淺談水泥材料生態化發展的技術途徑

陳鳳

水泥材料作為最主要的建筑材料，為我國的經濟發展提供了重要的物質基礎。水泥生產工藝的不斷發展為水泥的廣泛應用起了非常重要的作用。本文主要介紹生態水泥的概念、種類和特征，及以城市生活垃圾和固體廢棄物為原料制備生態水泥的工藝流程及其性能；綜述國外生態水泥的研究發展，闡明生態水泥對經濟發展的社會意義及作用，最后指出生態水泥是我國水泥工業，尤其是大都市水泥工業可持續發展的重要環節，必須加強對生態水泥的研究和投入。

一、生態水泥簡介

生態水泥，又稱綠色水泥和環保水泥，是利用各種廢棄物，包括各種工業廢料、廢渣以及城市生活垃圾作為原燃料經燒結粉磨而制造的水泥。廣義上講，生態水泥不是單獨的水泥品種，而是對水泥“健康、環保、安全”屬性的評價，包括對原料采集、生產過程、施工過程、使用過程和廢棄物處置5大環節的分項評價和綜合評價。生態水泥的基本功能除作為建筑材料的實用性外，還在于維護人體健康、保護環境。

生態水泥的種類主要可以分為兩種：通用型生態水泥和快硬型生態水泥。所謂通用型生態水泥基本與傳統普通水泥相似，是通過控制原料中氯和堿的比例燒制而成，在燒制過程中氯被灰固結，產品含氯量僅有0.1%左右，因此通用型生態水泥可以廣泛應用到一切鋼筋混凝土構件中；快硬型生態水泥則是以富含氧化鋁以及氯化物的焚燒灰為主要原料燒制而成的鋁酸鈣水泥，其早期強度高，比傳統早強水泥凝固時間更短，可用于澆筑預制構件以及配制水泥砂漿，但是由于其含氯量較高，僅可應用于素混凝土或耐氯鋼筋混凝土構件中。

生態水泥與傳統水泥相比，具有5方面的基本特征：

1.大量節省生產能耗。其生產所用原料盡可能少用天然資源，而大量使用尾礦、廢渣、垃圾、廢液等廢棄物。利用城市垃圾和污泥來生產生態水泥拓寬了原材料來源，減少了天然資源的消耗，降低了水泥生產的成本，有利于水泥行業的可持續發展。

2. 顯著減少生產過程中二氧化碳排放量。生產和使用過程中有利于保護和改造自然環境、治理污染。

3.固體工業廢渣的合理利用。省卻了廢棄物填埋處理工序，不需要填埋場地，生產過程中不會造成二次污染，有利于環保，可使廢棄物再生資源化，并可回收利用。

4.產品設計以改善生活環境、提高生活質量為宗旨，即產品不僅不危及人體健康，而且應有益于人體健康，重視產品的多功能化，如阻燃、防火、調溫、調濕、消聲、防射線等。

5.水泥產品的質量和標號得以提高與國際接軌。生態水泥在我國尚處于萌芽時期，相關的政策法規尚未建立，原有的法規缺少針對性和可操作性。水泥廠處置、利用城市和工業廢棄物，需要將之納入法制的軌道，同時必須健全各項環保法規以及各項質檢規范，使廢棄物的處置利用和生態水泥的生產和使用做到有法可依、有章可循。

二、生態水泥制備技術

一般硅酸鹽水泥的原料包括石灰石、粘土類原料和鐵質原料等，而生態水泥的配比組成因垃圾焚燒灰和下水污泥等占有相當大的比重，則石灰石的含量可大大減少。雖然垃圾焚燒灰中的氧化鋁和氯化物離子較多，但也包含了較多的水泥必要成分，生態水泥就是最大限度地利用了焚燒灰的成分，1t水泥至少要使用垃圾焚燒灰和下水污泥500kg。

生態水泥的主要生產工藝類似傳統普通水泥生產工藝，但是由于原料采用的是廢棄物，因此增加了重金屬回收預處理系統，這樣可以防止燒制過程中原料分解的二噁英再合成，避免二次污染。生態水泥的生產采用回轉窯生產工藝，其優點是回轉窯可以使廢棄物原料在高溫環境中停留足夠長的時間，讓廢棄物能夠完全分解，這樣就不會產生不完全燃燒產物和有害氣體污染大氣。

由于生態水泥使用城市垃圾燒卻灰，與使用天然原料生產普通水泥相比，應特別注意以下兩點：1.作為代用原料的城市垃圾燒卻灰由于其化學成分不穩定，離散性大，故如何得到成分均勻、質量穩定的入窯生料是整個工序的關鍵。應加強原料的預均化和生料的均化，使生料成分波動在允許的范圍內；2.由于煅燒過程中堿及其它重金屬氯化物容易揮發，因此設計生料組成時，需考慮生料中的氯含量要與堿和其它金屬含量平衡，若生料中的堿含量相對氯不足，應加入碳酸鈉以使過量的氯揮發。

若生料中含有重金屬及氯，則不宜直接使用懸浮預熱器窯，因為氯化物冷凝可能導致預熱器堵塞，宜將原料直接投入回轉窯中煅燒或對預分解窯采用旁路放風措施。燒卻灰帶進的二噁英在高于800°C下完全分解，窯尾廢氣應采用冷卻塔快速冷卻至250°C以下，以防止在250～350°C時二噁英重新生成。廢氣中氯化物經冷卻塔和分離器冷卻，由收塵器收集。收集下來的粉塵送往金屬回收工藝流程處理。

生態水泥煅燒出的熟料摻加1%(質量分數)硫酸鈉，粉磨至450m2/kg，然后與700m2/kg的無水石膏混合，硫酸鈉控制快硬水泥的凝結時間，而硬石膏用于快速生成鈣礬石，并保持強度穩定增長。

燒卻灰帶進的重金屬中，大多數的Cr和Zn在煅燒過程中進入熟料礦物，而Pb，Cu，Cd及其它重金屬則以氯化物形式揮發，并被收集在窯灰中。窯灰首先與水混合，然后加入硫酸，在酸性條件下富含鉛的硫酸鹽沉淀析出。固液分離后，在濾液中加入氫氧化鈉和硫氫化鈉，控制pH值和氧化-還原電位，富含銅的硫化物沉淀析出，從濾液中分離出來。兩種分別富含鉛和銅的沉淀送至熔爐回收重金屬。廢氣經凈化處理，滿足相關標準后排放。為防止重新生成二噁英，廢氣要快速冷卻至250°C以下。

三、生態水泥環境評價

目前，大多用生命周期分析評價法評價環境負荷狀況。就生態水泥而言，則以生態水泥生產及焚燒灰處理裝置為比較對象，進行評價。其評級步驟為：1.國產天然原料開采；2.國產原料燃料貯運；3.水泥生產4.自備電站；5.硅酸鹽水泥；6.貯運；7.調運站；8.生態水泥生產；9.生態水泥；10.用戶；11.混凝土攪拌、澆注；12.城市垃圾焚燒及焚燒灰；13.進口原料、燃料原產國開采加工；14.海外貯運；15.重金屬回收；16.計算范圍。其評價系統由于降低了二氧化碳排放量和固化了重金屬，則減輕了環境負荷。

四、結語

20世紀大生產、高消耗、多廢棄的經濟社會體系創造了繁榮與多彩的文明，同時也引發了地球溫度升高，二噁英、環境荷爾蒙、廢棄物等生態安全的顯在化。因此，生態水泥技術的開發與實踐，既有利于抑制生態環境的惡化，又推動了焚燒灰和下水道污泥等的再資源化。對水泥企業，特別是大城市的水泥企業而言，利用工業廢棄物和城市垃圾生產水泥，不僅是必要的，而且在技術上也是可行的。大城市水泥工業應轉變觀念，確立以處置利用城市廢棄物為主、生產水泥為輔的新觀念。因此，如何利用水泥窯爐高溫煅燒的特點，積極探索處置、利用城市廢棄物作原燃料生產生態水泥的技術和途徑，是我國水泥工業尤其是大都市水泥工業可持續發展的一個重要環節。這是功在當代，利在千秋的大事，應引起我國水泥工業中科研、設計、生產等各部門的高度關注，也應得到各級人大和政府及有關部門的高度重視，制定、健全相關的法規，并給予政策上的支持，使生態水泥的研究和開發在我國迅速得到重視和發展。