（材料学专业论文）低环境负荷型水泥的生态环境评价.pdf

武汉理工大学碗士学位论文 摘要 中文摘要 随着水泥工业的进一步发展，不可再生资源和能源的消耗，废气和粉尘 的大量排放，对环境造成的严重负荷已影响整个行业的可持续发展。“生态 环境材料型”产业已成为国际水泥工业可持续发展的必由之路。环境评价是 推进水泥工业可持续发展的重要手段。 本研究课题来源于国家“8 6 3 ”科技攻关项目低环境负荷型水泥及胶 凝材料关键制各技术( 项目编号：2 0 0 2 a a 3 3 5 0 5 0 ) ，主要对项目提出的各种 降低水泥生产环境负荷的新技术等进行环境负荷理论计算；并结合我国水泥 典型生产工艺，对低环境负荷型水泥的生产流程进行了环境协调性评价。 首先，分析水泥工业的环境负荷特点：影响水泥工业环境负荷最大的因 素是燃料、电力和石灰石等资源、能源负荷：其次是c o 。、粉尘、s 0 ：等污染 气体负荷；最突出特点是由于水泥工业可以消纳大量的工业废弃物，其固体 废弃物排放量为负值。 其次，研究并系统建立了水泥生产过程中“环境负荷”评估的理论计算 体系，通过定量计算得出以下结论：通过生产工艺和设备改进，并应用新的 研究技术优化和组合后，生产4 2 5 等级单位复合水泥，与原来生产水平相 比，可达到的环境指标水平分别为：( 1 ) 节约石灰石方面：当磷渣掺量为1 0 ( 活性钙技术) ，并在后期水泥复合时，将混合材掺量从原来的3 0 提高到 5 0 后，可使石灰石用量减少3 7 8 9 ；( 2 ) 节煤方面：采用新型高效燃烧器 和高性能“复合技术”组合后，即当混合材掺量从3 0 9 6 提高到5 0 ，节煤率 可达到3 1 2 1 ；采用高效燃烧器，掺入5 煤矸石，并将混合材掺量从3 0 n 提高到5 0 ，节煤率最多可达到3 5 9 8 ；( 3 ) 二氧化碳减排方面：当磷渣掺 量达到1 0 ，而在后期水泥复合时，将混合材掺量从原来的3 0 提高到5 0 后，可使c o ：减排率达到3 6 3 9 。( 4 ) 提高混合材掺量对降低水泥生产环境 负荷的影响权重明显大于其它措施的效果。当按原配料生产水泥，而仅在后 期水泥复合时，提高“功能性调节组份”的掺量，即混合材掺量从3 0 提高 到5 0 时，生产单位水泥的石灰石消耗减少3 0 7 7 、煤耗减少2 8 、c 0 。减排 率达到3 0 7 7 。 最后，采用环境协调性评价方法( l c a ) ，对我国现有四种典型水泥生产 工艺进行整体环境负荷评价，结果表明：典型水泥生产工艺的环境协调性优 劣排序为：高掺灰渣干法生产工艺 新型干法 立窑 湿法窑：各种工艺生 武汉理工大学硕士学位论文摘器 产1 功能单位水泥的环境影响综合指标分别为：6 4 5 6 x 10 。5 、9 6 1 4 x 1 0 。5 、 1 3 18 2 1 0 1 4 、1 4 9 6 6 x 10 一“。 关键词：水泥环境负荷；资源减少率；节煤率；2 2 - 氧化碳减排率 环境协调性评价 武汉理工大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc e m e n t i n d u s t r y ，t h es e r i o u s e n v i r o n m e n tl o a dc a u s e db yt h ed e p l e t i o no ft h en o n - r e n e w a b l er e s o u r c e s ， e n e r g y ，a n dt h el a r g eq u a n t i t yd i s c h a r g eo fw a s t eg a sa n dp o w d e rd u s t ，h a s a f f e c t e dt h e c o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n to ft h ew h o l ec e m e n tt r a d e t h e e c o m a t e r i a l st y p e i n d u s t r yh a sb e c o m et h eo n l yw a yo ft h ec o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n a t i o n a lc e m e n ti n d u s t r y o t h e r w i s e ，t h ee n v i r o n m e n t e v a l u a t i o ni sa ni m p o r t a n tm e a n st op u s hf o r w a r dc e m e n ti n d u s t r yt ok e e po nt h e d e v e l o p m e n t t h es t u d yr e l i e so i 1 8 6 3 p r o g r a m ，( n u m b e r ：2 0 0 2 a a 3 3 5 0 5 0 ) t h ec o n t e n t s m a i n l yc o n c l u d e ：o nt h eo n eh a n d ，t h ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c e ，r e s u l t i n gf r o mt h e t e c h n o l o g i e st h a tt h a tt h ep r o j e c tp u tf o r w a r dt ol o w e re n v i r o n m e n tl o a dd u r i n g c e m e n tp r o d u c t i o n ，i se v a l u a t e dq u a l i t i l ya n dq u a n t i t i l y o nt h eo t h e rh a n d ， a d o p t 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 c a ) ，t h ee n v i r o n m e n tl o a di s e v a l u a t e da b o u tt h ep r o d u c i n gp r o c e s so ft h el o we n v i r o n m e n tl o a dt y p ec e m e n t a n daf e wp r e s e n tt y p i c a lc e m e n tm o d e l so fo u rc o u n t r y f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n tl o a di nc e m e n ti n d u s t r ya r e a n a l y z e d t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h ec e m e n ti n d u s t r ye n v i r o n m e n t c a r r i e sa r er e s o u r c e sa n de n e r g yl o a ds u c ha sf u e l ，e l e c t r i cp o w e ra n dl i m e s t o n e e t c t h en e x ti no r d e ri st h ep o l l u t i o na i rl o a ds u c ha sc 0 2 ，p o w d e rd u s t ，s 0 2 ， a n de t c t h em o s tp r o m i n e n tt r a i ti si t ss o l i dw a s t ee x h a u s ti sn e g a t i v e ，b e c a u s e o fb e i n ga b l et oe l i m i n a t eaf l o o do fi n d u s t r yw a s t e s s e c o n d l y ，t h ee n v i r o n m e n ti n f l u e n c e ，c a u s e db yt h en e wt e c h n i q u e st h a tt h e i t e mp u tf o r w a r d ，i sq u a l i t i l ye v a l u a t e d t h et h e o r yc a l c u l a t i o ns y s t e ma b o u tt h e e n v i r o n m e n tl o a dd u r i n gt h ec e m e n tp r o d u c t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o u n t i n g c o n c l u s t i o n sa r ea s f o l l o w s t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no fi m p r o v i n gt h e p r o d u c t i o nc r a f ta n de q u i p m e n t s ，a n da p p l y i n gt h en e wr e s e a r c ht e c h n o l o g i e s ， p r o d u c i n g 4 2 5 g r a d ec o m p o u n dc e m e n t ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nl e v e l ，c a nr e a c ht h ef o l l o w i n ge n v i r o n m e n t a li n d e xl e v e l ： ( 1 ) t h ea s p e c to fe c o n o m i z i n gl i m e s t o n e ：w h e nt h em i x i n ga m o u n to f p h o s p h o rs l a g i sr e a c h e d1o ( a c t i v i t yc a l c i u mt e c h n i q u e ) a n dt h e m i x i n g a m o u n to fm i x t u r em a t e r i a li si n c r e a s e df r o mo r i g i n a l3 0 t o5 0 i nt h ep e r i o d o fc e m e n tc o m p o u n d ，t h el i m e s t o n ed o s a g ecanb er e d u c e d3 7 8 9 武汉理工大学硕士学位论文 摘莹 ( 2 ) t h ea s p e c to fs a v i n gc o a l ：a f t e rt h ea d o p t i o n o fn e w t y p ee f f i c i e n t b u r n e ra n dh i g hp e r f o r m a n c e c o m p o u n dt e c h n i q u e ( t h em i x i n ga m o u n to f b l e n d i n gm a t e r i a l i si n c r e a s e df r o mo r i g i n a l3 0 t o5 0 ) ，t h ec o a ls a v i n gr a t e canb e31 2 1 w h e nn e w t y p ee f f i c i e n tb u r n e ri sa d o p t e d a n d5 c o a lg a n g u e i sa d d e d ，a n dt h em i x i n ga m o u n to fa d m i x t u r em a t e r i a li si n c r e a s e df r o m3 0 t o 5 0 ，t h ec o a ls a v i n gr a t ecanr e a c h3 5 9 8 a tm o s t ( 3 ) t h ea s p e c to fr e d u c i n gd i s c h a r g eo ft h ec a r b o nd i o x i d e ：w h e nt h e m i x i n ga m o u n to fp h o s p h o rs l a gi s1o a n dt h em i x i n ga m o u n to fa d m i x t u r e m a t e r i a li si n c r e a s e df r o m3 0 t o5 0 ，t h ed i s c h a r g ea m o u n to fc 0 2c a nb e r e d u c e d3 6 3 9 ( 4 ) t h ee f f e c t i o no fl o w e r i n g t h ee n v i r o n m e n tl o a d d u r i n gt h ec e m e n t p r o d u c t i o nr e s u l t i n gf r o mh e i g h t e nt h em i x i n ga m o u n to fa d m i x t u r em a t e r i a li s o b v i o u s l ym o r et h a nt h o s eo fo t h e rt e c h n o l o g i e s w h e na c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a l m e t h o dt op r o d u c ec e m e n t ，b u to n l ye n h a n c i n gt h em i x i n ga m o u n to f f u n c t i o n a d j u s t m e n tc o n s t i t u e n t ( f r o mo r i g i n a l3 0 t o5 0 1i nt h ep e r i o do fc e m e n t c o m p o u n d ，t h el i m e s t o n ed o s a g ec a n b er e d u c e d3 0 7 7 ，c o a lc o n s u m ei s d e c r e a s e d2 8 o ，t h er e d u c t i o no fc 0 2d i s c h a r g ei sr e a c h e d3 0 7 7 f i n a l l y ，a c c o r i n gt ol c a ，t h ew h o l ee n v i r o n m e n tl o a di se v a l u a t e da b o u t t h ef o u rp r e s e n tt y p i c a lc e m e n tm o d e l so fo u rc o u n t r y t h er e s u l ts h o w ：t h e c o n t r a s t i n go r d e ro fg o o da n db a di nt h ee n v i r o n m e n ta s p e c t ：h i g hm i x i n g a m o u n to fm i x t u r em a t e r i a l so fn e w - t y p ep r e c a l c i n e rc r a f t n e w - t y p e p r e c a l c i n e rc r a f t v e r t i c a lk i l n w e t m e t h o dc r a f t a n dt h e i re n v i r o n m e n t a l i n f l u e n c es y n t h e s i z e di n d e x e sr e s p e c t i v e l ya r e ：6 4 5 6 x 1 0 ”，9 6 1 4 1 0 1 5 ， 1 3 18 2 x 1 0 ，1 4 9 6 6 x 1 0 h 。 k e yw o r d s ：c e m e n te n v i r o n m e n tl o a d ；t h er a t eo fr e s o u r c e ss a v i n g ；t h er a t eo f c o a ls a v i n g ；t h er a t eo fc 0 2r e d u c t i o n ；l i f ec y c l ea s s e s s m e n t 此页若属实请申请人及导师签名。 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。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不 包含为获得武汉理工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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：莹遣i 因日期兰! 丛： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：璧盘i 璺导师签名： 注：请将此声明装订在论文的目录前 垦竖堡三查兰堡圭兰篁篁兰 塑! 薹 矍堡 第1 章绪论 资源枯竭，人口膨胀，环境恶化是当今社会面临的三大危机。由于环境 问题关系到未来的可持续发展，因此材料工业所导致的环境污染问题逐渐为 生产者及研究者所重视。水泥作为三大建材之一，在基本建设中具有不可替 代的作用，其生产过程是一个大量消耗矿产资源、能源并排放气体污染物的 过程。随着水泥工业的进一步发展，不可再生资源和能源的消耗，废气和粉 尘的大量排放，对环境造成的严重负荷已影响整个行业乃至整个国民经济的 可持续发展。因此，努力把水泥工业建设成“生态环境材料型”产业，己成 为国际水泥工业可持续发展的必由之路。而环境评价的目的在于实现企业的 经济发展与环境保护一体化，是推进水泥工业可持续发展的重要手段。里 约环境发展宣言的第十七原则规定：“对于拟议中可能对环境产生重大不 利影响的活动，必须进行环境影响评价，并应作为一项国家手段，由国家主 管当局作出抉择。” 因此，我们在关心水泥材料高性能、高技术的同时，还要关注其资源、 能源消耗和环境协调性问题，以促进人类、自然和社会的和谐发展。 1 1 环境问题与可持续发展 1 1 1 环境问题及其影响 随着科技的飞速发展，人们的生活质量得到了极大提高，但同时也造成 了各种生态环境问题。目前，世界上最受关注的环境问题是：全球变暖、臭 氧层衰竭、酸雨范围扩大、丧失生物多样性( 野生动物种类减少) 和环境污染 等。 概括来说，现阶段的环境问题突出表现在两个方面： 1 ) 是由于全球经济发展速度加快，一方面对资源的需求达到前所未有的 程度；另一方面资源利用效率低、浪费严重，导致资源( 包括能源和不可再 生矿物资源) 的逐渐耗尽； 2 ) 是有害物质如粉尘、废渣、温室气体和有毒物质等在人类生活圈的累 积，极大地破坏了生态平衡。 近年来，中国经济发展速度之快令世人瞩目，但由于我国长期对资源缺 乏管理和利用率低，自然资源正以惊人的速度枯竭下去，甚至原来被认为用 之不竭的非金属矿物资源，如石灰石、粘土、砂石等也出现了枯竭趋势。 武汉理工火学硕士学位论文 第1 章结论 可以想象，对于人类需求的永无止境和对自然界开发能力的极大提高， 地球上的任何资源都会在不远的将来面临枯竭。同时，伴随着矿产资源的迅 速消耗，温室气体及其他有害气体和各种废渣、废水在人类生活圈中累计， 严重恶化了人类的生存环境，甚至威胁到人类的生产和生活。仅因温室效应 气体的排放，在未来1 0 0 年内，地球平均气温将上升3 ，届时大部分沿海 地区将被淹没1 2 , 3 , 4 1 。 1 1 2 可持续发展的概念及其实质 发展是文明社会的永恒主题，物质和材料是人类文明的基础，它与环境、 资源及能源等又有着密切关系。二战后，人类社会的发展理论经历了一个从 “经济增长理论”到“经济社会综合协调发展理论”，再到“可持续发展理 论”等渐进深化的过程。 可持续发展思想 5 】认为发展与环境是一个有机整体，它涉及到人口、资 源、生态、环境、经济、社会等方面，主要内容包括三方面：资源与生态环 境可持续发展、经济可持续发展、社会可持续发展。也就是说，可持续发展 以自然资源为基础，同环境协调能力相适应，要求体现出环境资源的价值， 以提高生活质量为目标，同社会进步相适应，其实施以政策和法律体系为条 件，强调“综合决策”和“公众参与”。其实质就是既满足当代人的需要， 又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。 1 2 生态环境材料是材料的发展方向 1 2 1 生态环境材料的由来 2 1 世纪是“知识经济”时代但材料仍然是其经济发展的物质基础。随 着现代工业的发展和人类生活水平的提高，社会对材料及其产品的需求增长 更加迅猛。然而工业是环境的最大污染源，矿产资源开发和原材料产业又是 造成工业污染的最大产业之一。主要原材料工业的能耗占工业总量的4 0 ， 废水、废气和废弃物分别占工业总量的3 1 、4 5 和6 7 【6 1 。可见材料既是人 类文明进步的物质基础，又是造成资源、能源过度消耗，生态环境恶化的主 要源头之一。 正是在这种背景下，近几年国际上提出了“生态环境材料 ( e c o m a t e r i a l s ) ”n 随后，围绕这一主题，开展了广泛的研究，并且各国都在 大力发展这种与资源、能源和环境协调的新型材料。i 9 9 4 年1 0 月在日本筑 波召开了国际生态平衡学术会议，其主题是：生态环境材料的发展及l c a 方 武汉理工大学硕士学位论文第l 章绪论 法。1 9 9 5 年在我国西安召开了第一次国际环境材料学术会议，我国“8 6 3 ” 项目计划中“生态环境材料”被列为重要项目。 1 2 2 生态环境材料的概念【7 8 】 1 9 9 8 年我国科学技术部等单位在北京召开了生态环境研究战略研讨会， 提出“生态环境材料”的基本定义：生态环境材料应同时具有满意的使用性 能、经济性能和良好的环境协调性或者能够改善环境。所谓环境协调性是指 对资源和能源消耗少、对环境污染小和再生循环利用率高，对使用者的健康 无不良影响。 生态环境材料的出现，不仅是材料本身发展的需求，而是从整个地球环 境、社会发展、人类生存出发，对材料产业提出的要求。从发展的观点看， 生态环境材料是可持续发展的，应贯穿于人类开发、制造和使用材料的整个 过程。生态环境材料的发展将有助于人类解决资源短缺、环境恶化等一系列 问题，促进社会经济的可持续发展。 1 2 3 生态环境材料的判断依据 生态环境材料是一种具有与环境协调的特殊功能材料，是指那类在设 计、制造、加工、使用及失效时，均考虑到资源、环境、生态等因素的材料。 判断某种材料是否属于生态环境材料，一般有五个判据：即质量判据、经济 判据、资源判据、能源判据和环境判据。前两者为传统材料要求的共同判据； 后三者属生态环境材料特别强调的判据。传统材料科学与工程主要研究材料 的成分、结构、工艺和性能四大要素；而生态环境科学与工程研究内容除上 述四大要素外，特别增加了环境要素。其目的在于探索在加工、制造、使用 和废弃再生过程中具有较低环境负荷的新工艺、新材料。这样，一方面可以 有效地改造落后的传统工艺，使之“生态环境材料化”；另一方面，可以在 新材料、新工艺研制、设计、开发过程中，科学预测可能对环境产生的影响， 力求同环境协调。 1 3 水泥材料与环境的关系 水泥和其他材料一样，通过资源、能源和废弃物三条基本联系途径，与 环境形成一个完整的闭合系统。任何工业系统都可用包含所有相关操作的系 统边界表示，边界外部区域称为系统环境。系统输入为取之于环境的物质和 武汉理工大学硕i ：学位论文船1 章绪论 能量，输出为释放到环境的废弃物。环境污染指物质或能量从环境的输入与 废弃物向环境中大气、水、土壤系统的输出。 传统水泥与环境的关系见图卜1 ( a ) ，在其制造过程中从环境中获取必 需的资源和能源，而生产和使用水泥的过程中又将大量废弃污染物排入环 境，造成污染。 传统水泥材料的研究、开发和生产过多地追求良好的使用性能，而对其 生产、使用及废弃过程中需要消耗大量的资源和能源，并造成严重的环境污 染等后果重视不够。 而环境材料中水泥与环境的关系，如图1 ( b ) 所示，显然，环境材料的 生产过程通过废物资源化、污染物净化处理、回收和再生等方法减少对环境 造成的负荷。 ( a ) 图卜1 水泥材料一环境系统 ( a ) 传统材料 ( b ) ( b ) 环境材料 也就说，传统水泥材料主要研究水泥的成分、结构、工艺和性能四大要 素；而生态水泥材料的研究除了传统水泥材料研究范围之外，还特别增加了 环境要素的内容。 研究目的在于探索在水泥加工制造、使用及废弃再生过程中具有较低环 境负荷的水泥生产新工艺和新品种水泥。 1 4 水泥工业的可持续发展 1 4 1 水泥工业的发展阶段 从1 8 2 4 年水泥诞生至今，世界水泥工业发展有1 8 0 年历史，我国水泥 工业已有1 2 0 年的发展历程。从环境学角度，其发展过程可大体上分为索取 武汉理工大学硕上学位论文 第1 章绪论 型一质量效益型一环境材料型( “绿色”型) 三个阶段一1 。 索取型：是指水泥工业诞生初期到回转窑产生后，为了获得有用的水泥 产品，无节制地向大自然索取资源、能源和排放废弃物，对生产中导致的环 境污染采用被动的末端治理措施。 质量效益型：指2 0 世纪5 0 年代初期及7 0 年代初期，水泥工业开发了 悬浮预热和预分解技术，并广泛应用当代科学技术及工业生产最新成果。 环境材料型：产品真正实行全面环境保护的保证体系：“环境材料型” 水泥工业不仅要保证产品具有优越的使用性能；同时要尽最大可能降低自然 资源和能源消耗；大量消纳其他工业的废渣及生活垃圾，甚至是可燃性危险 废弃物，即最大限度的改善环境。 目前，发达国家已进入“环境材料型”发展阶段；而我国则仍处于质量 效益型向环境材料型过渡的阶段。 1 4 2 水泥工业的可持续发展要求 可持续发展以自然资源为基础，同环境协调能力相适应，要求体现出环 境资源的价值。目前，能源及资源消耗大、环境污染严重和水泥性能差是我 国水泥工业存在的三大突出问题，在水泥工业中发展新的生产工艺，改进生 产设备以及开发利用工业废弃物等是缓解这些问题的有效手段。因此，可从 以下几个方面探求实现水泥工业的可持续发展的突破点： ( 1 ) 利用水泥工业可有效消纳和降解废弃物的独特优势，加大对各种 固体废弃物的资源化利用，使我国水泥工业在生产过程中最大限度地将人类 活动中排放的工业和生活废弃物加以有效利用： ( 2 ) 发展与替代资源、能源或低品位原燃料相适应的水泥生态化制各 技术与装备，包括优化矿山资源开采与均化以及生料在线质量前馈控制技 术；开发新型高效节能粉磨系统；完善新型干法烧成系统，包括窑炉、燃烧 器、和冷却系统；提升自动化与网络信息水平；加大环保技术与装备的升级 改造。 ( 3 ) 研究开发低资源和能源消耗、低污染物排放及各具性能特色的低 环境负荷型水泥，最终推进水泥工业成为与资源、环境及人类社会协调持续 发展的循环经济产业体系。 1 5 新型千法水泥生产具有“生态环境材料”特征 茎堡型三查兰堡圭兰堡篁奎 篁! 塞 竺篁 传统水泥工业出于工艺、技术、设备和管理落后，对天然资源及能源消 耗量大，利用效率低，排放的粉尘及废气量大，环境污染严重。新型千法水 泥生产工艺赋予水泥工业新的内涵，使水泥生产具有大型化和自动化等特 征，不仅提高生产效率和产品质量、降低生产成本，而且降低水泥工业的环 境污染，具体表现在： ( 1 ) 合理利用天然矿物资源，减少一次性资源消耗 新型干法水泥生产对矿山资源实施网络化开采，在原料采掘、破碎和传 输过程中做到事先粗略均化；入厂后，设有原料预均化堆场及生料气力均化 装置，在生料制备过程中形成个均化链，不仅保证生料成分均匀稳定，而 且有利于低品位原料及替代原料的利用，从而节约了有限的天然资源。 ( 2 ) 降低能源消耗 采用先进的熟料煅烧技术和装备 悬浮预热和预分解技术的发明，改变了传统立窑的“层间热换”模式和 老式干法、湿法长窑在回转窑内“堆积态换热”模式。燃料大部分从分解炉 内加入，它们在低温悬浮状态下，边燃烧、边换热，大幅度提高了燃料燃烧 效率和气固换热效率。同时，窑内及分解炉内均采用当代先进的多通道燃烧 器设备；熟料冷却采用了新型骤冷和高效热回收装备；并设有低温余热发电 装置。这些高新技术及装备的应用，可以确保全窑热工系统实现“均衡稳定” 生产，大幅度降低能源消耗。 采用高效的料层挤压粉磨技术与装备 目前，国内外大中型干法生产线，生料制备广泛采用大型立磨、辊压机 及辊简磨等挤压粉磨系统与高效选粉机配合实现“终粉磨”；水泥制备采用 辊压机与短筒钢球磨、高效选粉机配套进行“预粉磨”、联合粉磨或半终粉 磨。此外，生料及水泥等粉状物料采用机械输送代替耗电量大的气力输送模 式。这样，解决了新型干法生产早、中期发展阶段存在的电耗高的“瓶颈”， 使水泥综合电耗由1 2 5 k w h t 左右降低到9 0 l o o k w h t ，实现热耗、电耗“双 低”目标u “l 。 ( 3 ) 具有优异的熟料矿物组成及煅烧制度，提高产品质量 国际水泥工业根据不同煅烧装置的工艺技术可能性，普遍采用“高硅酸 盐矿物( c 。s + c 。s 总量达7 8 左右) 及高硅酸三钙( c ，s 含量达6 5 左右) ， 并根据需要选择适宜的c s a 及c 囊f 含量”设计方案生产优质熟料。这样，为 制备各种不同优质水泥打下基础，著延长其使用寿命。 预分解窑采用悬浮预热和预分解技术，生料在预分解系统已基本上完成 了碳酸盐分解过程，入窑后在温度高、热力分布合理的高温场下，快速煅烧 茎堡兰三查耋塑兰兰竺兰兰 丝! 茎塑兰 后又急速冷却熟料矿物结晶小、缺陷多，品质优良，对于高硅酸盐及高阿 利特矿物熟料煅烧有着其它窑型无法比拟的优越性。 ( 4 ) 大量利用和降解生活垃圾及其他工业废弃物 由于熟料矿物成分采用“高硅酸盐矿物及高阿利特矿物”设计，有 利于砂岩等矿物原料及粉煤灰等工业废弃物的利用，而立窑等由于成球对原 料可塑性的要求而大量使用粘土，占用农田。 由于熟料质量提高，再加上“超细粉磨”装备的开发利用，将高炉矿 渣、电厂粉煤灰和煤矸石等改造成为“功能调节型材料”，生产高性能低钙 水泥，这样，不仅增加废渣用量，也减少混凝土中水泥用量，有利于降低环 境负荷。 还可大量降解生活垃圾和有毒有害危险废弃物【1 2 , 1 3 1 。 新型干法生产工艺与立窑和湿法生产工艺的工况有很大区别，新型干法 生产工艺中火焰与物料温度可分别达1 8 5 0 及1 4 5 0 以上，且工况稳定； 气体、物料在l l o o 以上高温区滞留时间分别达卜3 s 和3 0 m ir l 以上，窑内 高温气体湍流强烈，且为碱性气氛，因此，新型干法生产工艺有条件可以最 大限度地利用工业废渣作为替代原料、燃料，不会造成环境污染。这将不仅 有助于减少对于资源及能源的消耗和破坏，降低污染物排放量：而且有助于 吸收、消纳工业废弃物，减少其堆置占地，防止二次污染【1 4 】。 ( 5 ) 减少废气排放量 生产全过程广泛采用当代先进的收尘设备：碳酸质原料用量减少，而且 熟料煅烧过程热耗降低，c o ：排放量小；熟料对c o ：有吸收作用；分解炉内低 温燃烧，c 0 ：产生量少，同时预热分解系统对窑内产生的c o 。有还原作用等， 都有效减少了废气排放量。 显然，新型干法水泥生产具有“生态环境材料”的特征，在环境保护方 面明显领先于其它窑型，它推动着水泥工业向“生态环境材料型”产业方向 发展，因而新型干法被公认为是水泥工业的发展方向和水泥生产环境协调性 改善的有效途径。 1 6 水泥材料与环境评价 1 6 1 水泥材料环境评价的研究现状 水泥是目前世界上最大宗的建筑材料，有关降低其生产过程中环境负 荷的研究已有大量的文献报道，内容涉及到能耗及料耗的降低、二次原料 及燃料的使用、煅烧工艺的改善、新品种水泥的研制、废气清洗技术等诸 墼堡矍三查兰堡兰兰篁堡塞 叁! 童塑篁 多方面【15 叫8 1 。但这些研究多注重于单一的生产阶段，或者研究局限于减少 单一的环境污染物的排放，以被动满足某一污染物排放标准为目的，缺乏 系统化的思想及完善的环境负荷评价方法工具，并不能对水泥工业系统的 总体环境给予有效改善及进行确切的定位，有些则是将水泥工业的环境负 荷向其他工业转嫁。由此得出的结论甚至不利于整体环境质量的提高。 因此，传统的限于单一环节的污染物的排放浓度的环境保护体制已不能 满足人类社会对提高整体环境质量的要求。工业生产环境污染的改善必须引 入系统化的思想，才可能最有效地保护人类生存的环境。德国研究者曾明 确指出【19 1 ，对于水泥工业环境负担的总体评价，应以水泥的整个寿命周期 为研究范围，考虑考察原料开采一制造一使用废弃整个过程的环境影响问 题；英国也立项对水泥寿命周期的环境协调性进行研究。我国自1 9 9 8 年起， 国家高新技术研究计划( 8 6 3 计划) 支持了首项材料的环境协调性评价研究， 对国内几大类主要基础材料进行了全面的评价。该项目对我国钢铁、水泥、 铝、工程塑料、建筑涂料、陶瓷等七类代表性材料进行了评价研究，初步获 得了它们的环境负荷数据。 在刘顺妮的博士论文“水泥一混凝体系的环境协调性评价及其应用研 究”中，利用l c a 分别对硅酸盐水泥和典型水泥生产工艺进行了寿命周期评 价，但是没有把水泥工业利用工业废弃物和粉尘计算入内，而这两方面正是 水泥生产环境影响的突出特点。 北京工业大学狄向华的硕士论文中提出了水泥生产标准流程的概念。 1 6 2l c a 的基本概念 l c a 即寿命周期评价( l i f ec i r c l ea s s e s s m e n t ) ，是目前应用最广泛的 环境评价方法，在我国一般称为环境协调性评价。在1 9 9 7 年i s o 修订的l c a 标准中，给出了l c a 的基本定义：是对产品系统在整个寿命周期中的( 能量 和物质的) 输入输出和潜在的环境影响的汇编和评价。这里的产品系统是指 具有特定功能的、与物质和能量相关的操作过程单元的集合。在标准中，“产 品”既可以指( 一般制造业的) 产品系统，也可以指( 服务业提供的) 服务系 统；寿命周期是指产品系统中连续的和相互联系的阶段，它是从原材料的获 得或者自然资源的产生一直到最终产品的废弃为止。 简言之，l c a 就是按系统路径( 即所谓“从摇篮到坟墓”过程) 评价产品 或工业行为的种系统方法，这个路径暗示了产品整个寿命期中影晌环境的 资源、能源消耗和污染物排放的确定及其定量。 1 6 3l c a 方法的国内研究现状 武汉理工大学硕二l 学位论文 箔l 章绪论 在中国，l c a 的研究起步较早，发展也非常迅速。在政府的引导和支持 下，国内大量研究人员围绕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 2 0 , 2 1 , 2 2 。其中，材料环境协调性评价( d 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。 1 6 4l o a 在应用中的主要困难 ( 1 ) 数据采集的完整性及数据质量即精度问题 由于l c a 需要大量数据，这就不可避免地产生数据可得性问题。研究人 员必须依据典型生产工艺、全国平均水平、工艺工程估计或专业判断来获取 数据，其结果可能造成数据不准确、误差或偏差较大，甚至得出错误结论。 ( 2 ) 数据分析方法的标准化问题 虽然l c a 基础数据收集方法的标准化有了一定进步，但不同分析的结果 差别仍然很大。差异源自系统边界定义不同、产品系统问的输入输出分配不 同、收集的基础数据质量参差不齐等。评价方法的标准化问题将直接影响评 价结果的比较和交流。另外，到目前为止，基础数据可靠性和全面性的评判 仍不存在标准方法。 ( 3 ) 计算模型的局限性 目前尚不存在一种在科学上可接受的对各种不同污染物进行环境损害 相对权重计算的方法，因此对不同类型的污染进行比较还存在困难，甚至在 同一单元中的污染影响也没测定过。所以，将编目数据转化为环境损害的计 算方法通常非常复杂和不确定，其简化处理公式存在本质上的缺陷，精确度 很受影响。 ( 4 ) 结论的客观性问题 l c a 中存在着大量的选择和假定，包括系统边界的设置、功能单元的定 义、数据收集渠道和影响类型的选择等，环境影响评价在量化过程中必然要 引入象权重因子这样的主观因素，在本质上无法脱离主观因素的影响，评价 结果必然因人而异，没有重复性并且难以验证。 塞坚些三查兰竺圭兰竺竺塞堑! 耋兰堡三些丝丝塑苎型些竺丝皇坌竺 第2 章我国水泥工业的环境负荷现状及特点分析 庞大的水泥工业，不仅资源和能源消耗巨大，而且对环境也造成了严重 污染。水泥生产的主要环境污染来源于原料、用煤及用电三部分；最主要的 污染物是粉尘，其次是气体污染物c o ：、s o 。、n o 。和c ，h ，等。 要达到降低水泥工业的环境负荷的目的，首先要十分了解水泥生产过程 的环境负荷特点，只有这样才能更好的掌握水泥生产的环境控制理论。 2 1 水泥工业的生产现状 我国水泥生产具有产量大，工艺相对落后和产业结构不合理等特点。统 计表明，我国水泥产量从1 9 8 5 年起一直居世界第一，2 0 0 2 年和2 0 0 3 年的 产量增长率分别达到1 3 5 和2 2 5 【2 ”，2 0 0 4 年已突破9 亿吨，占世界水泥 总产量4 5 左右，如图2 1 。此外，由表2 一l 中近年各种窑型生产的水泥产 量比重可知，直到2 0 0 4 年，工艺改造仍未取得突破，将被淘汰的立窑生产 线占6 3 ，落后的干法和湿法生产线占8 9 ，而代表水泥烧成技术最领先水 平的新型干法生产线仅占产量的2 8 1 ，仍不到总生产能力的l 3 ，如图2 2 ； 并且目前我国新型干法窑2 0 0 0 t d 的生产能力只占总能力的6 9 ，平均规 模只有1 6 6 0 t d ，这说明我国水泥产品中，不仅立窑比重过大，即使新型干 法窑，也是规模普遍偏小。在产品结构方面，2 0 0 2 年我国生产的水泥约9 0 0 6 是通用水泥，特种水泥只占5 ，3 2 5 等级水泥比重超过7 0 ，高标号优质水 泥比例较小，为1 5 左右，而国外发达国家近1 0 0 的水泥为高质量水泥。 表2 - 11 9 9 8 2 0 0 4 年各种窑型生产的水泥产量比重【1 1 , 2 3 武汉理工火学硕= 匕学位论文第2 章水泥工业环境负荷现状与特点分析 雷 牲 一 豳 钆 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 年份 图2 - 11 9 9 6 2 0 0 4 年中国水泥产量 2 2 水泥生产的资源、钱源消耗 2 5 1 0 o 生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石，要求其c a o 含量不低 于4 8 ，m g o 含量不高于3 。 一般石灰石在水泥原料中 的配比占8 0 8 5 ，每吨 熟料耗用1 3 t 石灰石，例 如一座日产3 5 0 0 t 熟料的 水泥厂，年产熟料约1 0 0 万t ，按照熟料与石灰石的 l ：2 比例，若矿山的服务 年限为5 0 年，则需石灰石 资源储量l 亿t 。显然，生 产水泥需要石灰石资源是 很大的。 水泥生产中消耗 的能源包括原料烘干及熟 冰 悯 翌 日嚼 l 图2 - 2 典型7 j ( 泥生产工艺产量比重 料煅烧的热耗和原料运输、均化和生料及水泥粉磨等所需的电耗等部分，用 于生产水泥的煤一电消耗是非常巨大的。1 9 9 7 年全国水泥工业标煤消耗量为 o 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水泥工业环境负荷现状j 特点分析 5 9 4 0 万吨，占全国能源生产总量的4 5 ，占全国标煤生产总量的6 0 5 ；电 耗为5 5 0 亿度，占全国工业用电量8 4 0 2 亿度的6 5 4 【1 0 1 ”。近年生产水泥 的资源及能源消耗见表2 一l ，因为我国绝大部分电力是依靠火力发电，所以 电耗可折算为标煤消耗。 表2 - 2 水泥工业资源和能源的消耗1 1 0 由表2 2 可知，2 0 0 2 年我国水泥生产消耗标准煤1 2 1 亿t ，约占全年 原煤总产量1 6 8 亿t 的8 5 。按目前平均水平，每生产l t 水泥需消耗