淺談水泥材料生態(tài)化發(fā)展的技術(shù)途徑

陳鳳

水泥材料作為最主要的建筑材料，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。水泥生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展為水泥的廣泛應(yīng)用起了非常重要的作用。本文主要介紹生態(tài)水泥的概念、種類和特征，及以城市生活垃圾和固體廢棄物為原料制備生態(tài)水泥的工藝流程及其性能；綜述國(guó)外生態(tài)水泥的研究發(fā)展，闡明生態(tài)水泥對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的社會(huì)意義及作用，最后指出生態(tài)水泥是我國(guó)水泥工業(yè)，尤其是大都市水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng)對(duì)生態(tài)水泥的研究和投入。

一、生態(tài)水泥簡(jiǎn)介

生態(tài)水泥，又稱綠色水泥和環(huán)保水泥，是利用各種廢棄物，包括各種工業(yè)廢料、廢渣以及城市生活垃圾作為原燃料經(jīng)燒結(jié)粉磨而制造的水泥。廣義上講，生態(tài)水泥不是單獨(dú)的水泥品種，而是對(duì)水泥“健康、環(huán)保、安全”屬性的評(píng)價(jià)，包括對(duì)原料采集、生產(chǎn)過程、施工過程、使用過程和廢棄物處置5大環(huán)節(jié)的分項(xiàng)評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)。生態(tài)水泥的基本功能除作為建筑材料的實(shí)用性外，還在于維護(hù)人體健康、保護(hù)環(huán)境。

生態(tài)水泥的種類主要可以分為兩種：通用型生態(tài)水泥和快硬型生態(tài)水泥。所謂通用型生態(tài)水泥基本與傳統(tǒng)普通水泥相似，是通過控制原料中氯和堿的比例燒制而成，在燒制過程中氯被灰固結(jié)，產(chǎn)品含氯量?jī)H有0.1%左右，因此通用型生態(tài)水泥可以廣泛應(yīng)用到一切鋼筋混凝土構(gòu)件中；快硬型生態(tài)水泥則是以富含氧化鋁以及氯化物的焚燒灰為主要原料燒制而成的鋁酸鈣水泥，其早期強(qiáng)度高，比傳統(tǒng)早強(qiáng)水泥凝固時(shí)間更短，可用于澆筑預(yù)制構(gòu)件以及配制水泥砂漿，但是由于其含氯量較高，僅可應(yīng)用于素混凝土或耐氯鋼筋混凝土構(gòu)件中。

生態(tài)水泥與傳統(tǒng)水泥相比，具有5方面的基本特征：

1.大量節(jié)省生產(chǎn)能耗。其生產(chǎn)所用原料盡可能少用天然資源，而大量使用尾礦、廢渣、垃圾、廢液等廢棄物。利用城市垃圾和污泥來生產(chǎn)生態(tài)水泥拓寬了原材料來源，減少了天然資源的消耗，降低了水泥生產(chǎn)的成本，有利于水泥行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2. 顯著減少生產(chǎn)過程中二氧化碳排放量。生產(chǎn)和使用過程中有利于保護(hù)和改造自然環(huán)境、治理污染。

3.固體工業(yè)廢渣的合理利用。省卻了廢棄物填埋處理工序，不需要填埋場(chǎng)地，生產(chǎn)過程中不會(huì)造成二次污染，有利于環(huán)保，可使廢棄物再生資源化，并可回收利用。

4.產(chǎn)品設(shè)計(jì)以改善生活環(huán)境、提高生活質(zhì)量為宗旨，即產(chǎn)品不僅不危及人體健康，而且應(yīng)有益于人體健康，重視產(chǎn)品的多功能化，如阻燃、防火、調(diào)溫、調(diào)濕、消聲、防射線等。

5.水泥產(chǎn)品的質(zhì)量和標(biāo)號(hào)得以提高與國(guó)際接軌。生態(tài)水泥在我國(guó)尚處于萌芽時(shí)期，相關(guān)的政策法規(guī)尚未建立，原有的法規(guī)缺少針對(duì)性和可操作性。水泥廠處置、利用城市和工業(yè)廢棄物，需要將之納入法制的軌道，同時(shí)必須健全各項(xiàng)環(huán)保法規(guī)以及各項(xiàng)質(zhì)檢規(guī)范，使廢棄物的處置利用和生態(tài)水泥的生產(chǎn)和使用做到有法可依、有章可循。

二、生態(tài)水泥制備技術(shù)

一般硅酸鹽水泥的原料包括石灰石、粘土類原料和鐵質(zhì)原料等，而生態(tài)水泥的配比組成因垃圾焚燒灰和下水污泥等占有相當(dāng)大的比重，則石灰石的含量可大大減少。雖然垃圾焚燒灰中的氧化鋁和氯化物離子較多，但也包含了較多的水泥必要成分，生態(tài)水泥就是最大限度地利用了焚燒灰的成分，1t水泥至少要使用垃圾焚燒灰和下水污泥500kg。

生態(tài)水泥的主要生產(chǎn)工藝類似傳統(tǒng)普通水泥生產(chǎn)工藝，但是由于原料采用的是廢棄物，因此增加了重金屬回收預(yù)處理系統(tǒng)，這樣可以防止燒制過程中原料分解的二噁英再合成，避免二次污染。生態(tài)水泥的生產(chǎn)采用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝，其優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)窯可以使廢棄物原料在高溫環(huán)境中停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，讓廢棄物能夠完全分解，這樣就不會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物和有害氣體污染大氣。

由于生態(tài)水泥使用城市垃圾燒卻灰，與使用天然原料生產(chǎn)普通水泥相比，應(yīng)特別注意以下兩點(diǎn)：1.作為代用原料的城市垃圾燒卻灰由于其化學(xué)成分不穩(wěn)定，離散性大，故如何得到成分均勻、質(zhì)量穩(wěn)定的入窯生料是整個(gè)工序的關(guān)鍵。應(yīng)加強(qiáng)原料的預(yù)均化和生料的均化，使生料成分波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)；2.由于煅燒過程中堿及其它重金屬氯化物容易揮發(fā)，因此設(shè)計(jì)生料組成時(shí)，需考慮生料中的氯含量要與堿和其它金屬含量平衡，若生料中的堿含量相對(duì)氯不足，應(yīng)加入碳酸鈉以使過量的氯揮發(fā)。

若生料中含有重金屬及氯，則不宜直接使用懸浮預(yù)熱器窯，因?yàn)槁然锢淠赡軐?dǎo)致預(yù)熱器堵塞，宜將原料直接投入回轉(zhuǎn)窯中煅燒或?qū)︻A(yù)分解窯采用旁路放風(fēng)措施。燒卻灰?guī)нM(jìn)的二噁英在高于800°C下完全分解，窯尾廢氣應(yīng)采用冷卻塔快速冷卻至250°C以下，以防止在250～350°C時(shí)二噁英重新生成。廢氣中氯化物經(jīng)冷卻塔和分離器冷卻，由收塵器收集。收集下來的粉塵送往金屬回收工藝流程處理。

生態(tài)水泥煅燒出的熟料摻加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硫酸鈉，粉磨至450m2/kg，然后與700m2/kg的無水石膏混合，硫酸鈉控制快硬水泥的凝結(jié)時(shí)間，而硬石膏用于快速生成鈣礬石，并保持強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。

燒卻灰?guī)нM(jìn)的重金屬中，大多數(shù)的Cr和Zn在煅燒過程中進(jìn)入熟料礦物，而Pb，Cu，Cd及其它重金屬則以氯化物形式揮發(fā)，并被收集在窯灰中。窯灰首先與水混合，然后加入硫酸，在酸性條件下富含鉛的硫酸鹽沉淀析出。固液分離后，在濾液中加入氫氧化鈉和硫氫化鈉，控制pH值和氧化-還原電位，富含銅的硫化物沉淀析出，從濾液中分離出來。兩種分別富含鉛和銅的沉淀送至熔爐回收重金屬。廢氣經(jīng)凈化處理，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后排放。為防止重新生成二噁英，廢氣要快速冷卻至250°C以下。

三、生態(tài)水泥環(huán)境評(píng)價(jià)

目前，大多用生命周期分析評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)環(huán)境負(fù)荷狀況。就生態(tài)水泥而言，則以生態(tài)水泥生產(chǎn)及焚燒灰處理裝置為比較對(duì)象，進(jìn)行評(píng)價(jià)。其評(píng)級(jí)步驟為：1.國(guó)產(chǎn)天然原料開采；2.國(guó)產(chǎn)原料燃料貯運(yùn)；3.水泥生產(chǎn)4.自備電站；5.硅酸鹽水泥；6.貯運(yùn)；7.調(diào)運(yùn)站；8.生態(tài)水泥生產(chǎn)；9.生態(tài)水泥；10.用戶；11.混凝土攪拌、澆注；12.城市垃圾焚燒及焚燒灰；13.進(jìn)口原料、燃料原產(chǎn)國(guó)開采加工；14.海外貯運(yùn)；15.重金屬回收；16.計(jì)算范圍。其評(píng)價(jià)系統(tǒng)由于降低了二氧化碳排放量和固化了重金屬，則減輕了環(huán)境負(fù)荷。

四、結(jié)語

20世紀(jì)大生產(chǎn)、高消耗、多廢棄的經(jīng)濟(jì)社會(huì)體系創(chuàng)造了繁榮與多彩的文明，同時(shí)也引發(fā)了地球溫度升高，二噁英、環(huán)境荷爾蒙、廢棄物等生態(tài)安全的顯在化。因此，生態(tài)水泥技術(shù)的開發(fā)與實(shí)踐，既有利于抑制生態(tài)環(huán)境的惡化，又推動(dòng)了焚燒灰和下水道污泥等的再資源化。對(duì)水泥企業(yè)，特別是大城市的水泥企業(yè)而言，利用工業(yè)廢棄物和城市垃圾生產(chǎn)水泥，不僅是必要的，而且在技術(shù)上也是可行的。大城市水泥工業(yè)應(yīng)轉(zhuǎn)變觀念，確立以處置利用城市廢棄物為主、生產(chǎn)水泥為輔的新觀念。因此，如何利用水泥窯爐高溫煅燒的特點(diǎn)，積極探索處置、利用城市廢棄物作原燃料生產(chǎn)生態(tài)水泥的技術(shù)和途徑，是我國(guó)水泥工業(yè)尤其是大都市水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。這是功在當(dāng)代，利在千秋的大事，應(yīng)引起我國(guó)水泥工業(yè)中科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等各部門的高度關(guān)注，也應(yīng)得到各級(jí)人大和政府及有關(guān)部門的高度重視，制定、健全相關(guān)的法規(guī)，并給予政策上的支持，使生態(tài)水泥的研究和開發(fā)在我國(guó)迅速得到重視和發(fā)展。