水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

　　發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，走新型工業(yè)化道路是我國“十一五”規(guī)劃的戰(zhàn)略目標。建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的產(chǎn)業(yè)，已成為我國水泥工業(yè)建立新的發(fā)展模式的核心內(nèi)容之一，它意味著我們要從過度依賴資金、自然資源和環(huán)境投人、以量的擴張實現(xiàn)增長，轉(zhuǎn)向更多依靠發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和技術(shù)進步、以提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率獲取水泥工業(yè)的經(jīng)濟增長。我們要在加大力度進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、加快發(fā)展新型干法水泥的同時，推行清潔生產(chǎn)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。

　　由于我國水泥工業(yè)存在著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)問題，在環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展方面進展緩慢，一些技經(jīng)指標與國外相比差距較大。從二十世紀九十年代中、后期開始，我國水泥工業(yè)提高了對綠色生產(chǎn)技術(shù)重視程度，進入二十一世紀之后我國加強開發(fā)力度，而天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司是國內(nèi)水泥工業(yè)最早從事循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)研究的單位之一。多年來天津水泥院以推行清潔生產(chǎn)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟為目的，進行了不懈的努力，在水泥工業(yè)走循環(huán)經(jīng)濟道路的模式研究與技術(shù)裝備開發(fā)方面，取得了很大進展，主要體現(xiàn)在：

　　(1)新一代新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，實現(xiàn)大幅度節(jié)能、減少有害氣體排放；

   　(2)水泥廠的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)開發(fā)成功，已在多家企業(yè)得到采用；

　　(3)回轉(zhuǎn)窯焚燒可燃廢棄物和有毒有害物、工業(yè)及生活污泥的研究已取得很大進展，其技術(shù)已在幾家水泥廠應(yīng)用，北京水泥廠的焚燒有毒有害廢棄物示范工程已經(jīng)完成；

　　(4)礦渣超細粉磨的立式輥磨機已開發(fā)成功，并得到廣泛應(yīng)用；

　　(5)采用低品位石灰石，使用替代粘土原料和采用工業(yè)廢渣配料，無煙煤和低揮發(fā)份煤煅燒技術(shù)都已成熟，對細摻合料(如超細礦渣)與水泥強度的關(guān)系、水泥顆粒級配、顆粒形狀與水泥砂漿強度的關(guān)系作了較多的實驗室研究；

　　(6)對新型干法水泥廠燒成系統(tǒng)NOX減排研究取得很大進展，工業(yè)性應(yīng)用研究已經(jīng)完成，目前正在進行適應(yīng)不同規(guī)模的降低NOX的系列化裝備的開發(fā)及推廣應(yīng)用；

　　(7)水泥生產(chǎn)過程檢測與控制技術(shù)、水泥廠信息管理系統(tǒng)、高低壓供配電綜合自動化系統(tǒng)方面都取得了較大成績，天津水泥院在現(xiàn)場總線的控制技術(shù)開發(fā)方面也取得很大進展。下面就具體內(nèi)容逐一介紹。

　　1 實用技術(shù)介紹
　　1.1  推廣和發(fā)展新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)
　　天津水泥院自行開發(fā)三代預(yù)分解技術(shù)，達到國際先進技術(shù)水平的第三代預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)，包括了一系列高效、節(jié)能的技術(shù)裝備，如可控氣流篦式冷卻機，和回轉(zhuǎn)窯合理匹配的預(yù)熱器、分解爐，燃料適應(yīng)性強和燃燒性能好的多通道燃燒器，以及大型單段破碎機、大型節(jié)能生料輥磨、輥壓機、超細選粉機、行脈沖式袋收塵器等，提高了熟料燒成系統(tǒng)的整體水平。為了在回轉(zhuǎn)窯上和分解爐上能適應(yīng)焚燒廢棄物、低品質(zhì)燃料，還開發(fā)了相應(yīng)的燃燒器和分解爐、焚燒爐等(圖1)。
 

圖2 新型低熱耗低排放的六級預(yù)分解系統(tǒng)

　　目前天津水泥院有限公司已開發(fā)新一代水泥生產(chǎn)技術(shù)，并得到了應(yīng)用。其主要技術(shù)特征是新型低熱耗低排放的六級預(yù)分解系統(tǒng)(圖2)、二檔短窯、行進式穩(wěn)流新型冷卻機、高效燃燒器組成的燒成系統(tǒng)；大型生料立磨、立式煤磨、水泥輥式終粉磨組成的無球粉磨體系；現(xiàn)場總線控制技術(shù)等。采用新一代水泥生產(chǎn)技術(shù)的生產(chǎn)線比目前使用的同規(guī)模生產(chǎn)線節(jié)能7kg標煤/kg熟料。

　　1.2 推廣純低溫余熱發(fā)電技術(shù)
　　走進21世紀的中國，隨著GDP的快速增長，能源供應(yīng)緊張的狀態(tài)日趨明顯，尤其作為能源消耗大戶的水泥工業(yè)，不僅每年要消耗大量的煤炭等一次能源，而且還要消耗大量的二次能源——電力。近年來隨著我國水泥工業(yè)預(yù)分解技術(shù)的發(fā)展，各地新型干法水泥生產(chǎn)線的建設(shè)數(shù)量增加很快，如1000～10000t/d生產(chǎn)線相繼投產(chǎn)，雖然水泥熟料燒成熱耗比過去落后生產(chǎn)工藝降低了許多，但這些生產(chǎn)線仍有350℃以下低溫廢氣余熱沒有被很好利用。天津水泥院有限公司在“八·五”國家重點科技攻關(guān)項目——帶補燃鍋爐的水泥廠中、低溫余熱發(fā)電技術(shù)及裝備的研究開發(fā)成功的基礎(chǔ)上，隨著國內(nèi)低參數(shù)、多級進汽汽輪機的開發(fā)成功，國產(chǎn)裝備的純低溫余熱電站也進入了成熟階段，具有更顯著的節(jié)能效果。純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，既可大量回收低品位的余熱用以發(fā)電或熱電聯(lián)供，又可減少水泥生產(chǎn)對環(huán)境的廢熱及粉塵的污染，已成為國內(nèi)水泥工業(yè)節(jié)能降耗的有效途徑。

　　目前我國投入運行的純低溫余熱發(fā)電站在10座以上，另外第三代提高型純低溫余熱電站10多座也將陸續(xù)建成投產(chǎn)，噸熟料發(fā)電量在35kWh以上，余熱發(fā)電量是水泥熟料生產(chǎn)用電量的25%-30%。

　　隨著純低溫余熱發(fā)電站不斷建成投產(chǎn)，在大幅度降低水泥生產(chǎn)成本的同時也為國家節(jié)約了大量能源，保護了環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為我國的能源梯次開發(fā)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟提供了新思路。采用純低溫余熱發(fā)電技術(shù)是水泥工業(yè)企業(yè)內(nèi)部走循環(huán)經(jīng)濟道路的可操作模式之一。

　　1.3 水泥窯協(xié)同處理廢物
　　(1)工業(yè)廢物的水泥窯焚燒處置
　　隨著我國工業(yè)化進程的發(fā)展，工業(yè)固體廢棄物(含有毒有害廢物)作為對環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害的廢棄物，也呈現(xiàn)逐年增加的態(tài)勢，如何消除它們對環(huán)境的影響并利用它們做為代用燃料或代用原料是一個重要的問題。由于水泥行業(yè)處置廢棄物具有天然的優(yōu)勢，自上世紀90年代開始，國際水泥行業(yè)利用廢棄物作為替代原燃料已經(jīng)日益普遍，目前我國水泥窯規(guī)?；幚韽U棄物的技術(shù)開發(fā)取得了一定的進展，并日趨實用。國內(nèi)一些水泥企業(yè)已經(jīng)有了實踐經(jīng)驗，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院設(shè)計的北京金隅集團北京水泥廠年處理10萬噸廢棄物示范線工程已經(jīng)投產(chǎn)(圖3)。

圖3  處置廢氣物的燒成系統(tǒng)

　　(2)生活垃圾的處置
　　隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和生活水平的提高，我國生活垃圾正在以每年8%～10%的增長率在飛速增加，據(jù)國內(nèi)環(huán)保部門的調(diào)查，目前我國人均城市生活垃圾年產(chǎn)生量已經(jīng)達到440-460kg，城市生活垃圾的清潔化處置已經(jīng)成為多數(shù)城市發(fā)展的瓶頸，尋求經(jīng)濟、安全的城市生活垃圾處理方式已成為當務(wù)之急。  

　　目前國內(nèi)外水泥行業(yè)處置城市生活垃圾存在著幾種不同的技術(shù)方案，例如：
　　a 利用生活垃圾預(yù)處理公司提供的生活垃圾衍生替代燃料；
　　b 水泥廠和垃圾焚燒場或垃圾焚燒發(fā)電廠聯(lián)合，利用生活垃圾焚燒后的焚燒灰和飛灰作為水泥生產(chǎn)的替代原料使用；  
　　c 通過破碎、烘干、分選后將可燃物和無機物分別作為替代燃料和替代原料進行利用。

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院使用垃圾焚燒后的焚燒灰和飛灰作為水泥的替代原料，利用水泥窯進行處置，目前已經(jīng)在北京水泥廠有限公司處置廢棄物示范線工程上應(yīng)用。

　　(3)工業(yè)及生活污泥的處置
　　城市及工業(yè)污水在處理過程中會產(chǎn)生大量的污泥，這些污泥通常具有一些的氮、磷、鉀礦物和腐殖質(zhì)，由于有機物含量較高，具有一定的燃燒熱值，其干基熱值相當于泥煤。當污泥的水分含量顯著降低，完全可以作為劣質(zhì)燃料使用。污泥的無機礦物成分主要為粘土礦物，因此也存在著替代原料的可能性。

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院自2000年開始研究利用水泥窯系統(tǒng)處置市政污泥的技術(shù)，同前直接處置污泥技術(shù)已在北京水泥廠處置廢棄物示范線工程應(yīng)用。利用水泥生產(chǎn)過程中的廢熱干化污泥，干污泥在作為替代燃燒在水泥窯處置的技術(shù)研究已完成，目前正在工程應(yīng)用中。

　　1.4 工業(yè)廢渣與副產(chǎn)物資源化技術(shù)
　　(1)礦渣資源化
　　礦渣作為活性混合材早已在我國水泥行業(yè)得到普遍應(yīng)用，應(yīng)用方式是與熟料和石膏等原料配合后進行混合粉磨。如果將礦渣單獨粉磨至450m^2/kg以上的細度再與高質(zhì)純硅水泥進行混合，則不但可以提高礦渣在水泥中的摻量，而且可以改善水泥或混凝土的物化性能。

　　天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院開發(fā)了首臺TRM3131S型國產(chǎn)礦渣輥磨，設(shè)計年產(chǎn)量30萬噸高細優(yōu)質(zhì)礦渣粉，整體性能達到同類設(shè)備的國際水平(圖4)。

圖4  礦渣輥磨

　　該磨機采用了新型高效籠形轉(zhuǎn)子選粉機，保證成品比表面積可以在400～600m²/kg范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，可以烘干10%～20%水分并且大幅度的降低了投資和維護費用。

　　(2)鋼渣資源化
　　鋼渣是煉鋼過程中的副產(chǎn)物，由于鋼渣本身的性能差異很大，穩(wěn)定性也較差，加之鋼渣的硬度較大，易磨性差，并且在鋼渣中還含有金屬鐵和含鐵磁性物質(zhì)，因此，在鋼渣的有效利用上存在很大難度。

　　國內(nèi)于20世紀60年代就開始用鋼渣生產(chǎn)水泥的研究，20世紀80年代發(fā)展速度明顯。鋼渣的前處理工作比較重要，目前天津水泥院有限公司正進一步研究開發(fā)鋼渣資源化方法。

　　(3)粉煤灰的資源化
　　隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，粉煤灰的排放量也逐年快速增長，目前，粉煤灰的年排放量已經(jīng)達到了2.0億噸。多年來粉煤灰綜合利用一直是我國要研究解決的重要課題。

　　水泥工業(yè)應(yīng)用粉煤灰的方法有如下兩種：
　　a替代水泥原料配制水泥生料
　　b用作水泥混合材

　　我國早在上世紀70年代就頒發(fā)了粉煤灰水泥標準，是我國五大水泥品種之一，標準中規(guī)定粉煤灰的摻量在20%～40%，而在實際生產(chǎn)中，受粉煤灰品質(zhì)和粉磨工藝的影響，一般摻量在20%～25%左右。天津水泥院有限公司正在進行深入研究，采用熟料與粉煤灰分別粉磨的方法，根據(jù)兩種物料的易磨性控制物料流速而發(fā)揮更好的粉磨效果，使粉煤灰摻入量可以達到60%～70%。

　　由于我國粉煤灰質(zhì)量普遍不如國外，所以粉煤灰活化技術(shù)的開發(fā)也是要考慮的。

　　(4)電石渣的資源化技術(shù)
　　我國電石渣年排出量超過千萬噸，并成逐年上升趨勢，累積的堆渣不僅需要占用大量土地堆放，還嚴重污染環(huán)境。電石渣可以部分替代石灰石作為生產(chǎn)水泥的鈣質(zhì)原料，從而節(jié)約石灰石資源。一般有兩種生產(chǎn)工藝：
　　a “濕磨干燒”生產(chǎn)水泥熟料
　　b “干磨干燒”生產(chǎn)水泥熟料

　　“干磨干燒”充分利用了新型干法水泥生產(chǎn)的優(yōu)越性，具有容積效率高，系統(tǒng)熱耗低的特點，但由于電石渣的特殊性質(zhì)，電石渣的摻入量越大，對預(yù)熱器分解爐系統(tǒng)的影響越大，摻量過大時在溫度較高的旋風(fēng)筒和分解爐錐部容易出現(xiàn)結(jié)皮堵塞現(xiàn)象，所以燒成系統(tǒng)在工藝流程和設(shè)備設(shè)計上要充分考慮，在熱工制度上需要進行有效控制，目前天津水泥院已研究了電石渣100%替代石灰的技術(shù)，正在工程化應(yīng)用。

　　(5)煤矸石的資源化技術(shù)
　　煤矸石是煤炭生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn)生的固體廢物。煤矸石的產(chǎn)生量約占煤炭開采量的l0%～25%，全國累計貯存的煤矸石約有40億噸以上，每年新增加的煤矸石大約有2億噸，煤矸石已經(jīng)成為占用堆積場地最多的一種工業(yè)廢渣。煤矸石在水泥工業(yè)的應(yīng)用方式為：
　　a 煤矸石用作水泥熟料的原料
　　b 煅燒煤矸石用作水泥混合材和混凝土的摻合料
　　c 用煤矸石制備無熟料水泥

　　以煅燒煤矸石作為水泥混合材生產(chǎn)火山灰水泥，已在很多水泥廠有成功的實踐。煤矸石在700～900℃左右時經(jīng)過煅燒，能夠明顯增加二氧化硅和三氧化二鋁與石灰或者氫氧化鈣的反應(yīng)活性。蒙西高新技術(shù)集團公司利用煅燒煤矸石作為混合材，生產(chǎn)高性能復(fù)合硅酸鹽水泥已有很好的業(yè)績，天津水泥院有限公司也正在進行研究與開發(fā)。

　　2 對水泥工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的建議及具體措施
　　2.1 建議
　　(1)制定統(tǒng)一的利用廢棄物的法規(guī)體系
　　當前最需要制定的政策就是鼓勵水泥生產(chǎn)企業(yè)使用廢棄物和處置廢棄物，使他們有真正的經(jīng)濟效益、責任感和榮譽感。另外要制定嚴格的廢棄物排放企業(yè)的職責和義務(wù)，對于非法丟棄廢棄物的企業(yè)或個人必須有嚴厲的懲罰與法律措施。從上述兩方面內(nèi)容可派生制定一系列法規(guī)和政策條文。

　　(2)有害元素及污染物的限值標準和檢測標準。
　　在水泥工業(yè)處置廢棄物后，必需要有代用原燃料重金屬的限值標準，在水泥和熟料產(chǎn)品中也要檢測有害元素和重金屬的含量，因此制定相關(guān)的標準非常重要。

　　另外，由于焚燒廢棄物后，還要補充制定針對水泥工業(yè)的一些污染物排放限值標準以及測定標準。減少和消除POPS以及尋找方便有效的檢測方法，也是我們要注意的一個問題。

　　(3)促進水泥工業(yè)納入?yún)^(qū)域和社會循環(huán)經(jīng)濟的政策
　　水泥工業(yè)與其他工業(yè)系統(tǒng)、市政保部門(如鋼鐵、電力、垃圾處理部門等)，特別是與工業(yè)廢棄物及各種有毒有害廢棄物的產(chǎn)生工業(yè)建立橫向共生與代謝生態(tài)鏈的研究，是搞好廢棄物處置與處理工作的重要條件，由于我國基礎(chǔ)條件與先進國家有很大差距，故應(yīng)對我國的特殊環(huán)境問題進行研究，提出相應(yīng)的獎懲政策。

　　2.2 措施
　　(1)設(shè)計工作要逐步納入生態(tài)工程設(shè)計程序
　　眾所周知，水泥產(chǎn)品及生產(chǎn)過程的環(huán)境特性在很大程度上決定于設(shè)計階段，而水泥工業(yè)生態(tài)設(shè)計就是要把生態(tài)環(huán)境意識貫穿或滲透到水泥產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的設(shè)計之中，人們逐步認識到不是通過生態(tài)設(shè)計的產(chǎn)品就不是工業(yè)產(chǎn)品。一個工廠生態(tài)設(shè)計的水平，主要由生態(tài)設(shè)計技術(shù)要素、生態(tài)設(shè)計控制內(nèi)容和水泥產(chǎn)品的環(huán)境協(xié)調(diào)性決定的，在設(shè)計中要貫徹如下原則：

　　a 工藝技術(shù)方法的先進性、符合生態(tài)化要求的原燃料、生產(chǎn)規(guī)模與產(chǎn)品質(zhì)量要求、生產(chǎn)與環(huán)保設(shè)備選型、生產(chǎn)過程控制及計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用等；
　　b 一切技術(shù)與裝備的選用，首先要考慮資源和能源的有效利用、污染物排放的有效控制、滿足無毒無害水泥產(chǎn)品品質(zhì)的要求等；
　　c 對生態(tài)設(shè)計的結(jié)果進行水泥產(chǎn)品生命周期評價。

　　(2)建立水泥工業(yè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)工程中心
　　為了加快廢棄物的循環(huán)利用工作，應(yīng)加大力度開展相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，制定相應(yīng)標準規(guī)范，對引進技術(shù)和設(shè)備進行再創(chuàng)新，為此要有開發(fā)和研究的必要條件。建立工程中心對研發(fā)與成果的推廣應(yīng)用將會有重要作用。

　　3 結(jié)束語
　　(1)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)節(jié)約型水泥工業(yè)，是我國水泥工業(yè)的發(fā)展方向，為此要加強產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展新型干法水泥，同時要在水泥企業(yè)推行“清潔生產(chǎn)”，在設(shè)計部門開展“生態(tài)工程設(shè)計”；

　　(2)水泥工廠的純低溫余熱發(fā)電技術(shù)，可以節(jié)約能源、減排CO₂、減少環(huán)境負荷和減少環(huán)境污染，有利于循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，應(yīng)在全行業(yè)推廣；

　　(3)水泥窯協(xié)同處置廢物的主要模式有：工業(yè)廢棄物(含有毒有害廢棄物)、生活垃圾和下水污泥的處理等，隨著循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展將有更多的廢棄物進入水泥制造領(lǐng)域；

　　(4)工業(yè)廢渣與副產(chǎn)物資源化的主要模式有：礦渣的資源化、鋼渣的資源化、粉煤灰的資源化、煤矸石的資源化、電石渣的資源化等，建筑垃圾及某些尾礦渣的資源化也是應(yīng)該重視的問題；

　　(5)水泥工業(yè)在區(qū)域循環(huán)經(jīng)濟中起著重要作用。社會層面的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展是社會的系統(tǒng)工程，在政府的引導(dǎo)下，將隨著我國整體經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變而發(fā)展；

　　(6)要倡導(dǎo)新的經(jīng)濟法規(guī)和行為準則，要制定相應(yīng)的標準和規(guī)范。