水泥工业处理废弃物优势及问题分析

摘要：利用水泥回转窑处理工业和生活废弃物，是水泥工业可持续发展的必然趋势。水泥工业在处理废弃物方面有其独特的优势，同时也存在不可忽视的问题。发挥优势，解决问题，实现水泥工业“生态化”发展。

0 前言

　　随着世界工业化和信息化进程的不断加快，工业生产中的许多废弃物（工业垃圾）的排放在不断增加，并且由于目前对这些排放的废弃物还没有一个相对来说比较好的处理办法，这些废弃物日积月累，数量正在惊人地上升（仅我国每年的工业固体废弃物产生量大约就有6亿吨）。而这些废弃物中有许多是对人类自身和人类赖以生存的自然环境有严重影响的危险废弃物。同时由于生活水平的日益提高，城市生活垃圾的数量也在急剧上升。就我国来讲，到2000年我国城市垃圾已达到1.3亿吨，北京市2000年的垃圾量是500万吨。如何处理这些对人类和自然环境有危险的废弃物，使之不会对人类以及人类赖以生存的自然环境再有不良影响，并且在处理过程中也尽量对环境产生比较小的危害。更进一步地讲，怎样使这些看似没有利用价值的资源转化为人类可以再次利用的资源已经成为一个越来越引起人们重视的问题。

　　另一方面，水泥工业由于其资源和能源的巨大消耗，以及产生的有害物质对环境的污染，使水泥工业对环境产生了沉重的负荷。（我国水泥生产每年所需要能源，资源及排污的统计与预算见表1）。环境保护意识的加强对世界各国水泥工业的发展提出了更高的要求，如何实现水泥工业的“生态化”，使水泥工业变为对环境友好的工业已经成为水泥工业发展的一项重要任务。

　　如何把工业和城市生活垃圾的处理与水泥生产中对原，燃料的需求结合起来，既处理了工业和城市生活垃圾，又可以部分解决水泥生产对原燃料的巨大需求问题，这已经成为世界水泥界的一项科研课题。目前，世界上解决的办法大致有两种，（1）利用垃圾焚烧炉焚烧工业和生活垃圾，再把焚烧灰做水泥生产的原料，通过配料计算加入原料中，来烧制水泥熟料，日本已将此项技术应用于水泥工业。（2）把工业或城市垃圾在水泥窑中焚烧，水泥生产过程既做垃圾焚烧炉，又做水泥熟料烧成设备，同时垃圾焚烧灰又可以做水泥原料，欧美国家的水泥行业侧重于研究和应用这方面的技术。

   表1      我国水泥生产每年所需要能源，资源及排污的统计与预算

1.水泥回转窑处理废弃物的前提和优势

　　水泥回转窑处理废弃物的前提是：（1）不能影响水泥质量：（2）不能对操作工人的身体健康有危害；（3）不能对生产设备有损坏；（4）不能影响生产的正常进行；（5）生产工艺过程和产品不能对环境产生二次污染；（6）废弃物在水泥原料和燃料中要达到一定的比例以便产生环保和经济效益；（7）产生的水泥要尽可能有大的适用范围。

　　水泥回转窑处理废弃物的优势是：（1）水泥窑内温度高，物料温度可达到1450⁰C，而烟气温度则可高达1750⁰C，这远远高于垃圾焚烧炉的850⁰C和1200⁰C；（2）烟气在水泥窑中的停留时间为4S以上，而在垃圾焚烧炉中则只有2S；（3）水泥回转窑内气流和物料的运动方式有利于废弃物的完全燃烧；（4）水泥熟料煅烧的碱性条件有利于废弃物中的氯，硫和氟等被窑内的碱性物质完全中和；（5）废弃物焚烧残渣通过固相和液相反应进入水泥熟料中，一些危险的重金属元素也被固化在水泥熟料中；（6）可燃的废弃物通过燃烧提供了熟料煅烧所需的部分热量，且燃烧产物为无害气体，同时达到了废弃物处理、能源节约和CO₂排放减少的多重效果；（7）水泥回转窑系统的全负压运行，高效收尘系统和回灰循环利用系统保证了有害粉尘的收集和利用，使废气达到了安全排放；（8）以上提到的水泥回转窑在处理废弃物时所具有的优势都是和水泥生产的工艺过程同时进行的，也就是说，在对水泥回转窑系统不进行大的设备调整的条件下，可以利用现有的水泥回转窑系统进行废弃物的焚烧处理。

2.水泥回转窑可以处理的废弃物种类和处理方式

　　水泥回转窑可以处理的废弃物种类包括生活垃圾、各种污泥（下水道污泥，造纸厂污泥，河道污泥，污水处理厂污泥等）、工业副产品（粉煤灰，高炉矿渣，煤矸石，硅藻土，废石膏等）、危险工业废弃物、各种有机废弃物（废轮胎，废橡胶，废塑料，废油等），其中危险工业废弃物可以参考相应的国家和地方制定的有关有害废弃物名录。处理方式是以二次原料和二次燃料的形式参与水泥熟料的煅烧过程，二次燃料通过燃烧放热把热量供给水泥煅烧过程，而燃烧残渣则作为原料通过煅烧时的固、液相反应进入熟料主要矿物，燃烧产生的废气和粉尘通过高效收尘设备净化后排入大气，收集到的粉尘则循环利用，达到既生产了水泥熟料又处理了废弃物，同时减少环境负荷的良好效果。

3.水泥回转窑处理废弃物的工艺过程

　　针对废弃物在水泥熟料煅烧过程中所起的不同作用，水泥回转窑处理废弃物的工艺过程目前主要有两种方式（1）焚烧炉的垃圾焚烧灰仅做水泥原料的水泥工艺过程和（2）垃圾既做水泥原料又做燃料的直接焚烧垃圾的水泥工艺过程。

3.1  以水泥原料方式处理垃圾焚烧灰时采用的水泥工艺过程

　　这种处理方式由于垃圾焚烧灰中含有大量的氯元素，所以一般应该采用湿法回转窑或者带立筒预热器的悬浮预热窑，以避免在预热器连接处发生结皮和堵塞。

3.2  直接焚烧废弃物的水泥工艺过程

　　一般来讲，各个生产企业根据自己的实际情况并结合各生产工序设备情况，采用不同的加料方式。例如北京水泥厂，根据垃圾的不同物理形态和发热量的大小，在焚烧时将固态废物从回转窑窑尾均匀加入；瓶装液态、半固态废物用空气炮从窑尾直接打入水泥烧成段；液态有机废液随燃油从窑头喷入。

3.3  对两种处理方式的共同要求

　　虽然上述两种利用水泥回转窑处理废弃物的方式各有千秋，但有一项要求是它们的共同点，那就是必须有良好的收尘系统。因为水泥回转窑焚烧处理工业和生活垃圾时，一些没有被水泥熟料固化的有害的化学物质会在温度降低时由气态变为液态并附着在水泥熟料煅烧时产生的灰尘上，所以为了减少环境危害，就必须把这些灰尘收集下来另外处理掉。这就对水泥回转窑收尘系统的收尘效率提出了更高的要求，现在一般认同采用大的布袋收尘器。

4.水泥回转窑处理废弃物时存在的问题

4.1  设备问题

　　由于目前需要处理的废弃物种类很多，而且即便是同一种类型的废弃物，其成分和性质也有很大差别。因此，为了保证生产的稳定和连续，在利用水泥回转窑处理废弃物时就必须对有关设备进行相应的改造。首先，必须有对进厂的废弃物进行预处理的相关设备；其次，必须对水泥生产工艺过程进行必要的改造，以便使水泥生产线从单一的水泥生产工艺过程转变为可兼容废弃物处理的生产工艺过程，其中主要包括（1）根据处理废弃物的类型确定水泥窑的种类；（2）燃烧器的改造，（3）配料设备的改造，（4）输送设备的改造，（5）废弃物入窑装置的设置，（6）收尘系统的改造，（7）对废弃物进行必要化学分析的设备；

4.2  二噁英的问题 

　　水泥煅烧时的温度很高，超过了产生二噁英的温度范围，破坏了它的生成条件，所以水泥回转窑在焚烧废弃物时是不会产生二噁英的；但是在气体冷却过程中却有可能产生二噁英，所以出窑废气在增湿塔里应该急速冷却到250⁰C以下，以防止在250⁰C—350⁰C的温度范围内二噁英重新生成。这就对窑尾增湿塔的降温速度提出了更高的要求。

4.3  废弃物中所含有的重金属元素在回转窑系统中的循环和收集问题 

　　废弃物中的重金属元素在水泥回转窑中的挥发性和许多因素有关，诸如煅烧温度，原料中的其他微量元素等。单质的汞理论上在100^oC完全蒸发，在熟料煅烧过程中可能形成汞的氯化物HgCl₂,它和汞一样也是高挥发性物质，所以汞不会存在于熟料中，只能挥发，这和我们的计算结果可以很好的吻合。挥发的汞及其化合物一部分会以气态形式排放，另一部分会冷凝下来附着在粉尘上。为了控制汞的排放，就必须控制汞的入窑量。

　　原燃料带入的锌约有90%结合到熟料矿物中，其余部分以氯化物形式挥发，随窑灰构成外循环，这部分约有3％左右。也有少量随粉尘排放，约为0.1%左右。

　　铅在回转窑中的特性和锌相似。    

　　熟料固化的镉为输入量的86%左右。镉和原料中的氯生成镉的氯化物随窑灰做内循环，所以在回转窑废气温度下可以不考虑会有蒸汽状态的镉化合物随净气排放。

　　铬，钴，镍和铜绝大部分（>90%）固化在熟料矿物中，窑灰中只有很少一部分，排入大气中的是微量的。

　　砷有大约85%左右进入熟料矿物中，其余大部分和生料中的氯或硫形成氯化物或硫化物随窑灰做内循环。进入大气中的可以忽略不计。

5.利用水泥回转窑处理废弃物的其他限制因素以及解决办法

　　充分利用我国现有的大量水泥回转窑来处理我国的工业和生活废弃物，是一个符合我国情的切实可行的比较先进的废弃物处理方法，但是这种方法也面临着巨大的外部制约因素。首先，社会上虽然对废弃物问题有了很大的重视，但是水泥工业在废弃物处理上的举足轻重的作用还没有引起社会各界的重视，特别是各级政府和相关职能部门的重视。政府和职能部门不仅要在经济上给予倾斜支持，而且也要为各个废弃物产生单位和水泥企业之间架起桥梁，以便充分发掘水泥企业在环境保护方面的潜力，使水泥企业不仅成为国民经济的支柱，也成为环境保护的主力。其次，水泥企业要在利用水泥回转窑处理工业和生活废弃物上有所作为的话，不仅要在设备和工艺流程上做相应的改进，还要建立一套严格的检测方法，以保证水泥质量和处理过程不对环境产生危害。更为重要的是，企业要有科学严格的管理方法，才能为水泥企业处理工业和生活废弃物提供坚实的基础。第三，要加强对一些基础性的理论研究的支持力度。例如焚烧废弃物对水泥回转窑热工制度影响的研究；重金属元素在水泥熟料中的固化机理研究；重金属元素对水泥水化机理的影响的研究；含重金属元素的水泥配制的混凝土中重金属元素离子的浸出情况的研究等。第四，要加快相关法律和国家标准的建立步伐，为利用水泥回转窑处理工业和生活废弃物提供法律和制度上的保障。

6.结语

　　我国的废弃物处理问题已经严重地摆在了我们的面前，而水泥行业也正面临着巨大的资源和环境挑战。如何把巨大的废弃物处理问题和水泥行业面临的巨大的资源和环境问题结合起来，既处理了废弃物，又解决了水泥行业的资源问题，是所有水泥和环境工作者的历史重任。这件功在当代，利在千秋的大事，既要引起各级政府职能部门的重视和大力支持，也要引起水泥工业中科研，设计和生产各个环节的高度重视。新的世纪要求人类和自然环境能够协调发展，国外早已经开始了对这项工作的研究并正在把相关研究成果转化为生产力，我国也应该不失时机地加入到这个行列中去。为我国水泥业的新发展做出应有的贡献，也为我国的环境保护事业作出一份努力。