水泥工业发展循环经济的技术开发与应用

　　发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会，走新型工业化道路是我国“十一五”规划的战略目标。建设资源节约型、环境友好型的产业，已成为我国水泥工业建立新的发展模式的核心内容之一，它意味着我们要从过度依赖资金、自然资源和环境投人、以量的扩张实现增长，转向更多依靠发展循环经济和技术进步、以提高产品质量和效率获取水泥工业的经济增长。我们要在加大力度进行产业结构调整、加快发展新型干法水泥的同时，推行清洁生产和发展循环经济。

　　由于我国水泥工业存在着产业结构问题，在环境保护与可持续发展方面进展缓慢，一些技经指标与国外相比差距较大。从二十世纪九十年代中、后期开始，我国水泥工业提高了对绿色生产技术重视程度，进入二十一世纪之后我国加强开发力度，而天津水泥工业设计研究院有限公司是国内水泥工业最早从事循环经济技术研究的单位之一。多年来天津水泥院以推行清洁生产和发展循环经济为目的，进行了不懈的努力，在水泥工业走循环经济道路的模式研究与技术装备开发方面，取得了很大进展，主要体现在：

　　(1)新一代新型干法水泥生产技术的开发，实现大幅度节能、减少有害气体排放；

   　(2)水泥厂的纯低温余热发电技术开发成功，已在多家企业得到采用；

　　(3)回转窑焚烧可燃废弃物和有毒有害物、工业及生活污泥的研究已取得很大进展，其技术已在几家水泥厂应用，北京水泥厂的焚烧有毒有害废弃物示范工程已经完成；

　　(4)矿渣超细粉磨的立式辊磨机已开发成功，并得到广泛应用；

　　(5)采用低品位石灰石，使用替代粘土原料和采用工业废渣配料，无烟煤和低挥发份煤煅烧技术都已成熟，对细掺合料(如超细矿渣)与水泥强度的关系、水泥颗粒级配、颗粒形状与水泥砂浆强度的关系作了较多的实验室研究；

　　(6)对新型干法水泥厂烧成系统NOX减排研究取得很大进展，工业性应用研究已经完成，目前正在进行适应不同规模的降低NOX的系列化装备的开发及推广应用；

　　(7)水泥生产过程检测与控制技术、水泥厂信息管理系统、高低压供配电综合自动化系统方面都取得了较大成绩，天津水泥院在现场总线的控制技术开发方面也取得很大进展。下面就具体内容逐一介绍。

　　1 实用技术介绍
　　1.1  推广和发展新型干法水泥生产技术
　　天津水泥院自行开发三代预分解技术，达到国际先进技术水平的第三代预热器和分解炉系统，包括了一系列高效、节能的技术装备，如可控气流篦式冷却机，和回转窑合理匹配的预热器、分解炉，燃料适应性强和燃烧性能好的多通道燃烧器，以及大型单段破碎机、大型节能生料辊磨、辊压机、超细选粉机、行脉冲式袋收尘器等，提高了熟料烧成系统的整体水平。为了在回转窑上和分解炉上能适应焚烧废弃物、低品质燃料，还开发了相应的燃烧器和分解炉、焚烧炉等(图1)。
 

图2 新型低热耗低排放的六级预分解系统

　　目前天津水泥院有限公司已开发新一代水泥生产技术，并得到了应用。其主要技术特征是新型低热耗低排放的六级预分解系统(图2)、二档短窑、行进式稳流新型冷却机、高效燃烧器组成的烧成系统；大型生料立磨、立式煤磨、水泥辊式终粉磨组成的无球粉磨体系；现场总线控制技术等。采用新一代水泥生产技术的生产线比目前使用的同规模生产线节能7kg标煤/kg熟料。

　　1.2 推广纯低温余热发电技术
　　走进21世纪的中国，随着GDP的快速增长，能源供应紧张的状态日趋明显，尤其作为能源消耗大户的水泥工业，不仅每年要消耗大量的煤炭等一次能源，而且还要消耗大量的二次能源——电力。近年来随着我国水泥工业预分解技术的发展，各地新型干法水泥生产线的建设数量增加很快，如1000～10000t/d生产线相继投产，虽然水泥熟料烧成热耗比过去落后生产工艺降低了许多，但这些生产线仍有350℃以下低温废气余热没有被很好利用。天津水泥院有限公司在“八·五”国家重点科技攻关项目——带补燃锅炉的水泥厂中、低温余热发电技术及装备的研究开发成功的基础上，随着国内低参数、多级进汽汽轮机的开发成功，国产装备的纯低温余热电站也进入了成熟阶段，具有更显著的节能效果。纯低温余热发电技术，既可大量回收低品位的余热用以发电或热电联供，又可减少水泥生产对环境的废热及粉尘的污染，已成为国内水泥工业节能降耗的有效途径。

　　目前我国投入运行的纯低温余热发电站在10座以上，另外第三代提高型纯低温余热电站10多座也将陆续建成投产，吨熟料发电量在35kWh以上，余热发电量是水泥熟料生产用电量的25%-30%。

　　随着纯低温余热发电站不断建成投产，在大幅度降低水泥生产成本的同时也为国家节约了大量能源，保护了环境，取得了良好的经济效益和社会效益，为我国的能源梯次开发和发展循环经济提供了新思路。采用纯低温余热发电技术是水泥工业企业内部走循环经济道路的可操作模式之一。

　　1.3 水泥窑协同处理废物
　　(1)工业废物的水泥窑焚烧处置
　　随着我国工业化进程的发展，工业固体废弃物(含有毒有害废物)作为对环境产生严重危害的废弃物，也呈现逐年增加的态势，如何消除它们对环境的影响并利用它们做为代用燃料或代用原料是一个重要的问题。由于水泥行业处置废弃物具有天然的优势，自上世纪90年代开始，国际水泥行业利用废弃物作为替代原燃料已经日益普遍，目前我国水泥窑规模化处理废弃物的技术开发取得了一定的进展，并日趋实用。国内一些水泥企业已经有了实践经验，天津水泥工业设计研究院设计的北京金隅集团北京水泥厂年处理10万吨废弃物示范线工程已经投产(图3)。

图3  处置废气物的烧成系统

　　(2)生活垃圾的处置
　　随着经济的高速发展和生活水平的提高，我国生活垃圾正在以每年8%～10%的增长率在飞速增加，据国内环保部门的调查，目前我国人均城市生活垃圾年产生量已经达到440-460kg，城市生活垃圾的清洁化处置已经成为多数城市发展的瓶颈，寻求经济、安全的城市生活垃圾处理方式已成为当务之急。  

　　目前国内外水泥行业处置城市生活垃圾存在着几种不同的技术方案，例如：
　　a 利用生活垃圾预处理公司提供的生活垃圾衍生替代燃料；
　　b 水泥厂和垃圾焚烧场或垃圾焚烧发电厂联合，利用生活垃圾焚烧后的焚烧灰和飞灰作为水泥生产的替代原料使用；  
　　c 通过破碎、烘干、分选后将可燃物和无机物分别作为替代燃料和替代原料进行利用。

　　天津水泥工业设计研究院使用垃圾焚烧后的焚烧灰和飞灰作为水泥的替代原料，利用水泥窑进行处置，目前已经在北京水泥厂有限公司处置废弃物示范线工程上应用。

　　(3)工业及生活污泥的处置
　　城市及工业污水在处理过程中会产生大量的污泥，这些污泥通常具有一些的氮、磷、钾矿物和腐殖质，由于有机物含量较高，具有一定的燃烧热值，其干基热值相当于泥煤。当污泥的水分含量显著降低，完全可以作为劣质燃料使用。污泥的无机矿物成分主要为粘土矿物，因此也存在着替代原料的可能性。

　　天津水泥工业设计研究院自2000年开始研究利用水泥窑系统处置市政污泥的技术，同前直接处置污泥技术已在北京水泥厂处置废弃物示范线工程应用。利用水泥生产过程中的废热干化污泥，干污泥在作为替代燃烧在水泥窑处置的技术研究已完成，目前正在工程应用中。

　　1.4 工业废渣与副产物资源化技术
　　(1)矿渣资源化
　　矿渣作为活性混合材早已在我国水泥行业得到普遍应用，应用方式是与熟料和石膏等原料配合后进行混合粉磨。如果将矿渣单独粉磨至450m^2/kg以上的细度再与高质纯硅水泥进行混合，则不但可以提高矿渣在水泥中的掺量，而且可以改善水泥或混凝土的物化性能。

　　天津水泥工业设计研究院开发了首台TRM3131S型国产矿渣辊磨，设计年产量30万吨高细优质矿渣粉，整体性能达到同类设备的国际水平(图4)。

图4  矿渣辊磨

　　该磨机采用了新型高效笼形转子选粉机，保证成品比表面积可以在400～600m²/kg范围内灵活调节，可以烘干10%～20%水分并且大幅度的降低了投资和维护费用。

　　(2)钢渣资源化
　　钢渣是炼钢过程中的副产物，由于钢渣本身的性能差异很大，稳定性也较差，加之钢渣的硬度较大，易磨性差，并且在钢渣中还含有金属铁和含铁磁性物质，因此，在钢渣的有效利用上存在很大难度。

　　国内于20世纪60年代就开始用钢渣生产水泥的研究，20世纪80年代发展速度明显。钢渣的前处理工作比较重要，目前天津水泥院有限公司正进一步研究开发钢渣资源化方法。

　　(3)粉煤灰的资源化
　　随着电力工业的快速发展，粉煤灰的排放量也逐年快速增长，目前，粉煤灰的年排放量已经达到了2.0亿吨。多年来粉煤灰综合利用一直是我国要研究解决的重要课题。

　　水泥工业应用粉煤灰的方法有如下两种：
　　a替代水泥原料配制水泥生料
　　b用作水泥混合材

　　我国早在上世纪70年代就颁发了粉煤灰水泥标准，是我国五大水泥品种之一，标准中规定粉煤灰的掺量在20%～40%，而在实际生产中，受粉煤灰品质和粉磨工艺的影响，一般掺量在20%～25%左右。天津水泥院有限公司正在进行深入研究，采用熟料与粉煤灰分别粉磨的方法，根据两种物料的易磨性控制物料流速而发挥更好的粉磨效果，使粉煤灰掺入量可以达到60%～70%。

　　由于我国粉煤灰质量普遍不如国外，所以粉煤灰活化技术的开发也是要考虑的。

　　(4)电石渣的资源化技术
　　我国电石渣年排出量超过千万吨，并成逐年上升趋势，累积的堆渣不仅需要占用大量土地堆放，还严重污染环境。电石渣可以部分替代石灰石作为生产水泥的钙质原料，从而节约石灰石资源。一般有两种生产工艺：
　　a “湿磨干烧”生产水泥熟料
　　b “干磨干烧”生产水泥熟料

　　“干磨干烧”充分利用了新型干法水泥生产的优越性，具有容积效率高，系统热耗低的特点，但由于电石渣的特殊性质，电石渣的掺入量越大，对预热器分解炉系统的影响越大，掺量过大时在温度较高的旋风筒和分解炉锥部容易出现结皮堵塞现象，所以烧成系统在工艺流程和设备设计上要充分考虑，在热工制度上需要进行有效控制，目前天津水泥院已研究了电石渣100%替代石灰的技术，正在工程化应用。

　　(5)煤矸石的资源化技术
　　煤矸石是煤炭生产、加工过程中产生的固体废物。煤矸石的产生量约占煤炭开采量的l0%～25%，全国累计贮存的煤矸石约有40亿吨以上，每年新增加的煤矸石大约有2亿吨，煤矸石已经成为占用堆积场地最多的一种工业废渣。煤矸石在水泥工业的应用方式为：
　　a 煤矸石用作水泥熟料的原料
　　b 煅烧煤矸石用作水泥混合材和混凝土的掺合料
　　c 用煤矸石制备无熟料水泥

　　以煅烧煤矸石作为水泥混合材生产火山灰水泥，已在很多水泥厂有成功的实践。煤矸石在700～900℃左右时经过煅烧，能够明显增加二氧化硅和三氧化二铝与石灰或者氢氧化钙的反应活性。蒙西高新技术集团公司利用煅烧煤矸石作为混合材，生产高性能复合硅酸盐水泥已有很好的业绩，天津水泥院有限公司也正在进行研究与开发。

　　2 对水泥工业发展循环经济的建议及具体措施
　　2.1 建议
　　(1)制定统一的利用废弃物的法规体系
　　当前最需要制定的政策就是鼓励水泥生产企业使用废弃物和处置废弃物，使他们有真正的经济效益、责任感和荣誉感。另外要制定严格的废弃物排放企业的职责和义务，对于非法丢弃废弃物的企业或个人必须有严厉的惩罚与法律措施。从上述两方面内容可派生制定一系列法规和政策条文。

　　(2)有害元素及污染物的限值标准和检测标准。
　　在水泥工业处置废弃物后，必需要有代用原燃料重金属的限值标准，在水泥和熟料产品中也要检测有害元素和重金属的含量，因此制定相关的标准非常重要。

　　另外，由于焚烧废弃物后，还要补充制定针对水泥工业的一些污染物排放限值标准以及测定标准。减少和消除POPS以及寻找方便有效的检测方法，也是我们要注意的一个问题。

　　(3)促进水泥工业纳入区域和社会循环经济的政策
　　水泥工业与其他工业系统、市政保部门(如钢铁、电力、垃圾处理部门等)，特别是与工业废弃物及各种有毒有害废弃物的产生工业建立横向共生与代谢生态链的研究，是搞好废弃物处置与处理工作的重要条件，由于我国基础条件与先进国家有很大差距，故应对我国的特殊环境问题进行研究，提出相应的奖惩政策。

　　2.2 措施
　　(1)设计工作要逐步纳入生态工程设计程序
　　众所周知，水泥产品及生产过程的环境特性在很大程度上决定于设计阶段，而水泥工业生态设计就是要把生态环境意识贯穿或渗透到水泥产品和生产工艺的设计之中，人们逐步认识到不是通过生态设计的产品就不是工业产品。一个工厂生态设计的水平，主要由生态设计技术要素、生态设计控制内容和水泥产品的环境协调性决定的，在设计中要贯彻如下原则：

　　a 工艺技术方法的先进性、符合生态化要求的原燃料、生产规模与产品质量要求、生产与环保设备选型、生产过程控制及计算机网络系统的应用等；
　　b 一切技术与装备的选用，首先要考虑资源和能源的有效利用、污染物排放的有效控制、满足无毒无害水泥产品品质的要求等；
　　c 对生态设计的结果进行水泥产品生命周期评价。

　　(2)建立水泥工业节能环保技术工程中心
　　为了加快废弃物的循环利用工作，应加大力度开展相关的应用基础研究，制定相应标准规范，对引进技术和设备进行再创新，为此要有开发和研究的必要条件。建立工程中心对研发与成果的推广应用将会有重要作用。

　　3 结束语
　　(1)发展循环经济建设节约型水泥工业，是我国水泥工业的发展方向，为此要加强产业结构调整和发展新型干法水泥，同时要在水泥企业推行“清洁生产”，在设计部门开展“生态工程设计”；

　　(2)水泥工厂的纯低温余热发电技术，可以节约能源、减排CO₂、减少环境负荷和减少环境污染，有利于循环经济的发展，应在全行业推广；

　　(3)水泥窑协同处置废物的主要模式有：工业废弃物(含有毒有害废弃物)、生活垃圾和下水污泥的处理等，随着循环经济的发展将有更多的废弃物进入水泥制造领域；

　　(4)工业废渣与副产物资源化的主要模式有：矿渣的资源化、钢渣的资源化、粉煤灰的资源化、煤矸石的资源化、电石渣的资源化等，建筑垃圾及某些尾矿渣的资源化也是应该重视的问题；

　　(5)水泥工业在区域循环经济中起着重要作用。社会层面的循环经济发展是社会的系统工程，在政府的引导下，将随着我国整体经济增长方式的转变而发展；

　　(6)要倡导新的经济法规和行为准则，要制定相应的标准和规范。