以發展生態水泥為中心大力發展綠色建材*

耿春雷，顧軍，郝利煒

（北京建筑材料科學研究總院，固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室（籌）, 北京 100041）

以發展生態水泥為中心大力發展綠色建材*

耿春雷，顧軍，郝利煒

（北京建筑材料科學研究總院，固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室（籌）, 北京 100041）

建材生產過程中不僅對資源和能源消耗量大，還對環境污染嚴重；同時，生活垃圾和污泥給環境帶來了巨大的壓力。水泥采用生活垃圾和污泥生產生態水泥，它既能減少對環境的污染危害，又在其制造過程中最低限度地消耗物質與能源。生態建材的發展是實施可持續發展戰略的重要組成部分，是將各大城市建成生態化城市必不可少的重要環節。

生態建材；生活垃圾；污泥；生態水泥

0 前沿

綠色建材又稱生態建材、環保建材和健康建材等。綠色建材是指采用清潔生產技術、少用天然資源和能源、大量使用工業或城市固態廢物生產的無毒害、無污染、無放射性、有利于環境保護和人體健康的建筑材料[1,2]。

建材產量的持續增長與生態環境的協調發展是建材工業必須解決的重大課題，發展綠色建材是解決這些問題的重要途徑。在第十個五年計劃中建材企業的主要目標是:以節能、節土、利廢、環保為目標，開發和應用先進實用技術和高新技術，對水泥、玻璃、墻體材料、建筑衛生陶瓷和玻璃纖維等主要產品生產工藝進行改造和升級，到“十五”末，建材工業萬元產值能耗降低20%，水泥散裝率達到31 %，平板玻璃、建筑衛生陶瓷和玻璃纖維的整體生產技術水平接近國際先進水平；建材生產的主要污染物粉塵、SO2排放總量減少20 %以上，工業廢棄物綜合利用量提高40 % ，年減少天然資源開采使用量1.5×108t ；重點開發“生態水泥”等生態建材產品的生產工藝及裝備，改造提升現有生產能力[3]。

綠色建材應具有環境協調性，它既能減少對環境的污染危害，又在其制造過程中最低限度地消耗物質與能源，使廢棄物的產生和回收處理量最小，產生的廢物能被處理、回收和再生利用，并且這一過程不產生污染。

1 我國建材行業發展的現狀

我國建材工業由3個部分：建筑材料、非金屬礦物材料和無機非金屬新材料等組成[4]。可概括為3大門類6大行業,如下圖1所示：

中國2002年三大建材產品（水泥、平板玻璃和建筑衛生陶瓷）產量及其生產消耗與CO2排放量如下表1所示，這充分說明了發展綠色建材的重要性。建材產品的生產過程會排放大量的SO2、NOx、粉塵、廢水、廢料等。例如，2001年中國水泥工業排放SO2615萬噸，NOx125萬噸，粉塵1443萬噸、廢水10億噸。墻體材料、裝飾裝修材料排放出的揮發性有機化合物（VOC）、石材、陶瓷及廢渣可能含有的放射性物質，工業尾礦在建材中的應用可能引起的重金屬污染等都會對人體和環境造成不同程度的危害和污染。

表1 中國2002年三大建材產品產量及其生產消耗與CO2排放量

2 生態建材的發展趨勢

當前生態建材的發展趨勢可以歸納為以下幾個特點:多功能化、復合化、傳統建材與生態環境功能一體化。但以建材的特性和功能往往難以滿足生態建筑對建材綜合性能的要求，材料復合化技術可以通過加和效應、光催化效應和耦合成績效應，開發出傳統建材并不存在的新的綜合功能，或獲得遠高于單一材料的綜合功能。生態建材的發展既要求新技術應用于傳統建材生產，又使單純的材料科學發展為材料學、生態學、環境學、生物化學、健康學等學科相互交叉的生態材料學。

3 大力發展生態水泥

發展生態水泥是大力發展綠色建材的一個重要方面。生態水泥(eco-cement)就是利用各種廢棄物，包括各種工業廢料、廢渣以及城市生活垃圾作為原燃料制造的水泥。這是資源有效利用的重要環節之一。這種水泥能降低廢棄物處理的負荷，節省資源、能源，達到與環境共生的目標，是21世紀水泥生產技術的發展方向[5]。目前固體廢棄物和城市污泥對水泥工業具有一定的挑戰性，因其數量大且增長快而備受關注。 雖然污泥可以用作其他的用途[6-9]，但是用于生產生態水泥仍然是最理想的方法。

3.1 生態水泥研究現狀

世界上發達國家利用水泥窯處理廢棄物生產生態水泥已有20余年的歷史，擁有成熟的經驗，而我國利用危險廢棄物來生產水泥尚屬起步階段，有待于進一步的發展。

用城市垃圾灰燼和下水道污泥為原料生產“生態水泥”的技術是由日本政府新能源及產業技術綜合開發機構和太平洋水泥公司聯合發明的，其生產工藝與普通水泥相近，城市垃圾灰燼、下水道污泥與天然石灰石混合，在窯中燒制成固體再與石膏一同粉碎，有所差別的是其燒制溫度為1350℃，略低于普通水泥的1500℃，并且灰燼中含有50%～10%的Cl元素，使水泥的凝固速度加快，若加入緩凝劑則和普通水泥一樣使用。太平洋公司計劃建造一座11萬噸/年的生態水泥廠[10、11]。

國外自20世紀70 年代初開始著手研究用可燃性廢料作為替代燃料應用于水泥生產。首次試驗是于1974 年在加拿大的Lawrence水泥廠進行的[12]，試驗表明聚氯苯基等化工廢料在回轉窯中焚燒是安全的。隨后美國的Peerless，Lonestar，Alpha 等10多家水泥廠先后進行了試驗。歐洲聯合會自1994年開始在回轉窯中焚燒危險廢棄物，并指出在回轉窯中焚燒危險廢棄物，既處置了廢棄物，又節約了能源[13]。此外瑞典Nordic 水泥公司所屬的Euroc 廢棄物回收治理公司有一條大型生產線，回收加工各種廢油和化學溶劑以用作水泥窯二次燃料；Nordic 公司已經在它的Slite水泥廠采用了廢橡膠、廢塑料為二次燃料，以替代部分煤粉。Benna Tanna[14]指出，利用廢棄物作為水泥窯的二次燃料有很多益處，包括節約不可再生燃料，減少由于煤燃燒所產生的CO2，SOx，NOx和甲烷等的排放，減少了廢棄物的處置費用，同時也給水泥廠帶來了經濟效益。

近10年來，歐美一些國家的水泥企業敏銳地意識到新經濟時代的需求，采取積極策略，適時地進行了正確的自我定位與轉型，成功地進行著對傳統水泥工業的技術升級、創新、重組與整合，逐步實現了傳統水泥企業向環保型企業的戰略轉型，廣泛地與其它工業組成仿生群落體或生態工業園，協同處置和再循環利用全社會的固態廢棄物，包括各種工業廢料、廢渣以及生活垃圾等，為水泥工業負增長及消解其對環境的壓力作出了貢獻。1996年，瑞士[17]的HCB Rekingen 水泥廠已成為世界上第一個具有利用、處置廢棄物的環境管理系統的水泥廠，并得到了ISO14001 國際標準的認證，它為規劃、實施和評價環境保護措施提供了可靠的框架。

我國城市垃圾年產量已達到1.46億t，而且以每年9 %的速度遞增，全國666 座城市中有200多座已陷入垃圾包圍之中。我國城市水泥企業利用城市垃圾生產生態水泥不僅是必要的，也是可行的。 其中上海金山水泥廠成功利用水泥窯焚燒危險廢物，現已取得“經營許可證”；同濟大學和上海建材集團合作已在下屬幾個水泥廠成功地進行過利用污泥等廢棄物煅燒水泥熟料的工業性試驗；北京水泥廠利用水泥窯焚燒處置有毒、有害廢棄物也已取得了一定成果。 我國最終要實現城市垃圾處理的無害化、資源化、減量化、社會化和產業化，發展生態水泥是實施可持續發展戰略的重要組成部分，是將各大城市建成生態化城市必不可少的重要環節。

3.2 采用回轉窯生產生態水泥的優點

在生產生態水泥的時候多采用回轉窯，采用此方法[11]不僅安全可行，并且具有以下的優勢：

（1）有害有機物分解率高。回轉窯內氣體溫度在1350～1650℃，甚至更高；燃燒氣體在高于800℃下停留時間大于8s，高于1100 ℃下停留時間大于3s，濕法回轉窯中，氣體在1400～1600℃下停留時間在6～10s，燃燒氣體在回轉窯中總停留時間在20s左右，并且窯內物料呈高湍流化狀態[8]；在燃燒過程中或過后有富余的氧存在，因而廢料中的有害有機物成分焚燒率可達99.999 %以上，即使穩定的有機物也能被完全分解[15,16]。

（2）回轉窯熱容量大，工作狀況穩定，可處理大量的廢料，而且能維持均勻、穩定的燃燒氣氛。

（3）系統在全負壓狀態下運行，避免了有毒、有害氣體的外溢[16]。

（4）回轉窯內無論是耐火磚還是原料、窯皮、熟料，均為堿性，因而可有效吸收和抑制SO2，Cl2等的排放[17]。還可將廢料中可能存在的重金屬元素轉變成難溶的化合狀態，固定在熟料的結構中，不需要對含重金屬的焚燒灰渣再進行處理。起到了尾氣凈化和重金屬高溫固化的雙重作用。

（5）完全回收利用了廢物中的熱值，節約了能源。

（6）燃燒即為最終處理，所以省卻了日后的灰渣處理工序，節約了填埋場地和資金。

（7）濕法窯若用廢棄物作為燃料可提高相對于用傳統燃料的干法窯的競爭力。

（8）整體排放到大氣中的CO2減少了，當廢棄物在焚燒爐中燃燒時，CO2的排放是附加在水泥窯排放量上的。但當作為水泥窯廢物衍生燃料燃燒時，由于同時起到了部分燃料的燃燒作用，節約了燃料，也就減少了CO2的排放量。

3.3 生態水泥研發和生產中存在的問題

我國生態水泥的研究和生產尚處于起步階段，目前還有許多問題[11]仍有待于研究和解決:

（1）處置、利用城市垃圾應以不影響水泥質量為原則，這就需要水泥廠對所利用的垃圾建立一套嚴格的管理系統，包括配備必需的檢測手段。首先應對其化學成分進行測試，如氯、硫、重金屬等有毒有害元素的含量是否符合規定的限制值；同時根據所利用的不同廢棄物，工藝流程也應有相應的改進，確保廢棄物進入窯磨系統做到定量、連續、自動，以保證水泥生產的穩定；

（2）水泥工廠在處置、利用城市垃圾時，其運輸、儲存、投料操作、焚燒等過程中的安全防范工作以及可能對環境造成的二次污染，包括灰塵、臭氣、垃圾等問題，尚缺乏行之有效的措施，應加強這方面的研究；

（3）生產過程中廢氣排放和環境污染的控制尚無嚴格的控制標準或規范，現行的環保規范必須進行適當的修訂、補充和完善[18]。若原料中含較高的氯離子、重金屬離子以及放射性物質，它們對水泥熟料的質量以及混凝土的性能會產生哪些影響，還有待于進一步研究；

（4）新建水泥廠時，須從環保和城市建設的角度綜合考慮水泥廠的布局[17]，一定要有合理處置、利用周圍城市垃圾的設想，從設計階段就周密考慮城市垃圾的儲存、轉運、預處理(分揀、烘干、破碎等) 、計量、檢測等各工藝環節，使得新建水泥廠在凈化環境、發展經濟、合理利用資源等方面達到更高水平。

4 結束語

我國最終要實現城市垃圾和污泥處理的無害化、資源化、減量化、社會化和產業化，發展生態水泥是實施可持續發展戰略的重要組成部分，是將各大城市建成生態化城市必不可少的重要環節。

隨著科學技術的發展和人們對環境問題的認識逐漸加深，開始不斷的優化生態環境，還人類一個美麗的大自然。人們走上了開始不斷的探索各種改善環境的道路，當我們注意到身邊的建材問題就是一個巨大的危害的時候，我們開拓了綠色建材的道路，雖然道路是曲折的，但是前途是光明的，隨著科技的不斷進步發展，建材問題將得到充分的解決。

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Developing of eco-cement as center of fast developing of the green building materials

Geng Chunlei, Gu Jun, Hao Liwei
(Beijing Building Materials Academy of Sciences Research (State Key Laboratory), Beijing 100041)

The building materials production process not only consumed large amount energy and resources, but also polluted the environment. Meanwhile, the municipal solid waste and sludge bring the huge pressure to the environment. It can both reduce the pollution hazard to the environment and the threshold material and energy consumption when the municipal solid waste and sludge are used as the raw materials and fuel in cement production process. Developing the green building materials is an important part of urban sustainable development and a necessary links of constructing ecological city.

Green building materials, Municipal solid waste, Sludge, Eco-cement.

*資助項目：973項目（課題編號2010CB735803）

耿春雷，博士，工程師。畢業于清華大學材料科學與工程系，目前在北京建筑材料研究總院工作，主要研究方向為：金屬表面處理技術，鋼鐵的腐蝕與防護，固體廢棄物的資源化綜合利用。

[單位地址]北京市石景山區金頂北路69號院（100041）