冉文生 呂海波 龔小平 張小偉

(1.新疆產品質量監(jiān)督檢驗研究院，烏魯木齊 830011；2.烏魯木齊益好優(yōu)科新材料有限公司，烏魯木齊 830011)

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關于脫硫石膏的深度開發(fā)與產業(yè)價值探討

冉文生1呂海波1龔小平2張小偉1

(1.新疆產品質量監(jiān)督檢驗研究院，烏魯木齊 830011；2.烏魯木齊益好優(yōu)科新材料有限公司，烏魯木齊 830011)

我國一直以來都是經歷重化工業(yè)階段，經濟發(fā)展對能源的依賴程度遠遠高于其他發(fā)達國家，人均用電量及工業(yè)用電量大幅提高。一次性的能源結構決定了我國發(fā)電必將以煤電為主的必然格局。這樣帶來最直接的就是環(huán)境問題。作為燃煤燒產物，脫硫石膏的綜合利用，不僅可以減少燃煤電廠脫硫產物的堆放場地，減少二次污染，而且可以減少天然石膏的開采量，保護天然石膏資源，節(jié)省開礦費用。把大量煙氣副產物消耗、再生，實現經濟效益，這符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略及循環(huán)經濟理念，具有重要現實意義。

煤；環(huán)境污染；燃煤燒產物；脫硫石膏；再生利用；聚U復合材料

引言

幅員遼闊的新疆擁有全國六分之一的國土和40%的煤炭儲量，“十二五”期間新疆大型燃煤企業(yè)都安裝并運行了煙氣脫硫裝置?？諝赓|量大幅度提升。2015年新疆燃煤企業(yè)就固化了250萬噸的SO2但也產生了700萬噸的脫硫石膏(火電廠安裝煙氣脫硫裝置產生的廢棄物)。

“十二五”期間新疆產品質量監(jiān)督檢驗研究院在環(huán)保、科技、技監(jiān)及地方政府支持下，成立專項課題整合社會多方資源，組對脫硫石膏進行開發(fā)利用，已涉及到水泥、紙面石膏板、墻體、砌塊、膩子粉等多種產品，年消化脫硫石膏100萬噸，占據新疆石膏制品半壁江山。

隨著“西電東送”政策實施，的建設如火如荼，火電廠雨后春筍般的出現在新疆大地。2015至2016年新疆新建火電廠項目多達65家(數據來源于國際電力網)，發(fā)電量是2014年發(fā)電總量的數倍。大量火電項目上馬使電力能源不斷輸送到東部，但火電廠的二次污染物脫硫石膏卻留在了新疆。超高壓直流輸電項目是世界奇跡，五彩灣集中眾多的大型火電廠也是世界奇跡。但這些奇跡背后環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問題應運而生。目前火電廠大氣排放已經可以做到與天然氣同標準，水可以做到循環(huán)利用排放達標。廢棄物中爐渣、粉煤灰利用簡單而且可以掩埋，脫硫石膏就成了主要問題。目前環(huán)保與燃煤企業(yè)就脫硫石膏堆放處理已經出現矛盾甚至已經開出大額罰單。2018年超高壓直流輸電線路貫通，火電廠負荷迅速增加，新疆脫硫石膏處理將是環(huán)保的重頭戲。

隨著建筑業(yè)增長趨緩，建材市場競爭日趨激烈，建材業(yè)、建筑業(yè)進入寒冬期。據項目組統(tǒng)計2015年新疆建材業(yè)石膏產品總用量在200萬噸。即便是建材銷售最佳的2013年也只有300萬噸，面對千余萬噸的脫硫石膏不得不驚出一身冷汗。對于石膏初加工產品，或低附加值產品在地域廣闊的新疆運輸成本是無法接受的。新疆脫硫石膏的出路絕不是傳統(tǒng)的建筑石膏市場能夠解決的。

脫硫石膏是石灰石煙氣脫硫的副產物，我國從2004年就已經頒布實施了《大氣污染物排放標準》，燃煤鍋爐必須要安裝脫硫裝置來去除煤中的硫，以保護環(huán)境。但是，安裝脫硫裝置后產生的二次污染物脫硫石膏的利用方法多半停留在紙面上。2015年我國脫硫石膏已達8000萬噸，新疆已突破700萬噸，國內從安裝脫硫裝置至今已有幾十年的時間。德國在用煤開始發(fā)電就意識到煤中的二氧化硫會對大氣造成污染，六十年代末就已安裝煙氣脫硫裝置來去除二氧化硫，后來各國都開始使用，這時大量的煙氣廢棄物脫硫石膏不斷的增加，后來他們發(fā)現脫硫石膏成份和天然石膏內成份相同，可以替代天然石膏，節(jié)省自然資源(天然石膏)。70年代至今脫硫石膏利用在各國發(fā)展比較快的是德國、日本、美國石膏公司和法國拉法基石膏公司，他們認為脫硫石膏是天然石膏的良好替代品。目前，歐美國家已形成較為完善的開發(fā)、研究、應用體系，日本脫硫石膏利用率近100%，德國所有的建材企業(yè)均以脫硫石膏為原料，美國脫硫石膏年產1200萬噸，利用率75%。而應用最多、最廣的也是紙面石膏板。

脫硫石膏可以用作水泥緩凝劑，水泥強度增加，漿料更細，凝結時間正常。用量不是很大。怎樣才能充分消耗利用煙氣污染物脫硫石膏，使它再生，產生新的材料，新的價值，這一問題一直困擾著我們課題組，此時為了充分解決好脫硫石膏再利用問題，課題組結合社會資源，去國外考察，多次赴內地煤電脫硫石膏及材料專家咨詢了解，并對脫硫石膏樣品進行理化性能等基礎研究，為煤電脫硫石膏在建材領域的推廣應用積累了最原始的數據基礎。隨著研究的逐步深入，發(fā)現脫硫石膏中的碳酸鈣遠遠高于天然石膏，可把二水硫酸鈣生成無水硫酸鈣。這樣可大大提高石膏的應用范圍和應用層次，使石膏進入更寬闊的使用范圍。

通過對脫硫石膏進行資源調查和理化分析，實驗室小試及基礎試驗研究。在實驗室小試階段，通過對脫硫石膏附著水含量的測定、二水硫酸鈣含量的測定、化學組成的測定、放射性化學成分分析，經過充分的討論，幾百次的實驗，課題組決定另辟蹊徑，把脫硫石膏用輻射法多次改性合成使它成為高強度的新型環(huán)保材料，我們稱為“聚U復合材料”。

簡介項目前先介紹兩個概念：α-半水石膏：生石膏化學式為CaSO4·2H2O，加熱會發(fā)生反應，2CaSO4·2H2O=2CaSO4·H2O+2H2O(加熱)，生成物2CaSO4·H2O就叫半水硫酸鈣，因為其組成是2mol CaSO4與1mol H2O結晶，相當于CaSO4·0.5H2O，所以叫半水硫酸鈣。β-半水石膏：熟石膏片狀并有裂紋的晶體，結晶很細，比表面積比α型半水石膏大得多。

本研究研發(fā)而成的“聚U復合材料”是即不在α-半水石膏范圍內，也不再β-半水石膏范圍內，是一種介于兩者之間的新型材料，優(yōu)點：可釘、可刨、可鉆、可漆，高強度、防火、防潮、無甲醛；應用替代范圍涉及木材類產品、石材類產品及塑料類部分產品，2016年3月-8月期間，已申請國家兩項發(fā)明專利。

1 項目簡述

由于環(huán)境壓力和循環(huán)經濟的雙重驅動，使工業(yè)廢渣石膏：脫硫石膏、磷石膏的深層次加工和高檔化利用被廣泛關注。目前國內使用沸騰爐加球磨機生產的β型半水石膏在應用上存在兩大缺陷：

(1)成型工藝拌合水參量大使石膏結晶體密度不足，表現出成品強度低、吸水率高，這就制約了應用行業(yè)和應用范圍。

(2)這種β型半水石膏結晶時很難與骨料、筋料等改善物理性能的填料形成粘合或握裹，物理性能也就難以提高，更局限了應用層次和應用范圍。

脫硫石膏在國際、國內應用最多的是建筑行業(yè)內墻膩子和紙面石膏板。而以脫硫石膏為主原料生產的聚U復合材料突破了這種局限，可應用在工藝品、包裝材料、裝修材料等行業(yè)，可輕可重，解決了強度低、吸水率高的難題，聚U復合材料還具有很高的抗沖擊能力，內部粘接牢固抗折強度高韌性好，在防火、防水、握釘力等方面具有更好的性能，其保溫隔熱方面也優(yōu)于紙面石膏板，由于去除了護紙面，它的應用范圍會更加廣泛靈活，并且更加環(huán)保。同時具有天然渾厚的色彩與質感。燃燒等級可以達到A級。是替代塑料、木材、石材的理想材料。

2 技術難點

(1)脫離石膏由于其含水量高達20%左右，而且脫硫石膏極易吸潮，因此，脫硫石膏的應用受氣候的影響較大。

(2)在開發(fā)利用脫硫石膏時最大的難點是其含水率一般20%左右，怎樣才能脫去其中的水，以最佳摻量和最佳配比亦難以確定。

(3)脫硫石膏的SO3含量大約在35%～40%，而天然石膏SO3含量大約30%，脫硫石膏相比于天然石膏摻加量的變化，將直接影響出產品合格率。

3 項目創(chuàng)新點

(1)技術創(chuàng)新：我們采用輻射法，使脫硫石膏生成聚丙烯基無水硫酸鈣。

(2)工藝創(chuàng)新：由沸騰爐煅燒改為熱輻射，達到無塵、低碳、低能耗。

(3)設備創(chuàng)新；流水線上植入智能和遠程模塊，可加入3D打印，達到無塵、自動化的準工業(yè)4.0標準；在生產過程中沒有任何污染(無廢物、廢水、廢渣排放)，產品無甲醛釋放。

4 聚U復合材料的應用范圍

(1)建筑材料行業(yè)可用于外墻裝飾墻板、外墻掛板等、一次性模板、各種構件組合出亭臺、圍欄、桟道等，不僅耐水防火還具有50年不退色不變質容易打理的優(yōu)點。

(2)裝飾裝修行業(yè)可以開發(fā)出內墻裝飾板材、線條、建筑模板、門窗等，材料不但色彩、質感極佳同時還具有A級材料的阻燃特性。

(3)家具家私行業(yè)可以開發(fā)各種天然石材、木材紋理的家具板，是人造板材的升級產品。

(4)飾品工藝品行業(yè)也可以廣泛的作為原料使用。

(5)包裝行業(yè)可以開發(fā)包裝箱、盒(酒盒、禮盒)等。

(6)軍工等特殊行業(yè)。

聚U可以替代木材、石材、塑料，同時還具有他們的共同優(yōu)點，通過工藝上的提升，使材料可產生木紋、亞光、仿大理石花紋等不同的紋理，使材料外觀更自然，色彩更渾厚。它的物理指標已經接近甚至超過高分子材料，突破法國拉法基石膏公司及美國石膏公司產品的極限指標，石膏最難解決的是它的脆性和防水問題，聚U在這兩點上指標遠遠高于法國拉法基石膏公司及美國石膏公司，因此，我們大幅度提高了石膏的應用范圍和應用層次。

表1聚U和其它材料對比

5 聚U復合材料的用途及市場

具有相當大的廣泛性和靈活性，可做外墻板、內墻板、立柱、櫥柜板、天花板、地板以及特殊用途，如室外保溫裝飾板、包裝材料等。還可像木質板機加工，由于不含甲醛，由全天然材料制成，無毒無害是一種綠色建材，并可替代珍貴的森林資源。2014年，我國木質人造板產銷量已達30212萬個立方(來源于網絡資料)，其中使用了大量的甲醛類膠粘劑，其危害不可忽視；如果聚U復合材料取代木質人造板的十分之一，每年可消化4千萬噸的脫硫石膏。

表2 聚U和人造板材料對比

6 社會效益及經濟效益

(1)采用廢棄物脫硫石膏為主原料，研發(fā)新型環(huán)保材料，使電廠二次污染物脫硫石膏得以利用，解決電廠對廢物廢渣無法處理問題，達到節(jié)能減排、變廢為寶。保護了國家的自然資源(木材、石材、天然石膏)。

(2)新的材料帶動新的產業(yè)，因其涉及眾多行業(yè)可生產眾多產品，在涉及到行業(yè)可產生巨大經濟效益，增加稅收。復合國家供給側的政策。

(3)可帶動相關產業(yè)的發(fā)展及萬人就業(yè)。脫硫石膏這十年來在紙面石膏板的引領下，已進入成熟行業(yè)，預計下一個十年還是石膏行業(yè)迅速發(fā)展的黃金時期，隨著，國家十三五規(guī)劃的步伐，充分利用新疆的地利資源優(yōu)勢，將是石膏作為高強度的膠凝材料發(fā)展的最迅猛階段。聚U復合材料現在已經通過實驗室小試，即將進入中試及產業(yè)化階段，希望能得到社會各界資源的支持，踏著這個契機迅速市場化、規(guī)模化。如果人造板的2014全年銷量是30212萬個立方，我們以聚U復合材料來替代它，以最小的市場份額10%，也是過億元的份額；而且隨著產品的深加工，其設備也有數十億的市場額。

新材料的應用不僅誕生新的產業(yè)鏈，引領老產業(yè)的升級，還會影響一代人的生活，在新一輪的工業(yè)化革命中，脫硫石膏綜合利用產生的經濟效益和社會效益是無法用數字來衡量的。

[1]2014人造板全年銷量30212萬立方(中國產業(yè)信息網http：//www.chyxx.com).

[2]2015年全國脫硫石膏產生8000萬噸(中國電力新聞網http：//www.cpnn.com.cn/dyy/201203/t20120302_400033.html).

[3]紙面石膏板數據來源于道客巴巴(紙面石膏板現狀，王少楠).

[4]日本及各國脫硫石膏應用數據參考百度文庫(國外脫硫石膏應用).

[5]新疆脫硫石膏情況參考(新疆瑪思科石膏制品企業(yè)內部提供).

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，教授級高工，研究方向為分子級材料

X21

A

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

項目資助：維吾爾自治區(qū)科學技術廳項目(20166011)

引用文獻格式：冉文生 等.關于脫硫石膏的深度開發(fā)與產業(yè)價值探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：105-107.