二次燃料在现代水泥工业中的应用

　　中国是世界上最早利用工业废渣生产水泥的国家之一。众所周知，国内各种类型的水泥厂早就利用硫酸渣、粉煤灰、矿渣、工业石膏废料等工业废料作为生产水泥的原料和混合料生产各种建筑用的水泥，年产量至少至少在5000万吨以上。利用工业废料作为原料和混合材料，不但为水泥生产节约了大量的成本，而且大大减少了这些工业废料对生态环境的污染，并且由于变废料成为水泥，可大大减少熟料的生产量，从而减少生产熟料过程中无法避免的向大气排放CO2、SO2和NOX的有害污染。但是，利用具有一定热值，并不含有损害水泥生产过程的组份的工业废料作为生产水泥的燃料（下称为二次燃料）的工厂在国内却鲜为人知。本文专就水泥工业如何利用二次燃料为题进行论述。

　　一、欧美等发达国家利用二次燃料生产水泥的现状

　　美国、西欧各国和日本是最早利用二次燃料作为生产水泥的燃料的国家。早在上世纪七十年代末，这些国家的水泥工业的技术人员就进行利用汽车废轮胎代替煅烧燃料的试验，并在八十年代初成功地改造了一批工厂。至九十年代，各种具有一定热值的工业废料和生活废料越来越多地取代了油、煤、气这些传统的燃料来生产水泥，而这种转变始终处在对二次燃料燃烧是否产生新的污染和二次燃料燃烧后的残留物带入水泥中是否留下祸害的监控之中。事实证明，科学处置二次燃料，既能有效地利用其热量，又可能做到对环境不产生任何新的污染。目前，在欧美工业发达国家用于水泥工业的二次燃料主要是：废旧轮胎、废纸、塑料包装废弃物，废机油，木屑、废溶剂和屠宰业需弃置的内、骨头等。有趣的是，近几年在欧洲一度蔓延疯牛症和口蹄疫症，这些动物的尸体几乎都成了水泥工业非常优质的燃料。根据笔者近三年在欧洲许多水泥厂调查，实施二次燃料利用的水泥工厂其代用燃料率通常在20％~40%之间，个别工厂达50％。如H·C集团属下的一个名为Leimen的工厂，2000年二次燃料的代替为36％，而在一段时间曾达到60％，而在H·C集团属下的另一个名为Lengfurt的工厂，2000年共使用二次燃料为3.736万吨，分别为废轮胎，废塑料和废油，各占三分之一。台湾地区的水泥工厂二次燃料利用率也开始达到10％以上的水平。2001年，一台由F.L.S公司设计旨在为分解炉燃烧100％二次燃料，名为“热桌”的燃烧装置在挪威的北欧水泥集团的工厂安装并投入生产，试验成功后，其二次燃料的代用率将可达到80％。

　　二、二次燃料利用对环境的影响评价

　　人们知道二次燃料能有效利用其潜在的热量之后，普遍关注的是燃烧后随水泥窑废气一起排放在到大气所产生的影响，以及其燃烧后的残留物带入水泥中对混凝土使用环境的影响。

　　目前，可能采用二次燃料的水泥产生窑型普遍为新型干法窑，众所周知，在回转窑的烧成带，窑尾和分解炉的温度分别在所1450℃，1000℃和850℃左右，气体在窑、炉和预热停留的时间较长。而窑型的大型化使窑炉的热容量变得越来越大，这些条件是一般废物焚化炉所不具备的。无论是无机可燃物或是有机可燃物，在这样的工况下完全可以彻底的分解和燃尽。特别是一般物焚化炉在处理有机废物时，可能产生的二恶英问题则在水泥窑中较好地解决。

污染物	C
总尘量	30
HCI	10
HF	1
HOX	500／800
Cd+TI	0.05
Hg	0.05
Sb,As,Pb,Cr,Co,Cu,Mn,Ni,V	0.5
二恶英和呋喃	0.1
SO2	50
有机碳总含量	10

日平均值，干基，（mg/Nm³）

　　按该条例进行监测的结论表明，水泥窑燃烧二次燃料废气排放物是完全低于规定值的。以下是欧洲某厂废气中汞和二恶英、呋喃排放浓度的测定结果。　

　　由于新型干法水泥工艺中预热器气相中含有大量的CaO粒子，其作用于废气后能十分有效地清除SO2，所以大量以废轮胎作为燃料的水泥工厂，其SO2的排放不但合乎规定，而且远远低于应用常规燃料，但窑型为湿法回转窑和立窑的工厂。事实证明，对一个城市或一个地区击言，利用水泥窑处理废料，不但利用了它的热量，节约了煤炭，对环境排放的总废气较之单独设置焚化炉为优。

　　二次燃料燃烧后会形成一些残留物。主要是金属类的物质从而溶入了水泥熟料中，除Fe、S1等参加矿物反应生成有用的水泥矿物外，其他也可能以金属氧化物的形态固溶在高温形成的水泥矿物之中而被包裹着。或许会有担心溶入重金属元素的混凝土可能对环境产生不良影响。为此，欧洲的实验室也反复对利用二次燃料生产的水泥所制成的混凝土进行测试。方法是用碳酸及油水混合液体对这类混凝土进行浸泡，然后对洗出的液体进行检测。结果表明，从混凝土组分中释放的重金属元素的量少至难以测出来。因此，这种混凝土的使用也是十分安全的和符合环保要求的。尽管对二次燃料利用的实践已回答了有关是否会产生二次污染的问题，亦同时证明了这是处理可燃废料的有效方法。但是在实施中建立严格的监管制度也是必要的。据了解，欧美发达国家都制订了相应的监管条例，并长期对应用二次燃料工厂的生产过程及水泥应用结果进行跟踪测试，结果也是令人满意的。现时适用于欧洲各国的“废料焚化条例”(Directive 2000/76/EC)是在2000年12月28日公布实施的。其后各国又相应制定了有关的条例与欧洲条例一并运行。以德国为例，到2002年12月将公布新的法律代替现时与欧洲条例共存的德国标准，并强制新运行的工厂执行，以前以运行的工厂到2005年底后也要按新的法律规定执行。在条例的监管下，应用二次燃料实行许可证制度，即向当地政府有关部门提出申请，并依照规定获得审批。实施过程中，按规定由政府有关部门监督，以确保企业对公众环境负责等。欧美国家对应用二次燃料的有关管理制度值得我们借鉴。

　　三、二次燃料的可用价值和通常使用的方法

　　能应用于水泥工业的二次燃料种类很多。目前，世界上广泛采用的有废旧轮胎、废纸、废塑料、纺织废料、木屑、废溶剂、废油墨、废油漆、屠宰业废料等等，甚至连拆废汽车剩下驾驶室的座椅和仪表盘都是二次燃料常用的东西。然而，也不是只要含有热量的废料都可以作为水泥工业二次燃料使用。

　　水泥工业二次燃料的选用必需符合下列的一些原则：

　　1、代替常规燃料后能产生经济效益。这些废料必须有足够的热值，使到部分取代常规燃料后所节省的燃料费用足以支付废料的收集、分类、加工、贮运的成本。显然，热值越高，被应用的可能性就越大，通常应在4000Kcal/kg（干基）以上。资料表明，以下各种废料所含的热量分别是：轮胎9000Kcal/kg左右、塑料、油、油墨10000Kcal/kg以上，动物肉和骨的混合物600Kcal/kg左右，而纸、木屑为4000Kcal/kg左右。可供量应该不少于单窑用煤量的10％，否则可能产生不经济的结果。

　　2、必须适应水泥窑的工艺流程需要。可燃废料的形态，水份含量、燃点等都会决定使用过程的工艺流程设计，而这个设计必须与原有水泥窑的工艺流程很好的配合。另外，新型干法窑需严格控制的Na2O、K2O、C1－这类有害成分的含量应不以影响工艺技术要求为准。

　　3、符合环保的原则。尽管目前世界上应用着的二次燃料对大气排放不产生新的污染，对制成的混凝土也无影响，我们仍然强调在试用二次燃料时，必须确保符合无害排放和对产品无害的重要原则。

　　废轮胎是世界上应用量最大的二次燃料。

　　目前，世界上水泥工业应用二次燃料是广泛采用由专业公司进行收集、加工，以品质稳定的成品供给水泥工厂使用的模式。如法国、比利时、挪威、德国、美国等均形成了这样的二次燃料供应渠道。少数国家（如丹麦等）则由水泥工厂自行予以处理废料把它变成二次燃料。由专业公司生产的二次燃料，通常有较大的生产量以符合成本效益的原则。首先，政府以行政主导的方法，严格执行“谁排放，谁支付排放成本”的法规，使这些专业公司在收集这类废料时得到了可观的补偿费用。这些补偿费用不但可以支付专业公司运作的全部成本，还可以分出一部分给焚烧二次燃料的水泥工厂，体现“谁处理废物，谁有利可图”的公平原则。

　　在解决了费用问题后，另一个主要的问题是专业公司必须把收集回来的各类废料进行严格的加工处理（废轮胎不需加工，可直接送至水泥工厂），通常要完成破碎、烘干、配料等主要工作，以确保二次燃料必需达到的细小的颗粒，较低的含水量，热值均齐可用等技术要求。最后，由专业公司按时按量送到水泥工厂的封闭式的贮仓备用，以防止无序堆放造成新的污染。而废胎则可露天贮存，但应注意防火。

　　水泥工厂使用二次燃料已有较成熟的工艺方法，废轮胎通常可不作任何切割加工（重型卡车用的特别大的规格除外），整体由叉车送入喂料仓，经可调节速度并带有称重装置的输送机、提升运送至回转窑尾部，通过电脑计算送入窑的废胎重量所换算成的热量与窑头喷煤系统连锁控制，以调节窑的总供给热。进入窑尾的废轮胎入口有多道闸门进行锁住热风的流失。

　　由专业公司提供的废纸、废塑料、木屑、动物的肉和骨等已是颗粒均齐的小粒，可由分解炉或回转窑的喷煤管侧另行设置管道由风送入。废油、废溶剂等经加热及稀析后也从分解炉或回转窑的喷煤管侧另行设置管道加压喷入。石油焦一类与煤相近的废料则与煤一起混合粉磨，由煤管喷入。

　　四、我国水泥工业应用二次燃料的前景

　　随着我国工业化水平和人民生活水平的迅速提高，工业废料弃置物和生活垃圾的排放量也在剧增。

　　据报导，我国每年产生废旧轮胎量已达80万吨，超过了日本60万吨和德国40万的水平，随着汽车进入家庭的社会变化，有可能在十年内使废轮胎翻番。目前我国处理废轮胎主要是翻新成再生轮胎、制成再生胶、制造精细胶粉，然而轮胎翻修工业和再生胶工业在九十年代中新税制出台后这两个行业先后陷入困境。而仅是用液氮冷冻粉碎法生产精细胶粉（目前我国有此类工厂40余家，年生产能力8万吨左右）是较有经济价值和发展前途的处理方法。与上述较好的方法处置废胎的同时，还有大量难的统计的废轮胎被无序地处理，如不规范地用作燃料，割去有用部分后剩下的连子午线钢丝被零散弃置，造成了很大的污染。广州市废胎的价格由五年前的500元／吨下跌至今约为200元／吨水平，说明过去处置废轮胎的一些方法的辉煌时期已走到了尽头。不久将来，废轮胎成为发达国家的一种主要垃圾的格局也会在中国呈现。据统计，全世界每年约产生1.7亿吨塑料垃圾，而我国占350万吨，按1997年广州市生活垃圾成分含塑料3.8％计算，广州市每年从垃圾中弃置的废塑料超过8万吨。目前以填埋为主要处理城市生活垃圾的方法不仅不能很好地解决二次污染问题，而且浪费了土地资源，特别在发达地区的中心城市，如北京、天津、上海、广州等，城市周边难以在找到新的填埋场地。废塑料也大量来源于拆车业，驾驶室内被拆下主要是仪表盘、座椅都是工程塑料、皮革和海绵制品等，一般也无法利用而被作为垃圾弃置。随着被报废的汽车越来越多，如何处置也成为一个难题。随着我国各类工业的发展，可燃废弃物的数量也不断增加，如汽车制造业的漆渣，以废纸为原料造纸排出的含油墨纸渣，各类化学工业排出的废溶剂，机械工业和汽车修理业排出的废油，不胜数举。上述这类可燃废弃物，一旦成为水泥工业的二次燃料，不但可大量节约我国的能源资源，重要的是为我国的生态环境保护开拓出一条新路。

　　要有序地利用各类可燃废料作为水泥工业的二次燃料，必须从现在起进行系统性的研究，并着重解决推广实施中要解决的难点问题。笔者认为，目前主要是：更广泛地立法解决目前无序弃置废物并加强执法；积极推广大城市生活垃圾分类收集；对排放废物的企业立例收费等。

　　新型干法窑的建设在我国正在迅速发展，这为我国在环境保护和合理利用能源方面的战略研究提供了一个崭新的空间，因势利导，我国的水泥工业有望真正地贴上绿色的标签。