（材料学专业论文）生态水泥生命周期评价研究.pdf

摘要 摘要 利用水泥窑处理废弃物生产生态水泥不仅可以有效处置工业废弃物和城市 垃圾，而且可以减少资源、能源消耗和污染物的排放，这已经得到国内外的广 泛关注。 本文首先采用生命周期评价法( l c a ) 和层次分析法对水泥窑系统不烧废 弃物( a ) 、焚烧废弃物( b ) 、替代燃料( c ) 和替代原料( d ) 的四种情况 进行了环境影响评价，结果表明，在四种情况中不烧废弃物的环境负荷最高， 焚烧废弃物次之，而替代燃料和替代原料的环境负荷较前两种有所降低，但差 别不大。在水泥生产四种情况的环境影响类别中，资源消耗的环境负荷均为最 大、其次是温室效应、能源消耗、人体健康损害，酸化效应的环境负荷最小。 采用模糊评价法对焚烧废弃物制得水泥混凝土制品中重金属元素c u 、z n 、 a s 、h g 、c d 、c r 6 + 、p b 、f e 、m n 、c o 浸出液进行分析研究，尽管个别重金属 元素分析结果达到地表水或地下水的二级或三级标准，多数元素达到两类标准 的一级，但经过综合评价后，该浸出液达到地表水和地下水质量的一级标准， 不会对水体造成污染。 最后，制定了生态水泥生命周期评价标准，根据生态水泥的生产工艺编制 生态水泥的基础数据清单表，发展了污染物c 0 2 、n o 。等的负荷强度计算方 法。其中，生态水泥清单和环境影响评价部分已经在企业中获得了实际应用， 并且取得满意的效果。 论文系统地对水泥窑系统焚烧废弃物的环境协调性进行分析和比较，这对 促进我国废弃物再利用、改善生态水泥生产过程的环境行为等具有重要的现实 意义，同时为今后生态水泥的评价方法和评价标准的建立提供了技术基础。 关键词生态水泥：生命周期评价；废弃物：模糊评价法：浸出 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec e m e n tk i l i lt h a tm a k e su s eo fw a s t em a t e r i a l sf o re c o c e m e n tp r o d u c t i o nc a n n o to n l yd e a l 、i t hi n d u s t r i a lw a s t e sa n dt h ec i t yg a r b a g e b u ta l s or e d u c et h e c o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s ，e n e r g ya n dt h ep o l l u t a n t ，a n dt h i sh a sa l r e a d yg o tt h e d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a le x t e n s i v ec o n c e m t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to fc e m e n tk i l nw i t hf o u ro p e r a i n gc o n d i t i o n s u s i n gt h em e t h o do fl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ( l e a ) a n da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，t h a ti s w i t h o u ta n dw i t ht h eu s eo f w a s t e rm a t e r i a l s ，s u b s t i t u t i o nf o rf u e la n dr a wm a t e r i a l s ， r e s p e c t i v e l y 谢t l lt h ea ，b ，ca n dde x p r e s s i n gt h ef o u rc o n d i t i o n ，t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h ee n v i r o n m e n t a ll o a do fai sh i g h e s t ，t h en e x ti sb ，t h el o a d so fca n dda r e l o w e rt h a nt h a to faa n db ，b u tt h ed i f f e r e n c ei sv e r ys m a l l a m o n ge n v i r o n m e n t i n f l u e n c ec a t e g o r i e so ff o u rc o n d i t i o n s ，t h el o a do fa b i o t i cd e p l e t i o np o t e n t i a la r ea l l h i g h e s t ，t h en e x ta r eg l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ，e n e r g yd e p l e t i o np o t e n t i a la n dh u m a n t o x i c i t y ，t h el o a d so f a c i d i f i c a t i o np o t e n t i a la r ea l ll o w e s t a d o p t i n gt h em e t h o do ff u z z ya s s e s s m e n t ，t h i sp a p e re v a l u a t e st h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c to fh e a v ym e t a le l e m e n t sc u ，z n ，a s ，h 舀c d ，c r 6 + ，p b ，f e ，m na n dc ol e a c h a t e o fc e m e n ta n dc o n c r e t ep r o d u c t i o nh a v i n gw a s t em a t e r i a l so nt h ew a t e rq u a l i t y d e s p i t et h ea n a l y t i c a lr e s u l to fs o m ee l e m e n t sb e l o n gt ot h es e c o n do rt h i r dc l a s so f e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e r ，o t h e r sb e l o n gt o t h ef i r s tc l a s so ft h et w os t a n d a r d ，t h el e a c h a t ea t t a i l l st h ef i r s tc l a s so fe n v i r o n m e n t a l q u a l i t ys t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e rt h r o u g hs y n t h e s i z e l ye v a l u a t i n g a n dc a n n o ti m p a i rt h eq u a l i t yo fw a t e rb o d y f i n a l l y ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h es t a n d a r do fe c o c c m e n tl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ， s e t su pt h ee c o c e m e n ti n v e n t o r y ，a n dd e v e l o p st h el o a dc a l c u l a t i o no fp o l l u t a n t sc 0 2 ， n o xa n ds oo n e c o c e m e n ti n v e n t o r ya n di m p a c ta s s e s s m e n th a v ea c q u i r ea c t u a l a p p l i c a t i o ni nc o m p a n ya n da c h i e v es a t i s f a c t o r ye f f e c t i nt h i sp a p e r t h ee n v i r o n m e n t a li m p a c t 、i t l lt h eu s eo fw a s t em a t e r i a l si nt h e c e m e n tk i l ns y s t e mw a sa n a l y z e da n dc o m p a r e dt o i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo ft h e p r o m o t i o no ft h er e u s eo fw a s t em a t e r i a l sa n di m p r o v e m e n to ft h ee n v i r o n m e n t a l b e h a v i o ro fe c o c e m e n tp r o d u c t i o n a tt h es a n l et i m e ，t h i sp r o v i d e st h er e f e r e n c ef o r t h ef o u n d a t i o no f e c o c e m e n te v a l u a t i o nm e t h o da n de v a l u a t i o ns t a n d a r d i i a b s t l “岍 k e yw o r d s ：e c o c e m e n t ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ；w a s t em a t e r i a l s ；f u z z ya s s e s s m e n t ； l e a c h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：寓葡 日期：埘6 占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布沦文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：2 确导师签名：夏乇 日期：w 讳、6 亍 第1 章绪论 第1 章绪论 随着世界工业化和信息化进程的不断加快，工业废弃物的排放量不断增 加，据有关资料统计，我国每年产生工业固体废弃物7 8 4 亿吨，其中危险废弃 物1 0 1 5 万吨，这些危险废弃物大都含有对人类自身和人类赖以生存的自然环境 以严重影响的重金属元素，如何科学合理地处置这些废弃物，实现无害化和资 源化，是全社会关注的热点。 水泥工业作为我国基础性原材料工业的支柱之一，在国民经济可持续发展 中具有举足轻重的地位。随着我国国民经济的快速增长，水泥工业也以前所未 有的速度发展。目前，我国水泥产量已经突破7 亿吨，位居世界第一位。水泥 产量的高速增长，有力地支撑了我国经济快速发展，但同时也产生了一系列的 生态环境问题。 1 1 生态水泥提出的背景 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，这己经成为世界水泥界的一项科研课题【”。解决这个问题的最有力的 对策是推行垃圾及工业废弃物再资源化，水泥工业以其利用废弃物数量大、范 围广、效果好的独特优势作为利用废弃物工业的首选。它不仅可以实现废弃物 的再利用，减少环境污染，而且还有利于其他行业的可持续发展。在这种背景 下，提出了生态水泥的概念。 生态水泥主要是指采用清洁生产技术，少用天然资源和能源，大量使用工 业或城市固态废弃物生产的无污染、有利环境保护的水泥。主要包括工业废渣 高掺量水泥、用工业废弃物生产的水泥等 2 1 。这种水泥能降低废弃物处理的负 荷，节省资源、能源，达到与环境共生的目标，是2 1 世纪水泥生产技术的发展 方向。 生态水泥生产工艺与普通水泥的工艺基本相同，包括生料制备、熟料煅烧 和水泥制成等工序。但因原料不同，则需要配备重金属和含氯物质的回收装 置。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 生态水泥的国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 目前，欧美、日本等国开展了利用各种工业废弃物和生活垃圾等替代水泥 原燃料的研究。瑞典n o r d i c 公司加工各种废油和化学溶剂用作水泥窑二次燃 料。瑞士计划2 0 1 0 年将水泥工业处置利用二次燃料的比例提高到6 0 ，届时要 有2 - 3 家水泥厂实现1 0 0 采用二次燃料，完全不用煤来烧熟料。1 9 9 6 年瑞士的 h c br e k i n g e n 水泥厂已成为世界上第一个具有利用、处置废弃物的环境管理系 统的水泥厂，并得到i s 0 1 4 0 0 1 国际标准的认证。日本住友水泥公司伊吹水泥厂 每年处理废轮胎2 万吨，处理废水污泥4 万吨，其它有机溶液、废油、塑料、 汽车制造厂废料等废弃物1 2 万吨。该厂不仅解决了当地部分环保问题，而且 也获得了一定的经济效益。 现今国内外绝大多数的粉煤灰、矿渣和硫铁渣等废弃物都是由水泥厂利用 的。日本秩父小野田公司利用下水道污泥及城市垃圾焚烧灰渣为原料生产出高 强度水泥引。这种水泥的原料中6 0 为废弃物( 城市垃圾灰占2 0 一3 0 ) ，烧 成温度1 0 0 0 1 3 0 0 。c ，燃料用量与排放量都比生产普通水泥少得多，这对保护生 态体系、维护环境协调具有重要意义。台湾中央大学研究利用垃圾焚烧炉制成 炉渣，再用炉灰一炉渣生产出生态水泥。还有些发达国家出现了将水泥厂和垃圾 治理厂结合起来，组成仿生群乐体的新尝试【4 】。b e n n at 咖a 【5 】丰旨出利用废弃物 作为水泥窑的二次燃料有很多益处，包括节约不可再生燃料，减少出于煤燃烧 所产生的c 0 2 、s o ；、n o 。和甲烷等的排放，减少了废弃物的处置费用，同时也 给水泥厂带来了经济效益。 1 2 2 国内发展现状 国内利用水泥回转窑焚烧废物尚属起步阶段。上海金山水泥厂和上海联合 水泥厂成功利用水泥窑焚烧危险废弃物，同济大学和上海建材集团开展合作， 已在下属几个水泥厂成功地进行过利用污泥等废弃物煅烧水泥熟料的工业性试 验。 上海建材集团水泥有限公司、上海浦东水泥厂现已是上海市处理危险废弃 物的定点单位，并获得许可证，处理技术日臻成熟。1 9 9 9 年，处理污水厂污泥 发展生态水泥的技术通过专家鉴定，2 0 0 0 年开始在四家水泥企业全面推行。上 第1 章绪论 海建材集团水泥有限公司早在6 0 年代就开始利用高炉矿渣制造水泥；7 0 年代， 利用粉煤灰生产水泥；8 0 年代，推广应用高钙粉煤灰：近几年来，又进一步扩展 了工业废弃物处置和利用的范围，有宝钢石灰石泥饼、浦东钢铁厂的废石屑、钛 白粉厂的黄石膏、焦化总厂的有害废液和炉渣，以及制药染化等行业的有毒排 放物、废燃料、废硅藻土等。 北京水泥厂利用水泥窑焚烧处置固体废弃物也已取得一定的成果。利用树 脂渣、废漆渣、有机废溶液、油墨渣等4 种比较有代表性的工业有机废弃物在 本厂2 0 0 0 t d 熟料新型干法窑上进行了焚烧试验，北京市环境监测中心对试验过 程进行了跟踪监测。测定结果表明，排放废气中的有机废物和重金属的浓度和 排放量均未达到北京市允许的最高排放标准，对熟料和窑灰取样做了重金属浸 出试验，测定结果重金属的浸出量低于地表水二级标准，对水泥产品质量亦无 影响1 6 j 。 1 3 生态水泥的评价方法 生态水泥的生产工艺与普通水泥基本相同，主要是由原料运输、水泥制 造、产品使用、废物回收等阶段组成，由于每一阶段对环境都会产生影响因 此，可采用生命周期评价法( l i f ec y c l ea s s e s s m e n t ，简称l c a ) 对其整个过程 进行综合评价。生命周期评价法是按系统( 即所谓“从摇篮到坟墓”的过程) 来 评价产品或工业行为的一种系统方法，通过对产品整个寿命周期中所排放的影响 环境的污染物以及资源能耗的确定及定量，找到在这个全过程中各因素对环境 的影响程度，进而找到减少环境污染的办法。 1 3 1l c a 方法的概念与框架 所谓生命周期评价技术是一种评价产品工艺或活动从原材料采集，到产品 生产、运输、销售、使用、回收、维护和最终处置整个生命周期阶段有关的环 境负荷的过程。l c a 是一种用于评估与产品有关的环境因素及其潜在影响的技 术，其作法为【7 】： 编制产品系统中有关输入与输出的清单； 评价与这些输入输出相关的潜在环境影响； 解释与研究目的相关达到清单分析和影响评价结果。 北京工业大学工学硕士学位论文 按照i s 0 1 4 0 4 0 系列标准，如图卜l 所示，l c a 评价方法的技术框架一般包 括4 部分：目的与范围的确定、清单分析、环境影响评价及评价结果解释。 | 的与范围的确定 评 if 价 结 清单分析 i 果 解 if 释 环境影响评价 i 图卜1l c a 的i s o 技术框架 ( 一) 目的与范围的确定 l c a 研究目的中须明确陈述其应用意图，开展该相研究的理由及其沟通对 象( 及研究结果的接受者) 。在确定l c a 研究范围时，须考虑下列内容并予以 明确描述：产品系统的功能、功能单位、所研究的产品系统、产品系统边界、 分配程序、影响类型和影响评价方法学，以及随后所作的解释、数据要求、假 定、局限性、对初始数据的质量要求、鉴定性评审类型( 如果进行这一评 审) 、研究报告的类型与格式。 ( 二) 清单分析 清单分析包括数据的收集和计算程序。目的是对产品系统的有关输入和输 出进行量化。输入和输出可包括与该系统有关的对资源的使用，向空气、水体 和土地的排放。可根据l c a 的目的和范围需要，依据上述数据做出解释。同时 这些数据还是进行生命周期影响评价输入的组成部分。 ( 三) 环境影响评价 环境影响评价建立在编目分析的基础上，其目的是为了更好地理解编目分 析数据与环境的相关性，评价各种环境损害造成的总的环境影响的严重程度。 ( 四) 生命周期解释 生命周期解释是根据规定的目的和范围，综合考虑清单分析和影响评价的 发现，从而形成结论并提出建议。目的是寻找减少环境影响、改善环境状况的 一d 一 第1 章绪论 时机和途径，并对这个改善环境途径的技术所引起的环境影响及改善效果进行 解析。 1 3 2l c a 方法的发展现状 在l c a 方法的研究方面，由i s o 组织制定的环境管理标准中的相关研究最 有影响，体现了世界范围内l c a 研究的共识。目前，l c a 方法的研究主要包 括编目分析方法和环境影响评价方法两个方面。 l c a 的研究与应用极大地依赖于评估数据与结果的积累。目前世界上已有 十多个著名的l c a 数据库，由不同的国家、组织或研究机构建立。如英国、法 国、荷兰的一些公司，分别开发了l c a 评估计算机软件和相关的数据库。这些 数据库在l c a 研究中发挥着重要作用。 l c a 方法的进一步发展仍然包括理论研究和应用实践两大方向。理论研究 包括解决环境影响尚未考虑或难以考虑的类型并建立其数学物理模型，完善流 向分析和环境损害分析数学物理模型；获得更大范围内的统计数据，解决不同 影响类型综合评价之间相互关系的问题；以及根据理论模型给出更多物质的环 境影响标准值等。实践方面包括收集完整的数据，以l c a 指导产品的绿色设计 等。 在我国，l c a 研究起步较早，发展也非常迅速，现已成为环境科学界的关 注焦点和研究热点之一。在政府的引导和支持下，研究人员利用l c a 方法开展 了卓有成效的研究工作，包括编目分析分配方法研究、环境影响类型分配体系 研究、中国环境影响特征因子和权重因子的确定等。其中，材料环境协调性评 价( m l c a ) 方面的研究及应用是目前国内l c a 最主要的研究方向，同时也一 壹是环境材料研究中的重要组成部分。 自1 9 9 8 年起，国家高技术研究计划( 8 6 3 计划) 支持了首项“材料的环境 协调性评价研究”，由北京工业大学负责，重庆大学、北京航空航天大学、清 华大学、西安交通大学和四川大学等六所重点大学联合承担，对国内几大类主 要基础材料进行了全面的m l c a 评价。该项目对我国钢铁、水泥、铝、工程塑 料、建筑涂料、陶瓷等七类材料进行了l c a 评价研究，初步获得了以上代表性 材料的环境负荷基础数据。在大量系统性研究工作的基础上，总结了材料环境 负荷的分析方法，提出了l c a 评价的新方案和定量方法。 北京工业大学工学硕士学位论文 从2 0 0 1 年开始，北京工业大学等又联合承担了国家“十五”8 6 3 计划“材 料环境协调性评价技术及其应用”项目，将对整体m l c a 技术框架、动态 m l c a 方法和环境负荷的三层次理论进行深入研究，将“九五”对结构材料的 研究成果拓展和延伸于功能材料，并在实践中进行不断修正与完善，既要与 i s 0 1 4 0 0 0 系列标准接轨，又要符合我国国情；进而使m l c a 的整体研究涵盖 整个材料领域。 在国家8 6 3 计划的支持下，中国材料生命周期评价研究取得了很大的进 展，已经深入到材料工业的各个领域，有望为材料产业的可持续发展和清洁生 产的实现提供明确的依据。我国的材料环境协调性评价中心( c h i n e s ec e n t e rf o r m a t e r i a l sl i f ec y c l ea s s e s s m e n t ) 正在北京工业大学筹建，目前就环境材料研究 和m l c a 研究同欧洲各国、加拿大、日本等国的一些大学和研究机构建立了各 种国际合作关系，并已开展了大量的学术交流与合作研究峭j 。 1 3 3 水泥l c a 研究现状 目前，国内采用l c a 方法对水泥生命周期评价的较多，武汉理工大学的刘 顺妮研究了水泥与混凝土材料的环境协调性评价体系和评价方法。对水泥混凝 土系统环境评价的边界条件、系统内涵和外延、指标化方法等进行了重点和系 统研究 9 】。由于生态水泥的生产工艺与普通水泥基本相同，因此这给生态水泥 的生命周期评价提供了一定的基础和典型案例，其中大气污染物中c 0 2 排放量 的计算方法值得借鉴。北京大学的郭玉泉利用物质流分析、生命周期评价和层 次分析的方法，在企业和行业尺度上对北京市水泥生产和使用过程中的物能代 谢进行研究【1 。为北京地区生态水泥的研究提供了参考依据。刘艳霞对北京某 水泥厂水泥窑系统中不烧废弃物和焚烧废弃物两种工况的环境影响进行了评 价，用模糊评价法对进入熟料浸出液的有毒有害元素对水体生态系统的质量影 响进行了分析【l ”。此研究论述了水泥窑处理废弃物的可行性，然而只是对水泥 窑系统的环境影响进行了评价，没有形成系统的研究体系，且采用水泥熟料作 为研究对象来判断实际环境中水泥混凝土制品浸出对环境的影响，很难判定实 际使用环境中水泥混凝土制品中重金属元素浸出量的大小，因而具有一定的局 限性，同时也很难与国际的研究同步。基于以上的研究，本文将较为全面系统 地分析水泥窑系统焚烧废弃物的环境影响，并制定生态水泥的生命周期评价标 6 第l 章绪论 准，这给我国生态水泥的研究提供了典型范例，同时对形成我国生态水泥的企 业标准和行业标准提供技术基础。 1 4 选题目的和意义 鉴于以上的说明，本文的选题目的在于对水泥窑系统焚烧废弃物进行系统 的评价。针对当前生态水泥环境协调性评价技术中存在的问题，提出相应的解 决方案和措施，为今后北京市生态水泥发展的前景进行比较全面而合理的预 测，估计可能存在的主要困难，并提出可能的解决办法。 本文的选题具有如下意义： ( 1 ) 为城市垃圾的消纳和处理提供可行的方式，从而改善生态环境； ( 2 ) 促进水泥工业的生态化改造和结构调整，有利于我国废弃物的资源化； ( 3 ) 满足2 0 0 8 年北京奥运对水泥的需求，确保我国社会、经济的可持续发 展。 1 5 研究目标、内容及研究方法 本课题的研究目标是： ( 1 ) 为生态水泥的环境协调性评价找到切实可行的使用方法，提供典型企 业评价的范例。 ( 2 ) 通过对生态水泥的环境影响评价进行研究，找出各因素对环境的影响 程度，从而有助于水泥企业改进技术，实现水泥的生态化设计。 ( 3 ) 为生态水泥环境协调性评价标准的建立做了前期的准备工作，并提供 技术基础，同时为北京地区水泥行业发展提供政策上的建议。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 课题以北京地区某水泥厂利用水泥回转窑焚烧废弃物的过程为研究对 象，分析水泥窑系统焚烧废弃物、不烧废弃物、替代燃料和替代原料四种情况 的环境影响。 ( 2 ) 采用模糊评价法对焚烧废弃物制得水泥混凝土制品中重金属元素的浸 出进行环境影响分析，分析其对水体造成的影响。 ( 3 ) 制定生态水泥生命周期评价标准。 北京工业大学工学硕士学位论文 本文采用生命周期评价和层次分析法对水泥窑系统焚烧废弃物进行了分 析，并用模糊评价法研究了焚烧废弃物制得水泥混凝土制品中重金属元素浸出 对水体的环境影响。 该课题依托于“十五”8 6 3 材料环境协调性评价技术及其应用项目编号： 2 0 0 1 a a 3 2 0 2 0 1 和北京市自然科学基金项目 项目编号：2 0 1 1 0 0 1 一一北京地区 物料流分析及其数据库的建立。 1 6 本章小节 本章从城市垃圾与工业固体废弃物产生的环境与社会问题入手，引出了废 弃物的处置与处理方法，提出了生态水泥的概念。在论述生态水泥的国内外发 展现状和当前水泥生命周期评价的基础上，得出了本课题的研究内容、研究目 的和意义，并提出了本文所用的研究方法。 第2 章水泥窑利用废弃物的现状分析 第2 章水泥窑利用废弃物的现状分析 2 1 水泥窑焚烧废弃物的优势 大量的研究与实践表明，与传统的废物处理方法如焚烧炉、填埋等相比， 水泥回转窑处理废弃物具有很大的优越性。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 窑内温度高。回转窑内气体温度在1 3 5 0 一1 6 5 0 ，甚至更高，在如此 高温下，废料中主要有机物的有害成分焚毁率可达9 9 9 9 9 以上，即使很稳定 的有机物也能被完全分解。 ( 2 ) 水泥回转窑热容量大，工况稳定，不仅可以接受处理大量的废料，而且 可以维持均匀、稳定的燃烧气氛。 ( 3 ) 燃烧气体在水泥回转窑中高温下停留时间长。水泥窑升温和风冷降温速 度较快，可以迅速越过二嗯英的形成区，因此，排气中几乎没有二嗯英成分。 ( 4 ) 水泥回转窑中为碱性气氛，一方面对燃烧产生的酸性气体，如h c i 、 s 0 2 、c 0 2 等能起到中和作用，使它们变成盐类固定下来，另一方面也能将废料 中可能存在的重金属元素固定在氧化物固体中，毋需对含重金属焚烧灰渣再进 行处理，因而水泥回转窑起到了净化装置和重金属高温固化达到双重作用。 2 2 水泥厂焚烧废弃物的典型实况分析 按照课题的要求，这里采用北京市某水泥厂为研究对象，该水泥厂现有f 1 产2 0 0 0 吨水泥熟料新型干法窑外分解生产线一条，水泥生产的主要工艺过程 为：生料制备( 包括原料破碎、原料预均化、原料配合、生料的粉磨和均化 等) ；熟料煅烧；水泥粉磨等。这三个阶段即：石灰质原料、粘土质原料与少 量的校正原料经破碎后，按一定比例配合、磨细，并配合为成分合适、质量均 匀的生料，称为生料制备；生料在水泥窑内煅烧至部分熔融得到以硅酸钙为主 要成分的硅酸盐水泥熟料，称为熟料煅烧：熟料加适量石膏，有时还加适量混 合材料或外加剂共同磨细为水泥，称为水泥粉磨。 该水泥厂旋窑在正常运行条件下窑内物料温度为1 4 5 0 ，物料在窑内停 留时间3 0 一4 0 分钟，燃烧时产生的烟气可在窑内停留6 秒钟，炉内气体温度可 达1 7 5 0 。在不影响产品质量的前提下，结合各生产工序设备情况，焚烧时出 人工将固态废物从窑尾均匀加入，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。根据环保规划，每年可焚 北京工业大学工学硕士学位论文 烧1 1 5 万吨有害废物。按每天水泥原料投料3 7 0 0 吨计算，每小时可焚烧l 1 5 吨废物。焚烧产生的废气经布袋除尘器处理后，通过1 0 0 米高的烟囱排入 大气。 北京市环境保护监测中心于2 0 0 2 年7 月2 6 和8 月6 日，在该水泥厂旋窑 焚烧危险废物和不焚烧危险废物两种工况下，分别对窑尾大布袋除尘器出口烟 道排放废气中的烟尘、s o s 、f 的排放浓度和吨产品排放量，h c l 、h g 、a s 、 p b 、c d 、n i 、z n 、c u 、c r 排放浓度，以及烟气黑度进行了现场采样和监测， 监测结果见表2 一l 。 表2 - 1 大气污染物监测结果 不焚烧危险废物焚烧危险废物 污染物捧放浓度吨产品排放量排放浓度吨产品排放量 ( m g m 3 )( k g t )( m g m 3 ) ( k g t ) 烟尘3 41 2 lo 3 39 8 x1 0 3 s 0 2 1 4 x 1 0 4 l 3 1 0 3 n o x 6 3 11 8 87 3 814 3 fo 1 4 34 6 9 x 1 0 4o 2 3 l68 5 1 0 4 h c lo 1 2 83 6 0 h g 0 肿0 5 0 0 0 0 8( 0 0 0 0 5 t 0 0 0 0 7 a s 5 l o 一3 t 0 0 2 4 5 1 0 3 0 0 3 4 c r 0 0 1 0 0 l c u o 0 0 1 o 0 0 1t 0 0 2 6 p bo o l 0 0 6 0 0 1 0 0 3 z n 0 0 0 lt 0 0 8 70 0 5 3 o 4 0 0 c d 0 0 0 l o 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 2 n i0 0 0 8 o 0 2 2 o 0 0 1 t 0 0 1 4 采用水泥回转窑焚烧有害废弃物，根据废弃物在水泥生产中的作用，可将 有害废弃物分成三类【1 2 】： 第一类：用作二次燃料。对于含有热值的有机废弃物，包括固体、液体和 半固体状污泥，可作为水泥窑的“二次燃料”。 第二类：用作水泥生产原料。对于主要含重金属的各种废弃渣，尽管其不 含或少含可燃物质，但可作为水泥生产原料来处理利用：而对于卤素含量高的 第2 章水泥窑利用废弃物的现状分析 有机化会物和含镁、碱、硫、磷等的废弃物，由于其对水泥烧成工艺或水泥性 能有一定影响，应该严格控制其焚烧喂入量。 第三类：对如含h g 废弃料等，则不宜入窑焚烧。 2 3 替代燃料在水泥窑系统中的应用 2 3 1 替代燃料 通常人们把可以充当燃料的可燃性废物称为二次燃料。世界上较早利用二 次燃料作为生产水泥燃料的国家是美国、西欧各国和日本。早在上世纪7 0 年代 末，这些国家的水泥工业技术人员就进行利用汽车废轮胎代替天然燃料的试 验，并在8 0 年代初成功地改造了一批工厂。到了9 0 年代，各种具有一定热值 的工业废料和经过处理的生活垃圾越来越多地取代了油、煤气这些传统的燃判 来生产水泥。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、废溶剂和屠宰业弃置的肉、骨 头等 13 1 。日本在水泥窑上处置工业危险废物具有面广、量多的特点，目前已经 处置包括生活污泥在内的多种废物。 近年我国在这方面也进行了有益的探索和试验。如上海万安企业总公司 ( 原金山水泥厂) 进行了替代部分燃料生产水泥的试验，可节能2 5 o ，并且对 水泥产品质量无影响，对环境大气亦无污染。它开创了我国利用有机废弃物作 为替代燃料生产水泥的先河，试验结果说明了利用可燃性有机废料作为替代燃 料生产水泥在技术上是可行的【1 4 l 。 经过多年的生产实践，大量试验证明，回转窑利用可燃性危险废弃物替代 燃料来生产水泥，不仅技术可行，对环境和水泥质量亦均无影响，而且节约了 能源，实现资源的综合利用，降低了水泥生产成本，实现了经济、社会、环境 三个效益的统一【”】。 2 3 2 水泥工业二次燃料的选用原则 能应用于水泥工业的二次燃料种类很多，但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须符合一些原 则： l 、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。使得部 分废料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、 北京工业大学工学硕士学位论文 贮运的费用。显然，热值越高，被应用的可能性就越大，通常应在4 0 0 0 k c a l k g ( 干基) 以上，其中塑料、油、油墨的热量值在1 0 0 0 0 k c a l k g 以上。 2 、必须适应水泥窑的工艺流程需要。可燃废料的形态、水分含量、燃点等 都会影响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 很好地配合。另外，新型干法窑需严格控f l ；i l n a 2 0 、k 2 0 、c 1 这类有害成分的含 量，应以不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，但是，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【1 6 】。 4 、最低热值要求。因为水泥窑是一个敏感的热工系统，不论是热流、气流 还是物料流稍有变化都会破坏原有的系统平衡，使用替代燃料时系统应免受过 大干扰。一些欧洲国家从能量替换比上考虑将1 1 m j k g 的热值作为替代燃料的 最低允许热值1 1 7 】。 5 、有害物质带入量的限定。废弃物中含有的有害物质通常比常规原燃料 高，水泥回转窑在利用和焚烧废弃物( 包括危险废弃物) 时，除应控制有害物 质排放量不会有明显提高外，更主要的是应注意所生产水泥的生态质量”1 。 虽然水泥窑可以分解“消化”或“凝固”其中绝大部分的有毒有害成分， 但是必须对采用替代燃料后可能引起的水泥窑废气排放或重金属沉淀的成分变 化予以高度重视，必须进行系统地较长时期的工业性试验与全面检测，获得环 保部门审批后才能逐步投入试用。 我国现今对采用替代燃料后水泥窑的排放标准尚未制订，这早我们可以参 考欧盟1 9 9 8 年3 月修订的标准1 8 】，如表2 2 所示。 2 3 3 水泥工业利用二次燃料的前景 我国水泥工业在应用二次燃料方面具有广阔的发展空间。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急剧 增多。据报导，我国每年产生的废旧轮胎量已达8 0 万吨，超过了闩本6 0 万吨 和德国4 0 万吨的水平，随着汽车进入家庭的社会变化，有可能在十年内使废轮 胎量翻番。目前我国还有大量难以统计的废轮胎被无序地处理，如不规范地用 作燃料，仅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 第2 章水泥窑利用废弃物的现状分析 表2 - 2 欧盟水泥工业污染物允许排放限量( m n m 3 ) ( 水泥窑烧废料时) 污染物名称总排放限量 粉尘 1 0 h c l i o h f 1 n o 。 5 0 0 c d + t l 0 0 5 h g o 0 5 ( s b , a s ，p b , c r ，c o ，z e u ，m n , n i ，v ) o 5 二暖英和呋喃 0 。l n g n m s 0 2 5 0 有机碳 i o 染。不久的将来，废轮胎成为国家一种主要垃圾的格局也会在中国呈现。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，城市周边难以再找到新的填埋场地。此外，废塑料、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等这类可燃废弃物，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【】。 2 3 4 我国水泥工业处置利用可燃废弃物与国际的区别 由于观念上、认识上的差异和政府在法规、指令上的不同，以及经济发展 水平阶段的不同，我国水泥工业处置利用可燃性工业废料与国际上有很大的不 同。目前国外发达国家在水泥厂用废橡胶制品、废轮胎、废纸张、废塑料、废 油、纺织物废物、废木料、工业溶液、污泥、污油、屠宰场废弃物经加工处理 的肉粉和骨粉以及一部分危险性废料来代替燃料。这些替代燃料，来源稳定， 数量大，发热量也高，一般一个企业仅仅烧其中几项废料，工业过程比较易于 控制。 目前，我国能够提供在水泥厂处置和利用的可燃性工业废弃物只有印刷厂 的废墨，水处理厂的污泥，各种化学工业的有机溶剂和废液、废油漆、各种二r 北京工业大学工学硕士学位论文 业的污油渣等。这些可燃性工业废料来源点多，量少品种多，发热量也不大。 但大量需要利用水泥工业来处置的往往是一些没有热焓的无机的危险品。这样 必然在处置工艺上比国外的复杂，而且也较难取得经济效益，仅仅取得社会效 益和环境效益。 国外在利用水泥窑处理废弃物的替代比例上较大，而我国目前只是在几个 工业实践单位试烧。混烧的可燃性废弃物数量少，还没有真正起到替代水泥原 燃料的目的。因此，我国必须在巩固现有混烧水平的基础上，确保工艺操作正 常，大气排放标准达标，水泥产品不受影响，有意识地逐步增大可燃性工业废 弃物的混烧比例，充分发挥水泥窑处理废弃物的优势。 2 4 替代原料在水泥窑系统中的应用 目前，水泥工业利用废弃物作为替代原料使用较多的是采用垃圾焚烧狄和 城市污泥替代水泥原料。 利用污泥作为生产水泥的原料有三种方式：一是直接用脱水污泥：二是干 燥污泥：三是污泥焚烧灰。不管哪种方式关键是污泥中所含无机成分的组成必 须符合生产水泥的要求 1 9 】。 2 4 1 污泥形态和成分 从表观上看，污泥里黑色，不定形态，手触摸有粘乎感，污泥中的有机物 主要是生物腐殖质，有腐败的气味，它的无机成分基本上类似粘土矿物。它的 组分和热值随着污泥来源的不同而存在较大的差异【1 9 1 。 2 4 2 污泥的危害 污泥对环境的危害主要包括使水源水质恶化，污染土壤和农作物等，其中 重金属是造成污染的一大原因，重金属离子的作用和影响常是人们关注的重 点。污泥中的重金属主要有8 种，c u 、n i 、c d 、c r 、m n 、p b 、a s 和h g 。污泥 中的重金属主要以氧化物、氢氧化物、硅酸盐、不可溶盐或有机络合物的形式 存在，其次为硫化物，很少以自由离子的形式存在 1 9 , 2 0 1 。 2 4 3 典型实例 上海市建委专门立项研究利用水泥窑处理污水厂污泥，同时替代部分水泥 原料来生产生态水泥，这里将污泥与水泥厂原配料用粘土质原料砂岩的比较列 第2 章水泥窑利用废弃物的现状分析 2 4 3 典型实例 上海市建委专门立项研究利用水泥窑处理污水厂污泥，同时替代部分水泥 原料来生产生态水泥，这里将污泥与水泥厂原配料用粘土质原料砂岩的比较列 入表2 3 中。从表2 3 可知，污泥具有较高的烧失量，扣除烧失量后其化学成分 与砂岩相近，进行生料配料计算，理论上可以替代3 0 左右的粘土质原料引l 。 表2 3 污泥与砂岩的化学成分比较( ) 类别l o s s s j 0 2a 1 2 0 3f e z 0 3 c a o m g o 砂岩4 6 66 3 9 21 7 4 2 7 4 2 l 3 4i 4 5 污泥l 3 1 8 33 3 6 28 6 04 3 24 6 92 0 3 污泥2 3 1 2 0 3 4 2 08 6 04 8 64 ，0 6 2 1 2 采用污泥作为水泥的替代原料生产水泥时，主要解决的问题是污泥的贮 存、生料的调配及恶臭的防治，确保生产出符合国家标准的水泥熟料。 有关资料表明，以污泥为原料生产水泥时，水泥窑排出的气体中n o 。含量 可以减少4 0 。这主要是因为污泥中氨在高温下挥发，与气体中的n o 。反应， 而使之分解，从而起到脱硝剂的作用，其反应如下： 2 n h 3 + 2 n o + l ，2 0 2 + 2 n 2 + 3 1 4 2 t 2 一、) 下面将污泥和原料中的砂岩、生料粉中的重金属元素含量进行比较，如表 2 - 4 所示。 可以看出，混合废弃物和污泥中重金属含量远远高出生料粉中的重金属含 量。按照德国以原料形式利用废弃物的有关规定，如废弃物中的单个有害物质 含量在混合前超过天然原料本底含量的1 0 倍以上就不再考虑混合利用。易挥发 的重金属如h g 、a s 、s e 、t l 不在此列。因此，在使用污泥作为水泥替代原料 前须进行重金属元素分离，应使分离后的重金属元素含量不影响水泥质量且不 会对环境造成新的污染，在这种情况下，方可入窑。 经有关试验检测表明，污泥焚烧后的残渣进入水泥熟料中，其主要有害 物重金属固溶在熟料矿物中，对水泥安全性无影响，且熟料中的重金属尤 其是对人体有害的a s 、p b 、c d 、c r 浸出