发展循环经济模式下水泥行业废弃物利用的走向分析

2006-12-19 00:00

1.循环经济模式的特点

　　循环经济是对物质闭环流动型经济的简称，是以物质、能量梯次和闭路循环使用为特征的，在环境方面表现为污染排放，甚至污染零排放。循环经济把清洁生产、资源综合利用、生态设计和可持续消费融为一体，是一种“促进人与自然的协调与和谐”的经济发展模式，它运用生态学规律把经济活动组织成一个“资源一产品一再生资源”的反馈式流程，实现“低开采、高利用、低排故”，以最大限度地利用进入系统的物质和能量，提高资源利用率；最大限度地减少污染物排放，提升经济运行质量和效益，并保护生态环境。因此，循环经济本质上是一种生态经济。

　　在工业经济系统中，物质的流动有以下三种循环，或称三个层面上的循环：①小循环——企业内部的物质循环，②中循环——企业之间的物质循环，③大循环——工业产品经使用报废后，其中部分物质返回原工业部门，作为原料重新利用。发展循环经济，一般更加重视的是大循环，因为在经济规模基本稳定的情况下，大循环在提高资源效率方面的作用很大。

减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)，简称3R原则是循环经济的实际操作原则。减量化原则属于输入端方法，旨在减少生产和消费过程的物质量，从源头节约资源使用和减少污染物的排放。再利用原则属于过程性方法，目的是提高产品和服务的利用效率，要求产品和包装容器以初始形式多次使用，减少一次性用品的污染。再循环原则属于输出端方法，要求物品完成使用功能后重新变成再生资源。

　　在发展循环经济时，要注意“减量化、再使用、再循环”(3R)三原则之间的优先排序问题。在企业内部和企业之间，首先应考虑的是“减量化”，也就是要先考虑尽可能减少各工序和整个企业的废物产生量，以及天然资源的消耗量，然后才是这些废物的循环问题。在产品的使用和报废问题上，首先应考虑“再使用”，也就是要先考虑尽可能延长产品的使用寿命，减少一次性使用的产品，然后才是产品报废后的循环问题。这些原则及其优先排序问题，在我国显得格外重要，因为有不少企业在“减量化”、清洁生产方面水平还较低，不少产品在“再使用”、延长使用寿命方面考虑得还不够。

从系统结构优化的原则，也有人在以上3R原则基础上提出需要增加重组化原则(Reorganize)，即以追求生态经济系统最优化运行为目标。针对产业链的全过程，通过对产业结构的重组与转型，达到系统的整体最优。以环境友好的方式利用自然资源和提升环境容量，实现经济体系向提供高质量产品和功能性服务的生态化方向转型，力求生态经济系统在环境与经济综合效益最优化前提下可持续发展。

　　总的说来，循环经济体系就是将环境与经济结合起来，主要包括四个方面：一是资源和能源使用效率最大化；二是通过工业企业、消费者和政府共同努力使社会整体利润最大化；三是建立一种新的循环工业技术结构；四是优先发展与环境相关的工业。

发展循环经济的直接目的是提高资源效率，即：提高用单位天然资源所能生产出来的产品量(或产值，或服务量)。资源效率提高了，环境效率也会得到相应的提高。研究表明：即使是在美国、德国、日本和荷兰等发达国家，至少一半以上的资源在采掘后不到一年就回到自然界中。从国家层面上分析，所有循环利用的物质量都没有超过原生物质的15％。由此可见，在人类社会总的物质需求耗用中，单位时间内能够得以循环的比率还是太少，对废弃物的综合治理利用是发展循环经济的重要方面。

　　在我国那些没有进入经济系统或者由经济系统排出却不再返回的物质堆成了渣山或者垃圾山、成为生态系统的“肿瘤”，其中的有毒有害物质则经过自然或人工的迁移进而引起环境健康和安全问题。目前我国工业固体废弃物的每年产生量已经超过了8亿吨，累计的堆存量超过67亿吨，占用土地接近0.1万平方公里。2004年，全国工业固体废物产生12.0亿吨，工业固体废物排放1792.0万吨，工业固体废物综合利用6.8亿吨，危险废物产生量963.0万吨。目前国内工业危险废弃物的处置以焚烧为主，2004年全国危废焚烧总量达到21.7万吨，多数危废集中处置厂技术水平低，达不到国家的技术标准，运转率仅仅为40％左右，危废处置存在巨大的产能缺口。

表1 全国工业固体废物产生及处理情况　　　　单位：万吨

年度	产生量		排放量		综合利用量		贮存量		处置量
年度	合计	危废	合计	危废	合计	危废	合计	危废	合计	危废
1999	78442	1015	3880	36	35756	465	26295	397	10764	132
2000	81608	830	3186	2.6	34751	408	28921	276	9152	179
2001	88746	952	2894	2.1	47290	442	30183	307	14491	229
2002	94509	1000	2635	1.7	50061	392	30040	383	16618	242
2003	100428	1171	1941	0.3	56040	425	27667	423	17751	375
2004	120030	995	1762	1.1	67796	403	26012	343	26635	275

　　进入21世纪以来，全国年生活垃圾清运总量已经跃过1亿吨的门槛，2004年垃圾清运总量为1.4亿吨，估计2005年将达到1.5～1.6亿吨。目前我国城市生活垃圾的处置水平有较大的发展，主要城市生活垃圾的处置率已经超过50％，生活垃圾焚烧发电也开始成为我国垃圾处理的新趋势，近年来投产的生活垃圾处理的项目多数为垃圾焚烧发电项目。这些项目投资相对较高，吨投资高达20～70（万元，天）/吨，生活垃圾的发电量大致为150～400度/吨垃圾，目前垃圾发电厂主要集中分布在沿海大中城市。因此大力推广生活垃圾发电技术投资很高、二次污染没有根除，大力推广垃圾发电技术很难适应我国广大地区的需要。

自1998年以来，随着工业化和城镇化水平的提高，全国的污水排放总量一直持续增加，2004年全国污水排放量总计482.4亿吨，工业污水排放量221.1亿吨，生活污水排放量261.3亿吨，城镇生活污水处理率32.3％，重要工业企业污水处理率达到91.8％。按照0.4～1％的浓缩污泥形成量估算，目前全国年形成污泥总量将超过1亿吨，而目前全国污泥的处置水平很低，多数工业污泥尚没有得到很好的处理。

2、在循环经济模式下水泥工业生产过程的独特性

　　目前中国水泥行业正在进行着产品结构的调整，新型干法水泥获得了长足的发展。到2003年底，中国已有近300条新型干法水泥生产线投产，新型干法水泥产量已达1.99亿t，占总产量的23％。2004年，新型干法水泥产量突破3.15亿t，占总产量的32.4％。预期到2005年末新型干法水泥产量将突破4.10亿t，占总产量的40％以上，新型干法水泥的增长量和增长百分数均超过立窑，成为我国水泥工业发展又一个转折点。

　　近些年中国水泥行业的技术发展很快，目前国内水泥行业生产先进水平已经基本达到或接近国际水平，但在废弃物规模化利用、废气排放和粉尘治理等方面上却存在着很大的差距。因此水泥工业的发展已经从规模的扩张和生产技术的升级换代过渡到追求节能、降耗、环保和资源的合理利用的先进技术的开发上。

表2 国内外5000～6000tpd规模生产线技术对比

项目	单位	国际先进水平	国内先进水平
熟料热耗	kJ/kg.熟料	2955~2970	2970
水泥电耗	kWh/t水泥	90	95
劳动生产率	t/人.年	≥10000	≥5000
生产线运转率	%	≥95	≥92
熟料质量指标	MPa	≥60	≥60
NOx排放	mg/m3	≤500	>800
粉尘排放	mg/m3	≤30	30~50
废气发电量	kWh/生产线	5500	5500
废弃物替代燃料率	%	≥50	/
工业废弃物利用量	kg/t水泥	>350	/

　　作为严重的资源依赖型行业，水泥工业的发展需要大量的矿产资源作为依托，从水泥行业常用的原料的循环利用率来讲，目前在全世界范围内水泥工业的主要原料依旧是以天然原料为主，对形成水泥熟料矿物的主要元素不可能形成稳定的闭循环。以基准的产品形成量为例解说水泥生产过程中物质的循环特点，生产1kg的水泥产品，大约需要0.75～0.9kg熟料矿物和0.1～0.25kg混合材料及其他辅助材料，在磨制水泥过程中已经大量使用矿渣、粉煤灰等其他工业门类形成的无机固体废弃物作为混合材料，具有很好的消纳能力。目前生产1kg熟料，大约需要～1.3kg的石灰石、0.3kg的粘土质原料、0.15kg左右的煤炭。替代原料占整个熟料生产过程中的比重并不高，尤其以消耗量最大的钙基原料为甚，目前世界范围内水泥窑用替代燃料的开发进行得较好，部分水泥厂甚至可以100％使用替代燃料，在发达国家替代燃料的利用率接近了30％。综上所述，水泥行业在自身并不能形成主要原材料的大的循环量，相反，借助替代原燃料的规模化应用却可以消纳其他行业形成的废弃物。

　　水泥生产过程中要求高温煅烧，水泥熟料矿物在水化过程中形成的C-S-H矿物体系还可以将重金属固化。因此水泥行业在处置以有机可燃物和重金属为主要污染物的工业废弃物上具有天然的优势，完全可以作为部分工业废弃物最终处置的载体使用。和专业的焚烧炉相比，水泥回转窑的处理温度高、焚烧空间大、热容量高、焚烧停留时间长，更强的热稳定性和抗波动能力，并具有更高的运转率，因此它必然具有更大的处理规模，水泥回转窑系统呈碱性气氛，因此废弃物燃烧后释放的HCl、SO₂等酸性气体可以和CaO等碱性化合物结合形成盐类，固定下来，避免了燃烧尾气的二次污染。在水泥回转窑内，废弃物焚烧后形成的灰渣作为水泥熟料的组成成分被矿物化或吸收，稳定固化于水泥熟料中。通过控制废弃物中的重金属的成分浓度，可以保证熟料中固化的重金属在水泥或者混凝土制品中低的释放水平，满足环保法令的要求。没有灰渣的二次处理及污染防治的要求。简化了废气的处理流程。美国国家环境保护署监测结果表明，当水泥回转窑使用废弃物替代原燃料时，空气中的有害物排放量并没有增加，也不会形成新的污染。利用水泥回转窑处理城市工业废弃物在生产过程中没有废弃料产生，热能和物质都能得到充分利用，并能取代优质燃料和天然原料，被国际上公认为焚烧处理城市工业废弃物最有效的方法。因此水泥回转窑是目前处置工业废弃物尤其是危险废弃物的良好的平台，水泥行业可以作为其他行业的废弃物终端处置平台，对废弃物处置形成封闭，减少了新污染源的产生。

　　水泥行业可利用的废弃物依照其有益组分的含量不同，可分为作为替代原燃料使用的废弃物以及利用水泥窑系统处置的危险废弃物两个大的类别。和发达国家相比，目前我国水泥行业尚没有形成对工业废弃物的规模化应用，从我国水泥行业目前的工业非危险类废渣主要是在混合材料中占有较大的比重，而需要经过预处理再作为废弃物替代原料或者废弃物替代燃料尚没有形成规模应用。利用水泥窑处置危险废弃物则国内也仅有北京水泥厂投入实际运行中。

　　目前水泥行业废弃物的利用主要集中在利用工业炉废渣作为混合材料和部分原材料的替代物使用，尚没有充分发掘水泥行业在废弃物循环利用及优化处置等方面的天然优势。目前我国水泥工业发展的水平不仅在废弃物的规模化利用上与国际先进水平存在着较大的差距，而且在废弃物利用的范围和种类上也和国际水平有很大的差距。

3、中国水泥行业废弃物利用的发展方向

　　从国内废弃物处置的现状来看，目前国内废弃物处理主要在生活垃圾的综合利用、污泥尤其是高水含量的市政污泥的综合利用和工业危险废弃物的处置等方面，本文就以上不同废弃物类型在水泥行业的应用前景进行简要的分析。

作为水泥生产企业，废弃物的处置必须以不影响水泥产品生产为宗旨。从生产工艺控制的角度看，废弃物的水分、热值、灰分组成、有害元素（硫、氯、碱金属）含量、重金属的丰度、进入窑系统的分散状态等因素将对熟料的煅烧具有较大的影响，在熟料中重金属含量还对水泥产品的性能还具有一定的影响，有害元素和重金属以及部分有机焚烧产物对大气污染排放物也具有一定的影响。废弃物的物性形貌的差异很大，来源和待处理量的随机性很强，因此从提高水泥窑系统的处理效率的要求来看，对废弃物进行以调热、均质、稳定化为特征废弃物预处理工艺是很有必要的。在中国国内尚没有专业的废弃物预处理行业，因此水泥行业处置废弃物则多数需要考虑附设废弃物预处理车间。下表为各类废弃物对工艺处置技术的影响程度对比。

表3 不同废弃物处置的工艺性能要求比较

		城市生活垃圾	有机质污泥	工业危废
平均含水量	（％）	60～80	～70	>60
平均低位热值	kcal/kg	1200～1500	1400~2000	不确定
主要有害元素		Cl、Na、S	S、Na、K	S、Na、K、Cl
重金属含量		低，微量	微量	因类别定峰值
灰分含量	（％）	<20	<15	<10
主要灰分组成		硅铝钙混合物	硅铝钙混合物	硅铝钙混合物
灰分成分的稳定性		较稳定	最稳定	波动大
燃爆可能性		低	低	高
来源稳定性		季节/地域波动	较好	很差
成分波动变化		季节波动	基本稳定	高
焚烧主要形成污染物		飞灰、NO_x、SO_x、POPs
预处理破碎要求		一般	无	高
预处理均化要求		一般	低	高
预处理输送要求		一般	一般	高
处置收益	元/吨	<150	100～300	>800
吨投资额		中等	低廉	较高

　　显然，几乎所有废弃物其水分含量均较高，因此可以基本忽视水分对处置不同废弃物的工艺性能的显著性分析影响。由于有机物分解焚烧的要求，这些废弃物自身的热值往往不能够作为有效的热源在窑炉系统内的能量传递、物质传递、动量传递及化学反应的复杂的物理化学过程中被有效使用，废弃物的处置不可避免的降低了系统的有效功，往往会表现为废弃物的处置导致系统热耗的轻微的上扬。由于废弃物中有害元素的含量要远远高于普通的水泥原料，对系统的消纳能力，影响最大的通常是废弃物中氯、硫和碱金属元素的含量。重金属因其绝对数量较少，对系统操作的影响小，但由于水化矿物对重金属的禁锢作用的不同，作为水泥产品性能对其总量有一定的要求，此外飞灰中重金属的富集也对系统收尘设备有更高的要求。窑内的反应是固相反应过程为主，入窑干生料混合物成分的均匀和稳定对窑内物料的煅烧具有先决的基础性作用，而对比于正常的生产过程，引入废弃物处置将显著降低入窑干生料的均化效果，因此在规模化处置废弃物需要注意确保加入窑系统的物料的成分的稳定和总量的平衡。这就要求对废弃物的品质和预处理水平提出较高的要求，而危废的处置因其来源的不稳定和处置量的随机性导致其需要通过配料、破碎、调质、混合、均化等多道工艺环节才能满足要求，而污泥由于自身生产工艺导致其成分较稳定，有害元素的分布较均匀。因此其预处理工艺主要是满足易于输送及入窑炉后分散良好的要求，处置流程相应比较简单。生活垃圾的预处理其关键在分选、破碎。

　　多数的水泥厂由于城市规划及原燃料的制约往往离中心城市有一定的距离，因此在处置利用干基废弃物含量较小的生活垃圾及污泥类废弃物时必须考虑到长距离运输的负荷以及在输送过程中的泄漏对环境的负面影响。生活垃圾由于容重低，即使是通过中转站进行机械压缩，其密度仍然很低，长距离的输送对水泥生产企业处置生活垃圾具有尤其不利的影响。

4、北京水泥厂废弃物利用示范线

　　长期以来，天津水泥工业设计研究院对国内外水泥行业废弃物综合利用的技术动态进行了详尽的技术跟踪，并配合以北京水泥厂有限责任公司为代表的部分国内水泥企业对废弃物的综合处置及利用进行了深入的技术研究。随着对废弃物处置技术的分析以及水泥行业自身特性的匹配，天津水泥工业设计研究院系统地完成了水泥窑处置工业废弃物的技术攻关，形成了浆化和颗粒化两种流程并举的废弃物处置思路，保障了水泥窑安全、有效、经济的处置工业危险废弃物。

表4 本项目处置废弃物类别及能力

废弃物种类	飞灰	炉渣	废白土	工业污泥	低热值废	破碎固废	合计
年处理量 (万t/年)	0.3	3.7	1.0	2.0	1.0	2.0	10
小时处理量 (t/h)	0.8	10.0	3.0	6.0	3.0	5.0
运转率 (%)	43	42	38	38	38	46

　　北京水泥厂有限责任公司自上世纪90年代就已经开始利用水泥窑系统处置废弃物的研究工作，在天津水泥院与北京水泥厂有限责任公司的协作努力下，该公司综合利用城市工业示范线工程于2002年立项，2003年进行工程设计，同年开始施工安装工作，焚烧系统于2004年5月完成调试，投入运行。废弃物处理系统于2004年年底开始设计，2005年施工及安装工作，2005年10月预处理系统投入正常运行。废弃物处置能力良好，系统运行稳定。

　　图1为废弃物预处理的主要工艺流程。污泥通过和生料的在双轴搅拌机中混合调整粘度，形成以污泥生料小球，经过皮带机输送进入流态化分解炉。其他的工业危险废弃物通过搭配进料，经破碎机进入混合器，并依据物性添加部分废液，调质形成浆状物，经柱塞泵输送到窑尾烟室，利用压缩空气作为打散介质，呈不规则块状物入窑。部分替代燃料则依赖三级破碎制备成<10mm的颗粒，通过燃烧器入窑。

5、结论

　　利用水泥窑处置工业危险废弃物、污泥和生活垃圾等废弃物，一方面消减了其他行业无法进行循环利用的废弃物，有利于形成物质的良性的循环，并达到废弃物资源化利用的目的，而另一方面则利用了水泥窑的高热环境，减少了废弃物处置的成本。在整个社会的层面上利用有效的跨行业合作也降低了有害物质和温室气体的排放总量。

编辑：

监督：0571-85871667

投稿：news@ccement.com

本文内容为作者个人观点，不代表水泥网立场。如有任何疑问，请联系news@ccement.com。（转载说明）