水泥工業(yè)協同處置工業(yè)廢料的現狀研究

黃 健

1 廣州市市政職業(yè)學校，510500； 2 廣州大學市政技術學院，510880

水泥工業(yè)協同處置工業(yè)廢料的現狀研究

黃 健1,2

1 廣州市市政職業(yè)學校，510500； 2 廣州大學市政技術學院，510880

本文主要論述水泥工業(yè)協同處置工業(yè)廢料的處置現狀；水泥工業(yè)對于我國現代化建設有重要的意義，同時水泥工業(yè)作為高能耗、高消耗的產業(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題。本文通過調查研究水泥工業(yè)利用工業(yè)廢料作為二次原料或者二次燃料來協同處置，其處置方式具有資源化、節(jié)約能源、無二次污染等特點，具有廣闊的應用前景。

水泥工業(yè)； 二次燃料； 二次原料；粉煤灰；垃圾焚燒灰渣

前言

目前國際上普遍認為水泥工業(yè)是處置廢棄物的主要途徑。水泥行業(yè)由于窯爐內溫度高、粉塵收集設備先進以及對處理的廢物包容性強等特點，能夠較好的協同處置廢物，帶來一定的社會效應和經濟效益。同時，針對目前國家對高能耗、高污染行業(yè)節(jié)能減排的要求，通過水泥行業(yè)來處置廢物這條途徑將會給予水泥行業(yè)新的生命力！

水泥回轉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)副產品(粉煤灰，高爐礦渣，煤研石，硅藻土，廢石膏等)，危險工業(yè)廢棄物，各種有機廢棄物(廢輪胎，廢橡膠，廢塑料，廢油等)，其中危險工業(yè)廢棄物可以參考相應的國家和地方制定的有關有害廢棄物名錄。

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行，以二次原料和二次燃料的形式參與水泥熟料的煅燒過程，二次燃料通過燃燒放熱把熱量供給水泥煅燒過程，而燃燒殘渣則和二次原料通過煅燒時的固-液相反應進入熟料主要礦物。燃燒產生的廢氣和粉塵通過高效收塵設備凈化后排入大氣，收集到的粉塵則循環(huán)利用。從而既生產了水泥熟料，又處理了廢棄物，同時又沒有對環(huán)境產生新的污染，達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生活垃圾的處置方式。但是這種方式處理后會產生垃圾焚燒灰渣。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及未燃有機物組成。飛灰是指在煙氣凈化系統和熱回收利用系統（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（在焚燒室內產生并排出，在加入化學藥劑前被去除的顆粒物，如布袋除塵室飛灰）、加入的化學藥劑及化學反應產物，其物理和化學性質隨焚燒廠煙氣凈化系統的類型不同而有所變化。目前對于灰渣的處置主要是以水泥固化填埋為主，但是這會占用大量的土地，同時可能會造成二次污染，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 材料的化學組成[1]

圖2 垃圾焚燒飛灰/爐渣用于生產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污染體，被列為危險廢物的；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，將會對環(huán)境造成嚴重的危害。是我們對廣州市李坑垃圾焚燒發(fā)電廠產生的灰渣的研究結果見表1。

可以看到，灰渣中的眾多元素都已經超過了III類土壤標準限值，III類土壤標準限值是為保障農林生產和植物正常生長的土壤臨界值。因此，對于灰渣的處置不當將會嚴重污染土壤。目前對于飛灰的處置費用非常昂貴，達到了1000元/噸。灰渣的化學組成如表2。

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

圖3 太平洋水泥廠對飛灰的處置

表3 污泥熱值[2]

表4 粉煤灰的化學組成

表5 礦渣的化學組成

目前日本的太平洋水泥廠已經有這個方面的實例。他們把飛灰一方面通過一個水洗系統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，通過旁路放風等措施，生產一種含氯硫的生態(tài)水泥。但是水洗系統較為繁冗，生態(tài)水泥的使用面非常狹窄，不適合我國國情的發(fā)展！

國內對于灰渣的處置參考了國外的處置方式；北京水泥廠在這一方面開展較早。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，同時能夠生產水泥熟料。另外廣州珠江水泥廠在這一方面的利用目前實驗室研究已經完成。

1.2 污泥

污泥是污水處理廠污水處理的二次產物, 污水處理廠每天都產生大量需要處理處置的污泥。污泥中含有大量的有機物、重金屬，對污泥的處置一方面需要大量的資金（從西方發(fā)達工業(yè)國經驗看, 一個完善的污泥處理處置系統, 其運行成本往往占整個污水處理廠總運行成本的50%以上）；另一方面還可能因為處置失當而造成二次污染。從技術角度看,目前污泥處置方式主要有農用、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)處理污泥的技術出發(fā)點就是把污泥作為水泥煅燒原料進行處理。不僅具有焚燒法的減容、減量化特征, 且燃燒后的殘渣成為水泥熟料的一部分, 不需要對焚燒灰進行處理填埋。另外污泥含有一定量的熱值，對于熟料的煅燒也有幫助。

世界上發(fā)達國家利用水泥窯處理廢棄物生產生態(tài)水泥已有百余年的歷史, 擁有成熟的經驗, 而我國利用污泥來生產水泥尚屬起步階段, 有待進一步的發(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)境管理系統的水泥廠,并得到ISO14001國際標準的認證, 它為規(guī)劃、實施和評價環(huán)境保護措施提供可靠的框架。日本的太平洋水泥廠已經有利用城市污泥生產生態(tài)水泥的經驗[3]。

我國在這方面的研究較晚，上海水泥廠用龍華水質凈化廠污泥代替黏土生產水泥。北京水泥廠、廣州水泥廠、珠江水泥廠都有使用污泥生產水泥的經驗。廣州水泥廠利用現有的水泥熟料燒成系統,處理花都區(qū)內的印染污泥和城市污水污泥,日處理力達600噸。重慶拉法基水泥廠年處理4萬噸污泥,一年僅污泥處理運行費用就可節(jié)省400萬元。2008年,北京水泥廠建設水泥窯處置污泥項目,年處理污泥15萬噸[3]。

1.3 粉煤灰、高爐礦渣

嚴格意義上來說，粉煤灰和高爐礦渣在目前已經不能夠稱為廢料。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性；同時，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驗。

高爐礦渣是煉鐵過程中經人工或自然冷卻處理后生成的工業(yè)副產物, 屬于火山灰性質的混合材料, 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，同時細磨礦渣的價格較高（達到180元/噸），目前水泥工業(yè)已經較少的使用，礦渣主要應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)已經用過而曾被廢棄但仍可被水泥工業(yè)用來替代天然礦物燃料的物質。使用二次燃料，既可節(jié)約日趨減少的資源，又有保護環(huán)境的作用，對水泥廠還可降低生產成本，因此水泥工業(yè)利用二次燃料已稱為必然的趨勢。以Holcim水泥公司在歐洲的水泥廠為例:它們的2100萬t熟料產量中,到2002年利用二次燃料的比例已達22%。全德國的水泥工業(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。其中對二次燃料的熱值有相應的使用要求，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燃料進行使用，同時燃燒后的殘渣也消化在水泥熟料中，從而達到協同利用的目的。

使用二次燃料要遵循相應的原則，主要有以下幾個方面：

1）代替常規(guī)燃料后能產生經濟效益

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

2）適應水泥窯的工藝流程需要

應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。

3）符合環(huán)保的原則

目前，歐美水泥工業(yè)對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、加拿大的利用約占各自水泥生產總熱耗的5%,英、法、德等國約為6%～8%，最高的是瑞士達20%。近年我國在這方面也進行了有益的探索和試驗。

北京水泥廠利用樹脂渣、廢漆渣、有機廢溶液、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行了焚燒試驗。測定結果表明，排放廢氣中的有機廢物和重金屬的濃度和排放量，均未達到北京市允許的最高排放標準，對熟料和窯灰取樣做了重金屬浸出試驗，測定結果重金屬的浸出量低于地表水二級標準，對水泥產品質量亦無影響。

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

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

[3]王濤.污泥焚燒技術現狀、存在問題與發(fā)展趨勢[J].西南給排水. 2009（1）

[4]姜麗杰, 孫勝龍, 張曉紅. 利用水泥回轉窯處理危險廢物[J]. 長春師范學院學報. 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)學校教師。主要從事建筑材料的教學與研究。