脫硫石膏產(chǎn)業(yè)的市場前景
燃煤發(fā)電是二氧化硫最大的排放者，因此我國政府十分重視燃煤電廠煙氣脫硫的環(huán)保措施。2003年起國家發(fā)改委審批的新建燃煤電廠，如果燃煤含硫達(dá)0.7%以上，就必須安裝煙氣脫硫裝置；已建成的燃煤電廠也必須逐步安裝煙氣脫硫裝置。到2007年年底，我國已有2.7億千瓦的燃煤發(fā)電機(jī)組安裝了煙氣脫硫裝置。2010年，我國將有4.6億千瓦的燃煤發(fā)電機(jī)組安裝煙氣脫硫裝置，其中88%的煙氣脫硫裝置是采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)（即WFGD）。根據(jù)我國電煤的含硫量，2010年后，每年將要排放近億噸濕法脫硫的副產(chǎn)品———脫硫石膏。另外,我國年產(chǎn)磷肥1100萬噸，每年還要排放與脫硫石膏同屬化學(xué)石膏的磷石膏4000萬噸，并且磷石膏多年的蓄積已達(dá)數(shù)億噸。2007年我國天然石膏的產(chǎn)量為5000多萬噸，即使化學(xué)石膏全部取代了天然石膏，仍可能有幾千萬噸的脫硫石膏和磷石膏無法被利用。由此可見，如果不對(duì)化學(xué)石膏的處理技術(shù)加以創(chuàng)新，開拓新的用途，進(jìn)行全面的綜合利用，必定會(huì)造成二次污染，因此脫硫石膏等化學(xué)石膏的綜合利用已迫在眉睫。
脫硫石膏的特點(diǎn)及其利用原則
1.脫硫石膏與天然石膏的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)
相同點(diǎn)是：水化動(dòng)力學(xué)和凝結(jié)特征一致；主要礦物相、轉(zhuǎn)化后的5種形態(tài)、7種變體物化性能一致，脫硫石膏完全可以代替天然石膏用于建筑材料和陶瓷模具；兩者均無放射性，不危害健康。
不同點(diǎn)有：（1）原始物理狀態(tài)不一樣：天然石膏是黏合在一起的塊狀，而脫硫石膏以單獨(dú)的結(jié)晶顆粒存在；天然石膏經(jīng)過粉磨后的粗顆粒多為雜質(zhì)，而脫硫石膏粉磨后的細(xì)顆粒為雜質(zhì)，與天然石膏正好相反。（2）顆粒大小與級(jí)配：煙氣脫硫石膏的顆粒大小較為平均，其分布帶很窄，高細(xì)度（200目以上）顆粒主要集中在30μm~60μm之間，級(jí)配遠(yuǎn)比天然石膏磨細(xì)后的石膏粉差。因此，現(xiàn)有的以天然石膏為原料的熟石膏煅燒設(shè)備和生產(chǎn)工藝并不能完全照搬，要采用針對(duì)化學(xué)石膏設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。（3）脫硫石膏含水量高，流動(dòng)性差，只適合皮帶輸送。（4）雜質(zhì)成分上的差異，導(dǎo)致脫硫石膏脫水特性、易磨性及煅燒后的熟石膏粉在力學(xué)性能、流變性能等宏觀特征上的不同。（5）脫硫石膏的產(chǎn)出在全國分布比較均勻。
2.脫硫石膏的利用
脫硫石膏經(jīng)過干燥后可用作水泥緩凝劑，也可經(jīng)過配制后用作鹽堿地的改良。其利用原則有：（1）堅(jiān)持?jǐn)U大利用、高效利用、清潔利用、物盡其用的原則，重點(diǎn)推進(jìn)量大面廣、資源化潛力大的脫硫石膏回收與再生利用，合理延長產(chǎn)業(yè)鏈，開發(fā)高附加值的綜合利用產(chǎn)品，減少二次污染；（2）堅(jiān)持市場導(dǎo)向原則，因地制宜，產(chǎn)銷對(duì)路，確定脫硫石膏綜合利用的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域；（3）堅(jiān)持綜合考慮原則，脫硫石膏深加工生產(chǎn)線要與電廠煙氣脫硫系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、無縫銜接，同時(shí)脫硫石膏深加工生產(chǎn)不能產(chǎn)生新的污染源，應(yīng)盡可能利用電廠余熱為熱源。
脫硫石膏的前瞻性應(yīng)用及其研發(fā)方向
1.石膏代木產(chǎn)品———高強(qiáng)度纖維石膏板
1.1纖維石膏板及其用途和市場
纖維石膏板（或稱石膏纖維板），是一種以石膏粉為主要原料，以各種纖維（如玻璃纖維、紙纖維、植物纖維等）為增強(qiáng)材料的一種新型建筑石膏板材。該產(chǎn)品除具有紙面石膏板的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很高的抗沖擊能力，內(nèi)部黏結(jié)牢固，抗壓能力強(qiáng)，在防火、防潮、握釘力等方面具有更好的性能，其保溫隔熱性能也優(yōu)于紙面石膏板。由于外表省去了護(hù)面紙，其應(yīng)用范圍比紙面石膏板還有所擴(kuò)大，并且更加環(huán)保。
纖維石膏板的應(yīng)用具有相當(dāng)大的靈活性和廣泛性，可作干墻板、墻襯、隔墻板、瓦片及磚的背板、預(yù)制板外包覆層、天花板塊、地板、防火門及立柱、護(hù)墻板，以及特殊應(yīng)用如列車車廂隔板及船的隔倉板、室外保溫裝飾板等。纖維石膏板還可像木質(zhì)板一樣機(jī)加工，制成各種飾面板、疊層板等用于室內(nèi)的墻壁、家具、地板、屋頂基層及預(yù)制房屋等。纖維石膏板由全天然材料制成，不含甲醛，無毒無害，是一種綠色建材，并且可以節(jié)約寶貴的森林資源。
1.2纖維石膏板的傳統(tǒng)與創(chuàng)新生產(chǎn)工藝
傳統(tǒng)工藝主要的缺點(diǎn)是：（1）采用干燥的建筑石膏粉加水生產(chǎn)，再干燥，工藝往復(fù)，能耗大；（2）與紙面石膏板相比，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本高；（3）強(qiáng)度與建筑用木制刨花板的強(qiáng)度還有很大的差距，用途受到限制。
筆者提出脫硫石膏深加工發(fā)展方向之一是煙氣脫硫系統(tǒng)聯(lián)產(chǎn)石膏制品。由于脫硫石膏在產(chǎn)出后含有較大比例的水分，創(chuàng)新工藝中無需對(duì)其進(jìn)行烘干，采用“水熱法”脫去脫硫石膏的一個(gè)半結(jié)晶水，獲得α-半水石膏的漿體，然后澆注或壓制成石膏制品。此法既節(jié)約工業(yè)用水，也沒有先干燥、再加水的相反生產(chǎn)工藝，既科學(xué)簡練，又節(jié)約能源，同時(shí)還節(jié)省干燥設(shè)備及其投資。另外，這種工藝生產(chǎn)出的石膏制品強(qiáng)度高，比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的纖維石膏板強(qiáng)度高30%，從而使其用途更加廣泛。由此可見，聯(lián)產(chǎn)石膏制品生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)入WFGD系統(tǒng)不僅能增值，還可以省去WFGD系統(tǒng)中的真空皮帶脫水裝置。
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2.高保溫充氣石膏板的應(yīng)用與研發(fā)
在相同外部條件下，決定材料導(dǎo)熱系數(shù)高低的主要因素是材料的氣孔率，而材料本身物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)則不是主要影響因素。例如，玻璃微珠的主要礦物相是二氧化硅和三氧化二鋁，這兩種礦物的導(dǎo)熱系數(shù)分別是11W/(m·k)和27W/(m·k)，均高于石膏的導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/(m·k)～0.28W/(m·k)，但由于玻璃微珠的氣孔率遠(yuǎn)高于充氣石膏板，因此玻璃微珠的導(dǎo)熱系數(shù)僅是充氣石膏板的17%～24%。另外，材料本身物質(zhì)的強(qiáng)度是形成其氣孔率的決定因素，材料本身物質(zhì)的強(qiáng)度高，就可以使材料形成較高的氣孔率，從而形成較低的導(dǎo)熱系數(shù)。例如，同是充氣石膏板，由高強(qiáng)石膏生產(chǎn)出的充氣石膏板，其導(dǎo)熱系數(shù)就低于建筑石膏生產(chǎn)出的充氣石膏板。
采用水熱法生產(chǎn)的高強(qiáng)石膏，其強(qiáng)度又遠(yuǎn)高于蒸壓法生產(chǎn)出的高強(qiáng)石膏。由此可見：如果采用連續(xù)式水熱法生產(chǎn)的高強(qiáng)石膏漿液直接生產(chǎn)充氣石膏板，不僅可以降低制粉能耗，還能提高充氣石膏板的氣孔率，從而進(jìn)一步降低現(xiàn)有工藝條件下生產(chǎn)充氣石膏板的導(dǎo)熱系數(shù)，用于建筑物的外墻保溫既不增加墻體厚度，又能達(dá)到節(jié)能60%～65%的領(lǐng)先指標(biāo)，從而取代現(xiàn)在通用的建筑物外墻外保溫材料———聚苯材料，克服其易老化的重大缺陷。如果這種高保溫隔熱的充氣石膏板能夠開發(fā)成功，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將無法估量。目前，這種高保溫隔熱充氣石膏板的研究工作主要是：充氣石膏板連續(xù)成型設(shè)備的研發(fā)及其與連續(xù)式水熱法生產(chǎn)出的高強(qiáng)石膏漿液澆注過程的銜接工藝設(shè)計(jì)，以及高強(qiáng)石膏漿液的各種添加劑的選擇與配比。
3.石膏纖維
3.1石膏纖維簡介
石膏纖維又名石膏晶須，指具有均一的橫截面、完整的外形、完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，長徑比達(dá)到5～1000甚至更高的纖維狀單晶體。晶須的長度一般為10μm～1000μm，直徑一般在0.01μm～10μm，最典型的晶須直徑在1μm左右。目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的晶須有碳化硅、氮化硅、氧化鋁、鈦酸鉀、硫酸鈣（石膏）晶須等，其突出特點(diǎn)是強(qiáng)度極高，可以作為復(fù)合材料的增強(qiáng)組元使用。就目前世界高新技術(shù)領(lǐng)域分析，在所有纖維材料的大家族中，雖然不能說石膏纖維是各項(xiàng)性能最好的，但它確實(shí)是所有纖維材料中生產(chǎn)工藝最簡單、生產(chǎn)技術(shù)最成熟、生產(chǎn)成本最低的，因此它必然會(huì)得到更快速、更廣泛的推廣應(yīng)用。
石膏纖維用作中等強(qiáng)度的填充劑，特別是細(xì)徑纖維的補(bǔ)強(qiáng)效果與其他高性能纖維的增強(qiáng)效果相同，但價(jià)格僅為碳化硅纖維的1/300～1/1000；與塑料配合使用時(shí)，可提高抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性率和熱變溫度；也可代替石棉作摩擦材料、建筑材料、保溫材料。另外，石膏纖維還具有良好的電特性、阻燃性、耐熱性、絕緣性、熱傳導(dǎo)性、耐堿性、穩(wěn)定性，對(duì)水和有機(jī)溶劑還都具有親和性，從而可以用于各種材料優(yōu)良性能的提高和補(bǔ)充。石膏纖維還具有一般纖維材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：它對(duì)人體無害，能夠在人的胃液中分解，因此，它將是一種極有發(fā)展前途的無機(jī)纖維新材料。
3.2石膏纖維的生產(chǎn)工藝及其研發(fā)方向
目前，石膏纖維成熟的生產(chǎn)工藝是水熱法，但原料是高品位的優(yōu)質(zhì)天然石膏，這就限制了石膏纖維的廣泛應(yīng)用。脫硫石膏品位高，它是否與優(yōu)質(zhì)天然石膏一樣也可以工業(yè)化生產(chǎn)石膏纖維，將是脫硫石膏產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要科研內(nèi)容，除此之外，石膏纖維生產(chǎn)中所用催化劑的選擇和配比也是其研發(fā)方向。
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脫硫石膏的特點(diǎn)及其利用原則
1.脫硫石膏與天然石膏的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)
相同點(diǎn)是：水化動(dòng)力學(xué)和凝結(jié)特征一致；主要礦物相、轉(zhuǎn)化后的5種形態(tài)、7種變體物化性能一致，脫硫石膏完全可以代替天然石膏用于建筑材料和陶瓷模具；兩者均無放射性，不危害健康。
不同點(diǎn)有：（1）原始物理狀態(tài)不一樣：天然石膏是黏合在一起的塊狀，而脫硫石膏以單獨(dú)的結(jié)晶顆粒存在；天然石膏經(jīng)過粉磨后的粗顆粒多為雜質(zhì)，而脫硫石膏粉磨后的細(xì)顆粒為雜質(zhì)，與天然石膏正好相反。（2）顆粒大小與級(jí)配：煙氣脫硫石膏的顆粒大小較為平均，其分布帶很窄，高細(xì)度（200目以上）顆粒主要集中在30μm~60μm之間，級(jí)配遠(yuǎn)比天然石膏磨細(xì)后的石膏粉差。因此，現(xiàn)有的以天然石膏為原料的熟石膏煅燒設(shè)備和生產(chǎn)工藝并不能完全照搬，要采用針對(duì)化學(xué)石膏設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。（3）脫硫石膏含水量高，流動(dòng)性差，只適合皮帶輸送。（4）雜質(zhì)成分上的差異，導(dǎo)致脫硫石膏脫水特性、易磨性及煅燒后的熟石膏粉在力學(xué)性能、流變性能等宏觀特征上的不同。（5）脫硫石膏的產(chǎn)出在全國分布比較均勻。
2.脫硫石膏的利用
脫硫石膏經(jīng)過干燥后可用作水泥緩凝劑，也可經(jīng)過配制后用作鹽堿地的改良。其利用原則有：（1）堅(jiān)持?jǐn)U大利用、高效利用、清潔利用、物盡其用的原則，重點(diǎn)推進(jìn)量大面廣、資源化潛力大的脫硫石膏回收與再生利用，合理延長產(chǎn)業(yè)鏈，開發(fā)高附加值的綜合利用產(chǎn)品，減少二次污染；（2）堅(jiān)持市場導(dǎo)向原則，因地制宜，產(chǎn)銷對(duì)路，確定脫硫石膏綜合利用的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域；（3）堅(jiān)持綜合考慮原則，脫硫石膏深加工生產(chǎn)線要與電廠煙氣脫硫系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、無縫銜接，同時(shí)脫硫石膏深加工生產(chǎn)不能產(chǎn)生新的污染源，應(yīng)盡可能利用電廠余熱為熱源。
脫硫石膏的前瞻性應(yīng)用及其研發(fā)方向
1.石膏代木產(chǎn)品———高強(qiáng)度纖維石膏板
1.1纖維石膏板及其用途和市場
纖維石膏板（或稱石膏纖維板），是一種以石膏粉為主要原料，以各種纖維（如玻璃纖維、紙纖維、植物纖維等）為增強(qiáng)材料的一種新型建筑石膏板材。該產(chǎn)品除具有紙面石膏板的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很高的抗沖擊能力，內(nèi)部黏結(jié)牢固，抗壓能力強(qiáng)，在防火、防潮、握釘力等方面具有更好的性能，其保溫隔熱性能也優(yōu)于紙面石膏板。由于外表省去了護(hù)面紙，其應(yīng)用范圍比紙面石膏板還有所擴(kuò)大，并且更加環(huán)保。
纖維石膏板的應(yīng)用具有相當(dāng)大的靈活性和廣泛性，可作干墻板、墻襯、隔墻板、瓦片及磚的背板、預(yù)制板外包覆層、天花板塊、地板、防火門及立柱、護(hù)墻板，以及特殊應(yīng)用如列車車廂隔板及船的隔倉板、室外保溫裝飾板等。纖維石膏板還可像木質(zhì)板一樣機(jī)加工，制成各種飾面板、疊層板等用于室內(nèi)的墻壁、家具、地板、屋頂基層及預(yù)制房屋等。纖維石膏板由全天然材料制成，不含甲醛，無毒無害，是一種綠色建材，并且可以節(jié)約寶貴的森林資源。
1.2纖維石膏板的傳統(tǒng)與創(chuàng)新生產(chǎn)工藝
傳統(tǒng)工藝主要的缺點(diǎn)是：（1）采用干燥的建筑石膏粉加水生產(chǎn)，再干燥，工藝往復(fù)，能耗大；（2）與紙面石膏板相比，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，生產(chǎn)成本高；（3）強(qiáng)度與建筑用木制刨花板的強(qiáng)度還有很大的差距，用途受到限制。
筆者提出脫硫石膏深加工發(fā)展方向之一是煙氣脫硫系統(tǒng)聯(lián)產(chǎn)石膏制品。由于脫硫石膏在產(chǎn)出后含有較大比例的水分，創(chuàng)新工藝中無需對(duì)其進(jìn)行烘干，采用“水熱法”脫去脫硫石膏的一個(gè)半結(jié)晶水，獲得α-半水石膏的漿體，然后澆注或壓制成石膏制品。此法既節(jié)約工業(yè)用水，也沒有先干燥、再加水的相反生產(chǎn)工藝，既科學(xué)簡練，又節(jié)約能源，同時(shí)還節(jié)省干燥設(shè)備及其投資。另外，這種工藝生產(chǎn)出的石膏制品強(qiáng)度高，比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的纖維石膏板強(qiáng)度高30%，從而使其用途更加廣泛。由此可見，聯(lián)產(chǎn)石膏制品生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)入WFGD系統(tǒng)不僅能增值，還可以省去WFGD系統(tǒng)中的真空皮帶脫水裝置。
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2.高保溫充氣石膏板的應(yīng)用與研發(fā)
在相同外部條件下，決定材料導(dǎo)熱系數(shù)高低的主要因素是材料的氣孔率，而材料本身物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)則不是主要影響因素。例如，玻璃微珠的主要礦物相是二氧化硅和三氧化二鋁，這兩種礦物的導(dǎo)熱系數(shù)分別是11W/(m·k)和27W/(m·k)，均高于石膏的導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/(m·k)～0.28W/(m·k)，但由于玻璃微珠的氣孔率遠(yuǎn)高于充氣石膏板，因此玻璃微珠的導(dǎo)熱系數(shù)僅是充氣石膏板的17%～24%。另外，材料本身物質(zhì)的強(qiáng)度是形成其氣孔率的決定因素，材料本身物質(zhì)的強(qiáng)度高，就可以使材料形成較高的氣孔率，從而形成較低的導(dǎo)熱系數(shù)。例如，同是充氣石膏板，由高強(qiáng)石膏生產(chǎn)出的充氣石膏板，其導(dǎo)熱系數(shù)就低于建筑石膏生產(chǎn)出的充氣石膏板。
采用水熱法生產(chǎn)的高強(qiáng)石膏，其強(qiáng)度又遠(yuǎn)高于蒸壓法生產(chǎn)出的高強(qiáng)石膏。由此可見：如果采用連續(xù)式水熱法生產(chǎn)的高強(qiáng)石膏漿液直接生產(chǎn)充氣石膏板，不僅可以降低制粉能耗，還能提高充氣石膏板的氣孔率，從而進(jìn)一步降低現(xiàn)有工藝條件下生產(chǎn)充氣石膏板的導(dǎo)熱系數(shù)，用于建筑物的外墻保溫既不增加墻體厚度，又能達(dá)到節(jié)能60%～65%的領(lǐng)先指標(biāo)，從而取代現(xiàn)在通用的建筑物外墻外保溫材料———聚苯材料，克服其易老化的重大缺陷。如果這種高保溫隔熱的充氣石膏板能夠開發(fā)成功，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益將無法估量。目前，這種高保溫隔熱充氣石膏板的研究工作主要是：充氣石膏板連續(xù)成型設(shè)備的研發(fā)及其與連續(xù)式水熱法生產(chǎn)出的高強(qiáng)石膏漿液澆注過程的銜接工藝設(shè)計(jì)，以及高強(qiáng)石膏漿液的各種添加劑的選擇與配比。
3.石膏纖維
3.1石膏纖維簡介
石膏纖維又名石膏晶須，指具有均一的橫截面、完整的外形、完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，長徑比達(dá)到5～1000甚至更高的纖維狀單晶體。晶須的長度一般為10μm～1000μm，直徑一般在0.01μm～10μm，最典型的晶須直徑在1μm左右。目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的晶須有碳化硅、氮化硅、氧化鋁、鈦酸鉀、硫酸鈣（石膏）晶須等，其突出特點(diǎn)是強(qiáng)度極高，可以作為復(fù)合材料的增強(qiáng)組元使用。就目前世界高新技術(shù)領(lǐng)域分析，在所有纖維材料的大家族中，雖然不能說石膏纖維是各項(xiàng)性能最好的，但它確實(shí)是所有纖維材料中生產(chǎn)工藝最簡單、生產(chǎn)技術(shù)最成熟、生產(chǎn)成本最低的，因此它必然會(huì)得到更快速、更廣泛的推廣應(yīng)用。
石膏纖維用作中等強(qiáng)度的填充劑，特別是細(xì)徑纖維的補(bǔ)強(qiáng)效果與其他高性能纖維的增強(qiáng)效果相同，但價(jià)格僅為碳化硅纖維的1/300～1/1000；與塑料配合使用時(shí)，可提高抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性率和熱變溫度；也可代替石棉作摩擦材料、建筑材料、保溫材料。另外，石膏纖維還具有良好的電特性、阻燃性、耐熱性、絕緣性、熱傳導(dǎo)性、耐堿性、穩(wěn)定性，對(duì)水和有機(jī)溶劑還都具有親和性，從而可以用于各種材料優(yōu)良性能的提高和補(bǔ)充。石膏纖維還具有一般纖維材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：它對(duì)人體無害，能夠在人的胃液中分解，因此，它將是一種極有發(fā)展前途的無機(jī)纖維新材料。
3.2石膏纖維的生產(chǎn)工藝及其研發(fā)方向
目前，石膏纖維成熟的生產(chǎn)工藝是水熱法，但原料是高品位的優(yōu)質(zhì)天然石膏，這就限制了石膏纖維的廣泛應(yīng)用。脫硫石膏品位高，它是否與優(yōu)質(zhì)天然石膏一樣也可以工業(yè)化生產(chǎn)石膏纖維，將是脫硫石膏產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要科研內(nèi)容，除此之外，石膏纖維生產(chǎn)中所用催化劑的選擇和配比也是其研發(fā)方向。
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