二次燃料在現(xiàn)代水泥工業(yè)中的應(yīng)用

　　中國是世界上最早利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)水泥的國家之一。眾所周知，國內(nèi)各種類型的水泥廠早就利用硫酸渣、粉煤灰、礦渣、工業(yè)石膏廢料等工業(yè)廢料作為生產(chǎn)水泥的原料和混合料生產(chǎn)各種建筑用的水泥，年產(chǎn)量至少至少在5000萬噸以上。利用工業(yè)廢料作為原料和混合材料，不但為水泥生產(chǎn)節(jié)約了大量的成本，而且大大減少了這些工業(yè)廢料對生態(tài)環(huán)境的污染，并且由于變廢料成為水泥，可大大減少熟料的生產(chǎn)量，從而減少生產(chǎn)熟料過程中無法避免的向大氣排放CO2、SO2和NOX的有害污染。但是，利用具有一定熱值，并不含有損害水泥生產(chǎn)過程的組份的工業(yè)廢料作為生產(chǎn)水泥的燃料（下稱為二次燃料）的工廠在國內(nèi)卻鮮為人知。本文專就水泥工業(yè)如何利用二次燃料為題進(jìn)行論述。

　　一、歐美等發(fā)達(dá)國家利用二次燃料生產(chǎn)水泥的現(xiàn)狀

　　美國、西歐各國和日本是最早利用二次燃料作為生產(chǎn)水泥的燃料的國家。早在上世紀(jì)七十年代末，這些國家的水泥工業(yè)的技術(shù)人員就進(jìn)行利用汽車廢輪胎代替煅燒燃料的試驗，并在八十年代初成功地改造了一批工廠。至九十年代，各種具有一定熱值的工業(yè)廢料和生活廢料越來越多地取代了油、煤、氣這些傳統(tǒng)的燃料來生產(chǎn)水泥，而這種轉(zhuǎn)變始終處在對二次燃料燃燒是否產(chǎn)生新的污染和二次燃料燃燒后的殘留物帶入水泥中是否留下禍害的監(jiān)控之中。事實證明，科學(xué)處置二次燃料，既能有效地利用其熱量，又可能做到對環(huán)境不產(chǎn)生任何新的污染。目前，在歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家用于水泥工業(yè)的二次燃料主要是：廢舊輪胎、廢紙、塑料包裝廢棄物，廢機(jī)油，木屑、廢溶劑和屠宰業(yè)需棄置的內(nèi)、骨頭等。有趣的是，近幾年在歐洲一度蔓延瘋牛癥和口蹄疫癥，這些動物的尸體幾乎都成了水泥工業(yè)非常優(yōu)質(zhì)的燃料。根據(jù)筆者近三年在歐洲許多水泥廠調(diào)查，實施二次燃料利用的水泥工廠其代用燃料率通常在20％~40%之間，個別工廠達(dá)50％。如H·C集團(tuán)屬下的一個名為Leimen的工廠，2000年二次燃料的代替為36％，而在一段時間曾達(dá)到60％，而在H·C集團(tuán)屬下的另一個名為Lengfurt的工廠，2000年共使用二次燃料為3.736萬噸，分別為廢輪胎，廢塑料和廢油，各占三分之一。臺灣地區(qū)的水泥工廠二次燃料利用率也開始達(dá)到10％以上的水平。2001年，一臺由F.L.S公司設(shè)計旨在為分解爐燃燒100％二次燃料，名為“熱桌”的燃燒裝置在挪威的北歐水泥集團(tuán)的工廠安裝并投入生產(chǎn)，試驗成功后，其二次燃料的代用率將可達(dá)到80％。

　　二、二次燃料利用對環(huán)境的影響評價

　　人們知道二次燃料能有效利用其潛在的熱量之后，普遍關(guān)注的是燃燒后隨水泥窯廢氣一起排放在到大氣所產(chǎn)生的影響，以及其燃燒后的殘留物帶入水泥中對混凝土使用環(huán)境的影響。

　　目前，可能采用二次燃料的水泥產(chǎn)生窯型普遍為新型干法窯，眾所周知，在回轉(zhuǎn)窯的燒成帶，窯尾和分解爐的溫度分別在所1450℃，1000℃和850℃左右，氣體在窯、爐和預(yù)熱停留的時間較長。而窯型的大型化使窯爐的熱容量變得越來越大，這些條件是一般廢物焚化爐所不具備的。無論是無機(jī)可燃物或是有機(jī)可燃物，在這樣的工況下完全可以徹底的分解和燃盡。特別是一般物焚化爐在處理有機(jī)廢物時，可能產(chǎn)生的二惡英問題則在水泥窯中較好地解決。

污染物	C
總塵量	30
HCI	10
HF	1
HOX	500／800
Cd+TI	0.05
Hg	0.05
Sb,As,Pb,Cr,Co,Cu,Mn,Ni,V	0.5
二惡英和呋喃	0.1
SO2	50
有機(jī)碳總含量	10

日平均值，干基，（mg/Nm³）

　　按該條例進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)論表明，水泥窯燃燒二次燃料廢氣排放物是完全低于規(guī)定值的。以下是歐洲某廠廢氣中汞和二惡英、呋喃排放濃度的測定結(jié)果。　

　　由于新型干法水泥工藝中預(yù)熱器氣相中含有大量的CaO粒子，其作用于廢氣后能十分有效地清除SO2，所以大量以廢輪胎作為燃料的水泥工廠，其SO2的排放不但合乎規(guī)定，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于應(yīng)用常規(guī)燃料，但窯型為濕法回轉(zhuǎn)窯和立窯的工廠。事實證明，對一個城市或一個地區(qū)擊言，利用水泥窯處理廢料，不但利用了它的熱量，節(jié)約了煤炭，對環(huán)境排放的總廢氣較之單獨設(shè)置焚化爐為優(yōu)。

　　二次燃料燃燒后會形成一些殘留物。主要是金屬類的物質(zhì)從而溶入了水泥熟料中，除Fe、S1等參加礦物反應(yīng)生成有用的水泥礦物外，其他也可能以金屬氧化物的形態(tài)固溶在高溫形成的水泥礦物之中而被包裹著。或許會有擔(dān)心溶入重金屬元素的混凝土可能對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。為此，歐洲的實驗室也反復(fù)對利用二次燃料生產(chǎn)的水泥所制成的混凝土進(jìn)行測試。方法是用碳酸及油水混合液體對這類混凝土進(jìn)行浸泡，然后對洗出的液體進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，從混凝土組分中釋放的重金屬元素的量少至難以測出來。因此，這種混凝土的使用也是十分安全的和符合環(huán)保要求的。盡管對二次燃料利用的實踐已回答了有關(guān)是否會產(chǎn)生二次污染的問題，亦同時證明了這是處理可燃廢料的有效方法。但是在實施中建立嚴(yán)格的監(jiān)管制度也是必要的。據(jù)了解，歐美發(fā)達(dá)國家都制訂了相應(yīng)的監(jiān)管條例，并長期對應(yīng)用二次燃料工廠的生產(chǎn)過程及水泥應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行跟蹤測試，結(jié)果也是令人滿意的?，F(xiàn)時適用于歐洲各國的“廢料焚化條例”(Directive 2000/76/EC)是在2000年12月28日公布實施的。其后各國又相應(yīng)制定了有關(guān)的條例與歐洲條例一并運行。以德國為例，到2002年12月將公布新的法律代替現(xiàn)時與歐洲條例共存的德國標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制新運行的工廠執(zhí)行，以前以運行的工廠到2005年底后也要按新的法律規(guī)定執(zhí)行。在條例的監(jiān)管下，應(yīng)用二次燃料實行許可證制度，即向當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)部門提出申請，并依照規(guī)定獲得審批。實施過程中，按規(guī)定由政府有關(guān)部門監(jiān)督，以確保企業(yè)對公眾環(huán)境負(fù)責(zé)等。歐美國家對應(yīng)用二次燃料的有關(guān)管理制度值得我們借鑒。

　　三、二次燃料的可用價值和通常使用的方法

　　能應(yīng)用于水泥工業(yè)的二次燃料種類很多。目前，世界上廣泛采用的有廢舊輪胎、廢紙、廢塑料、紡織廢料、木屑、廢溶劑、廢油墨、廢油漆、屠宰業(yè)廢料等等，甚至連拆廢汽車剩下駕駛室的座椅和儀表盤都是二次燃料常用的東西。然而，也不是只要含有熱量的廢料都可以作為水泥工業(yè)二次燃料使用。

　　水泥工業(yè)二次燃料的選用必需符合下列的一些原則：

　　1、代替常規(guī)燃料后能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。這些廢料必須有足夠的熱值，使到部分取代常規(guī)燃料后所節(jié)省的燃料費用足以支付廢料的收集、分類、加工、貯運的成本。顯然，熱值越高，被應(yīng)用的可能性就越大，通常應(yīng)在4000Kcal/kg（干基）以上。資料表明，以下各種廢料所含的熱量分別是：輪胎9000Kcal/kg左右、塑料、油、油墨10000Kcal/kg以上，動物肉和骨的混合物600Kcal/kg左右，而紙、木屑為4000Kcal/kg左右?？晒┝繎?yīng)該不少于單窯用煤量的10％，否則可能產(chǎn)生不經(jīng)濟(jì)的結(jié)果。

　　2、必須適應(yīng)水泥窯的工藝流程需要?？扇紡U料的形態(tài)，水份含量、燃點等都會決定使用過程的工藝流程設(shè)計，而這個設(shè)計必須與原有水泥窯的工藝流程很好的配合。另外，新型干法窯需嚴(yán)格控制的Na2O、K2O、C1－這類有害成分的含量應(yīng)不以影響工藝技術(shù)要求為準(zhǔn)。

　　3、符合環(huán)保的原則。盡管目前世界上應(yīng)用著的二次燃料對大氣排放不產(chǎn)生新的污染，對制成的混凝土也無影響，我們?nèi)匀粡?qiáng)調(diào)在試用二次燃料時，必須確保符合無害排放和對產(chǎn)品無害的重要原則。

　　廢輪胎是世界上應(yīng)用量最大的二次燃料。

　　目前，世界上水泥工業(yè)應(yīng)用二次燃料是廣泛采用由專業(yè)公司進(jìn)行收集、加工，以品質(zhì)穩(wěn)定的成品供給水泥工廠使用的模式。如法國、比利時、挪威、德國、美國等均形成了這樣的二次燃料供應(yīng)渠道。少數(shù)國家（如丹麥等）則由水泥工廠自行予以處理廢料把它變成二次燃料。由專業(yè)公司生產(chǎn)的二次燃料，通常有較大的生產(chǎn)量以符合成本效益的原則。首先，政府以行政主導(dǎo)的方法，嚴(yán)格執(zhí)行“誰排放，誰支付排放成本”的法規(guī)，使這些專業(yè)公司在收集這類廢料時得到了可觀的補償費用。這些補償費用不但可以支付專業(yè)公司運作的全部成本，還可以分出一部分給焚燒二次燃料的水泥工廠，體現(xiàn)“誰處理廢物，誰有利可圖”的公平原則。

　　在解決了費用問題后，另一個主要的問題是專業(yè)公司必須把收集回來的各類廢料進(jìn)行嚴(yán)格的加工處理（廢輪胎不需加工，可直接送至水泥工廠），通常要完成破碎、烘干、配料等主要工作，以確保二次燃料必需達(dá)到的細(xì)小的顆粒，較低的含水量，熱值均齊可用等技術(shù)要求。最后，由專業(yè)公司按時按量送到水泥工廠的封閉式的貯倉備用，以防止無序堆放造成新的污染。而廢胎則可露天貯存，但應(yīng)注意防火。

　　水泥工廠使用二次燃料已有較成熟的工藝方法，廢輪胎通常可不作任何切割加工（重型卡車用的特別大的規(guī)格除外），整體由叉車送入喂料倉，經(jīng)可調(diào)節(jié)速度并帶有稱重裝置的輸送機(jī)、提升運送至回轉(zhuǎn)窯尾部，通過電腦計算送入窯的廢胎重量所換算成的熱量與窯頭噴煤系統(tǒng)連鎖控制，以調(diào)節(jié)窯的總供給熱。進(jìn)入窯尾的廢輪胎入口有多道閘門進(jìn)行鎖住熱風(fēng)的流失。

　　由專業(yè)公司提供的廢紙、廢塑料、木屑、動物的肉和骨等已是顆粒均齊的小粒，可由分解爐或回轉(zhuǎn)窯的噴煤管側(cè)另行設(shè)置管道由風(fēng)送入。廢油、廢溶劑等經(jīng)加熱及稀析后也從分解爐或回轉(zhuǎn)窯的噴煤管側(cè)另行設(shè)置管道加壓噴入。石油焦一類與煤相近的廢料則與煤一起混合粉磨，由煤管噴入。

　　四、我國水泥工業(yè)應(yīng)用二次燃料的前景

　　隨著我國工業(yè)化水平和人民生活水平的迅速提高，工業(yè)廢料棄置物和生活垃圾的排放量也在劇增。

　　據(jù)報導(dǎo)，我國每年產(chǎn)生廢舊輪胎量已達(dá)80萬噸，超過了日本60萬噸和德國40萬的水平，隨著汽車進(jìn)入家庭的社會變化，有可能在十年內(nèi)使廢輪胎翻番。目前我國處理廢輪胎主要是翻新成再生輪胎、制成再生膠、制造精細(xì)膠粉，然而輪胎翻修工業(yè)和再生膠工業(yè)在九十年代中新稅制出臺后這兩個行業(yè)先后陷入困境。而僅是用液氮冷凍粉碎法生產(chǎn)精細(xì)膠粉（目前我國有此類工廠40余家，年生產(chǎn)能力8萬噸左右）是較有經(jīng)濟(jì)價值和發(fā)展前途的處理方法。與上述較好的方法處置廢胎的同時，還有大量難的統(tǒng)計的廢輪胎被無序地處理，如不規(guī)范地用作燃料，割去有用部分后剩下的連子午線鋼絲被零散棄置，造成了很大的污染。廣州市廢胎的價格由五年前的500元／噸下跌至今約為200元／噸水平，說明過去處置廢輪胎的一些方法的輝煌時期已走到了盡頭。不久將來，廢輪胎成為發(fā)達(dá)國家的一種主要垃圾的格局也會在中國呈現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年約產(chǎn)生1.7億噸塑料垃圾，而我國占350萬噸，按1997年廣州市生活垃圾成分含塑料3.8％計算，廣州市每年從垃圾中棄置的廢塑料超過8萬噸。目前以填埋為主要處理城市生活垃圾的方法不僅不能很好地解決二次污染問題，而且浪費了土地資源，特別在發(fā)達(dá)地區(qū)的中心城市，如北京、天津、上海、廣州等，城市周邊難以在找到新的填埋場地。廢塑料也大量來源于拆車業(yè)，駕駛室內(nèi)被拆下主要是儀表盤、座椅都是工程塑料、皮革和海綿制品等，一般也無法利用而被作為垃圾棄置。隨著被報廢的汽車越來越多，如何處置也成為一個難題。隨著我國各類工業(yè)的發(fā)展，可燃廢棄物的數(shù)量也不斷增加，如汽車制造業(yè)的漆渣，以廢紙為原料造紙排出的含油墨紙渣，各類化學(xué)工業(yè)排出的廢溶劑，機(jī)械工業(yè)和汽車修理業(yè)排出的廢油，不勝數(shù)舉。上述這類可燃廢棄物，一旦成為水泥工業(yè)的二次燃料，不但可大量節(jié)約我國的能源資源，重要的是為我國的生態(tài)環(huán)境保護(hù)開拓出一條新路。

　　要有序地利用各類可燃廢料作為水泥工業(yè)的二次燃料，必須從現(xiàn)在起進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，并著重解決推廣實施中要解決的難點問題。筆者認(rèn)為，目前主要是：更廣泛地立法解決目前無序棄置廢物并加強(qiáng)執(zhí)法；積極推廣大城市生活垃圾分類收集；對排放廢物的企業(yè)立例收費等。

　　新型干法窯的建設(shè)在我國正在迅速發(fā)展，這為我國在環(huán)境保護(hù)和合理利用能源方面的戰(zhàn)略研究提供了一個嶄新的空間，因勢利導(dǎo)，我國的水泥工業(yè)有望真正地貼上綠色的標(biāo)簽。