燃煤电厂烟气脱硫石膏循环利用与市场需求分析
受国家对燃煤烟气二氧化硫排放控制要求到位的环保政策推动，实施烟气脱硫的市场需求呈井喷状扩大，庞大的脱硫产业应运而生。至2005年底，我国建成投产的烟气脱硫机组约5 300万 kW，约占火电装机容量的14%，正在建设的烟气脱硫机组容量超过1亿 kW。目前，已有石灰石-石膏湿法、旋转喷雾干燥法、常压循环流化床法、海水脱硫法、炉内喷钙尾部烟气增湿活化法、电子束法、烟气循环流化床法等10多种脱硫工艺技术在我国得到了应用。
在诸多脱硫工艺中，石灰石-石膏湿法脱硫由于脱硫效率高、技术成熟且脱硫副产物具有较高利用价值，成为目前世界各国火电厂采用的主流工艺技术。据统计，目前我国投运、在建和已签订合同的火电厂烟气脱硫工艺技术中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫占90%以上。
采用石灰石-石膏湿法工艺脱硫，经强制氧化及脱水后所得的副产品称为烟气脱硫石膏（FGD gypsum或DSG）。烟气脱硫石膏颗粒较细，平均粒径约40～60 μm，颜色呈灰、黄，二水硫酸钙含量较高（90％～95％），游离水一般在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[1，2]。
与天然石膏相比，烟气脱硫石膏具有纯度高、成分稳定、粒度小、有害杂质少等特点，是一种品质较好的石膏（见表1[2]）。世界各国的应用实践证明，烟气脱硫石膏能较好替代天然石膏。
表1 某厂脱硫石膏与天然石膏的组成成分比较
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在国外，烟气脱硫石膏的工业化生产和使用已超过20年之久。在欧洲各国、日本和美国得到高度重视和发展[3-5]。其中日本和德国是世界上烟气脱硫石膏主要生产国和利用国，其利用率达到80%～90％；其次为美国、英国、奥地利和荷兰。从用途上看，烟气脱硫石膏主要用于生产建材制品和水泥缓凝剂。此外，日本开发了以烟气脱硫石膏制作路基材料的技术，美国的烟气脱硫石膏中有少部分用于酸性土壤的改良。
1 脱硫石膏优点
近年来，国内各研究机构、企业开展了一系列烟气脱硫石膏制品与天然石膏制品的对比试验，结果表明，烟气脱硫石膏的品位较高，便于利用，是建材工业的宝贵资源。主要优点有：（1）烟气脱硫石膏的品位平均在90％以上，达到天然优质二水石膏品位；（2）烟气脱硫石膏炒制后所得的半水石膏性能超过国家《建筑石膏》（GB/T 9776一88）标准 [6]；（3） 烟气脱硫石膏应用在石膏板生产过程中可以降低料浆液固比，增大料浆流动性，降低石膏板重量，改善石膏板质量，提高石膏板机械强度，降低石膏板的成品破损率，并能减少对设备的磨损[7]；（4）烟气脱硫石膏制成的粉刷石膏具有凝结快、质轻、微膨胀、粘结性好、保温隔热、施工方便且省工期等优点，可解决抹灰工程中空鼓、开裂、脱落等质量通病，是水泥砂浆类粉刷材料理想的替代品[8]；（5）由于微观和力学结构的优势，烟气脱硫石膏制成的建筑石膏或水泥在抗压、抗折强度性能上优于天然建筑石膏 [9，10]；（6）与使用天然石膏相比，使用烟气脱硫石膏省去了破碎工艺；（7）脱硫石膏出厂价一般低于天然石膏，对企业来说购买附近电厂的脱硫石膏可降低原材料成本（见表2）。
表2 上海某外企购买天然石膏与烟气脱硫石膏价格对比 元/t
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2 烟气脱硫石膏应用中存在的问题
烟气脱硫石膏应用中存在的问题主要有：（1）烟气脱硫石膏的性质会受到电厂烟气除尘系统效率及吸收剂品质的影响，有可能出现飞灰等杂质含量较高、颜色偏深的情况，从而可能影响到下游工业产品的外观、品质，因此有必要制定相应的行业技术标准保证电厂烟气脱硫石膏的品质；（2）在技术和设备方面，由于脱硫石膏有10%的含水量，因此需要在传统的石膏板制造工艺中添加一套烘干处理、煅烧系统，这需要企业增加一定的设备投入；（3）烟气脱硫石膏含水率比天然石膏高，具有一定的黏结性，在水泥生产过程中容易引起拌料仓结仓、结壁、下料堵塞问题，因此需要开发解决该问题的技术，如采取造粒成球（成本平均增加20元/t）、拌料仓改进等；（4）粉刷石膏对加水量比较敏感，在施工过程中对其材料配比和每次拌合量有严格要求；（5）目前，我国脱硫石膏的供求状况存在明显的地区差异，在中西部天然石膏资源丰富的地区，烟气脱硫石膏大量抛弃未得到充分利用；而在经济发达的东部沿海地区，脱硫石膏则呈现出供不应求的局面。企业为了自身经济利益，主动将生产线建造在电厂附近实现资源利用最优化。然而，企业同时面临着电厂烟气脱硫石膏品质不能满足生产技术要求的问题，必须投资改造设备对烟气脱硫石膏进行加工处理使其符合生产要求，这在一定程度上影响了经济效益。
3 脱硫石膏的市场需求分析
“十一五”期间，我国的烟气脱硫石膏产量将随着燃煤电厂脱硫工程的稳步推进而逐渐增长。据国家发展和改革委员会、国家环保总局颁布的《现有燃煤电厂二氧化硫治理“十一五”规划》，至2010年，约1.37亿 kW现有燃煤机组实施烟气脱硫，按湿法脱硫工艺占90％，煤含硫量1％，单位发电标准煤耗0.350 kg/（kW·h），燃煤电厂年运行6 000 h，处理1 t二氧化硫产生近2.7 t纯烟气脱硫石膏（杂质按10%计）。S转换成二氧化硫按90％，脱硫效率按95％估算，未来我国的烟气脱硫石膏年产量将由2005年底的416.24万 t增加至2010年的近1 489.06万 t。
目前，我国烟气脱硫石膏综合处理应用的主要领域有纸面石膏板、石膏空心砌块（条板）、水泥缓凝剂、粉刷石膏、腻子等；此外，在农业、路基回填材料、矿业充填胶结剂和钢结构防火涂料等[11-13]方面的应用也有报道。但除了石膏板行业外，总体来说发展比较缓慢，尚未形成工业化、规模化和专业化生产。未来5年中，电厂烟气脱硫石膏产出将不断增大，而市场需求的潜力也非常巨大。水泥、石膏板、粉刷石膏在未来将成为烟气脱硫石膏最重要的三大消纳行业，农业应用也具有很大潜力。
各地对烟气脱硫石膏的需求量与当地的自然资源、地理环境、经济水平等因素有密切关系。如江苏、浙江、广东、上海等天然石膏匮乏而能源需求量大的地区，是烟气脱硫石膏应用的重要区域。
3.1 建筑建材行业——生产纸面石膏板
纸面石膏板是一个蓬勃发展的行业，是消纳烟气脱硫石膏的重要方向。与发达国家相比，我国人均纸面石膏板消耗量还很低（人均纸面石膏板消耗量我国为0.5 m2，美国和加拿大为10 m2左右），市场发展空间巨大。按照纸面石膏板市场以每年10%速度增长，2010年，我国纸面石膏板产量将达到13亿 m2。从行业特点看，该行业适合发展高标准自动化流水生产线，运输半径大，能耗低，产值和附加值高，是一条变废为宝的切实有效途径。
据统计（2007年1月25日《中国建材报》“2006年建材主要产品产量”），2006年全国纸面石膏板累计产量9.2亿 m2，其中，中高档纸面石膏板产量约占全国总量的43.29%。该类产品生产商大多以≥85％的添加比例使用烟气脱硫石膏作为生产原料，并且积极筹建100％使用电厂烟气脱硫石膏的大型生产线。如：山东泰和集团在江苏江阴、湖北荆门、山东潍坊、重庆江津等地陆续建设年产量在3 000万 m2的纸面石膏板生产线共6条。外资企业上海拉法基、上海杰科等也在上海本地和江浙一带筹建年产约3 000万 m2的新生产线。中小纸面石膏板厂亦使用烟气脱硫石膏，但添加比例较小。根据行业发展趋势，稳定使用烟气脱硫石膏的中高档产品市场将不断增长，因而烟气脱硫石膏的需求势必随之增高。
若生产原料100%使用烟气脱硫石膏，每平方米纸面石膏板的经验用量约需8 kg烟气脱硫石膏。按2006年的纸面石膏板产量，假设有50％的纸面石膏板产品全部使用烟气脱硫石膏，则全国每年能消纳368万 t的烟气脱硫石膏。假设50%～60%纸面石膏板产品全部使用烟气脱硫石膏，预计2010年全国将能消耗520～624万 t烟气脱硫石膏。
3.2 建筑建材行业——制作粉刷石膏
粉刷石膏也是烟气脱硫石膏应用的一个重要领域。粉刷石膏是预拌干粉砂浆的一种，它是以半水石膏为基材，掺入适量外加剂制成的粉状抹灰材料，具有保温隔热、呼吸功能、粘结性好、防火等优点，是一种符合国家产业政策和建筑节能要求的新型绿色建材，具有广阔的应用前景。
目前，我国粉刷石膏的年使用量在10万t左右。尚未在全国推广使用。据统计，2006年全国新增住宅商品房约为3.71亿 m2，依此规模，按每10 000 m2建筑需用1 400 m3(合2 700 t)水泥砂浆，内墙墙面加天花板面占整个建筑需粉刷表面加砌筑所用砂浆量的近70％计算[11]，约需7 011.9万 t抹面砂浆，按照石膏粉刷材料占抹灰材料的30％～50%[8]，纯粉刷石膏占石膏粉刷材料（石膏+水+其他辅料）的1/4计算，粉刷石膏的年用量可达525.89万～876.49 万 t。
3.3 建筑建材行业——用于水泥生产
水泥行业也是烟气脱硫石膏应用的重要领域。2006年全国水泥产量12.4亿 t，根据国家发展和改革委员会《水泥工业发展专项规划》（发改工业[2006]2222号），在今后较长一段时间内，我国的水泥生产将在控制总量、优化地区布局、调整结构的前提下持续增长，预计2010年国内水泥需求量将为12亿 t左右。国家积极鼓励水泥生产企业走资源综合利用发展道路。目前，国内许多水泥企业都在积极研发利用烟气脱硫石膏生产水泥缓凝剂，已经成熟应用的实例有重庆拉法基水泥公司、四川腾辉水泥公司、小郎海水泥公司等，他们的烟气脱硫石膏主要来自于珞磺电厂和重庆电厂，烟气脱硫石膏年用量在9万 t左右。
按2010年国内水泥需求量，水泥生产过程中添加熟料重量3%～5%的二水石膏作缓凝剂，取平均值4%计算，届时，水泥行业年消耗烟气脱硫石膏将能达4 800万 t，成为消纳烟气脱硫石膏的首要大户。
目前，烟气脱硫石膏应用于水泥行业的瓶颈主要在于其含水率高，易粘球磨机、引起拌料仓堵塞，应积极开发解决此类问题的技术。
3.4 建筑建材行业——用于制造石膏砌块
我国外墙建设中大力推荐以石膏砌块代替实心粘土砖，但石膏砌块产品受制于市场和经济性制约，产值低、能耗高，运输半径较小，应用烟气脱硫石膏的技术阻力大。北京热电厂、济南黄台电厂、太原第一热电厂在应用中都遇到过类似问题，难以形成规模化的生产和技术应用。目前，国内较大规模的生产线为北京热电厂年产量30万 m2石膏砌块生产线，每年约利用烟气脱硫石膏2万 t（湿基），其余大部分生产线都是10万 m2以下的小生产线。
3.5 农业——用于改良盐碱地和生产肥料
农业应用是烟气脱硫石膏利用的一个新兴领域。我国是世界上盐碱土分布最多的国家之一，盐碱土面积达366.58万 hm2,主要分布在西北内陆、黄河中游、黄淮海平原洼地、东北、华东和华南等沿海地区[14]。
烟气脱硫石膏中的钙离子可以加速置换盐碱土壤中的可代换性钠，降低土壤pH，从而达到改良碱土的作用。目前，我国北方开展了不少烟气脱硫石膏改良内陆盐碱地的实验性研究[15-17]，也建立了示范性工程。如沈阳市康平县、内蒙古托克托县均进行了烟气脱硫石膏改良苏打碱化土壤的玉米大田试验，改良效果明显。沿海地区滩涂及盐碱地改良较少，宁波太极环保公司曾利用金属铜矿冶炼炉渣作吸收剂进行烟气脱硫，将脱硫副产物改良宁波慈溪庵东镇江南村盐碱地，获得良好效果[18]。
按照每亩添加0.5%土层重量（土壤耕作层20 cm，容重1.2 g/cm3）的烟气脱硫石膏[19]计算，改良全国的50%的盐碱土地，理论上可以消纳近2.2亿t的脱硫石膏。可见，脱硫石膏农业应用潜力巨大。然而应用实践中还存在一些问题，尚无法大规模应用。
此外，烟气脱硫石膏可以制成化肥硫酸铵施加到土壤中，提高土壤肥力。但是，由于成本问题，目前还未受到相关企业的关注。
3.6 出口需求
在亚洲，我国邻近的日本、新加坡、韩国和马来西亚等国没有或缺乏天然石膏。因此，这些地区以石膏为生产原料的企业对烟气脱硫石膏具有一定的需求量，若我国燃煤电厂的烟气脱硫石膏无法完全在本地消纳，可以发展石膏贸易，向这些国家和地区出口烟气脱硫石膏，以缓解环境压力。
4 结 语
烟气脱硫石膏是天然石膏良好的替代材料，在我国有着广阔的市场需求前景，脱硫石膏在建筑建材业、农业等方面的有效利用将能切实保证烟气脱硫工程的顺利推进，不仅能实现废物资源化，而且能相应带动土地资源、生态环境保护等重大问题的解决，带来良好的经济和社会效益，符合循环经济和科学发展观理念。因此，应积极采取措施，加快烟气脱硫石膏应用技术的开发，加大对烟气脱硫石膏利用政策的支持力度，完善并落实资源综合利用税收优惠政策，制定统一的石灰石-石膏法烟气脱硫石膏质量标准，有效推动烟气脱硫石膏的综合利用。
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