黃 健

1 廣州市市政職業(yè)學(xué)校，510500； 2 廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院，510880

水泥工業(yè)協(xié)同處置工業(yè)廢料的現(xiàn)狀研究

黃 健1,2

1 廣州市市政職業(yè)學(xué)校，510500； 2 廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院，510880

本文主要論述水泥工業(yè)協(xié)同處置工業(yè)廢料的處置現(xiàn)狀；水泥工業(yè)對(duì)于我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)有重要的意義，同時(shí)水泥工業(yè)作為高能耗、高消耗的產(chǎn)業(yè)，如何提高該行業(yè)的生命力將是材料工作者亟待考慮的問(wèn)題。本文通過(guò)調(diào)查研究水泥工業(yè)利用工業(yè)廢料作為二次原料或者二次燃料來(lái)協(xié)同處置，其處置方式具有資源化、節(jié)約能源、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

水泥工業(yè)； 二次燃料； 二次原料；粉煤灰；垃圾焚燒灰渣

前言

目前國(guó)際上普遍認(rèn)為水泥工業(yè)是處置廢棄物的主要途徑。水泥行業(yè)由于窯爐內(nèi)溫度高、粉塵收集設(shè)備先進(jìn)以及對(duì)處理的廢物包容性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好的協(xié)同處置廢物，帶來(lái)一定的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，針對(duì)目前國(guó)家對(duì)高能耗、高污染行業(yè)節(jié)能減排的要求，通過(guò)水泥行業(yè)來(lái)處置廢物這條途徑將會(huì)給予水泥行業(yè)新的生命力！

水泥回轉(zhuǎn)窯可以處理的廢棄物種類包括生活廢棄物，各種污泥(下水道污泥，造紙廠污泥，河道污泥，污水處理廠污泥等)，工業(yè)副產(chǎn)品(粉煤灰，高爐礦渣，煤研石，硅藻土，廢石膏等)，危險(xiǎn)工業(yè)廢棄物，各種有機(jī)廢棄物(廢輪胎，廢橡膠，廢塑料，廢油等)，其中危險(xiǎn)工業(yè)廢棄物可以參考相應(yīng)的國(guó)家和地方制定的有關(guān)有害廢棄物名錄。

圖1 水泥行業(yè)處置廢物

水泥行業(yè)處理廢物主要是以二次原料以及二次燃料的方式進(jìn)行，以二次原料和二次燃料的形式參與水泥熟料的煅燒過(guò)程，二次燃料通過(guò)燃燒放熱把熱量供給水泥煅燒過(guò)程，而燃燒殘?jiān)鼊t和二次原料通過(guò)煅燒時(shí)的固-液相反應(yīng)進(jìn)入熟料主要礦物。燃燒產(chǎn)生的廢氣和粉塵通過(guò)高效收塵設(shè)備凈化后排入大氣，收集到的粉塵則循環(huán)利用。從而既生產(chǎn)了水泥熟料，又處理了廢棄物，同時(shí)又沒(méi)有對(duì)環(huán)境產(chǎn)生新的污染，達(dá)到了一箭多雕的良好效果。

1、二次原料

1.1 生活垃圾焚燒灰渣

垃圾焚燒發(fā)電是目前世界上較為流行的對(duì)生活垃圾的處置方式。但是這種方式處理后會(huì)產(chǎn)生垃圾焚燒灰渣。垃圾焚燒灰渣包括垃圾焚燒爐渣和飛灰。爐渣（叫底灰）一般包括爐排渣（grate ash）和爐排間掉落灰（grate siftings）,有些焚燒廠也將鍋爐灰與爐排渣混合收集處置，爐渣占了灰渣總重量的80%左右，主要由熔渣、黑色及有色金屬、陶瓷碎片、玻璃和其他一些不可燃物質(zhì)及未燃有機(jī)物組成。飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)和熱回收利用系統(tǒng)（如節(jié)熱器、鍋爐等）中收集而得的殘余物，約占灰渣總量的20%，其中的飛灰包括煙灰（在焚燒室內(nèi)產(chǎn)生并排出，在加入化學(xué)藥劑前被去除的顆粒物，如布袋除塵室飛灰）、加入的化學(xué)藥劑及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)的類型不同而有所變化。目前對(duì)于灰渣的處置主要是以水泥固化填埋為主，但是這會(huì)占用大量的土地，同時(shí)可能會(huì)造成二次污染，不符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

表1 爐渣和飛灰總重金屬含量[1]

表2 材料的化學(xué)組成[1]

圖2 垃圾焚燒飛灰/爐渣用于生產(chǎn)硅酸鹽熟料及磨制水泥的工藝流程圖

飛灰中由于含有一定量的重金屬以及二噁英等有機(jī)污染體，被列為危險(xiǎn)廢物的；爐渣作為一般廢物處理，但是其中也含有重金屬元素，如果任意填埋，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。是我們對(duì)廣州市李坑垃圾焚燒發(fā)電廠產(chǎn)生的灰渣的研究結(jié)果見(jiàn)表1。

可以看到，灰渣中的眾多元素都已經(jīng)超過(guò)了III類土壤標(biāo)準(zhǔn)限值，III類土壤標(biāo)準(zhǔn)限值是為保障農(nóng)林生產(chǎn)和植物正常生長(zhǎng)的土壤臨界值。因此，對(duì)于灰渣的處置不當(dāng)將會(huì)嚴(yán)重污染土壤。目前對(duì)于飛灰的處置費(fèi)用非常昂貴，達(dá)到了1000元/噸。灰渣的化學(xué)組成如表2。

對(duì)于水泥工業(yè)處置灰渣，主要是把其作為二次原料來(lái)處置。飛灰中由于含有二噁英，因此必須要經(jīng)過(guò)窯爐的高溫煅燒；而爐渣可以作為混合材使用。由表可以看到，爐渣的化學(xué)組成和水泥原料中低硅黏土以及粉煤灰的化學(xué)組成相近。飛灰中含有較高含量的CaO，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到39.64%；飛灰系統(tǒng)屬于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-Cl系統(tǒng)，其化學(xué)成分較為接近水泥生料的化學(xué)成分。飛灰中含有很高含量的氯硫堿等有害組分，其Cl元素含量達(dá)到了22.28%，SO3含量達(dá)到10.85%，雖然這些組分在水泥熟料煅燒過(guò)程中能夠降低熟料的燒成溫度，有較好的助熔效果，但是對(duì)新型干法窯生產(chǎn)會(huì)造成極大的麻煩，干法窯一般要求水泥生料中的氯含量不能超過(guò)0.1%，如果氯含量過(guò)高，煅燒過(guò)程中就十分容易結(jié)皮堵塞，給窯爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)了障礙。其工藝流程圖如圖2所示。

圖3 太平洋水泥廠對(duì)飛灰的處置

表3 污泥熱值[2]

表4 粉煤灰的化學(xué)組成

表5 礦渣的化學(xué)組成

目前日本的太平洋水泥廠已經(jīng)有這個(gè)方面的實(shí)例。他們把飛灰一方面通過(guò)一個(gè)水洗系統(tǒng)去處氯硫堿以后作為水泥生料使用，另一方面把飛灰直接摻入水泥窯爐，通過(guò)旁路放風(fēng)等措施，生產(chǎn)一種含氯硫的生態(tài)水泥。但是水洗系統(tǒng)較為繁冗，生態(tài)水泥的使用面非常狹窄，不適合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展！

國(guó)內(nèi)對(duì)于灰渣的處置參考了國(guó)外的處置方式；北京水泥廠在這一方面開(kāi)展較早。爐渣可以作為水泥混合材使用，飛灰作為原料煅燒水泥熟料。把飛灰從窯頭中噴入，使其二噁英完全分解，同時(shí)能夠生產(chǎn)水泥熟料。另外廣州珠江水泥廠在這一方面的利用目前實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)完成。

1.2 污泥

污泥是污水處理廠污水處理的二次產(chǎn)物, 污水處理廠每天都產(chǎn)生大量需要處理處置的污泥。污泥中含有大量的有機(jī)物、重金屬，對(duì)污泥的處置一方面需要大量的資金（從西方發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)經(jīng)驗(yàn)看, 一個(gè)完善的污泥處理處置系統(tǒng), 其運(yùn)行成本往往占整個(gè)污水處理廠總運(yùn)行成本的50%以上）；另一方面還可能因?yàn)樘幹檬М?dāng)而造成二次污染。從技術(shù)角度看,目前污泥處置方式主要有農(nóng)用、填埋、焚燒、建材利用、熱解、濕式氧化、高溫熔化等幾種。

水泥工業(yè)處理污泥的技術(shù)出發(fā)點(diǎn)就是把污泥作為水泥煅燒原料進(jìn)行處理。不僅具有焚燒法的減容、減量化特征, 且燃燒后的殘?jiān)蔀樗嗍炝系囊徊糠? 不需要對(duì)焚燒灰進(jìn)行處理填埋。另外污泥含有一定量的熱值，對(duì)于熟料的煅燒也有幫助。

世界上發(fā)達(dá)國(guó)家利用水泥窯處理廢棄物生產(chǎn)生態(tài)水泥已有百余年的歷史, 擁有成熟的經(jīng)驗(yàn), 而我國(guó)利用污泥來(lái)生產(chǎn)水泥尚屬起步階段, 有待進(jìn)一步的發(fā)展。1996年4月瑞士的HCB Rekingen水泥廠成為世界上第一家具有利用廢料的環(huán)境管理系統(tǒng)的水泥廠,并得到ISO14001國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證, 它為規(guī)劃、實(shí)施和評(píng)價(jià)環(huán)境保護(hù)措施提供可靠的框架。日本的太平洋水泥廠已經(jīng)有利用城市污泥生產(chǎn)生態(tài)水泥的經(jīng)驗(yàn)[3]。

我國(guó)在這方面的研究較晚，上海水泥廠用龍華水質(zhì)凈化廠污泥代替黏土生產(chǎn)水泥。北京水泥廠、廣州水泥廠、珠江水泥廠都有使用污泥生產(chǎn)水泥的經(jīng)驗(yàn)。廣州水泥廠利用現(xiàn)有的水泥熟料燒成系統(tǒng),處理花都區(qū)內(nèi)的印染污泥和城市污水污泥,日處理力達(dá)600噸。重慶拉法基水泥廠年處理4萬(wàn)噸污泥,一年僅污泥處理運(yùn)行費(fèi)用就可節(jié)省400萬(wàn)元。2008年,北京水泥廠建設(shè)水泥窯處置污泥項(xiàng)目,年處理污泥15萬(wàn)噸[3]。

1.3 粉煤灰、高爐礦渣

嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，粉煤灰和高爐礦渣在目前已經(jīng)不能夠稱為廢料。粉煤灰是火力發(fā)電廠和城市集中供熱鍋爐中煤燃燒后排放的一種固體廢棄物, 屬于火山灰性質(zhì)的混合材料, 其主要成分是硅、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物,具有潛在的化學(xué)活性。

水泥廠處理粉煤灰主要是把其作為水泥混合材使用，由于粉煤灰的形態(tài)主要是玻璃微珠，能夠很好地改善水泥的流動(dòng)性；同時(shí)，粉煤灰有潛在的水化能力，能在堿性條件下形成C—S—H 凝膠，能夠較好的改善水泥膠砂的強(qiáng)度性能。目前大部分的水泥廠都有使用粉煤灰作為水泥混合材的經(jīng)驗(yàn)。

高爐礦渣是煉鐵過(guò)程中經(jīng)人工或自然冷卻處理后生成的工業(yè)副產(chǎn)物, 屬于火山灰性質(zhì)的混合材料, 其主要成分是硅、鋁、鐵、鈣、鎂的氧化物，礦渣具有水硬性。礦渣由于易磨性較差，同時(shí)細(xì)磨礦渣的價(jià)格較高（達(dá)到180元/噸），目前水泥工業(yè)已經(jīng)較少的使用，礦渣主要應(yīng)用于水泥混凝土的摻和料。

2.二次燃料

二次燃料就是別的行業(yè)已經(jīng)用過(guò)而曾被廢棄但仍可被水泥工業(yè)用來(lái)替代天然礦物燃料的物質(zhì)。使用二次燃料，既可節(jié)約日趨減少的資源，又有保護(hù)環(huán)境的作用，對(duì)水泥廠還可降低生產(chǎn)成本，因此水泥工業(yè)利用二次燃料已稱為必然的趨勢(shì)。以Holcim水泥公司在歐洲的水泥廠為例:它們的2100萬(wàn)t熟料產(chǎn)量中,到2002年利用二次燃料的比例已達(dá)22%。全德國(guó)的水泥工業(yè)中二次燃料的利用率,自1997年的4.1%提高到2001年的30.3%[4]。

二次燃料主要包括廢輪胎，廢橡膠，廢塑料，廢油，廢皮革和紙張等。其中對(duì)二次燃料的熱值有相應(yīng)的使用要求，所含有的熱量分別是：輪胎約37620kj/kg，塑料、油、油墨41800 kj/kg以上，動(dòng)物肉和骨的混合物約25080 kj/kg；而紙、木屑約為16720 kj/kg。可供量應(yīng)不少于單窯用煤量的10%，否則效益不佳。

水泥工業(yè)把二次燃料作為生產(chǎn)燃料進(jìn)行使用，同時(shí)燃燒后的殘?jiān)蚕谒嗍炝现?，從而達(dá)到協(xié)同利用的目的。

使用二次燃料要遵循相應(yīng)的原則，主要有以下幾個(gè)方面：

1）代替常規(guī)燃料后能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益

使得部分取代常規(guī)燃料所節(jié)省的費(fèi)用足以支付廢料的收集、分類、加工、貯運(yùn)的費(fèi)用。顯然，熱值越高，被應(yīng)用的可能性就越大，通常應(yīng)在16720 kj/kg以上。

2）適應(yīng)水泥窯的工藝流程需要

應(yīng)以不影響新型干法窯需控制的氯硫堿這類有害成分的含量要求為準(zhǔn)。

3）符合環(huán)保的原則

目前，歐美水泥工業(yè)對(duì)可燃性廢棄物的回收利用正受到各界的重視并在繼續(xù)推廣，美國(guó)、加拿大的利用約占各自水泥生產(chǎn)總熱耗的5%,英、法、德等國(guó)約為6%～8%，最高的是瑞士達(dá)20%。近年我國(guó)在這方面也進(jìn)行了有益的探索和試驗(yàn)。

北京水泥廠利用樹脂渣、廢漆渣、有機(jī)廢溶液、油墨渣等4種有代表性的工業(yè)廢棄物在2000t/d熟料新型干法窯上進(jìn)行了焚燒試驗(yàn)。測(cè)定結(jié)果表明，排放廢氣中的有機(jī)廢物和重金屬的濃度和排放量，均未達(dá)到北京市允許的最高排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熟料和窯灰取樣做了重金屬浸出試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)果重金屬的浸出量低于地表水二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水泥產(chǎn)品質(zhì)量亦無(wú)影響。

[1]黃健.生活垃圾焚燒灰渣在水泥工業(yè)中的無(wú)害化處理[D].廣州：華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院.2008

[2]蔡璐.中國(guó)大中型城市的城市污泥熱值分析[J].中國(guó)給水排水.2010（15）

[3]王濤.污泥焚燒技術(shù)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)[J].西南給排水. 2009（1）

[4]姜麗杰, 孫勝龍, 張曉紅. 利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理危險(xiǎn)廢物[J]. 長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2005（11）

Cement Industry Dispose Industrial Solid Waste

Huang Jian1,2
1. Guangzhou Municipal Vocational School, 510500; 2. Municipal Institute of Technology, Guangzhou University, 510880

This paper discusses the cement industry disposal industrial waste collaboratively; The cement industrical is important for the China's modernization,meanwhile,for a High energy consumption Industry, The problem that how to improve the vitality of the industry is the materials workers must work out.The paper researchs the possibility that use the waste for secondary raw materials and fuels, the process of disposition has the characteristics of resources, energy conservation and without secondary pollution, and has broad application prospects.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.002

黃健，男，碩士，廣州市市政職業(yè)學(xué)校教師。主要從事建筑材料的教學(xué)與研究。