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水泥工业利废进展及前景

发布时间:2014年11月03日   来源:网络  

综述:  水泥工业消纳利废的途径是将各种合适的废弃物或经适当加工预处理后的废弃物分别用作水泥的替代原料,或用作水泥窑的替代燃料,或用作混合材。相对而言,这三种利废方式中用作混合材是最简便易行的,来源也多;用作替代原料的往往具有一定的技术难度,来源较有限;用作替代燃料的难度最大,但各种可燃废弃物的来源却在日益扩大之中,数量也呈上升之势。然而,在中国水泥中混合材掺入量超标太多,而且大都作为填充料机械地掺入。今后必须严格监督执行国家标准(GB175-2007),坚决制裁超标或滥掺混合材的行径,加强发掘混合材活性的研发工作,从单纯追求数量转向提升质量的轨道上来。我国利用工业废渣作为替代水泥天然原料资源已取得一定成绩,但我国水泥工业始终对替代燃料不感兴趣,缺乏市场利益驱动,更谈不上什么协同全社会的环保利废责任感。笔者分析认为,在我国当前的具体情况下,一条5 000 t/d新型干法水泥生产线,采用可燃废料替代25%的煤耗时,其经济效益可与其增设纯低温余热发电的相媲美(包括CO2减排CDM的收益在内)。

0 引言

水泥工业在全社会的循环经济中正在发挥着重要作用,并已取得了很好的成绩,这主要取决于它消纳利用各种工业废弃物及城市生活垃圾等方面的优异功能。其特点首先是水泥工业消纳利废十分彻底干净,没有二次污染隐患;其次是可以消纳利废的品种多,适用范围广,消纳量大;第三是水泥生产与消纳利废同时进行,对水泥生产工艺及装备系统的正常操作运转和对水泥的产量和质量基本没有不良影响。因而利用现有的新型干法水泥厂就可安全、高效、经济地消纳利用全社会相当一部分的废弃物,无需另耗巨资去焚烧填埋废物,并且见效快。

水泥工业消纳利废的途径有三种方式,即将各种合适的废弃物或经适当加工预处理后的废弃物分别用作水泥的替代原料,或用作水泥窑的替代燃料,或用作掺于水泥中的混合材。相对而言,这三种利废方式中用作混合材是最简便易行的,来源也多;用作替代原料的往往具有一定的技术难度,来源较有限;用作替代燃料的难度最大,但各种可燃废弃物的来源却在日益扩大之中,数量也呈上升之势。

1  各国水泥中混合材平均掺入量的比较与分析

按照各国水泥协会或具有代表性的水泥集团公司公布的统计资料,2007年中国、德国、日本和美国所生产的各品种水泥中,混合材的全国平均掺加量分别为27.5%、14.1%、13.3%和6.0%。如果计入缓凝剂石膏用量,则每吨熟料生产水泥的数量,在美国约为1.11 t,在中国就达1.45 t,在德国和日本分别为1.22 t和1.21 t。中国水泥中的平均混合材何以会掺加如此之多,表面上似乎是与各国水泥的标准不同有关,但究其真正原因,我们必须对国际水泥界的普遍质询——究竟是中国水泥工业科学地利废质量高,还是片面地追求水泥产量高这个问题作出应有的回应。这的确也是长期以来中国水泥科技工作者应该思考的一个问题。

半个多世纪以前,在欧美日等国不掺混合材的纯波特兰水泥几乎一统水泥工业的时代,我国水泥工业在前苏联的指导下,开始推行在磨制普通硅酸盐水泥时允许往熟料中掺入15%适宜的工业固体废渣用作活性混合材(水泥标准101-52,GB175-62)。藉此,在不显著影响水泥力学性能的前提下(有时或者还可以稍事改善水泥混凝土的某些施工性能),达到增加水泥产量的目的。同时还能消纳处置一部分工业固体废弃物,主要是钢铁厂的高炉矿渣和火电厂的粉煤灰等。实践表明,矿渣和粉煤灰的确很适宜于用作水泥的混合材,可谓物有所用。只要生产出来的水泥能全面符合国家规定的水泥标准就是合理合法的。所以,当时我国的做法应该说是科学的、正确的。

然而,随后在我国立窑水泥占全国水泥总产量80%左右的20多年间(上世纪80~90年代),混合材的大量掺加,特别是矿渣,却变成了挽救立窑熟料性能缺陷的“救命稻草"。于是往熟料中多掺混合材,不仅能多生产水泥,多得利,而且还能遮盖或冲淡立窑熟料的性能缺陷,便于销售。大批的立窑水泥厂趋之若鹜,争相采取这一十分利好的“窍门”。于是他们就把有一定限度地掺加混合材的原则抛于脑后,甚至无视国家水泥标准的起码要求演变成了谁掺混合材越多,谁就能牟利越多的潜规则。在超标多掺混合材的同时,他们还“开发”了不少其他种类的工业废料,扩大了混合材的来源,例如,矸石、钢渣以及有色金属冶炼废渣等。一时间,水泥工业似乎变成了一个可以大量吞食工业废渣的“大口袋”,什么废渣都可以往水泥里掺。国内少数几家水泥质检机构疲于奔命也无从应付成千上万的立窑水泥厂,加之某些地方主义的保护,铸成了我国水泥中混合材多掺滥掺的陋习。致使上世纪80、90年代终于遭受国际水泥界对中国立窑水泥质量的严重质疑。

进入21世纪以后,随着我国新型干法水泥的快速发展,立窑水泥的逐步淘汰,以及各级水泥质检部门的努力监管,许多过去肆无忌惮多掺滥掺混合材的行径有所收敛或被遏制。但是大部分立窑水泥却仍然因技术或经济原因难以从超标掺加混合材的陋习中解脱出来。再加上有些政策性误导,使这一现象更加严重。例如水泥厂利废超过30%就可获得减免税等。这一政策最早是1985年实施的,其初衷是鼓励水泥厂利废,没想到实际上却变成了水泥厂想要争取到减免税优惠就必须往水泥中掺加最少25%的废料作为混合材,再掺加6%以上的废渣石膏和废渣铁粉,三者相加超过30%,即可减免税,这成为水泥企业普遍性的经营模式。因为水泥厂把工业废渣用作混合材远比用作替代原料或替代燃料要简易得多,所以都把利废集中在多掺混合材这一条“捷径”上。这就是为什么多年来我国水泥与熟料之比始终徘徊于1.45水平的缘由,即1 t熟料生产1.45 t水泥。这里除少数优秀的大型水泥集团,其水泥中的混合材掺入量平均为10%~15%以外,其余的水泥企业大都为25%~35%,为数不少的立窑厂则高达50%以上,所谓“1 t熟料生产2~3 t水泥”,形成越是落后的生产方式却越是能够“制造”出更多“水泥”的怪圈。

根据中国建材工业联合会信息部对2003~2007年水泥生产经营统计资料计算,全国吨水泥利润平均为9.88元,其中国家财政对水泥企业利用固体废物的补偿为4.34元,竟然占水泥行业总利润的44%。由此可见,这个利废政策对水泥企业的“经营”和生存多么重要。然而一些大型水泥集团,凭借其先进的生产技术和科学的经营管理,其吨水泥的平均利润远高于9.88元(约3~8倍),所谓利废收入在利润中所占的比例却很小。相反地,越是落后的小水泥企业对这个利废政策的依赖程度越大,犹如一根不可缺失的“救命稻草”。这种情况是我们当初始料未及的。说明这个政策需要反省、检讨、修订、细化、完善。

近年混凝土外加剂和水泥助磨剂行业正在我国兴起,新办的这类企业已有百余家,因行业门槛低,企业之间良莠不齐在所难免。原来外加剂的功能就是为了改善混凝土的某些性能,助磨剂则是为了提高水泥的粉磨效率,降低单位电耗,而且它们的用量都很少,仅占水泥量的1%左右。理论上应该和水泥工业的利废量没有直接关系。然而在有些广告中却出现了诸如“采用本厂的外加剂或助磨剂以后,利用1 t熟料就能生产出2~3 t环保节能高性能生态水泥”之类的宣传。这类广告语对于本文前述的许多小型立窑水泥企业是颇具诱惑的。首先因其知识水平所限,缺乏起码的判断力,容易被迷惑;其次他们对于“1 t熟料生产多吨水泥”的“窍门”非但不陌生而且可以说是比较老道。现在听说竟然还能生产出时髦的生态水泥来,何不利用这个时髦的词藻牟取更多的钱财。这种广告对于某些特定群体或水泥企业的误导作用是十分有害的,必须予以澄清。

首先,这里所谓的环保、节能、高性能、生态等等水泥在我国的国家水泥标准中并没有这种水泥,请问这些水泥有标准吗?又是哪一个国家的标准?难道这种水泥的命名是可以擅自封予的吗?其次,如果这些“剂”真有如此“神”的话,建议给它申请一个正名,何苦混迹于外加剂或助磨剂中,理应取一个更符合实际的堂堂正正的名称。

所幸我国绝大多数水泥企业今天都已具备了足够的鉴别判断能力,都会作出各自的正确选择。希望有志于做好做强外加剂或助磨剂的企业,把目标多集中于正规的水泥公司,以诚信、质量和服务取胜。对于行将淘汰出局的小立窑水泥,大可不必再去“忽悠”他们,因为这不是一种规范的市场行为,应予自制自律。

多年来,欧美日诸国已经反省了纯波特兰水泥的不足,在采用经过一定深加工的混合材生产混合水泥方面开展了一系列的科研开发工作,取得了一定的进展。同时都修订了各自的水泥标准(DIN EN197-1:2000;JIS R5210-1997;ASTM C150:2004)。

各国水泥工业综合利用社会废物基本情况的进展与比较如表1所列,从中可以看出,2000年~2007年,水泥中混合材平均掺入量,日本的变化最大,由7%上升到12.3%,德国由11%上升到14.1%,美国由4%上升到6%,比较缓慢。但国际上总趋势是今后混合水泥的比例将日益增加,着力于混合材潜在性能的深度研发和加工,以期使混合材能如质如量地替代水泥熟料,提高利废质量。

我们中国的问题则是水泥中混合材掺入量超标太多,而且大都作为填充料机械地掺入。今后必须严格执行国家标准(GB175-2007),坚决制裁超标或滥掺混合材的行径,加强发掘混合材活性的研发工作,从单纯追求数量转向提升质量的轨道上来。

 2  各国水泥工业应用替代原料和替代燃料的比较与分析

我国从上世纪50、60年代开始就进行了诸多利用工业废渣作为替代水泥天然原料资源的研究工作,现已取得一定成绩:1959年山东501厂水泥分厂利用铝氧厂赤泥作为粘土质水泥原料的湿法窑生产线投产;1966年吉林吉化水泥厂利用电石渣替代100%石灰石原料的湿法窑生产线投产;2000年前后,利用电石渣替代部分石灰石的多条新型干法窑生产线在安徽巢湖水泥厂等相继投产;2008年初利用电石渣100%替代石灰石的2 500 t/d新型干法生产线在内蒙亿利冀东水泥公司投产。除了上述几家开创性的水泥企业之外,全国还有不少利用赤泥或电石渣作为替代原料的水泥厂。应该说,我国水泥工业消纳利用赤泥和电石渣是较成功的,但是所消纳的数量仍不抵其增长量,主要原因是湿法水泥窑产能低,消纳量少,本身又属淘汰之列。如果内蒙亿利冀东公司的经验能够推广到大型新型干法生产线的话,这将会把电石渣的消纳利用提高到一个新水平。鉴于国内外过去曾有过“电石渣100%替代石灰石采用新型干法工艺生产出来的熟料某些性能可能不大稳定”的说法,如今内蒙亿利冀东水泥公司的2 500 t/d线已运行了11个月,应该已生产水泥近80万t了,所以很有必要对这些水泥的性能及其工程应用的实践进行系统地调研总结。希望有关科研设计生产单位能做好这项重要的后续论证工作。

替代原料在我国水泥工业最广泛地应用于将硫酸渣或炼铜渣等替代水泥生料中的铁质原料,以及将磷石膏或脱硫石膏等替代水泥缓凝剂天然石膏。两者的利废量大致为水泥产量的7%,几乎所有的水泥企业都是这样做的。加上其他少数的水泥企业额外利用一些赤泥、淤泥、矸石、电石渣等,我国水泥工业替代原料的利废总量始终停留在水泥产量的10%左右,与美国水泥工业的情况相近,而与德日的差距较大(表1)。

鉴于德国和日本的国情,他们往往以环保为先,总是设法要把各种废弃物尽可能地消纳处置干净,减少填埋,少占土地。体现在水泥工业的替代原料应用方面,除了替代铁粉和石膏以外,对于铸造砂,下水污泥、赤泥、淤泥、炉渣、废渣土、矿石夹层等的利废都很重视,已经养成了良好的环保理念。尽管这样的利废会给水泥生产技术带来一些难度和增加生产成本,但是从全社会的环保考虑,水泥企业似乎都愿意这样做。当然国家政策和法规也起着重要的引导作用。因而德日两国水泥工业替代原料的利废率已高达水泥产量的17%~18%,比混合材的掺入率还高一些。

美国水泥企业就嫌利用铸造砂、下水污泥等比较麻烦,作为各州政府来说,可能因其空地较多,以为把这类废物一埋了之,或许更简单。看来其长期的环保理念尚有待加强。我国的情况与美国的有些相似,各级政府好像尚未顾及到位,水泥企业则限于资金和生产成本竞争,对扩大替代原料的应用积极性不高。不过最近有迹象表明,政府和有些大型水泥集团已经开始启动了下水污泥、淤泥等利废项目。例如广东越海集团的下水污泥项目正在试运转,北京金隅集团投资5 000万元的下水污泥项目以及重庆拉法基的淤泥项目和华新—豪西姆的利废项目等均已在建设中拉开了序幕。

至于水泥工业利用替代燃料方面,美国是起源最早的。上世纪70年代美国有不少水泥企业就开始利用废汽车轮胎作为替代燃料。这是美国这个“车轮上国家”的特殊情况,迫使美国必须缓解废轮胎堆积之患,加之废轮胎热值高,在水泥窑内也较便于燃烧利用,因而在美国水泥工业中首先开始采用。不过其主要目的是为了处置废轮胎,并非寻求水泥工业的替代燃料,仅此而已。

德国水泥工业的理念却与美国的完全不同,其原动力首先就是为了全社会的环保和利废,其次是扩大水泥工业的替代燃料来源。因而不论何种可燃废物,数量多寡,燃烧难易或预处理过程繁简等各项因素,他们都很重视研发与应用。1990年前后开始起步,到2000年德国水泥工业平均吨水泥替代燃料利用量已达43 kg,相当于按全国熟料热耗计的燃煤替代率30%;2007年则分别上升到77 kg和58%,成效显著。尤其是在拓展城市生活垃圾和各种可燃危险废物等用做替代燃料兼替代粘土质原料方面进展较大,值得我国借鉴。

日本水泥工业在替代燃料应用方面的理念,在上世纪90年代时没有德国那么主动积极。主要因其在1987年前后全国新建了2000多台废料(含生活垃圾)焚烧炉,几乎将全社会的各种可燃废物都置于其中“消纳处置”了。所以水泥工业也就无需承担烧废料的任务了。于是就只有少数消纳下水污泥的水泥企业,因污泥中含有一定的可燃成分,按其热值换算成若干数量的替代燃料而已。2000年其全国吨水泥替代燃料平均利用量仅为6 kg。

但是自从上世纪末期,日本陆续发生废料焚烧炉灰渣填埋场渗漏的二次污染事件后,为了根治垃圾焚烧炉灰渣填埋的隐患,日本不得不逐渐地将消纳可燃废料的数量转移到水泥窑上来。2007年日本水泥工业用作替代燃料的利废量上升到吨水泥49 kg,相当于按熟料平均热耗计的燃煤替代率约30%,这是一个重要的技术路线改变。实际上是吸取了教训,改变了过去试图单纯依赖废料焚烧炉全部解决消纳利废问题的路线,重新认识到必须适当发挥水泥窑利废特点的重要性。

的确,因为利用替代燃料所需的预处理技术较复杂,投资较高,再之我国以前的煤价又很便宜,所以我国水泥工业始终对替代燃料不感兴趣,缺乏市场利益驱动,更谈不上什么协同全社会的环保利废责任感。多年来我国水泥工业只有个别水泥企业采用少量可燃废物作为替代燃料。从全国来看其燃煤替代率接近于零,与国际先进水平相去甚远。然而随着国内煤价的高涨以及国人环保责任感的增强,在若干外资和合资水泥企业的带动下,一些有影响的水泥集团正在行动起来。例如越海集团的烧废皮革和下水污泥项目、铜陵海螺的烧城市垃圾项目以及拉法基与豪西姆的利废项目等都在积极实践之中。根据笔者的可行性分析,在我国当前的具体情况下,一条5 000 t/d新型干法水泥生产线,采用可燃废料替代25%的煤耗时,其经济效益可与其增设纯低温余热发电的相媲美(包括CO2减排CDM项目的收益在内)。我国水泥工业推广应用替代燃料的时机已日趋成熟,区域性的龙头企业应当加紧努力。

3  水泥工业利废前景展望

如前所述,水泥工业的利废只有三个途径,即把各种废料分别用作替代原料或替代燃料,或两者兼而有之,还有就是用作混合材。显然生产每吨水泥所需要的各种天然原料和天然燃料的数量在理论上是有其限量的,即使是我们100%地利用废料来替代天然原料和天然燃料,水泥的单位利废量也是有限度的。

假设水泥的平均组成为熟料∶石膏∶混合材=76∶4∶20,则每吨水泥所需的理论物料量为:原料(生料+石膏)约1.2 t,混合材0.2 t,再加上烧制0.76 t熟料所需的标煤约0.082 t,合计约1.482 t。

就是说,吨水泥利废总量的最大理论值为1.482 t。至于吨水泥混合材的最佳掺入量,随着科技的不断创新,混合材最新品种的开拓及其潜质的深加工研发,在保证水泥总体性能不变,甚至有所提升的前提下,利用混合材替代熟料的比例应该是逐渐提高的,即水泥中混合材最佳掺入量将呈上升之势。现今已有工程实践证明,将矿渣粉磨到比表面积勃氏450 m2/kg,就可以替代50%的熟料,制成熟料∶矿渣=50∶50的矿渣水泥。其性能与纯波特兰水泥相同。这里必须指出,这种采用混合材深加工,增加水泥中替代熟料比例的技术发展趋势,与我国水泥工业长期以来那种往水泥中超标多掺滥掺混合材的做法完全是两回事。两种截然不同的意图,切勿混淆。

    从长远来看,混合水泥将取代纯波特兰水泥是一个发展方向。如果有朝一日,水泥中所剩熟料的比例仅为1/5或1/10,那么届时水泥这种胶凝材料或将会退出历史舞台而被新型的胶凝材料所取代。对此我们完全没有必要抱住水泥不放,相反地应该对科学的新生事物、新材料采取欢迎态度。

现今国际水泥界多数学者和专家认为,在可预见的将来(约50年以内),水泥混凝土仍将是一种主要的价廉物美的大宗建筑材料;全球水泥消费量中混合材替代熟料的比例可能达到60%(现今除中国大陆以外全球的比例约为10%)。如果按60%计算,届时吨水泥混合材利废量则为600 kg。

按前述计算相应调整后,当水泥中混合材掺入量为60%时,吨水泥利废的替代原料量最大为0.60 t(含生料和石膏),替代燃料量最大为0.10 t,再加上替代熟料的混合材利废量0.60 t,三者共计1.30 t。现今水泥工业利废领先的德国为0.41 t,可见还有不少改进的发展空间。

没有疑问,今后天然燃料、天然铁质原料、天然粘土质原料和天然石膏的利废替代率均能达到100%,并且混合材替代熟料率达到60%也是可能的。但是试图利用钙质废渣替代天然石灰石原料,则因钙质废渣的来源有限,因而对水泥工业总体来说,钙质原料利废替代率将不可能会达到其他的原燃料那么高。

现阶段我国水泥工业的利废用作钙质原料替代石灰石的主要来源是电石渣,它是电石(CaC2)水解,生成乙炔(C2H2)后的残渣(Ca(OH)2)。因为乙炔是PVC和氯碱等石化行业的主要原料,不可或缺。但是我国至今仍沿用的电石法制乙炔的工艺,既消耗大量石灰石和焦炭作为原料,而且用电弧炉生产电石的电能消耗与成本都很高,现今发达国家都已采用石油直接裂解获得乙炔的先进方法,摒弃了电石法。这就是为什么发达国家少有电石渣的原因。相信我国今后也将逐渐由电石法转向石油裂解法来生产乙炔,电石渣的比例将呈下降趋势,我们水泥工业也应适当地预见到这一情况。

4  结束语

总之,水泥工业不仅是全社会发展循环经济的重要产业之一,而且在安全、经济、高效地利用各种工业废弃物、城市生活垃圾,处置有毒有害的危险废弃物等方面获得了显著的成绩和进展。今后在循环经济的利废领域中还将会有更广阔的发展空间,可以担负起更多的社会责任,为循环经济发展打造一条绿色通道。

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