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利用垃圾燃料的生產水泥的探討
廣州越秀水泥集團有限公司 吳一岳
摘 要：利用工業廢料作為原料和混合材料，不但為水泥生產節約了大量的成本，而且大大減少了這些工業廢料對生態環境的污染，并且由于變廢料成為水泥，可大大減少熟料的生產量，從而減少生產熟料過程中無法避免的向大氣排放CO2、SO2和NOX的有害污染。但是，利用具有一定熱值，并不含有損害水泥生產過程的組份的工業廢料作為生產水泥的燃料（下稱為垃圾燃料）的工廠在國內卻鮮為人知。本文專就水泥工業如何利用垃圾燃料為題進行論述。
關鍵詞：:燃料-廢物利用
中國是世界上最早利用工業廢渣生產水泥的國家之一。眾所周知，國內各種類型的水泥廠早就利用硫酸渣、粉煤灰、礦渣、工業石膏廢料等工業廢料作為生產水泥的原料和混合料生產各種建筑用的水泥，年產量至少至少在5000萬噸以上。利用工業廢料作為原料和混合材料，不但為水泥生產節約了大量的成本，而且大大減少了這些工業廢料對生態環境的污染，并且由于變廢料成為水泥，可大大減少熟料的生產量，從而減少生產熟料過程中無法避免的向大氣排放CO2、SO2和NOX的有害污染。但是，利用具有一定熱值，并不含有損害水泥生產過程的組份的工業廢料作為生產水泥的燃料（下稱為垃圾燃料）的工廠在國內卻鮮為人知。本文專就水泥工業如何利用垃圾燃料為題進行論述。
1、國內外利用垃圾燃料生產水泥的現狀
1.1國外利用情況
美國、西歐各國和日本是最早利用垃圾燃料作為生產水泥的燃料的國家。早在上世紀七十年代末，這些國家的水泥工業的技術人員就進行利用汽車廢輪胎代替煅燒燃料的試驗，并在八十年代初成功地改造了一批工廠。至九十年代，各種具有一定熱值的工業廢料和生活廢料越來越多地取代了油、煤、氣這些傳統的燃料來生產水泥，而這種轉變始終處在對垃圾燃料燃燒是否產生新的污染和垃圾燃料燃燒后的殘留物帶入水泥中是否留下禍害的監控之中。事實證明，科學處置垃圾燃料，既能有效地利用其熱量，又可能做到對環境不產生任何新的污染。目前，在歐美工業發達國家用于水泥工業的垃圾燃料主要是：廢舊輪胎、廢紙、塑料包裝廢棄物，廢機油，木屑、廢溶劑和屠宰業需棄置的內、骨頭等。有趣的是，近幾年在歐洲一度蔓延瘋牛癥和口蹄疫癥，這些動物的尸體幾乎都成了水泥工業非常優質的燃料。根據筆者近三年在歐洲許多水泥廠調查，實施垃圾燃料利用的水泥工廠其代用燃料率通常在20％~40%之間，個別工廠達50％。如H•C集團屬下的一個名為Leimen的工廠，2000年垃圾燃料的代替為36％，而在一段時間曾達到60％，而在H•C集團屬下的另一個名為Lengfurt的工廠，2000年共使用垃圾燃料為3.736萬噸，分別為廢輪胎，廢塑料和廢油，各占三分之一。臺灣地區的水泥工廠垃圾燃料利用率也開始達到10％以上的水平。2001年，一臺由F.L.S公司設計旨在為分解爐燃燒100％垃圾燃料，名為“熱桌”的燃燒裝置在挪威的北歐水泥集團的工廠安裝并投入生產，試驗成功后，其垃圾燃料的代用率將可達到80％。
2.2我國利用情況
目前我國對垃圾燃料的利用起步很晚,特別是在水泥工業利用更少。90年代中期開始建設利用焚燒生活垃圾來發電的垃圾電站，常規的垃圾焚燒爐由于焚燒溫度低，有毒氣體在爐內停留時間短，很容易造成不完全燃燒而產生二噁英，需要增加特別的廢氣凈化裝置，另外焚燒后的廢渣還需特別處理。上海、北京地區有少數水泥廠，曾直接在水泥回轉窯上進行了一系列的試驗工作，并取得非常有意義的試驗結果并積累了寶貴的經驗。在此基礎上南京水泥工業設計研究院從1999年對利用水泥回轉窯處理可燃工業（生活）垃圾技術進行了較為全面的探索和研究。據報導他們在廣東東莞完成了利用回轉窯焚燒廢塑料及廢皮革發電項目的設計和建設工作，已投入運行并取得了初步的成效。
2、垃圾燃料利用對環境的影響評價
人們知道垃圾燃料能有效利用其潛在的熱量之后，普遍關注的是燃燒后隨水泥窯廢氣一起排放在到大氣所產生的影響，以及其燃燒后的殘留物帶入水泥中對混凝土使用環境的影響。
目前，可能采用垃圾燃料的水泥產生窯型普遍為新型干法窯，眾所周知，在回轉窯的燒成帶，窯尾和分解爐的溫度分別在所1450℃，1000℃和850℃左右，氣體在窯、爐和預熱停留的時間較長。而窯型的大型化使窯爐的熱容量變得越來越大，這些條件是一般廢物焚化爐所不具備的。無論是無機可燃物或是有機可燃物，在這樣的工況下完全可以徹底的分解和燃盡。特別是一般物焚化爐在處理有機廢物時，可能產生的二惡英問題則在水泥窯中較好地解決。
歐盟理事會2000／76EC廢物焚化規定
污染物 C
總塵量 30
HCI 10
HF 1
HOX 500／800
Cd+TI 0.05
Hg 0.05
Sb,As,Pb,Cr,Co,Cu,Mn,Ni,V 0.5
二惡英和呋喃 0.1
SO2 50
有機碳總含量 10
日平均值，干基，（mg/Nm3）
按該條例進行監測的結論表明，水泥窯燃燒垃圾燃料廢氣排放物是完全低于規定值的。以下是歐洲某廠廢氣中汞和二惡英、呋喃排放濃度的測定結果。
由于新型干法水泥工藝中預熱器氣相中含有大量的CaO粒子，其作用于廢氣后能十分有效地清除SO2用名，所以大量以廢輪胎作為燃料的水泥工廠，其SO2 的排放不但合乎規定，而且遠遠低于應用常規燃料，但窯型為濕法回轉窯和立窯的工廠。事實證明，對一個城市或一個地區擊言，利用水泥窯處理廢料，不但利用了它的熱量，節約了煤炭，對環境排放的總廢氣較之單獨設置焚化爐為優。
垃圾燃料燃燒后會形成一些殘留物。主要是金屬類的物質從而溶入了水泥熟料中，除Fe、S1等參加礦物反應生成有用的水泥礦物外，其他也可能以金屬氧化物的形態固溶在高溫形成的水泥礦物之中而被包裹著�；蛟S會有擔心溶入重金屬元素的混凝土可能對環境產生不良影響。為此，歐洲的實驗室也反復對利用垃圾燃料生產的水泥所制成的混凝土進行測試。方法是用碳酸及油水混合液體對這類混凝土進行浸泡，然后對洗出的液體進行檢測。結果表明，從混凝土組分中釋放的重金屬元素的量少至難以測出來。因此，這種混凝土的使用也是十分安全的和符合環保要求的。盡管對垃圾燃料利用的實踐已回答了有關是否會產生二次污染的問題，亦同時證明了這是處理可燃廢料的有效方法。但是在實施中建立嚴格的監管制度也是必要的。據了解，歐美發達國家都制訂了相應的監管條例，并長期對應用垃圾燃料工廠的生產過程及水泥應用結果進行跟蹤測試，結果也是令人滿意的。現時適用于歐洲各國的“廢料焚化條例”(Directive 2000/76/EC)是在2000年12月28日公布實施的。其后各國又相應制定了有關的條例與歐洲條例一并運行。以德國為例，到2002年12月將公布新的法律代替現時與歐洲條例共存的德國標準，并強制新運行的工廠執行，以前以運行的工廠到2005年底后也要按新的法律規定執行。在條例的監管下，應用垃圾燃料實行許可證制度，即向當地政府有關部門提出申請，并依照規定獲得審批。實施過程中，按規定由政府有關部門監督，以確保企業對公眾環境負責等。歐美國家對應用垃圾燃料的有關管理制度值得我們借鑒。
3、垃圾燃料的可用價值和通常使用的方法
能應用于水泥工業的垃圾燃料種類很多。目前，世界上廣泛采用的有廢舊輪胎、廢紙、廢塑料、紡織廢料、木屑、廢溶劑、廢油墨、廢油漆、屠宰業廢料等等，甚至連拆廢汽車剩下駕駛室的座椅和儀表盤都是垃圾燃料常用的東西。然而，也不是只要含有熱量的廢料都可以作為水泥工業垃圾燃料使用。
水泥工業垃圾燃料的選用必需符合下列的一些原則：
1、代替常規燃料后能產生經濟效益。這些廢料必須有足夠的熱值，使到部分取代常規燃料后所節省的燃料費用足以支付廢料的收集、分類、加工、貯運的成本。顯然，熱值越高，被應用的可能性就越大，通常應在4000Kcal/kg（干基）以上。資料表明，以下各種廢料所含的熱量分別是：輪胎9000Kcal/kg左右、塑料、油、油墨10000Kcal/kg以上，動物肉和骨的混合物600Kcal/kg左右，而紙、木屑為4000Kcal/kg左右�？晒┝繎摬簧儆趩胃G用煤量的10％，否則可能產生不經濟的結果。
2、必須適應水泥窯的工藝流程需要。可燃廢料的形態，水份含量、燃點等都會決定使用過程的工藝流程設計，而這個設計必須與原有水泥窯的工藝流程很好的配合。另外，新型干法窯需嚴格控制的Na2O、K2O、C1－這類有害成分的含量應不以影響工藝技術要求為準。
3、符合環保的原則。盡管目前世界上應用著的垃圾燃料對大氣排放不產生新的污染，對制成的混凝土也無影響，我們仍然強調在試用垃圾燃料時，必須確保符合無害排放和對產品無害的重要原則。
廢輪胎是世界上應用量最大的垃圾燃料。
目前，世界上水泥工業應用垃圾燃料是廣泛采用由專業公司進行收集、加工，以品質穩定的成品供給水泥工廠使用的模式。如法國、比利時、挪威、德國、美國等均形成了這樣的垃圾燃料供應渠道。少數國家（如丹麥等）則由水泥工廠自行予以處理廢料把它變成垃圾燃料。由專業公司生產的垃圾燃料，通常有較大的生產量以符合成本效益的原則。首先，政府以行政主導的方法，嚴格執行“誰排放，誰支付排放成本”的法規，使這些專業公司在收集這類廢料時得到了可觀的補償費用。這些補償費用不但可以支付專業公司運作的全部成本，還可以分出一部分給焚燒垃圾燃料的水泥工廠，體現“誰處理廢物，誰有利可圖”的公平原則。
在解決了費用問題后，另一個主要的問題是專業公司必須把收集回來的各類廢料進行嚴格的加工處理（廢輪胎不需加工，可直接送至水泥工廠），通常要完成破碎、烘干、配料等主要工作，以確保垃圾燃料必需達到的細小的顆粒，較低的含水量，熱值均齊可用等技術要求。最后，由專業公司按時按量送到水泥工廠的封閉式的貯倉備用，以防止無序堆放造成新的污染。而廢胎則可露天貯存，但應注意防火。
水泥工廠使用垃圾燃料已有較成熟的工藝方法，廢輪胎通常可不作任何切割加工（重型卡車用的特別大的規格除外），整體由叉車送入喂料倉，經可調節速度并帶有稱重裝置的輸送機、提升運送至回轉窯尾部，通過電腦計算送入窯的廢胎重量所換算成的熱量與窯頭噴煤系統連鎖控制，以調節窯的總供給熱。進入窯尾的廢輪胎入口有多道閘門進行鎖住熱風的流失。
由專業公司提供的廢紙、廢塑料、木屑、動物的肉和骨等已是顆粒均齊的小粒，可由分解爐或回轉窯的噴煤管側另行設置管道由風送入。廢油、廢溶劑等經加熱及稀析后也從分解爐或回轉窯的噴煤管側另行設置管道加壓噴入。石油焦一類與煤相近的廢料則與煤一起混合粉磨，由煤管噴入。
四、我國水泥工業應用垃圾燃料的前景
隨著我國工業化水平和人民生活水平的迅速提高，工業廢料棄置物和生活垃圾的排放量也在劇增。
據報導，我國每年產生廢舊輪胎量已達80萬噸，超過了日本60萬噸和德國40萬的水平，隨著汽車進入家庭的社會變化，有可能在十年內使廢輪胎翻番。目前我國處理廢輪胎主要是翻新成再生輪胎、制成再生膠、制造精細膠粉，然而輪胎翻修工業和再生膠工業在九十年代中新稅制出臺后這兩個行業先后陷入困境。而僅是用液氮冷凍粉碎法生產精細膠粉（目前我國有此類工廠40余家，年生產能力8萬噸左右）是較有經濟價值和發展前途的處理方法。與上述較好的方法處置廢胎的同時，還有大量難的統計的廢輪胎被無序地處理，如不規范地用作燃料，割去有用部分后剩下的連子午線鋼絲被零散棄置，造成了很大的污染。廣州市廢胎的價格由五年前的500元／噸下跌至今約為200元／噸水平，說明過去處置廢輪胎的一些方法的輝煌時期已走到了盡頭。不久將來，廢輪胎成為發達國家的一種主要垃圾的格局也會在中國呈現。據統計，全世界每年約產生1.7億噸塑料垃圾，而我國占350萬噸，按1997年廣州市生活垃圾成分含塑料3.8％計算，廣州市每年從垃圾中棄置的廢塑料超過8萬噸。目前以填埋為主要處理城市生活垃圾的方法不僅不能很好地解決二次污染問題，而且浪費了土地資源，特別在發達地區的中心城市，如北京、天津、上海、廣州等，城市周邊難以在找到新的填埋場地。廢塑料也大量來源于拆車業，駕駛室內被拆下主要是儀表盤、座椅都是工程塑料、皮革和海綿制品等，一般也無法利用而被作為垃圾棄置。隨著被報廢的汽車越來越多，如何處置也成為一個難題。隨著我國各類工業的發展，可燃廢棄物的數量也不斷增加，如汽車制造業的漆渣，以廢紙為原料造紙排出的含油墨紙渣，各類化學工業排出的廢溶劑，機械工業和汽車修理業排出的廢油，不勝數舉。上述這類可燃廢棄物，一旦成為水泥工業的垃圾燃料，不但可大量節約我國的能源資源，重要的是為我國的生態環境保護開拓出一條新路。
要有序地利用各類可燃廢料作為水泥工業的垃圾燃料，必須從現在起進行系統性的研究，并著重解決推廣實施中要解決的難點問題。筆者認為，目前主要是：更廣泛地立法解決目前無序棄置廢物并加強執法；積極推廣大城市生活垃圾分類收集；對排放廢物的企業立例收費等。
新型干法窯的建設在我國正在迅速發展，這為我國在環境保護和合理利用能源方面的戰略研究提供了一個嶄新的空間，因勢利導，我國的水泥工業有望真正地貼上綠色的標簽。
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