水泥工业提高资源利用效率的途径探讨

　　摘要:循环经济已经成为全世界关注的热点问题，这种经济运行方式以3R原则（即Reduce、Reuse、Recycle）为核心，以“资源-产品-再生资源”生产方式为经济增长模式，将是未来经济运行方式的主流。在循环经济原则中Reduce的核心是减少资源的使用量，这就需要提高资源的利用效率。对于单个的工业过程，一种资源在使用的同时又可能伴生一些废弃物，如得不到有效的使用就会形成资源浪费，降低资源的利用效率。这些废弃物在其它工业过程中有可能得到使用，则这两种工业过程就会形成关联，那么在这些相互关联的工业过程之间重新分配资源才可能使资源的利用效率最大化。本文将通过两个实例来说明这种提高水泥工业资源利用效率的途径。

1　宜宾天原集团电石渣利用工程
　　 宜宾天原集团有限公司（以下称天原公司）是一家大型综合性氯碱企业，公司主要生产纯碱、聚氯乙烯等基础化工原料和化工产品。多年来，天原公司生产过程中排出的废渣———电石渣，一直采用传统的露天堆放处理，堆放地紧邻长江边，随着公司生产规模的扩大，电石渣的排放量将越来越大，给周围环境和长江流域造成越来越严重的危害。此外，公司发电厂每年还产生大量的煤渣和粉煤灰，如得不到及时处理，会给周围的环境带来不良的影响。
　　 天原公司从环境保护、资源的综合利用，提高企业经济效益、改善企业形象出发，决定利用电石渣生产水泥，此外还可吸收适量的粉煤灰作水泥混合材料，从而达到彻底根治环境污染的目的。
1.1　固体废弃物的性能
　　 天原公司内部用于水泥生产的固体废弃物主要有电石渣和煤渣，其中电石渣每年的排放量约为25万t，煤渣每年的产出量约8万t，利用电石渣生产水泥项目基本上可以吸收集团内部所产生的全部电石渣和煤渣，此外还可处理外购的硫酸渣约9 000t和一定量的粉煤灰。
　　 电石渣是用乙炔法生产聚氯乙烯产生的工业废渣，主要成分为Ca(OH)2。天原公司电石渣的化学成分中，CaO含量达66%以上，有害成分含量低，优于水泥生产对钙质原料的要求。
　　 天原公司电石渣的化学分析结果见表1。
　　 煤渣是天原公司自备电厂燃煤排出的炉渣，有火山灰质活性，可作为混合材掺入熟料磨制水泥，也可作为硅铝质原料参加原料配料。其化学成分见表2。
　　 由于煤渣中的SiO2含量较低，在生料中的配合比较低，因而作为原料的煤渣每年的耗量仅约5 000t，其余都用作粉磨水泥的混合材料。
1.2　天原公司电石渣制水泥熟料生产工艺（780t/d水泥熟料）
　　 天原公司电石渣制水泥熟料生产流程采用箱式压滤机使料浆脱水至约40%后喂入?准4m×150m回转窑内煅烧，其工艺流程见图1。
　　 该熟料烧成系统具有以下特点：
　　 （1）针对天原公司电石渣产量大的特点，采用电石渣100%代替石灰石配料，从而可以最大限度的利用生产聚氯乙烯产生的电石渣。
　　 （2）电石渣配制的生料浆经压滤机脱水后，再入窑煅烧，从而大幅度地降低了烧成热耗。
　　 该熟料生产线建成以来，产量高于设计产量780t/d，熟料烧成热耗远低于设计值，除吸收公司内产生的废弃物外，还年增利润2 171万元。
1.3　天原公司资源利用
　　 天原公司电石渣利用工程资源流动过程见图2。

　　由图2可以看出，天原公司电石渣利用工程中生产水泥主要是固体废弃物，只使用了少量的原生矿物资源（砂岩、石膏），利用了二次资源（自有的电石渣、煤渣、粉煤灰和外购的硫酸渣）生产出合格的水泥。
　　 对于天原公司的电石渣利用工程而言，水泥项目的实施有效的解决了厂区内的电石渣污染问题，并在此基础上可有效的降低厂内的另一类污染物———煤渣的量。对于电石资源而言，原来化工厂仅使用水解后的乙炔气，而另一种水解产物电石渣则不能得到有效的利用，而水泥项目的实施正利用了电石渣，从而使电石资源得到完全的应用，因而在资源的利用率上天原公司对电石资源的利用率得到提高。另一方面，由于煤渣和粉煤灰也是电厂用煤而产生的废弃物，也是一种资源未完全应用的产物，在电厂或是天原公司的其它工业过程中不能得到利用的，在水泥厂中的利用则是典型的资源二次利用。因此，我们可以说水泥项目的实施使得天原公司的电石和煤资源得到更为彻底的利用。
由于天原公司电石渣的产量较大，采用全干法或湿磨干烧熟料烧成系统不足以吸收该公司的电石渣，因而采用湿法窑工艺烧成热耗仍然较高，但较传统的电石渣直接入窑煅烧工艺热耗仍有大幅的降低。如电石渣量较小则可采用干法或湿磨干烧工艺将更为合理，目前，成都建材料设计研究院已成功开发了电石渣制水泥湿磨干烧工艺，并在多个项目中得以成功实施。
　　 天原公司电石渣利用工程建成后，每年可消耗电石渣约25万t、煤渣8万t，完全吸收了公司内部所产生的两种主要的固体废弃物，并且可大量回收电石渣浆中的废水以供化工生产循环使用，而水泥工业的主要原料、不可再生资源石灰石却没有得到任何消耗。该工程一方面极大地改善了环境污染问题，节约了原生矿物资源的消耗，同时也降低了企业营运成本。企业发展的同时，也履行了其社会责任，真正实现了企业和社会的双赢。
2　鸿鹤化工股份有限公司综合利用环保技改工程（1 000t/d水泥熟料）
　　 鸿鹤化工股份有限公司（以下称鸿鹤化工）是一个以联碱和氯碱生产为主体的大型股份制企业。鸿鹤化工有自备电厂1座，每年排出约7万t的粉煤灰，加上即将新建的15MW机组，预计排出量将达到10万t/a。由于目前厂内没有吸收粉煤灰的工业，因此粉煤灰主要靠外排处理。此外，目前公司生产纯碱需要的CO2依靠4座石灰窑提供，每年排出石灰将近8万t，因石灰市场销售较差，在厂内堆存，又形成新的污染。
　　 通过对水泥工艺的认真分析和与化工生产工艺的对比，为进一步降低生产成本和实现循环经济，鸿鹤化工决定新建一条水泥生产线。这可达到三个目的：(1)将粉煤灰和石灰掺与原料和水泥配料，从而降低粉煤灰和石灰处理成本，减少环境污染；(2)利用窑尾余热生产蒸汽以供化工厂使用；(3)利用熟料烧成系统窑尾废气中的CO2，采用CO2浓缩工艺以供纯碱生产使用。
2.1　鸿鹤化工固体废弃物的性能
　　 鸿鹤化工目前的固体废弃物主要是粉煤灰，此外石灰因不能及时的销售出去，也成了固体废弃物，这两种废弃物的化学成分分析见表3。
　　 根据上表的数据，粉煤灰基本满足作硅铝质原料的要求，同时也是极佳的水泥混合材料，在本工程中粉煤灰将作为硅铝质原料和水泥粉磨混合材料同时使用。
　　 石灰由于含钙量高，因而可以作为钙质原料，经我院试验研究表明在石灰配合比小于20%时，完全可以顺利烧成合格的水泥熟料。资料表明，只用石灰作钙质原料将会对水泥熟料的生产工艺操作产生较大的影响，在未作进一步研究的情况下，本工程使用石灰石作为主要钙质原料与石灰搭配使用。
　　 考虑到水泥熟料烧成系统投产后，用于制纯碱的CO2只需从水泥熟料系统提纯即可，石灰窑系统将停产，因而石灰的量将会逐步减少，到时只需采用三组分配料即可。
2.2　鸿鹤化工综合利用环保技改工程（1 000t/d水泥熟料）工艺流程
　　 鸿鹤化工综合利用环保技改工程工艺流程图见图3。
　　 该工艺流程主要特色在于其对烧成系统的余热的充分利用和CO2提纯后用于制造纯碱。具体工艺设计特点如下：
　　 （1）本工程利用大量废渣作为原料，每年可消耗大量的石灰和粉煤灰。
　　 （2）充分利用窑系统余热，窑尾不设增湿塔，预热器排出的废气一部分用作煤磨烘干热源，其它的通过余热锅炉降温后再进袋收尘器，窑尾余热锅炉可为化工生产系统提供一定数量的蒸汽，作为化工生产的烘干热源；窑头篦式冷却机排出的废气进生料磨烘干原料，烘干降温后的废气通过除尘设备净化后再排入大气中。
　　 （3）窑尾袋收尘器排出的含一定CO2浓度（>25%）的气体经提纯后进入化工生产系统使用，最大限度减少了废气排放量。
　　 （4）生料磨和水泥磨掺入的粉煤灰均不入磨，直接与出磨物料配料并混合后喂入选粉机。
　　 鸿鹤化工水泥厂项目建成后，日产水泥熟料1 000t，年处理粉煤灰10万t，石灰6万t，生产蒸汽7.2万t，回收CO21.4亿Nm3，利润3 200万元。
2.3　鸿鹤化工资源综合利用
　　 对鸿鹤化工综合利用环保工程而言，这种资源的合理化应用相对于天原公司得到进一步加强。采用工业废渣作原料生产高品质水泥，既彻底根治了废渣对环境的污染，又可变废为宝，与常规配料方案相比还可节约熟料烧成热耗约20％；水泥熟料烧成系统排出的废气经除尘净化和SP锅炉热交换后又分别提供了化工系统生产所需的CO2气体以及烘干热源，废气和余热得到了充分利用。因此，本项目具有环保和节能双重效应。
　　 原生产纯碱所使用的CO2主要由石灰窑产出，而石灰窑的产物石灰由于市场的问题不能及时销售而在厂内成为固体废弃物，因而对石灰石资源而言其利用率极低。粉煤灰也同样是对煤资源不完全使用的产物。新建水泥厂则正好提高了鸿鹤化工对煤及石灰石资源的利用率，进而减轻了环境压力。
　　 鸿鹤化工综合利用环保工程水泥项目的实施不仅从治理固体废弃物污染上具有积极的意义，在资源的综合利用上表现得更加出色。水泥项目不仅作为处理固体废弃物的场所，同时利用CO2提纯技术直接吸收水泥熟料烧成窑尾废气中的CO2作为纯碱生产原料，使得水泥生产成为纯碱生产的一个重要环节，将二者有机地整合起来。由于水泥项目的实施，在水泥系统稳定生产后，石灰窑将会停止运行，因而大大地节约了资源。而提纯后的CO2不仅足以维持纯碱的生产，还将有较大的剩余量（约总量的65%），这部分可以进一步处理为食品级CO2或生产二氧化碳基全降解塑料，这样将大大拓宽水泥生产废气的使用途径。
　　 在能量利用上，鸿鹤化工综合利用环保工程的能量利用不仅停留在水泥生产中，而将其同化工系统结合起来综合考察。如窑尾采用四级预热器系统，使得出一级筒的废气温度增高，同时用余热锅炉回收废气余热生产蒸汽，用作化工系统的烘干热源。从单个的水泥生产系统上看，这种高温尾气将会使熟料烧成热耗上升，是一种不经济的工艺，然而从整个化工生产系统而言，由于出余热锅炉的废气温度却低于200℃，较先进的现代干法生产线的280℃更低，因而废气带走的热更少，因而也是更科学的生产工艺。由于生料粉磨使用窑头废气，也减小了窑头废气带走的热量，提高了系统的能量利用率。
鸿鹤化工综合利用环保工程资源在生产系统中的流动见图4。图中的虚框表示为石灰窑煅烧石灰的过程，在水泥熟料生产线运行时石灰窑停止运行。在资源的流动上，考虑到未来将使石灰窑停产，生产纯碱的CO2将全部来自熟料烧成系统，其资源的流动将更加的合理。
　　 鸿鹤化工综合利用环保工程在资源的利用上较单纯的水泥厂更加合理，由于有了较为成熟的CO2提纯技术，因而对石灰石的利用上更加彻底，同时能大大降低水泥生产系统的温室气体的排放量。在能量的利用上，能从整个生产系统的全局上加以把握，因而能量的利用率大大提高。从原料的使用上，由于主要使用废渣作为原料，因而有利于改善环境。从这几点上来说，鸿鹤化工1 000t/d熟料生产线工程是真正意义上的绿色工业。
3　水泥工业提高资源利用率的途径
　　 从水泥工业形成以来，技术进步日新月异，发展到当代，从单一的水泥生产过程中实现资源和能量的进一步节约的潜力越来越小，在这种情况下，如能同其它的工业生产过程相结合（如化工生产过程），利用彼此的能量和资源利用的互补性来提高资源的利用率将会是一种有效的途径。
　　 水泥烧成系统对原料的适应性较强，烧成温度高且物料在窑系统停留时间较长，因而该系统能够消化吸收很多种废弃物；而水泥粉磨系统则需要大量的混合材料，许多现在使用的混合材料在以前也都是废弃物，因而开发混合材料新种类也是吸收废弃物的重要途径。从社会资源的节约的角度出发，在水泥工业吸收废弃物是一种节约资源的有效途径。而工业废弃物则是来源稳定、成分固定的二次资源，适合应用于水泥工业，并通过废弃物将水泥工业同其它工业联系起来，从而构成了各个工业过程相互关联的资源利用分配网，实现资源的高效使用。在本文中所讨论的两个厂就是吸收工业废弃物的典型范例。