兼具高效PM2.5协同净化作用，受到业界极大重视，成为应用与发展的主流技术并日臻完善[2]。
2 干法脱硫灰渣的成分及特点
2.1 煤电干法脱硫灰渣来源途径
煤电脱硫灰目前来源主要有两个：首先为脱硫塔干法脱硫工艺产生脱硫灰；其次为采用循环流化床干法脱硫法后锅炉废气烟尘干法脱硫得到。
煤电固硫渣来源主要为采用循环流化床干法脱硫法，通过向锅炉中喷入固硫剂(常用为石灰石、白云石等)，固硫剂一般利用炉内高温煅烧与煤燃烧过程中释放的SO2气体发生反应生成硫酸盐和硫酸亚盐，以灰渣的形式从下排出，从而达到固硫的目的。
2.2 干法脱硫灰渣物理特性及主要成分
脱硫灰为红褐色粉状物，粒度较细，中径在10μm～20μm[3]；主要元素成分是硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钙(Ca)、硫(S)，主要矿物成分是亚硫酸钙(CaSO3·1/2H2O)和碳酸钙(CaCO3)，次要矿物成分为消石灰(Ca(OH)2)和硫酸钙(CaSO4·2H2O)。脱硫灰中多含有粉煤灰成分，粉煤灰(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量与预除尘器效率有关，可能是主要或次要矿物成分[4]。
固硫渣主要分为：溢流渣、冷却渣、沉降灰、飞灰，其中，溢流渣中径在2mm~10mm、冷却渣中径大于10mm、沉降灰中径在0.5mm~2mm、飞灰中径小于0.5mm[5]；经流化床锅炉燃烧后，残渣主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO黏土矿物等成分，在化学组分的种类上与粉煤灰、沸腾炉渣等是相似的。
3 干法脱硫灰渣应用前景分析
目前，随着脱硫灰产量的增长迅速，国内相关科研机构及学者对脱硫灰的应用非常重视。例如北京科技大学的邢奕教授、陈巍[6]等研究脱硫灰的特性，通过脱硫灰改善污泥脱水性能并分析其变化规律与产生原因，探索其用在水泥掺入量上的影响。重庆大学钱觉时教授、纪宪坤[7]等探讨了固硫渣在建筑材料、矿井处理、环境治理等利用方向。目前，新疆范围内煤电干法脱硫灰渣的资源利用仍处于试验研究阶段，研究力度正在加强。
用在水泥中作为原材料使用：循环流化床脱硫灰渣可广泛应用于水泥熟料中，当作混合材添加。根据张克[8]的研究，固硫灰渣在水泥熟料中掺量20%左右时满足水泥凝结时间、安定性、线性膨胀收缩变化、强度及与减水剂的相容性等性能要求。
用在混凝土中作为掺合料：脱硫灰渣中含有较多的活性物质，如：SiO2、Al2O3等，依据黄叶[9]的研究，磨细后的固硫渣可掺入混凝土中，其混凝土的强度随着磨细固硫渣的掺入量的增加而增加，但当掺入量大于30%时，强度开始下降。并且掺量较大时整个体系中SO3含量较高有关；混凝土的相对线性膨胀率则随磨细固硫渣掺量的增加而增加。
探索其在无机非金属胶凝材料上的应用：依据武汉理工大学陈袁魁、朱同松[10]的研究，利用煤电厂脱硫灰渣优化配比制得的脱硫灰渣矿物聚合材料制品，其制品的7d、28d的抗压强度满足要求。说明以煤电脱硫灰渣为原料制备矿物聚合材料在技术上是可行的。
在烧制硫铝酸盐水泥中的应用：通过山东顺兴水泥股份有限公司李士勇[11]等人的分析，山东顺兴水泥股份有限公司利用枣矿集团八一水煤浆电厂干法脱硫后经除尘与粉煤灰混合的废渣用于生料配料中，使生料产量增加了20%，生产硫铝酸钙改性硅酸盐水泥熟料，烧成温度不能过高要严格控制烧成温度，回转窑烧成带温度控制在(1300±30)℃，分解炉温控制在850℃左右。其生产的硫铝酸盐水泥满足国家规范要求，是脱硫灰一种全新有效的利用方式。
作为水泥缓凝剂：依据上海市建筑科学研究院王尧冬[12]、黄毅明[13]等人的研究表明脱硫灰渣可取代天然二水石膏用作水泥的缓凝剂，缓凝时间满足国家标准要求，但研究同样表示，缓凝作用对脱硫灰渣中SO3、SO2等含量有相应要求：SO3含量大于40%,SO2含量低于7.4mg/kg,附着水含量低于5%,烧失量低于2%。
同时，陶珍东[14]也发现亚硫酸钙型脱硫灰渣单独作为水泥缓凝剂时其缓凝效果差，难以满足要求。以上说明，脱硫灰渣用作水泥混凝剂时对脱硫灰渣中SO3、SO2等含量要求有具体要求，添加时需注意其含量。
作为控制性低强度材料使用：控制性低强度材料即流动性填料，是指一种强度低(与普通混凝土相比)能够自我充填性质的水泥质材料，主要用于排水管渠等的回填。目前国内没有与其相关的规范，参照美国混凝土协会的要求其28d抗压强度≤8.3MPa。武汉科技大学薛永杰[15]等人利用脱硫灰渣研究控制性低强度材料，通过调整不同材料同配比可满足不同强度的要求，同时满足其低成本、施工方便等要求。满足不同强度材料的回填要求。
在生产加气混凝土砌块的研究：上海宝钢新型建材科技有限公司的周维[16]等人利用某自备电厂的脱硫灰渣，将干法脱硫灰按一定比例替代粉煤灰，与铝粉、纯碱和生石灰粉等原料一起制备出料浆，通过加入干粉煤灰调整并保持料浆比重在1.5左右。生产出的脱硫灰-粉煤灰加气砌块干密度级别为B06，强度级别为A5.0，优等品级别。邱振中[17]研制出干密度级别为B06，强度级别为A3.5，优等品级别。其加气砌块成品满足力学性能、抗冻性能、抗碳化性能及干湿循环性能。同时，试验表明砌块经碳化后，砌块强度损失较大，实际应用时应控制脱硫灰渣的掺入量。
脱硫灰制砖的研究：武汉理工大学的杨新亚教授和亓义卫[18]用河北某电厂的脱硫灰成功制成干法脱硫灰免烧砖，其免烧砖强度达到MU15等级要求，满足JC239-2001《粉煤灰砖》规范的要求，通过添加自制改性剂对脱硫灰进行处理，解决了免烧砖泛霜的现象。
福建某脱硫公司苏清发[21]成功试验生产出脱硫灰蒸压砖，脱硫灰掺入量达到30％。
在沥青混合料上的利用：通过李萃斌[19]等人试验表明，以不大于40％的脱硫灰与石灰石粉复合可制备沥青填料，所制备的沥青混合料各项指标均能满足规范要求，可应用于沥青道路工程，其中以约30％脱硫灰取代石灰石粉所制备的复合沥青填料效果较好。
脱硫灰部分或完全取代矿粉应用于沥青混合料，在河北、江苏和福建等地沥青混合料搅拌站已得到推广应用。根据不同的沥青混合料种类及脱硫灰的性质，脱硫灰的掺量范围为2%~10%[4]。
在防水卷材领域的利用：目前，国内将脱硫灰渣用在防水卷材领域的研究较少。通过陈永瑞[4]的研究了解到，国内有少数防水卷材企业开展了脱硫灰应用于防水卷材的配方开发，采用脱硫灰代替石粉生产防水卷材，脱硫灰防水卷材性能指标满足GB18242-2008《弹性体改性沥青防水卷材》中PY类Ⅰ型的技术要求，相关工艺已在河北部分防水材料厂推广并生产。说明脱硫灰可部分或完全取代石粉用于沥青防水卷材生产。
脱硫灰渣在制作农业复合肥的研究：国内脱硫灰渣在农业上的应用较少，华南理工大学柯亮[20]用广州某电厂的脱硫灰渣与粉碎至200目的钾长石按配比混合后焙烧，得到的产物通过硫酸钠的浸取后，再通过球磨、烘干、焙烧、干磨、造粒等工艺后，生产出的产品达到国家钾钙肥企业标准工业产品一级标准钾的钙硅镁硫肥料。因其工艺复杂且对工艺要求较高，目前该应用尚未得到大面积推广。
在淤泥固化的研究利用方面：重庆大学纪宪坤[7]等研究了脱硫灰渣稳定固化污泥应用的前景，其研究表明了固硫渣与污泥质量比为2:1时，脱硫灰与污泥质量比为1:1时对污泥的固化效果最好，同时其固化后7d内的pH值为11呈碱性，能够保证对污泥较好的杀菌效果。28d后其pH值降至9左右，为植被恢复提供了必要条件。且固硫渣稳定固化污泥长期力学性能发展稳定，相关指标满足国家标准要求。
4 结论
我国对脱硫灰渣的利用尚处在起步阶段，大规模的资源化利用还有较长的一段距离[3]。新疆地处我国西部，技术发展相对内陆省份较为落后，脱硫灰渣的综合利用仍处在吸收、借鉴内陆省份技术阶段。依照上述脱硫灰渣的利用前景，在寻找脱硫灰渣的利用方向前应首先确定不同煤电企业脱硫灰渣的物理特性及主要化学成分的差异，针对不同的特性找到适合其大规模利用的技术方案，结合新疆区域市场及气候的特殊性，开展脱硫灰渣的综合利用。
作者：李程龙，刘涛，袁伟，杨永祥