水泥工業(yè)處理廢棄物優(yōu)勢(shì)及問題分析

摘要：利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理工業(yè)和生活廢棄物，是水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。水泥工業(yè)在處理廢棄物方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在不可忽視的問題。發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，解決問題，實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)“生態(tài)化”發(fā)展。

0 前言

　　隨著世界工業(yè)化和信息化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)生產(chǎn)中的許多廢棄物（工業(yè)垃圾）的排放在不斷增加，并且由于目前對(duì)這些排放的廢棄物還沒有一個(gè)相對(duì)來說比較好的處理辦法，這些廢棄物日積月累，數(shù)量正在驚人地上升（僅我國(guó)每年的工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量大約就有6億噸）。而這些廢棄物中有許多是對(duì)人類自身和人類賴以生存的自然環(huán)境有嚴(yán)重影響的危險(xiǎn)廢棄物。同時(shí)由于生活水平的日益提高，城市生活垃圾的數(shù)量也在急劇上升。就我國(guó)來講，到2000年我國(guó)城市垃圾已達(dá)到1.3億噸，北京市2000年的垃圾量是500萬噸。如何處理這些對(duì)人類和自然環(huán)境有危險(xiǎn)的廢棄物，使之不會(huì)對(duì)人類以及人類賴以生存的自然環(huán)境再有不良影響，并且在處理過程中也盡量對(duì)環(huán)境產(chǎn)生比較小的危害。更進(jìn)一步地講，怎樣使這些看似沒有利用價(jià)值的資源轉(zhuǎn)化為人類可以再次利用的資源已經(jīng)成為一個(gè)越來越引起人們重視的問題。

　　另一方面，水泥工業(yè)由于其資源和能源的巨大消耗，以及產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，使水泥工業(yè)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了沉重的負(fù)荷。（我國(guó)水泥生產(chǎn)每年所需要能源，資源及排污的統(tǒng)計(jì)與預(yù)算見表1）。環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)對(duì)世界各國(guó)水泥工業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)水泥工業(yè)的“生態(tài)化”，使水泥工業(yè)變?yōu)閷?duì)環(huán)境友好的工業(yè)已經(jīng)成為水泥工業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。

　　如何把工業(yè)和城市生活垃圾的處理與水泥生產(chǎn)中對(duì)原，燃料的需求結(jié)合起來，既處理了工業(yè)和城市生活垃圾，又可以部分解決水泥生產(chǎn)對(duì)原燃料的巨大需求問題，這已經(jīng)成為世界水泥界的一項(xiàng)科研課題。目前，世界上解決的辦法大致有兩種，（1）利用垃圾焚燒爐焚燒工業(yè)和生活垃圾，再把焚燒灰做水泥生產(chǎn)的原料，通過配料計(jì)算加入原料中，來燒制水泥熟料，日本已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于水泥工業(yè)。（2）把工業(yè)或城市垃圾在水泥窯中焚燒，水泥生產(chǎn)過程既做垃圾焚燒爐，又做水泥熟料燒成設(shè)備，同時(shí)垃圾焚燒灰又可以做水泥原料，歐美國(guó)家的水泥行業(yè)側(cè)重于研究和應(yīng)用這方面的技術(shù)。

   表1      我國(guó)水泥生產(chǎn)每年所需要能源，資源及排污的統(tǒng)計(jì)與預(yù)算

1.水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的前提和優(yōu)勢(shì)

　　水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的前提是：（1）不能影響水泥質(zhì)量：（2）不能對(duì)操作工人的身體健康有危害；（3）不能對(duì)生產(chǎn)設(shè)備有損壞；（4）不能影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行；（5）生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品不能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染；（6）廢棄物在水泥原料和燃料中要達(dá)到一定的比例以便產(chǎn)生環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益；（7）產(chǎn)生的水泥要盡可能有大的適用范圍。

　　水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的優(yōu)勢(shì)是：（1）水泥窯內(nèi)溫度高，物料溫度可達(dá)到1450⁰C，而煙氣溫度則可高達(dá)1750⁰C，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于垃圾焚燒爐的850⁰C和1200⁰C；（2）煙氣在水泥窯中的停留時(shí)間為4S以上，而在垃圾焚燒爐中則只有2S；（3）水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣流和物料的運(yùn)動(dòng)方式有利于廢棄物的完全燃燒；（4）水泥熟料煅燒的堿性條件有利于廢棄物中的氯，硫和氟等被窯內(nèi)的堿性物質(zhì)完全中和；（5）廢棄物焚燒殘?jiān)ㄟ^固相和液相反應(yīng)進(jìn)入水泥熟料中，一些危險(xiǎn)的重金屬元素也被固化在水泥熟料中；（6）可燃的廢棄物通過燃燒提供了熟料煅燒所需的部分熱量，且燃燒產(chǎn)物為無害氣體，同時(shí)達(dá)到了廢棄物處理、能源節(jié)約和CO₂排放減少的多重效果；（7）水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的全負(fù)壓運(yùn)行，高效收塵系統(tǒng)和回灰循環(huán)利用系統(tǒng)保證了有害粉塵的收集和利用，使廢氣達(dá)到了安全排放；（8）以上提到的水泥回轉(zhuǎn)窯在處理廢棄物時(shí)所具有的優(yōu)勢(shì)都是和水泥生產(chǎn)的工藝過程同時(shí)進(jìn)行的，也就是說，在對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)不進(jìn)行大的設(shè)備調(diào)整的條件下，可以利用現(xiàn)有的水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)進(jìn)行廢棄物的焚燒處理。

2.水泥回轉(zhuǎn)窯可以處理的廢棄物種類和處理方式

　　水泥回轉(zhuǎn)窯可以處理的廢棄物種類包括生活垃圾、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(chǎn)品（粉煤灰，高爐礦渣，煤矸石，硅藻土，廢石膏等）、危險(xiǎn)工業(yè)廢棄物、各種有機(jī)廢棄物（廢輪胎，廢橡膠，廢塑料，廢油等），其中危險(xiǎn)工業(yè)廢棄物可以參考相應(yīng)的國(guó)家和地方制定的有關(guān)有害廢棄物名錄。處理方式是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?jiān)鼊t作為原料通過煅燒時(shí)的固、液相反應(yīng)進(jìn)入熟料主要礦物，燃燒產(chǎn)生的廢氣和粉塵通過高效收塵設(shè)備凈化后排入大氣，收集到的粉塵則循環(huán)利用，達(dá)到既生產(chǎn)了水泥熟料又處理了廢棄物，同時(shí)減少環(huán)境負(fù)荷的良好效果。

3.水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的工藝過程

　　針對(duì)廢棄物在水泥熟料煅燒過程中所起的不同作用，水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的工藝過程目前主要有兩種方式（1）焚燒爐的垃圾焚燒灰僅做水泥原料的水泥工藝過程和（2）垃圾既做水泥原料又做燃料的直接焚燒垃圾的水泥工藝過程。

3.1  以水泥原料方式處理垃圾焚燒灰時(shí)采用的水泥工藝過程

　　這種處理方式由于垃圾焚燒灰中含有大量的氯元素，所以一般應(yīng)該采用濕法回轉(zhuǎn)窯或者帶立筒預(yù)熱器的懸浮預(yù)熱窯，以避免在預(yù)熱器連接處發(fā)生結(jié)皮和堵塞。

3.2  直接焚燒廢棄物的水泥工藝過程

　　一般來講，各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自己的實(shí)際情況并結(jié)合各生產(chǎn)工序設(shè)備情況，采用不同的加料方式。例如北京水泥廠，根據(jù)垃圾的不同物理形態(tài)和發(fā)熱量的大小，在焚燒時(shí)將固態(tài)廢物從回轉(zhuǎn)窯窯尾均勻加入；瓶裝液態(tài)、半固態(tài)廢物用空氣炮從窯尾直接打入水泥燒成段；液態(tài)有機(jī)廢液隨燃油從窯頭噴入。

3.3  對(duì)兩種處理方式的共同要求

　　雖然上述兩種利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的方式各有千秋，但有一項(xiàng)要求是它們的共同點(diǎn)，那就是必須有良好的收塵系統(tǒng)。因?yàn)樗嗷剞D(zhuǎn)窯焚燒處理工業(yè)和生活垃圾時(shí)，一些沒有被水泥熟料固化的有害的化學(xué)物質(zhì)會(huì)在溫度降低時(shí)由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)并附著在水泥熟料煅燒時(shí)產(chǎn)生的灰塵上，所以為了減少環(huán)境危害，就必須把這些灰塵收集下來另外處理掉。這就對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯收塵系統(tǒng)的收塵效率提出了更高的要求，現(xiàn)在一般認(rèn)同采用大的布袋收塵器。

4.水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物時(shí)存在的問題

4.1  設(shè)備問題

　　由于目前需要處理的廢棄物種類很多，而且即便是同一種類型的廢棄物，其成分和性質(zhì)也有很大差別。因此，為了保證生產(chǎn)的穩(wěn)定和連續(xù)，在利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物時(shí)就必須對(duì)有關(guān)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造。首先，必須有對(duì)進(jìn)廠的廢棄物進(jìn)行預(yù)處理的相關(guān)設(shè)備；其次，必須對(duì)水泥生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行必要的改造，以便使水泥生產(chǎn)線從單一的水泥生產(chǎn)工藝過程轉(zhuǎn)變?yōu)榭杉嫒輳U棄物處理的生產(chǎn)工藝過程，其中主要包括（1）根據(jù)處理廢棄物的類型確定水泥窯的種類；（2）燃燒器的改造，（3）配料設(shè)備的改造，（4）輸送設(shè)備的改造，（5）廢棄物入窯裝置的設(shè)置，（6）收塵系統(tǒng)的改造，（7）對(duì)廢棄物進(jìn)行必要化學(xué)分析的設(shè)備；

4.2  二噁英的問題 

　　水泥煅燒時(shí)的溫度很高，超過了產(chǎn)生二噁英的溫度范圍，破壞了它的生成條件，所以水泥回轉(zhuǎn)窯在焚燒廢棄物時(shí)是不會(huì)產(chǎn)生二噁英的；但是在氣體冷卻過程中卻有可能產(chǎn)生二噁英，所以出窯廢氣在增濕塔里應(yīng)該急速冷卻到250⁰C以下，以防止在250⁰C—350⁰C的溫度范圍內(nèi)二噁英重新生成。這就對(duì)窯尾增濕塔的降溫速度提出了更高的要求。

4.3  廢棄物中所含有的重金屬元素在回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中的循環(huán)和收集問題 

　　廢棄物中的重金屬元素在水泥回轉(zhuǎn)窯中的揮發(fā)性和許多因素有關(guān)，諸如煅燒溫度，原料中的其他微量元素等。單質(zhì)的汞理論上在100^oC完全蒸發(fā)，在熟料煅燒過程中可能形成汞的氯化物HgCl₂,它和汞一樣也是高揮發(fā)性物質(zhì)，所以汞不會(huì)存在于熟料中，只能揮發(fā)，這和我們的計(jì)算結(jié)果可以很好的吻合。揮發(fā)的汞及其化合物一部分會(huì)以氣態(tài)形式排放，另一部分會(huì)冷凝下來附著在粉塵上。為了控制汞的排放，就必須控制汞的入窯量。

　　原燃料帶入的鋅約有90%結(jié)合到熟料礦物中，其余部分以氯化物形式揮發(fā)，隨窯灰構(gòu)成外循環(huán)，這部分約有3％左右。也有少量隨粉塵排放，約為0.1%左右。

　　鉛在回轉(zhuǎn)窯中的特性和鋅相似。    

　　熟料固化的鎘為輸入量的86%左右。鎘和原料中的氯生成鎘的氯化物隨窯灰做內(nèi)循環(huán)，所以在回轉(zhuǎn)窯廢氣溫度下可以不考慮會(huì)有蒸汽狀態(tài)的鎘化合物隨凈氣排放。

　　鉻，鈷，鎳和銅絕大部分（>90%）固化在熟料礦物中，窯灰中只有很少一部分，排入大氣中的是微量的。

　　砷有大約85%左右進(jìn)入熟料礦物中，其余大部分和生料中的氯或硫形成氯化物或硫化物隨窯灰做內(nèi)循環(huán)。進(jìn)入大氣中的可以忽略不計(jì)。

5.利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理廢棄物的其他限制因素以及解決辦法

　　充分利用我國(guó)現(xiàn)有的大量水泥回轉(zhuǎn)窯來處理我國(guó)的工業(yè)和生活廢棄物，是一個(gè)符合我國(guó)情的切實(shí)可行的比較先進(jìn)的廢棄物處理方法，但是這種方法也面臨著巨大的外部制約因素。首先，社會(huì)上雖然對(duì)廢棄物問題有了很大的重視，但是水泥工業(yè)在廢棄物處理上的舉足輕重的作用還沒有引起社會(huì)各界的重視，特別是各級(jí)政府和相關(guān)職能部門的重視。政府和職能部門不僅要在經(jīng)濟(jì)上給予傾斜支持，而且也要為各個(gè)廢棄物產(chǎn)生單位和水泥企業(yè)之間架起橋梁，以便充分發(fā)掘水泥企業(yè)在環(huán)境保護(hù)方面的潛力，使水泥企業(yè)不僅成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，也成為環(huán)境保護(hù)的主力。其次，水泥企業(yè)要在利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理工業(yè)和生活廢棄物上有所作為的話，不僅要在設(shè)備和工藝流程上做相應(yīng)的改進(jìn)，還要建立一套嚴(yán)格的檢測(cè)方法，以保證水泥質(zhì)量和處理過程不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。更為重要的是，企業(yè)要有科學(xué)嚴(yán)格的管理方法，才能為水泥企業(yè)處理工業(yè)和生活廢棄物提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第三，要加強(qiáng)對(duì)一些基礎(chǔ)性的理論研究的支持力度。例如焚燒廢棄物對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯熱工制度影響的研究；重金屬元素在水泥熟料中的固化機(jī)理研究；重金屬元素對(duì)水泥水化機(jī)理的影響的研究；含重金屬元素的水泥配制的混凝土中重金屬元素離子的浸出情況的研究等。第四，要加快相關(guān)法律和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立步伐，為利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理工業(yè)和生活廢棄物提供法律和制度上的保障。

6.結(jié)語

　　我國(guó)的廢棄物處理問題已經(jīng)嚴(yán)重地?cái)[在了我們的面前，而水泥行業(yè)也正面臨著巨大的資源和環(huán)境挑戰(zhàn)。如何把巨大的廢棄物處理問題和水泥行業(yè)面臨的巨大的資源和環(huán)境問題結(jié)合起來，既處理了廢棄物，又解決了水泥行業(yè)的資源問題，是所有水泥和環(huán)境工作者的歷史重任。這件功在當(dāng)代，利在千秋的大事，既要引起各級(jí)政府職能部門的重視和大力支持，也要引起水泥工業(yè)中科研，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的高度重視。新的世紀(jì)要求人類和自然環(huán)境能夠協(xié)調(diào)發(fā)展，國(guó)外早已經(jīng)開始了對(duì)這項(xiàng)工作的研究并正在把相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，我國(guó)也應(yīng)該不失時(shí)機(jī)地加入到這個(gè)行列中去。為我國(guó)水泥業(yè)的新發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)，也為我國(guó)的環(huán)境保護(hù)事業(yè)作出一份努力。