生態(tài)水泥研究進(jìn)展

    1.前言

    水泥是最主要的建筑材料，在國民生活和建設(shè)中起著重要的作用。但是傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)方式環(huán)境負(fù)荷很高，特別是溫室氣體CO₂影響人類的生活環(huán)境，全球大氣中約有55％CO₂是由水泥生產(chǎn)排放的^[1]。此外，傳統(tǒng)水泥工業(yè)對于資源和能源的大量消耗亦不能適合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。可以說,我國水泥工業(yè)是以資源、能源的過度消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染為代價的,因此必須堅持走可持續(xù)的并與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的集約化道路,開發(fā)生態(tài)水泥才是水泥工業(yè)健康發(fā)展的正確途徑。

    2. 生態(tài)水泥的概念特征與質(zhì)量特性

    2.1 生態(tài)水泥的基本概念

    從狹義上講，生態(tài)水泥( Ecological Cement)是指利用城市垃圾焚燒灰和下水道污泥等作為主要原料,經(jīng)過燒成粉磨形成的的水硬性膠凝材料；而從廣義上講,生態(tài)水泥不是單獨(dú)的水泥品種,而是對水泥“健康、環(huán)保、安全”屬性的評價,包括對原料采集、生產(chǎn)過程、施工過程、使用過程和廢棄物處置五大環(huán)節(jié)的分項(xiàng)評價和綜合評價。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。

    2.2 生態(tài)水泥的基本特征

    與傳統(tǒng)水泥相比,生態(tài)水泥可歸納出以下五方面的基本特征:

    (1) 其生產(chǎn)所用原料盡可能少用天然資源,大量使用尾礦、廢渣、垃圾、廢液等廢棄物。

    (2) 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) 可使廢棄物再生資源化并可回收利用。

    (4) 產(chǎn)品設(shè)計以改善生活環(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,產(chǎn)品具有多功能化,如阻燃、防火、調(diào)溫、調(diào)濕、消聲、防射線等。

    (5) 具有良好的使用性能,滿足各種建設(shè)的需要,生態(tài)水泥從材料設(shè)計、制備、應(yīng)用,直至廢棄物處理,全過程都與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào),都以促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)^[2]。

    2.3 生態(tài)水泥的質(zhì)量特性

    生態(tài)水泥有快硬性和通用性兩種?？煊残陨鷳B(tài)水泥是以富含氧化鋁以及氯化物的焚燒灰為原料燒成的鈣氯鋁酸鹽水泥。主要用于澆注預(yù)制構(gòu)件以及配制水泥砂漿。但是因其含氯量超過1%，則僅限于素混凝土構(gòu)件或耐氯鋼筋混凝土構(gòu)件使用。相反，通用性生態(tài)水泥，控制原料中的氯與堿的比例燒成，在燒成過程中氯被灰固化排出，產(chǎn)品含氯量僅0.1％以下,可廣泛用于一切鋼筋混凝土構(gòu)筑件中，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定、耐久^[3]。

    3.國內(nèi)生態(tài)水泥的研究重點(diǎn)

    目前，我國生態(tài)水泥主要研究工作主要是集中在廢棄物的處置方法，以及水泥窯用來生產(chǎn)生態(tài)水泥的可行性研究及相關(guān)技術(shù)改造。

    3.1 廢棄物的處置方法

    生態(tài)水泥可以綜合利用廢棄物，一般的主要包括兩大類：廢棄物水泥原料化和廢棄物水泥的燃料化。一般常用的水泥的代用原料有下水道焚燒灰、造紙焚燒灰、河道污泥、粉煤灰、高爐礦渣、氟化鈣污泥、硅藻土、煤矸石、廢石膏等。新近文獻(xiàn)報道有國內(nèi)電石生產(chǎn)公司利用電石工業(yè)廢渣和風(fēng)積沙生產(chǎn)生態(tài)水泥^[4]。而水泥的代用燃料常用的有廢輪胎、廢橡膠、廢塑料、廢油、活性炭污泥、廢白土、造紙污泥、焦炭等。一般而言，氣、液廢棄物的處理比較簡單，生產(chǎn)生態(tài)水泥的技術(shù)關(guān)鍵是固體廢棄物的利用。

     生態(tài)水泥的生產(chǎn)工藝與普通水泥基本相同，但是由于其使用原燃料的特殊性，使得生態(tài)水泥的生產(chǎn)也有所不同，存在一些技術(shù)上的困難，同時也是研究的重點(diǎn)：

    ⑴用于廢棄物的化學(xué)成分不穩(wěn)定，離散性大，所以應(yīng)加強(qiáng)原料的預(yù)均化和生料的均化，使廢棄物成分波動在許可的范圍內(nèi)，從而得到成分均勻、質(zhì)量穩(wěn)定的入窯生料。此外，作為代用燃料和廢棄物，應(yīng)注意廢棄物的投入方式、時間、位置，以確保廢棄物完全燃燒^[5]。

    ⑵固體廢棄物中可能含有高濃度的氯和極少量的有毒有害物質(zhì)，如何分離、出去、封存這些物質(zhì)是生態(tài)水泥可以實(shí)用的關(guān)鍵。若原料中氯含量較高，不宜采用預(yù)分解窯，宜將原料直接投入回轉(zhuǎn)窯中煅燒或應(yīng)對預(yù)分解窯采用旁路放風(fēng)措施。圖1是 2000/76/EC水泥回轉(zhuǎn)窯排放極限規(guī)程。

     圖1.  2000/76/EC水泥回轉(zhuǎn)窯排放極限規(guī)程^[6]

    ⑶由于固體廢棄物中常含有重金屬成分，如Ag、Pb、Cu、Cr、As等，為從窯灰中回收這些重金屬，必須在工藝線上增設(shè)金屬回收工藝。

                            圖2.生態(tài)水泥窯灰的金屬回收工藝流程^[7]

    3.2 生態(tài)窯的生態(tài)技術(shù)改造

    國外在水泥回轉(zhuǎn)窯處理城市垃圾的技術(shù)上已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)，使用“拿來主義”，國內(nèi)在這方面的研究也是如火如荼。但是我國大部分的水泥窯都是立窯，所以根據(jù)我國國情，利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行生態(tài)技術(shù)改造能取得更大的經(jīng)濟(jì)和社會效應(yīng)。下面就這兩方面的研究進(jìn)展做一個簡要的介紹：

    3.2.1 水泥回轉(zhuǎn)窯

    （1）水泥回轉(zhuǎn)窯處置城市垃圾的可行性分析

    水泥窯可以利用多種廢棄燃料，包括廢機(jī)油、廢輪胎和可燃性垃圾等，且在水泥窯處理此類廢棄燃料比一般的焚燒爐更具優(yōu)勢。從處理廢棄物的角度看，要求其焚燒溫度高，焚燒完全，廢棄物有足夠的停留時間；且要求焚燒過程中產(chǎn)生的有毒有害組分不能逸放，避免有害氣體排放造成二次污染。水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度比一般焚燒爐高的多，同時廢棄物在水泥窯內(nèi)停留的時間比在焚燒爐內(nèi)長得多，有足量得氧氣，且物料為堿性，可中和酸性氣體。這些都為處理廢棄物提供了十分有利的條件。

    （2）水泥回轉(zhuǎn)窯生態(tài)水泥的生產(chǎn)工藝

    生態(tài)水泥的生產(chǎn)工藝與普通水泥基本相同,包括生料制備、熟料煅燒和水泥制成、重金屬回收、尾氣排放等工序。其中，生料制備前已述及。生產(chǎn)1t生態(tài)水泥需城市垃圾燒卻灰0.5t,下水道污泥0.3t,用來調(diào)整化學(xué)成分的天然原料0.3t.經(jīng)過生料制備、燒成工序,得到熟料0.85t,最后在制成工序摻加石膏0.15t,粉磨后即成生態(tài)水泥。

    ①熟料煅燒

    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。 燒卻灰進(jìn)的二惡英在高于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時二惡英重新生成。 廢氣中氯化物經(jīng)冷卻塔和分離器冷卻,由收塵器收集. 收集下來粉塵送往金屬回收工藝流程處理。

    ②水泥制成

    煅燒出的熟料摻加1 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) Na₂SO4 ,粉磨至450m²/kg,然后與700m²/kg 的無水石膏混合,使Al₂O₃與SO₃的摩爾比為1.0～1.2。Na₂SO₄控制快硬水泥的凝結(jié)時間,而硬石膏用于與C₁₁A₇·CaCl₂ (生態(tài)水泥熟料的一種礦物成分)快速生成鈣礬石,并保持強(qiáng)度穩(wěn)定增長。

    ③重金屬回收

    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,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NaOH和NaSH,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。

    ④廢氣排放

    廢氣經(jīng)凈化處理,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后排放。為防止重新生成二惡英,廢氣要快速冷卻至250°C以下。由于SOx ,HCl大都與CaO結(jié)合進(jìn)入熟料,因此廢氣中不含SOx 和HCl^[8]。

    3.2.2 水泥立窯

    我國已經(jīng)有成功地把小立窯改造成煅燒粗放型垃圾焚燒爐的先例，城市垃圾可以不分類，直接進(jìn)入立窯煅燒，經(jīng)過高溫煅燒，燒成鐵塊，除鐵后，剩下塊狀的熟料，加入水泥等制成建材產(chǎn)品。據(jù)測算，利用消化能力很強(qiáng)的立窯水泥設(shè)備，再加上后續(xù)處理的高技術(shù)，一個普通立窯水泥企業(yè)一年可以燒掉5～10萬t城市垃圾。我國已發(fā)明了垃圾造水泥的專利技術(shù)，并進(jìn)入使用階段，開始了規(guī)?；a(chǎn)。城市垃圾經(jīng)過分選后，除金屬外的無機(jī)物如石子、玻璃、陶瓷片、砂子、混凝土塊等都可以用作燒制水泥的原料。通過分析，由廚房垃圾、紙張、塑料、纖維、皮革、橡膠、陶瓷等雜物組成的城市垃圾，經(jīng)過焚燒后的成分與水泥生產(chǎn)用的普通粘土質(zhì)原料組成基本相同，稍加處理后即可替代部分粘土原料。焚燒后的垃圾渣作為原料配入水泥生料中經(jīng)過高溫焚燒后，有害物質(zhì)被分解或化合成無害物質(zhì)^[9]。我國立窯水泥工業(yè)無論是技術(shù)水平還是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，都已達(dá)到或超過了國外的先進(jìn)水平，通過技術(shù)改造和創(chuàng)新，完全有條件走走生態(tài)環(huán)境材料產(chǎn)業(yè)之路。

    4.國外生態(tài)水泥發(fā)展的新動態(tài)

    4.1 　麥特考林水泥

    過去,有人稱之為土聚水泥或堿激發(fā)火山灰膠凝材料(Pyrament) 。它以含高嶺石的粘土為原料,經(jīng)較低溫度(500～900 ℃) 煅燒的偏高嶺土,有較高的火山灰活性,經(jīng)堿激發(fā)成為優(yōu)異的膠凝材料。根據(jù)礦物特征筆者稱其為麥特考林水泥(Metakaolin Cement)。該水泥具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)(20 ℃ 4h 達(dá)15～20MPa) ,具有較強(qiáng)的耐腐蝕性和良好的耐久性,5 %酸性條件下其強(qiáng)度損失僅為硅酸鹽水泥的1/ 13 ,壽命可達(dá)千年以上。麥特考林水泥將成為繼硅酸鹽水泥系列、鋁酸鹽水泥系列、硫鋁酸鹽水泥系列之后的第四系列水泥,其應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛不可估量,并將以真正的生態(tài)水泥而著稱。

    4.2　速硬生態(tài)水泥

    速硬生態(tài)水泥是在熟料礦物成分中加入適量氯離子而形成的速硬水泥,它與噴射水泥(日本一種快硬水泥) 的速硬成分相似,均由于氯離子化合成氯鋁酸鈣,具有早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。但是,若氯離子含量達(dá)到1 %時,則僅適用于素混凝土^[9]。

    4.3 能吸收CO₂的生態(tài)水泥

    澳大利亞生態(tài)技術(shù)公司最近宣布開發(fā)成功一種能吸收CO₂的新一代生態(tài)水泥，其主要成分為廢料、粉煤灰、普通水泥和氧化鎂。該公式聲稱，如果生態(tài)水泥能代替世界所產(chǎn)16.5億t普通水泥的80％，將會有15億t的CO₂被吸收。每生產(chǎn)1t普通水泥，就釋放出1t CO₂與之相比，生態(tài)水泥制成的砌塊等產(chǎn)品是CO₂的中和物，甚至當(dāng)這種砌塊與有機(jī)廢料纖維相結(jié)合時，它們還是CO₂的吸收物。同時，該公司證明，生態(tài)水泥更能耐硫酸鹽，氯化物和其它腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，完全可以在強(qiáng)度上與普通水泥媲美^[10]。

    5.小結(jié)

    綜上所述, 生態(tài)水泥也是改善生態(tài)環(huán)境和生活環(huán)境的重要建筑材料。發(fā)展生態(tài)水泥，是解決我國水泥工業(yè)節(jié)能和節(jié)約資源以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑, 同時也是我國水泥工業(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)引起我國水泥工業(yè)中科研、設(shè)計、生產(chǎn)等各部門高度的關(guān)注，也應(yīng)得到各級人大和政府及有關(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)在我國迅速地得到重視和發(fā)展。

    參考文獻(xiàn)

    [1]孫勝龍. 環(huán)境材料. 化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

    [2]王立久, 趙湘慧. 生態(tài)水泥的研究進(jìn)展. 材料研究,2002,30(4):19～22

    [3]張射墟,黃祖華. 生態(tài)水泥的特性與應(yīng)用.中國建材,2002,(1):36 ～37

    [4]朱福印. 利用電石工業(yè)廢渣和風(fēng)積沙生產(chǎn)生態(tài)水泥.水泥,2002,（9）:10～11

    [5]施惠生. 發(fā)展生態(tài)水泥，促進(jìn)資源利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境. 水泥研究，2003（4）：7～11

    [6]蘇達(dá)根等. 發(fā)展生態(tài)水泥工業(yè)的幾個問題. 水泥技術(shù)，2003（6）：5～8

    [7]施惠生,袁玲.生態(tài)水泥—都市水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向.水泥，2002，（5）：1～4

    [8]施惠生,袁玲. 生態(tài)水泥的研究與進(jìn)展. 建筑材料學(xué)報，2003，6（2）：166～172

    [9]任國亮，趙遠(yuǎn)翔，何英明.日本生態(tài)水泥，建筑技術(shù)開發(fā)，2003，30（4）：100～101

    [10]新型建材.2003, (1):48