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行業動態

水泥工業利廢進展及前景

發布時間:2014年11月03日   來源:網絡  

綜述:  水泥工業消納利廢的途徑是將各種合適的廢棄物或經適當加工預處理后的廢棄物分別用作水泥的替代原料,或用作水泥窯的替代燃料,或用作混合材。相對而言,這三種利廢方式中用作混合材是最簡便易行的,來源也多;用作替代原料的往往具有一定的技術難度,來源較有限;用作替代燃料的難度最大,但各種可燃廢棄物的來源卻在日益擴大之中,數量也呈上升之勢。然而,在中國水泥中混合材摻入量超標太多,而且大都作為填充料機械地摻入。今后必須嚴格監督執行國家標準(GB175-2007),堅決制裁超標或濫摻混合材的行徑,加強發掘混合材活性的研發工作,從單純追求數量轉向提升質量的軌道上來。我國利用工業廢渣作為替代水泥天然原料資源已取得一定成績,但我國水泥工業始終對替代燃料不感興趣,缺乏市場利益驅動,更談不上什么協同全社會的環保利廢責任感。筆者分析認為,在我國當前的具體情況下,一條5 000 t/d新型干法水泥生產線,采用可燃廢料替代25%的煤耗時,其經濟效益可與其增設純低溫余熱發電的相媲美(包括CO2減排CDM的收益在內)。

0 引言

水泥工業在全社會的循環經濟中正在發揮著重要作用,并已取得了很好的成績,這主要取決于它消納利用各種工業廢棄物及城市生活垃圾等方面的優異功能。其特點首先是水泥工業消納利廢十分徹底干凈,沒有二次污染隱患;其次是可以消納利廢的品種多,適用范圍廣,消納量大;第三是水泥生產與消納利廢同時進行,對水泥生產工藝及裝備系統的正常操作運轉和對水泥的產量和質量基本沒有不良影響。因而利用現有的新型干法水泥廠就可安全、高效、經濟地消納利用全社會相當一部分的廢棄物,無需另耗巨資去焚燒填埋廢物,并且見效快。

水泥工業消納利廢的途徑有三種方式,即將各種合適的廢棄物或經適當加工預處理后的廢棄物分別用作水泥的替代原料,或用作水泥窯的替代燃料,或用作摻于水泥中的混合材。相對而言,這三種利廢方式中用作混合材是最簡便易行的,來源也多;用作替代原料的往往具有一定的技術難度,來源較有限;用作替代燃料的難度最大,但各種可燃廢棄物的來源卻在日益擴大之中,數量也呈上升之勢。

1  各國水泥中混合材平均摻入量的比較與分析

按照各國水泥協會或具有代表性的水泥集團公司公布的統計資料,2007年中國、德國、日本和美國所生產的各品種水泥中,混合材的全國平均摻加量分別為27.5%、14.1%、13.3%和6.0%。如果計入緩凝劑石膏用量,則每噸熟料生產水泥的數量,在美國約為1.11 t,在中國就達1.45 t,在德國和日本分別為1.22 t和1.21 t。中國水泥中的平均混合材何以會摻加如此之多,表面上似乎是與各國水泥的標準不同有關,但究其真正原因,我們必須對國際水泥界的普遍質詢——究竟是中國水泥工業科學地利廢質量高,還是片面地追求水泥產量高這個問題作出應有的回應。這的確也是長期以來中國水泥科技工作者應該思考的一個問題。

半個多世紀以前,在歐美日等國不摻混合材的純波特蘭水泥幾乎一統水泥工業的時代,我國水泥工業在前蘇聯的指導下,開始推行在磨制普通硅酸鹽水泥時允許往熟料中摻入15%適宜的工業固體廢渣用作活性混合材(水泥標準101-52,GB175-62)。藉此,在不顯著影響水泥力學性能的前提下(有時或者還可以稍事改善水泥混凝土的某些施工性能),達到增加水泥產量的目的。同時還能消納處置一部分工業固體廢棄物,主要是鋼鐵廠的高爐礦渣和火電廠的粉煤灰等。實踐表明,礦渣和粉煤灰的確很適宜于用作水泥的混合材,可謂物有所用。只要生產出來的水泥能全面符合國家規定的水泥標準就是合理合法的。所以,當時我國的做法應該說是科學的、正確的。

然而,隨后在我國立窯水泥占全國水泥總產量80%左右的20多年間(上世紀80~90年代),混合材的大量摻加,特別是礦渣,卻變成了挽救立窯熟料性能缺陷的“救命稻草"。于是往熟料中多摻混合材,不僅能多生產水泥,多得利,而且還能遮蓋或沖淡立窯熟料的性能缺陷,便于銷售。大批的立窯水泥廠趨之若鶩,爭相采取這一十分利好的“竅門”。于是他們就把有一定限度地摻加混合材的原則拋于腦后,甚至無視國家水泥標準的起碼要求演變成了誰摻混合材越多,誰就能牟利越多的潛規則。在超標多摻混合材的同時,他們還“開發”了不少其他種類的工業廢料,擴大了混合材的來源,例如,矸石、鋼渣以及有色金屬冶煉廢渣等。一時間,水泥工業似乎變成了一個可以大量吞食工業廢渣的“大口袋”,什么廢渣都可以往水泥里摻。國內少數幾家水泥質檢機構疲于奔命也無從應付成千上萬的立窯水泥廠,加之某些地方主義的保護,鑄成了我國水泥中混合材多摻濫摻的陋習。致使上世紀80、90年代終于遭受國際水泥界對中國立窯水泥質量的嚴重質疑。

進入21世紀以后,隨著我國新型干法水泥的快速發展,立窯水泥的逐步淘汰,以及各級水泥質檢部門的努力監管,許多過去肆無忌憚多摻濫摻混合材的行徑有所收斂或被遏制。但是大部分立窯水泥卻仍然因技術或經濟原因難以從超標摻加混合材的陋習中解脫出來。再加上有些政策性誤導,使這一現象更加嚴重。例如水泥廠利廢超過30%就可獲得減免稅等。這一政策最早是1985年實施的,其初衷是鼓勵水泥廠利廢,沒想到實際上卻變成了水泥廠想要爭取到減免稅優惠就必須往水泥中摻加最少25%的廢料作為混合材,再摻加6%以上的廢渣石膏和廢渣鐵粉,三者相加超過30%,即可減免稅,這成為水泥企業普遍性的經營模式。因為水泥廠把工業廢渣用作混合材遠比用作替代原料或替代燃料要簡易得多,所以都把利廢集中在多摻混合材這一條“捷徑”上。這就是為什么多年來我國水泥與熟料之比始終徘徊于1.45水平的緣由,即1 t熟料生產1.45 t水泥。這里除少數優秀的大型水泥集團,其水泥中的混合材摻入量平均為10%~15%以外,其余的水泥企業大都為25%~35%,為數不少的立窯廠則高達50%以上,所謂“1 t熟料生產2~3 t水泥”,形成越是落后的生產方式卻越是能夠“制造”出更多“水泥”的怪圈。

根據中國建材工業聯合會信息部對2003~2007年水泥生產經營統計資料計算,全國噸水泥利潤平均為9.88元,其中國家財政對水泥企業利用固體廢物的補償為4.34元,竟然占水泥行業總利潤的44%。由此可見,這個利廢政策對水泥企業的“經營”和生存多么重要。然而一些大型水泥集團,憑借其先進的生產技術和科學的經營管理,其噸水泥的平均利潤遠高于9.88元(約3~8倍),所謂利廢收入在利潤中所占的比例卻很小。相反地,越是落后的小水泥企業對這個利廢政策的依賴程度越大,猶如一根不可缺失的“救命稻草”。這種情況是我們當初始料未及的。說明這個政策需要反省、檢討、修訂、細化、完善。

近年混凝土外加劑和水泥助磨劑行業正在我國興起,新辦的這類企業已有百余家,因行業門檻低,企業之間良莠不齊在所難免。原來外加劑的功能就是為了改善混凝土的某些性能,助磨劑則是為了提高水泥的粉磨效率,降低單位電耗,而且它們的用量都很少,僅占水泥量的1%左右。理論上應該和水泥工業的利廢量沒有直接關系。然而在有些廣告中卻出現了諸如“采用本廠的外加劑或助磨劑以后,利用1 t熟料就能生產出2~3 t環保節能高性能生態水泥”之類的宣傳。這類廣告語對于本文前述的許多小型立窯水泥企業是頗具誘惑的。首先因其知識水平所限,缺乏起碼的判斷力,容易被迷惑;其次他們對于“1 t熟料生產多噸水泥”的“竅門”非但不陌生而且可以說是比較老道?,F在聽說竟然還能生產出時髦的生態水泥來,何不利用這個時髦的詞藻牟取更多的錢財。這種廣告對于某些特定群體或水泥企業的誤導作用是十分有害的,必須予以澄清。

首先,這里所謂的環保、節能、高性能、生態等等水泥在我國的國家水泥標準中并沒有這種水泥,請問這些水泥有標準嗎?又是哪一個國家的標準?難道這種水泥的命名是可以擅自封予的嗎?其次,如果這些“劑”真有如此“神”的話,建議給它申請一個正名,何苦混跡于外加劑或助磨劑中,理應取一個更符合實際的堂堂正正的名稱。

所幸我國絕大多數水泥企業今天都已具備了足夠的鑒別判斷能力,都會作出各自的正確選擇。希望有志于做好做強外加劑或助磨劑的企業,把目標多集中于正規的水泥公司,以誠信、質量和服務取勝。對于行將淘汰出局的小立窯水泥,大可不必再去“忽悠”他們,因為這不是一種規范的市場行為,應予自制自律。

多年來,歐美日諸國已經反省了純波特蘭水泥的不足,在采用經過一定深加工的混合材生產混合水泥方面開展了一系列的科研開發工作,取得了一定的進展。同時都修訂了各自的水泥標準(DIN EN197-1:2000;JIS R5210-1997;ASTM C150:2004)。

各國水泥工業綜合利用社會廢物基本情況的進展與比較如表1所列,從中可以看出,2000年~2007年,水泥中混合材平均摻入量,日本的變化最大,由7%上升到12.3%,德國由11%上升到14.1%,美國由4%上升到6%,比較緩慢。但國際上總趨勢是今后混合水泥的比例將日益增加,著力于混合材潛在性能的深度研發和加工,以期使混合材能如質如量地替代水泥熟料,提高利廢質量。

我們中國的問題則是水泥中混合材摻入量超標太多,而且大都作為填充料機械地摻入。今后必須嚴格執行國家標準(GB175-2007),堅決制裁超標或濫摻混合材的行徑,加強發掘混合材活性的研發工作,從單純追求數量轉向提升質量的軌道上來。

 2  各國水泥工業應用替代原料和替代燃料的比較與分析

我國從上世紀50、60年代開始就進行了諸多利用工業廢渣作為替代水泥天然原料資源的研究工作,現已取得一定成績:1959年山東501廠水泥分廠利用鋁氧廠赤泥作為粘土質水泥原料的濕法窯生產線投產;1966年吉林吉化水泥廠利用電石渣替代100%石灰石原料的濕法窯生產線投產;2000年前后,利用電石渣替代部分石灰石的多條新型干法窯生產線在安徽巢湖水泥廠等相繼投產;2008年初利用電石渣100%替代石灰石的2 500 t/d新型干法生產線在內蒙億利冀東水泥公司投產。除了上述幾家開創性的水泥企業之外,全國還有不少利用赤泥或電石渣作為替代原料的水泥廠。應該說,我國水泥工業消納利用赤泥和電石渣是較成功的,但是所消納的數量仍不抵其增長量,主要原因是濕法水泥窯產能低,消納量少,本身又屬淘汰之列。如果內蒙億利冀東公司的經驗能夠推廣到大型新型干法生產線的話,這將會把電石渣的消納利用提高到一個新水平。鑒于國內外過去曾有過“電石渣100%替代石灰石采用新型干法工藝生產出來的熟料某些性能可能不大穩定”的說法,如今內蒙億利冀東水泥公司的2 500 t/d線已運行了11個月,應該已生產水泥近80萬t了,所以很有必要對這些水泥的性能及其工程應用的實踐進行系統地調研總結。希望有關科研設計生產單位能做好這項重要的后續論證工作。

替代原料在我國水泥工業最廣泛地應用于將硫酸渣或煉銅渣等替代水泥生料中的鐵質原料,以及將磷石膏或脫硫石膏等替代水泥緩凝劑天然石膏。兩者的利廢量大致為水泥產量的7%,幾乎所有的水泥企業都是這樣做的。加上其他少數的水泥企業額外利用一些赤泥、淤泥、矸石、電石渣等,我國水泥工業替代原料的利廢總量始終停留在水泥產量的10%左右,與美國水泥工業的情況相近,而與德日的差距較大(表1)。

鑒于德國和日本的國情,他們往往以環保為先,總是設法要把各種廢棄物盡可能地消納處置干凈,減少填埋,少占土地。體現在水泥工業的替代原料應用方面,除了替代鐵粉和石膏以外,對于鑄造砂,下水污泥、赤泥、淤泥、爐渣、廢渣土、礦石夾層等的利廢都很重視,已經養成了良好的環保理念。盡管這樣的利廢會給水泥生產技術帶來一些難度和增加生產成本,但是從全社會的環??紤],水泥企業似乎都愿意這樣做。當然國家政策和法規也起著重要的引導作用。因而德日兩國水泥工業替代原料的利廢率已高達水泥產量的17%~18%,比混合材的摻入率還高一些。

美國水泥企業就嫌利用鑄造砂、下水污泥等比較麻煩,作為各州政府來說,可能因其空地較多,以為把這類廢物一埋了之,或許更簡單??磥砥溟L期的環保理念尚有待加強。我國的情況與美國的有些相似,各級政府好像尚未顧及到位,水泥企業則限于資金和生產成本競爭,對擴大替代原料的應用積極性不高。不過最近有跡象表明,政府和有些大型水泥集團已經開始啟動了下水污泥、淤泥等利廢項目。例如廣東越海集團的下水污泥項目正在試運轉,北京金隅集團投資5 000萬元的下水污泥項目以及重慶拉法基的淤泥項目和華新—豪西姆的利廢項目等均已在建設中拉開了序幕。

至于水泥工業利用替代燃料方面,美國是起源最早的。上世紀70年代美國有不少水泥企業就開始利用廢汽車輪胎作為替代燃料。這是美國這個“車輪上國家”的特殊情況,迫使美國必須緩解廢輪胎堆積之患,加之廢輪胎熱值高,在水泥窯內也較便于燃燒利用,因而在美國水泥工業中首先開始采用。不過其主要目的是為了處置廢輪胎,并非尋求水泥工業的替代燃料,僅此而已。

德國水泥工業的理念卻與美國的完全不同,其原動力首先就是為了全社會的環保和利廢,其次是擴大水泥工業的替代燃料來源。因而不論何種可燃廢物,數量多寡,燃燒難易或預處理過程繁簡等各項因素,他們都很重視研發與應用。1990年前后開始起步,到2000年德國水泥工業平均噸水泥替代燃料利用量已達43 kg,相當于按全國熟料熱耗計的燃煤替代率30%;2007年則分別上升到77 kg和58%,成效顯著。尤其是在拓展城市生活垃圾和各種可燃危險廢物等用做替代燃料兼替代粘土質原料方面進展較大,值得我國借鑒。

日本水泥工業在替代燃料應用方面的理念,在上世紀90年代時沒有德國那么主動積極。主要因其在1987年前后全國新建了2000多臺廢料(含生活垃圾)焚燒爐,幾乎將全社會的各種可燃廢物都置于其中“消納處置”了。所以水泥工業也就無需承擔燒廢料的任務了。于是就只有少數消納下水污泥的水泥企業,因污泥中含有一定的可燃成分,按其熱值換算成若干數量的替代燃料而已。2000年其全國噸水泥替代燃料平均利用量僅為6 kg。

但是自從上世紀末期,日本陸續發生廢料焚燒爐灰渣填埋場滲漏的二次污染事件后,為了根治垃圾焚燒爐灰渣填埋的隱患,日本不得不逐漸地將消納可燃廢料的數量轉移到水泥窯上來。2007年日本水泥工業用作替代燃料的利廢量上升到噸水泥49 kg,相當于按熟料平均熱耗計的燃煤替代率約30%,這是一個重要的技術路線改變。實際上是吸取了教訓,改變了過去試圖單純依賴廢料焚燒爐全部解決消納利廢問題的路線,重新認識到必須適當發揮水泥窯利廢特點的重要性。

的確,因為利用替代燃料所需的預處理技術較復雜,投資較高,再之我國以前的煤價又很便宜,所以我國水泥工業始終對替代燃料不感興趣,缺乏市場利益驅動,更談不上什么協同全社會的環保利廢責任感。多年來我國水泥工業只有個別水泥企業采用少量可燃廢物作為替代燃料。從全國來看其燃煤替代率接近于零,與國際先進水平相去甚遠。然而隨著國內煤價的高漲以及國人環保責任感的增強,在若干外資和合資水泥企業的帶動下,一些有影響的水泥集團正在行動起來。例如越海集團的燒廢皮革和下水污泥項目、銅陵海螺的燒城市垃圾項目以及拉法基與豪西姆的利廢項目等都在積極實踐之中。根據筆者的可行性分析,在我國當前的具體情況下,一條5 000 t/d新型干法水泥生產線,采用可燃廢料替代25%的煤耗時,其經濟效益可與其增設純低溫余熱發電的相媲美(包括CO2減排CDM項目的收益在內)。我國水泥工業推廣應用替代燃料的時機已日趨成熟,區域性的龍頭企業應當加緊努力。

3  水泥工業利廢前景展望

如前所述,水泥工業的利廢只有三個途徑,即把各種廢料分別用作替代原料或替代燃料,或兩者兼而有之,還有就是用作混合材。顯然生產每噸水泥所需要的各種天然原料和天然燃料的數量在理論上是有其限量的,即使是我們100%地利用廢料來替代天然原料和天然燃料,水泥的單位利廢量也是有限度的。

假設水泥的平均組成為熟料∶石膏∶混合材=76∶4∶20,則每噸水泥所需的理論物料量為:原料(生料+石膏)約1.2 t,混合材0.2 t,再加上燒制0.76 t熟料所需的標煤約0.082 t,合計約1.482 t。

就是說,噸水泥利廢總量的最大理論值為1.482 t。至于噸水泥混合材的最佳摻入量,隨著科技的不斷創新,混合材最新品種的開拓及其潛質的深加工研發,在保證水泥總體性能不變,甚至有所提升的前提下,利用混合材替代熟料的比例應該是逐漸提高的,即水泥中混合材最佳摻入量將呈上升之勢?,F今已有工程實踐證明,將礦渣粉磨到比表面積勃氏450 m2/kg,就可以替代50%的熟料,制成熟料∶礦渣=50∶50的礦渣水泥。其性能與純波特蘭水泥相同。這里必須指出,這種采用混合材深加工,增加水泥中替代熟料比例的技術發展趨勢,與我國水泥工業長期以來那種往水泥中超標多摻濫摻混合材的做法完全是兩回事。兩種截然不同的意圖,切勿混淆。

    從長遠來看,混合水泥將取代純波特蘭水泥是一個發展方向。如果有朝一日,水泥中所剩熟料的比例僅為1/5或1/10,那么屆時水泥這種膠凝材料或將會退出歷史舞臺而被新型的膠凝材料所取代。對此我們完全沒有必要抱住水泥不放,相反地應該對科學的新生事物、新材料采取歡迎態度。

現今國際水泥界多數學者和專家認為,在可預見的將來(約50年以內),水泥混凝土仍將是一種主要的價廉物美的大宗建筑材料;全球水泥消費量中混合材替代熟料的比例可能達到60%(現今除中國大陸以外全球的比例約為10%)。如果按60%計算,屆時噸水泥混合材利廢量則為600 kg。

按前述計算相應調整后,當水泥中混合材摻入量為60%時,噸水泥利廢的替代原料量最大為0.60 t(含生料和石膏),替代燃料量最大為0.10 t,再加上替代熟料的混合材利廢量0.60 t,三者共計1.30 t?,F今水泥工業利廢領先的德國為0.41 t,可見還有不少改進的發展空間。

沒有疑問,今后天然燃料、天然鐵質原料、天然粘土質原料和天然石膏的利廢替代率均能達到100%,并且混合材替代熟料率達到60%也是可能的。但是試圖利用鈣質廢渣替代天然石灰石原料,則因鈣質廢渣的來源有限,因而對水泥工業總體來說,鈣質原料利廢替代率將不可能會達到其他的原燃料那么高。

現階段我國水泥工業的利廢用作鈣質原料替代石灰石的主要來源是電石渣,它是電石(CaC2)水解,生成乙炔(C2H2)后的殘渣(Ca(OH)2)。因為乙炔是PVC和氯堿等石化行業的主要原料,不可或缺。但是我國至今仍沿用的電石法制乙炔的工藝,既消耗大量石灰石和焦炭作為原料,而且用電弧爐生產電石的電能消耗與成本都很高,現今發達國家都已采用石油直接裂解獲得乙炔的先進方法,摒棄了電石法。這就是為什么發達國家少有電石渣的原因。相信我國今后也將逐漸由電石法轉向石油裂解法來生產乙炔,電石渣的比例將呈下降趨勢,我們水泥工業也應適當地預見到這一情況。

4  結束語

總之,水泥工業不僅是全社會發展循環經濟的重要產業之一,而且在安全、經濟、高效地利用各種工業廢棄物、城市生活垃圾,處置有毒有害的危險廢棄物等方面獲得了顯著的成績和進展。今后在循環經濟的利廢領域中還將會有更廣闊的發展空間,可以擔負起更多的社會責任,為循環經濟發展打造一條綠色通道。

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