宁夏脱硫石膏固废利用现状与未来发展方向*

关英林，邹承君，杨宝平，康亚明

（1. 北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021；2. 宁夏跃元工程有限公司，宁夏 固原 750000；3. 北方民族大学机电工程学院，宁夏 银川 750021）

1 引言

宁夏脱硫石膏主要来源于燃煤电厂的烟气脱硫工艺，是锅炉尾部烟气湿法脱硫处理后所得到的固体副产品，其主要成分为CaSO4·2H2O，电力行业是该地区产生脱硫石膏的重点领域。脱硫石膏的废弃堆存，不仅占用了大量土地，而且污染土壤和空气［1］。随着脱硫石膏产量的逐年提升，相关决策部门制定了多项政策法规支持脱硫石膏的资源化利用［2-3］，这对我国的循环经济起到促进作用，并且符合我国的可持续发展战略。因此，必须提高脱硫石膏的资源化利用率，尽可能早实现脱硫石膏完全代替天然石膏。

2 宁夏脱硫石膏产量及利用情况

2021年正式公布的宁夏化工园区名单中包括2个化工园区，8个化工集中区，其中2个化工园区为宁夏宁东能源化工基地和吴忠太阳山开发区。随着化工园区建设的加快，脱硫石膏等工业废弃物产量逐年上升，对宁夏的环境带来了巨大的挑战。2010－2019年宁夏脱硫石膏排放量占一般工业固废总排放量的11.76%。2019年宁夏各市区脱硫石膏排放量达到5.63×106t（见表1）。2020年宁夏仅宁东基地产生的脱硫石膏就达到1.55×106t，综合利用率仅为28%。2021年12月宁夏回族自治区工业固体废弃物污染防治“十四五”规划中明确指出：2020年全区一般工业固体废物总量达到了6.74×106t，其中脱硫石膏6.16×106t，占比为9.14%，具体情况见表2，其综合利用率仍没有显著提高。

表1 2019年宁夏各市/区脱硫石膏排放量［6］ 106t

表2 2020年宁夏全区一般工业固废排放比例 %

目前，脱硫石膏等工业废渣应用于石膏建材、土壤改良剂等领域［4］，但宁夏对于脱硫石膏的利用形式仍较为单一，主要原因是许多地区并未真正重视和利用脱硫石膏，全区脱硫石膏利用率仅30%左右，这说明宁夏地区的脱硫石膏综合利用空间较大。

3 宁夏脱硫石膏化学分析

脱硫石膏主要来源于燃煤电厂的烟气脱硫工艺，是锅炉尾部烟气湿法脱硫处理后的固体副产品，其主要成分为CaSO4·2H2O。经研究分析，宁夏地区脱硫石膏中CaSO4·2H2O的含量基本达到90%以上，因此其石膏品质可以得到保证。宁夏地区脱硫石膏与天然石膏的化学成分对比见表3。从表中可以看出宁夏地区脱硫石膏与天然石膏的化学成分相差不大，品质相当，性质相似。因此，在一定程度上可以代替天然石膏，从而实现低碳环保、循环经济以及可持续发展［5］。

表3 宁夏脱硫石膏与天然石膏主要化学成分对比［6-7］ %

4 国内脱硫石膏的资源化利用现状

我国脱硫石膏的综合利用率不高的因素主要包括技术因素和经济因素。在技术方面，我国对脱硫石膏的处理标准和技术要求没有明确的规定，再加上我国大多数燃煤电厂脱硫设备陈旧简陋且处理技术落后，因此脱硫石膏的质量参差不齐。在经济方面，对于燃煤电厂来说，将脱硫石膏精细处理后销售并不会带来较大利润，另外大部分相关企业与燃煤电厂距离较远、运输成本高，进一步降低脱硫石膏的外销利润。目前，国内脱硫石膏主要应用于水泥行业、农业和化工行业。

4.1 脱硫石膏在水泥行业上的应用

王玉兰等［8］研究了脱硫石膏用作调凝剂制备的水泥及混凝土性能，实验结果表明脱硫石膏调凝剂水泥制备的混凝土凝结时间稍长、和易性较好、力学性能较好、收缩值稍低。通过对比脱硫石膏调凝剂水泥与天然石膏调凝剂水泥配制的混凝土，发现两者具有相似的耐久性。此研究佐证了脱硫石膏在一定程度上可以代替天然石膏。

周建伟等［9］研究了不同温度下热处理脱硫石膏对超硫酸盐水泥性能的影响。通过对所制备的超硫酸盐水泥的基本物理性的表征，发现掺入45℃、500℃热处理后脱硫石膏的超硫酸盐水泥比掺入105℃、165℃热处理后的脱硫石膏的水泥凝结时间更长；在力学性能方面，掺入500℃热处理脱硫石膏的水泥较掺入45℃、105℃、165℃热处理石膏水泥更出色。

韩晖等［10］进行了脱硫石膏对水泥物理力学性能与水化过程影响的研究。最终得出脱硫石膏在水泥生产中可以取代天然石膏，并且脱硫石膏还可以显著增强水泥的抗压强度。因此在水泥生产中，与天然石膏相比，脱硫石膏的使用效果更突出。

4.2 脱硫石膏在农业方面的应用

陈虹等［11］研究了施用脱硫石膏后不同年限对于干旱区玛纳斯河流域盐碱地土壤改良效果，并且测评了其安全性。首先将脱硫石膏一次性施入盐碱农田，然后分别在第1、第3、第5年定点检测土壤pH值、电导率（EC）、有机质和重金属含量变化等。研究得到脱硫石膏施用5a内土壤pH值有所下降，土壤中有机质含量的提升,不会造成土壤重金属污染。

许毅等［12］在内蒙古河套地区的硫酸盐盐渍化土壤上进行试验，探究脱硫石膏和耐盐植物改良与培肥盐渍化土壤的作用与效果，对比施用脱硫石膏和不施用脱硫石膏并种植羊草后土壤盐分及基础理化性质的变化，研究得出脱硫石膏和羊草在某种程度上存在相互作用，能使盐渍化土壤改良进度加快，为避免养分的不足，应适当提高P、K肥料的使用量。

4.3 脱硫石膏在化工方面的应用

刘秀状等［13］所选择的基本原料为自然冷却黄磷炉渣和脱硫石膏。通过熔融法，添加一定量的SiO2和Al2O3，制备出了黄磷炉渣微晶玻璃。采用差热分析（DTA）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等方法阐述了不同比例的黄磷炉渣与脱硫石膏对微晶玻璃晶化行为的影响。研究表明：在黄磷炉渣与脱硫石膏所添加的配比范围内，随着脱硫石膏添加量的增加，基体玻璃的形核温度和结晶温度持续降低，析晶活化能E先减小后增加；黄磷炉渣微晶玻璃的主晶相硅灰石（CaSiO3）没有因脱硫石膏添加量的增多而发生变化，而是先促进后抑制了硅灰石晶相的形成。

黄建时［14］提出乙二醇（EG）水体系中脱硫石膏制备α-HH晶须新技术，利用非晶格阳离子优化制备技术，解释了在转晶过程中，重金属铅（Pb）的迁移分配规律，对脱硫石膏高附加值无害化利用起到了促进作用。此外，研究表明可以使用脱硫石膏为原料制备硫酸钙晶须，在硫酸溶液中使用水热法可以制备出形态均匀、长径比高的硫酸钙晶须。此研究开发了一种采用高能研磨活化脱硫石膏以降低反应温度和硫酸浓度的新工艺，并且得到了最佳研磨时间。通过计算硫酸钙晶须的转化率和结晶速率，发现在结晶过程中存在明显的“自催化”动力学特征［15］。

5 国外脱硫石膏的研究及利用现状

国外对于脱硫石膏的研究早在20世纪80年代就已经开始，如今其综合利用体系已经较为完善。日本和德国是世界上最主要的脱硫石膏生产国，主要将脱硫石膏应用于建材行业，其次在水泥行业及农业方面也有着一定的应用。

国外考察了脱硫石膏的物理、化学和岩土特性及其在开发无水泥砖方面的潜在应用。研究发现，脱硫石膏的主要氧化物为三氧化硫（SO3）和氧化钙（CaO）。脱硫石膏的密度为2.43 g/cm3。最大干密度和最佳含水率值分别为142.5 kg/m3和18.5%。脱硫石膏的液限为51%，但没有表现出任何塑性特征。石膏基砖的最佳固化温度为40℃，脱硫石膏基砖的抗压强度可达2.3 MPa，密度比典型黏土砖低28%左右。此外，经7次干湿循环后，其抗压强度没有发生明显下降。上述结果表明，脱硫石膏可用于生产强度要求较低的轻质建筑材料［16］。

国外通过不同的除碳方法和不同的高炉矿渣取代率，研究脱硫石膏对大掺量高炉矿渣水泥砂浆的作用。研究得出烟气脱硫石膏取代后，流量有下降的趋势，1∶4水泥砂浆取代量为5%到10%时，流量略微上升，但对于1∶4水泥砂浆混合料，当脱硫石膏替换10%左右时，抗压强度达到最佳［17］。

国外研究发现脱硫石膏与覆盖作物都会提高土壤质量，当二者结合时，对土壤的化学性质、生物性质、物理性质会产生积极的影响，而且在表层土壤比在次表层土壤对土壤质量的影响更为有效。二者通过提高土壤的生物效率、化学平衡和物理稳定性，从而提升土壤的质量［18］。

6 宁夏脱硫石膏资源化利用问题及解决方案

我国东部沿海地区通过多方共同推动，脱硫石膏的利用率已经超过80%，而宁夏脱硫石膏的资源化利用还存在一些问题，只有完全解决这些问题才能使宁夏地区脱硫石膏的综合利用率得到大幅提升。

（1）对循环经济和可持续发展的认识不足。改革开放以来，国民经济突飞猛进，但我们走的道路始终是以耗费能源，污染环境为代价的传统老路，如果再不进行转变，经济发展必然会倒退。因此，需要加强人们对低碳环保、循环经济以及可持续发展的认识，在学校、生活小区、企业和事业单位等场所开展这方面的教育，并且定期考察群众对于这方面知识的理解。

（2）鼓励和引导性政策的跟进和落实不到位。虽然国家出台了相应的鼓励和引导性政策，但大多数企业缺乏利用脱硫石膏的压力与动力，对国家相应政策的执行力不足。因此，各企业单位必须严格落实政府的扶持政策，政府应进行监督并且加快建设法规和立法体系，对脱硫石膏的综合利用下达强制性政策，并严格设定奖惩措施。

（3）宁夏当地研发能力和技术装备不足。各高校及研究院对于研究脱硫石膏资源化利用的投入不够，加上技术设备的缺乏和局限性导致不能进行深入研究，使得脱硫石膏综合利用技术处于瓶颈期。因此，政府应加大各个高校以及研究院对该研究的扶持力度，提升相应的技术研发水平，从而促进脱硫石膏的多元化利用。

（4）对传统石膏的使用习惯一时难以改变。天然石膏资源充沛，导致人们惯性使用，另外群众对脱硫石膏了解不足从而产生戒备心理，导致脱硫石膏的市场处于封闭状态。因此，监管部门应严格控制天然石膏的使用，并且加强对脱硫石膏的宣传，引导人们接受并使用脱硫石膏，将脱硫石膏从以储为主转变到以用为主。

7 宁夏脱硫石膏未来发展方向

近年来，脱硫石膏在建筑行业的使用与日俱增，并且取得了较为显著的效果，在路桥、建筑等工程中通常取部分脱硫石膏作为混凝土、轻质回填材料的原材料或掺合料，在一定程度上节约了成本并且应用效果良好。可以预料，未来脱硫石膏消耗量最大的领域将会是建筑领域。

近些年为了落实国家可持续发展的政策，建筑业已经由高消耗、高自重的传统混凝土材料逐渐转变为节能环保、隔音保温的轻质混凝土材料。因此，脱硫石膏在轻质混凝土中的应用将成为研究的热点方向。用脱硫石膏代替部分水泥制备轻质混凝土，一方面可以解决宁夏堆积成山的脱硫石膏，变“废”为“宝”，化“害”为“利”，实现脱硫石膏的资源化利用；另一方面所制备的轻质混凝土轻质、保温、隔音性能显著，不仅能节约成本还能保护环境，这完全符合国家的可持续发展战略。由于脱硫石膏存在耐水性差的问题，使得所制备的轻质混凝土应用受限，如果能克服这个弊端，那么脱硫石膏的堆积问题将得到较大程度的缓解。

总体来看，脱硫石膏在建筑行业的市场前景非常广阔，并且所带来的社会效益、环境效益和经济效益都非常显著，是当前和今后发展的重点方向。

8 结束语

近年来，随着宁夏经济发展模式的转变，以浪费自然资源和破坏生态换取经济增长的时代一去不复返，绿色环保和低碳循环的发展方式将成为主流，其中脱硫石膏的资源化利用问题必将会得到重视以及进一步的研究，其利用途径将会进一步扩大。目前，脱硫石膏资源化利用的最佳方向是建材领域。因此，积极开展利用脱硫石膏制备的轻质混凝土耐水性差的研究，将脱硫石膏以最优状态应用到建筑领域，将可实现双赢甚至多赢。