黑色金屬冶煉及壓延加工業是繼電力行業之后的第二大SO2排放行業，其中鋼鐵冶煉的燒結工序是重點污染源。脫硫石膏是燒結煙氣脫硫的副產品，隨著燒結煙氣脫硫設備的逐步普及，脫硫石膏產出量日益增加。脫硫石膏的主要成分為CaSO4·2H2O，含量約為90%。脫硫石膏含水量較大，約為10%~17%，主要灰分有Fe2O3和SiO2，所含雜質種類較多，氯元素含量較高，以可溶性鹽為主，其晶體內部和表面都含有雜質。我國燒結煙氣脫硫尚處于發展時期，對脫硫副產物的利用尚未形成完整的工業鏈。同時，我國存在大量廉價的天然石膏資源。
因此，脫硫石膏在國內并沒有得到有效的再利用，除部分用于水泥緩凝劑或建筑石膏外，大部分仍釆取堆放方式處置，不僅占用大量土地，浪費資源，而且也會對周邊環境造成二次污染。工業實踐表明，目前對脫硫石膏改質和無害化處理已是鋼鐵工業環保急需解決的問題之一。
開展脫硫石膏資源綜合利用的研究具有重要的經濟意義和社會意義。本文介紹了國內外脫硫石膏在農業、水泥行業、建材行業和其他方面的綜合利用情況，以及脫硫石膏分解技術的研究現狀，探討了分解溫度、反應氣氛和催化成分等因素對脫硫石膏分解效果的影響，展望了脫硫石膏的應用前景，為解決我國鋼鐵行業的資源浪費及環境污染問題提供了一個新思路。
1 國內外脫硫石膏的利用現狀
1.1 脫硫石膏在農業上的應用
脫硫石膏中含有的Ca2+、Si4+、S2-等是對植物有利的礦物營養，能促進鹽堿地農作物的生長。脫硫石膏可以作為土壤改良劑，調節土壤營養，降低土壤的酸性。對堿性土壤進行改良，用Ca2+交換土壤中已吸附的Na+，使Na+形成Na2SO4隨水排出土壤，從而改善土壤板結，降低土壤的pH。若使用過多的脫硫石膏則會使土壤酸化，硫含量超標；此外，脫硫石膏富含微量重金屬，如果農作物對這些重金屬元素富集并通過食物鏈使危害逐級放大，后果將非常嚴重。
因此，要實現脫硫石膏的農業資源化利用，需要研究脫硫石膏促進農作物生長的機理，建立農用脫硫石膏品質的標準，加強脫硫石膏對生態環境的安全性評估。另外，脫硫石膏還可以和低價值的碳酸銨反應，生產高價值、富含營養成分的硫酸銨肥料，同時產生的碳酸鈣還可以用來制造水泥。
1.2 脫硫石膏在水泥行業中的應用
在水泥行業中脫硫石膏可以作為水泥緩凝劑，來調節和控制水泥的凝結時間。
脫硫石膏中的CaSO4和鋁酸二鈣反應生成高硫型水化硫鋁酸鈣和低硫型水化硫鋁酸鈣，生成的水化硫鋁酸鈣是難溶于水的穩定針狀晶體，從而延緩了水泥凝結，提高了水泥的早期強度以及平衡各齡期強度。脫硫石膏中的硫酸鈣和一些雜質是天然的礦化劑，與復合礦化劑螢石（CaF2）共同使用，可以節省能耗，提高水泥的產量和質量。此外，脫硫石膏還被用于生產低堿度水泥，該水泥有堿度低、硬化快、成本低等特點，已被應用于生產玻璃纖維。
由于脫硫石膏中含有雜質，水分含量較高，黏性強，容易黏附在生產設備上造成堵塞，且導致運輸不便。因此，要實現脫硫石膏在水泥行業中的廣泛應用還需要研發利用脫硫石膏生產水泥緩凝劑的新設備、新技術和新工藝。脫硫石膏還可用于制硫酸聯產水泥。主要反應如下：
2CaSO4+C→2CaO +2SO2↑+CO2↑
12CaO+2SiO2+2Al2O3+Fe2O3→3CaO·SiO2+2CaO·SiO2+3CaO·Al2O3+4CaO·Al2O3·Fe2O3
2SO2+O2 →2SO3
SO3+H2O →H2SO4
該方法利用了鈣硫資源，沒有副產物。但由于脫硫石膏成分不穩定，工藝條件難以得到穩定控制，工程項目投資大，生產設備效率低，使得該技術的推廣受到限制。
1.3 脫硫石膏在建材方面的應用
脫硫石膏主要應用于生產石膏板、石膏砌磚、粉刷石膏等建材。脫硫石膏作為生產建材的原料，具有能耗低、不排放廢渣和廢水、可回收利用、生產速率快等特點。但由于脫硫石膏品質不穩定，耐水性差，與膩子黏結性不強，含雜質較多，致使脫硫石膏強度低，使用脫硫石膏需要進行預處理。多種原因使脫硫石膏在建材方面的應用受到了限制。
1.4 脫硫石膏在其他方面的應用
脫硫石膏還可用于制取鉀肥（K2SO4）、制取硫元素、生產CaS、制備石膏晶須等。在用于公路的路基填料、加固軟土地基等方面也取得了一定的應用成果。另外，脫硫石膏還用于生產充填尾砂膠結劑，用于代替部分或全部水泥，以降低膠結充填采礦法的成本。
1.5 國外對脫硫石膏的利用
工業發達國家對SO2的排放都有嚴格的規定，所以其電廠、燒結廠基本都安裝了煙氣脫硫裝置。發達國家如日本、德國、美國、英國等對脫硫石膏的利用率較高，其中日本和德國技術最為成熟。美國的合成石膏（脫硫石膏）的出售量位居世界前列，其脫硫石膏主要應用于建筑行業，如墻板、水泥渣磚材料和混凝土水泥漿等，但由于美國有豐富便宜的天然石膏資源，該國脫硫石膏應用增長比較緩慢。
德國脫硫石膏產量達到5~6 Mt/a，品質穩定，平均利用率達到97.5%以上，主要用于生產建筑制品和水泥緩凝劑，以及自流平地板和石膏灰。德國幾乎所有需要石膏的企業都在使用脫硫石膏，兩個主要的石膏制品公司也已將部分生成廠遷至電廠附近，以便于利用大量的脫硫石膏。日本脫硫石膏利用率高，主要是制備紙面石膏板和水泥添加劑，此外還用于生產石膏礦渣板、黏結劑、建筑熟石膏和作為路基、平整土地所需砂土的煙灰材料等。日本重視使用脫硫石膏板作為建筑材料，從而逐漸代替木材。
2 脫硫石膏分解技術的研究現狀
脫硫石膏中含有豐富的鈣、硫資源。脫硫石膏分解后的產物可作為脫硫劑循環利用，同時生成硫酸，具有很高的經濟效益和環境效益。脫硫石膏還原分解過程中發生的物理化學變化非常復雜，影響因素眾多。其中，分解溫度、反應氣氛和催化成分是影響脫硫石膏分解過程的3個主要因素。
2.1 分解溫度對脫硫石膏分解效果的影響
田紅景等研究了CaSO4在惰性氣氛下的分解機理，發現1500K條件下CaSO4基本不發生分解；1 520K條件下CaSO4分解速率較慢；1570K時CaS O4分解速率開始加快。章靜進行了脫硫石膏分解的熱重分析實驗，發現在850~1050℃范圍內，隨分解溫度升高，脫硫石膏分解的反應速率明顯增加。Gruncharov研究發現，在較低的分解溫度條件下（<950℃），脫硫石膏的分解產物以CaS為主；在較高的分解溫度條件下，脫硫石膏分解產物中CaS含量逐漸減少，CaO含量逐漸增加。李紅劍等研究表明，煙氣脫硫石膏在650 ℃條件下即可被催化還原為CaS 。目前對脫硫石膏分解特性的研究相對較少，特別是脫硫石膏中還有氯元素等特殊的雜質，對反應溫度也會有所影響。
2.2 反應氣氛對脫硫石膏分解效果的影響
反應氣氛主要分為氧化性氣氛、惰性氣氛和還原性氣氛，它們對脫硫石膏分解有不同的影響。
2.2.1 氧化性氣氛和惰性氣氛
肖海平等通過熱重非等溫實驗研究了不同氣氛對CaSO4分解反應特性的影響。研究表明，在不同氣氛下CaSO4的熱穩定性由好到壞依次是O2/CO2氣氛、O2/N2氣氛、CO2氣氛、N2氣氛。O2的存在提高了CaSO4的熱穩定性，抑制了CaSO4的分解反應。Liu等用旋流反應器研究了CaSO4在O2/CO2氣氛中的分解反應特性和反應機理，提出了關于CaSO4分解反應速率的表達式，即CaSO4的分解反應符合受化學動力控制的收縮核反應機制，CO2濃度高而O2濃度低可提高CaSO4的分解率。鄭達研究表明，惰性氣氛比氧化性氣氛更有利于脫硫石膏的分解，氧化性氣氛對脫硫石膏分解有抑制作用，O2濃度越低，越有利于脫硫石膏的分解。
2.2.2 還原性氣氛
肖海平等采用熱重等溫實驗研究了不同CO體積分數下CaSO4的分解反應，研究表明，在CO氣氛下，CaSO4分解生成CaO和CaS的反應為平行競爭反應。在CO體積分數為0.5%的條件下，CaSO4分解最終產物以CaO為主；在CO體積分數為2%和4%的條件下，反應初期產物以CaO為主，后期產物以CaS為主。鄭達研究了不同碳與 CaSO4質量比條件下脫硫石膏的分解情況，發現碳含量越高，脫硫石膏分解率越高，產物中CaS含量越高；當碳與 CaSO4質量比為1.2時，產物中CaO含量最高。
2.3 添加成分對脫硫石膏分解效果的影響
2.3.1 起促進作用的添加劑
李紅劍等研究了在CO氣氛下CaSO4的催化還原分解特性，發現在650 ℃條件下，采用Ni和Fe復合催化劑可有效促進CaSO4還原為CaS，脫硫石膏還原率達95%以上；隨催化劑加入量的增加，脫硫石膏還原率升高；在催化劑加入量一定的條件下，脫硫石膏還原率隨分解溫度升高而提高。周樹理研究表明，添加TiO2對改善CaSO4反應活性的效果最好，加入Fe2O3對提高CaS的收率有顯著的促進作用。Naoto等研究了添加Fe2O3、SiO2和A12O3對脫硫石膏還原分解效果的影響，發現添加Fe2O3有助于提高脫硫石膏的分解率。
2.3.2 起抑制作用的添加劑
武增華等研究了氧化物添加劑對CaSO4高溫熱穩定性的影響，發現添加堿土金屬氧化物、Al2O3和ZnO等兩性氧化物、Si-Al復合氧化物以及Si-Fe-Ca復合氧化物均抑制CaSO4的高溫分解。楊曉東等在純CaSO4中加入各種碳酸鹽添加劑，發現添加堿土金屬碳酸鹽SrCO3和BaCO3能將純CaSO4晶體的分解推遲到1200℃之后；添加Na2CO3能使純CaSO4的分解溫度隨添加劑加入量的增加而平緩上升，這3種添加劑對脫硫石膏的高溫分解均有一定程度的抑制作用。
3 脫硫石膏的應用前景及展望
為了更合理、高效地利用脫硫石膏資源，特別是對于鋼鐵企業生產的燒結脫硫石膏，其雜質種類較多，氯元素含量較高，結晶性能、強度和白度均不理想，不適用于制備水泥和石膏板等，所以有必要進行深入研究，開辟燒結脫硫石膏綜合利用的新途徑。
a）尋找脫硫石膏綜合利用的新途徑。熱化學分解技術可將脫硫石膏在通入還原氣體的高溫分解裝置中還原分解，生成CaO和SO2等。分解產物CaO可以再次作為脫硫劑反復使用，SO2可以制成硫酸。在相關工業生產過程中循環使用，實現鈣、硫等資源的循環利用。
b）尋找適合脫硫石膏的分解條件。焦爐煤氣、轉爐煤氣和高爐煤氣是鋼鐵企業擁有的最寶貴的還原氣體。3種冶金煤氣可作為分解脫硫石膏的還原氣體，并通過試驗研究和理論分析，需找最適合脫硫石膏分解的氣氛條件。利用鋼鐵企業自產煤氣不但成本低、氣源充足，而且為冶金煤氣的有效利用提供了一種良好的途徑。
因此，找出適合脫硫石膏還原分解的氣氛及其分解規律，探索有利于脫硫石膏還原分解的條件，是我國脫硫石膏實現循環利用的必經之路。
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