水泥工業(yè)提高資源利用效率的途徑探討

1　宜賓天原集團(tuán)電石渣利用工程
　　宜賓天原集團(tuán)有限公司（以下稱天原公司）是一家大型綜合性氯堿企業(yè)，公司主要生產(chǎn)純堿、聚氯乙烯等基礎(chǔ)化工原料和化工產(chǎn)品。多年來，天原公司生產(chǎn)過程中排出的廢渣———電石渣，一直采用傳統(tǒng)的露天堆放處理，堆放地緊鄰長江邊，隨著公司生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，電石渣的排放量將越來越大，給周圍環(huán)境和長江流域造成越來越嚴(yán)重的危害。此外，公司發(fā)電廠每年還產(chǎn)生大量的煤渣和粉煤灰，如得不到及時處理，會給周圍的環(huán)境帶來不良的影響。
　　天原公司從環(huán)境保護(hù)、資源的綜合利用，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、改善企業(yè)形象出發(fā)，決定利用電石渣生產(chǎn)水泥，此外還可吸收適量的粉煤灰作水泥混合材料，從而達(dá)到徹底根治環(huán)境污染的目的。
1.1　固體廢棄物的性能
　　天原公司內(nèi)部用于水泥生產(chǎn)的固體廢棄物主要有電石渣和煤渣，其中電石渣每年的排放量約為25萬t，煤渣每年的產(chǎn)出量約8萬t，利用電石渣生產(chǎn)水泥項目基本上可以吸收集團(tuán)內(nèi)部所產(chǎn)生的全部電石渣和煤渣，此外還可處理外購的硫酸渣約9 000t和一定量的粉煤灰。
　　電石渣是用乙炔法生產(chǎn)聚氯乙烯產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，主要成分為Ca(OH)2。天原公司電石渣的化學(xué)成分中，CaO含量達(dá)66%以上，有害成分含量低，優(yōu)于水泥生產(chǎn)對鈣質(zhì)原料的要求。
　　天原公司電石渣的化學(xué)分析結(jié)果見表1。
　　煤渣是天原公司自備電廠燃煤排出的爐渣，有火山灰質(zhì)活性，可作為混合材摻入熟料磨制水泥，也可作為硅鋁質(zhì)原料參加原料配料。其化學(xué)成分見表2。
　　由于煤渣中的SiO2含量較低，在生料中的配合比較低，因而作為原料的煤渣每年的耗量僅約5 000t，其余都用作粉磨水泥的混合材料。
1.2　天原公司電石渣制水泥熟料生產(chǎn)工藝（780t/d水泥熟料）
　　天原公司電石渣制水泥熟料生產(chǎn)流程采用箱式壓濾機(jī)使料漿脫水至約40%后喂入?準(zhǔn)4m×150m回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒，其工藝流程見圖1。
　　該熟料燒成系統(tǒng)具有以下特點：
　?。?）針對天原公司電石渣產(chǎn)量大的特點，采用電石渣100%代替石灰石配料，從而可以最大限度的利用生產(chǎn)聚氯乙烯產(chǎn)生的電石渣。
　?。?）電石渣配制的生料漿經(jīng)壓濾機(jī)脫水后，再入窯煅燒，從而大幅度地降低了燒成熱耗。
　　該熟料生產(chǎn)線建成以來，產(chǎn)量高于設(shè)計產(chǎn)量780t/d，熟料燒成熱耗遠(yuǎn)低于設(shè)計值，除吸收公司內(nèi)產(chǎn)生的廢棄物外，還年增利潤2 171萬元。
1.3　天原公司資源利用
　　天原公司電石渣利用工程資源流動過程見圖2。

　　由圖2可以看出，天原公司電石渣利用工程中生產(chǎn)水泥主要是固體廢棄物，只使用了少量的原生礦物資源（砂巖、石膏），利用了二次資源（自有的電石渣、煤渣、粉煤灰和外購的硫酸渣）生產(chǎn)出合格的水泥。
　　對于天原公司的電石渣利用工程而言，水泥項目的實施有效的解決了廠區(qū)內(nèi)的電石渣污染問題，并在此基礎(chǔ)上可有效的降低廠內(nèi)的另一類污染物———煤渣的量。對于電石資源而言，原來化工廠僅使用水解后的乙炔氣，而另一種水解產(chǎn)物電石渣則不能得到有效的利用，而水泥項目的實施正利用了電石渣，從而使電石資源得到完全的應(yīng)用，因而在資源的利用率上天原公司對電石資源的利用率得到提高。另一方面，由于煤渣和粉煤灰也是電廠用煤而產(chǎn)生的廢棄物，也是一種資源未完全應(yīng)用的產(chǎn)物，在電廠或是天原公司的其它工業(yè)過程中不能得到利用的，在水泥廠中的利用則是典型的資源二次利用。因此，我們可以說水泥項目的實施使得天原公司的電石和煤資源得到更為徹底的利用。
由于天原公司電石渣的產(chǎn)量較大，采用全干法或濕磨干燒熟料燒成系統(tǒng)不足以吸收該公司的電石渣，因而采用濕法窯工藝燒成熱耗仍然較高，但較傳統(tǒng)的電石渣直接入窯煅燒工藝熱耗仍有大幅的降低。如電石渣量較小則可采用干法或濕磨干燒工藝將更為合理，目前，成都建材料設(shè)計研究院已成功開發(fā)了電石渣制水泥濕磨干燒工藝，并在多個項目中得以成功實施。
　　天原公司電石渣利用工程建成后，每年可消耗電石渣約25萬t、煤渣8萬t，完全吸收了公司內(nèi)部所產(chǎn)生的兩種主要的固體廢棄物，并且可大量回收電石渣漿中的廢水以供化工生產(chǎn)循環(huán)使用，而水泥工業(yè)的主要原料、不可再生資源石灰石卻沒有得到任何消耗。該工程一方面極大地改善了環(huán)境污染問題，節(jié)約了原生礦物資源的消耗，同時也降低了企業(yè)營運(yùn)成本。企業(yè)發(fā)展的同時，也履行了其社會責(zé)任，真正實現(xiàn)了企業(yè)和社會的雙贏。
2　鴻鶴化工股份有限公司綜合利用環(huán)保技改工程（1 000t/d水泥熟料）
　　鴻鶴化工股份有限公司（以下稱鴻鶴化工）是一個以聯(lián)堿和氯堿生產(chǎn)為主體的大型股份制企業(yè)。鴻鶴化工有自備電廠1座，每年排出約7萬t的粉煤灰，加上即將新建的15MW機(jī)組，預(yù)計排出量將達(dá)到10萬t/a。由于目前廠內(nèi)沒有吸收粉煤灰的工業(yè)，因此粉煤灰主要靠外排處理。此外，目前公司生產(chǎn)純堿需要的CO2依靠4座石灰窯提供，每年排出石灰將近8萬t，因石灰市場銷售較差，在廠內(nèi)堆存，又形成新的污染。
　　通過對水泥工藝的認(rèn)真分析和與化工生產(chǎn)工藝的對比，為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，鴻鶴化工決定新建一條水泥生產(chǎn)線。這可達(dá)到三個目的：(1)將粉煤灰和石灰摻與原料和水泥配料，從而降低粉煤灰和石灰處理成本，減少環(huán)境污染；(2)利用窯尾余熱生產(chǎn)蒸汽以供化工廠使用；(3)利用熟料燒成系統(tǒng)窯尾廢氣中的CO2，采用CO2濃縮工藝以供純堿生產(chǎn)使用。
2.1　鴻鶴化工固體廢棄物的性能
　　鴻鶴化工目前的固體廢棄物主要是粉煤灰，此外石灰因不能及時的銷售出去，也成了固體廢棄物，這兩種廢棄物的化學(xué)成分分析見表3。
　　根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，粉煤灰基本滿足作硅鋁質(zhì)原料的要求，同時也是極佳的水泥混合材料，在本工程中粉煤灰將作為硅鋁質(zhì)原料和水泥粉磨混合材料同時使用。
　　石灰由于含鈣量高，因而可以作為鈣質(zhì)原料，經(jīng)我院試驗研究表明在石灰配合比小于20%時，完全可以順利燒成合格的水泥熟料。資料表明，只用石灰作鈣質(zhì)原料將會對水泥熟料的生產(chǎn)工藝操作產(chǎn)生較大的影響，在未作進(jìn)一步研究的情況下，本工程使用石灰石作為主要鈣質(zhì)原料與石灰搭配使用。
　　考慮到水泥熟料燒成系統(tǒng)投產(chǎn)后，用于制純堿的CO2只需從水泥熟料系統(tǒng)提純即可，石灰窯系統(tǒng)將停產(chǎn)，因而石灰的量將會逐步減少，到時只需采用三組分配料即可。
2.2　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保技改工程（1 000t/d水泥熟料）工藝流程
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保技改工程工藝流程圖見圖3。
　　該工藝流程主要特色在于其對燒成系統(tǒng)的余熱的充分利用和CO2提純后用于制造純堿。具體工藝設(shè)計特點如下：
　?。?）本工程利用大量廢渣作為原料，每年可消耗大量的石灰和粉煤灰。
　?。?）充分利用窯系統(tǒng)余熱，窯尾不設(shè)增濕塔，預(yù)熱器排出的廢氣一部分用作煤磨烘干熱源，其它的通過余熱鍋爐降溫后再進(jìn)袋收塵器，窯尾余熱鍋爐可為化工生產(chǎn)系統(tǒng)提供一定數(shù)量的蒸汽，作為化工生產(chǎn)的烘干熱源；窯頭篦式冷卻機(jī)排出的廢氣進(jìn)生料磨烘干原料，烘干降溫后的廢氣通過除塵設(shè)備凈化后再排入大氣中。
　?。?）窯尾袋收塵器排出的含一定CO2濃度（>25%）的氣體經(jīng)提純后進(jìn)入化工生產(chǎn)系統(tǒng)使用，最大限度減少了廢氣排放量。
　　（4）生料磨和水泥磨摻入的粉煤灰均不入磨，直接與出磨物料配料并混合后喂入選粉機(jī)。
　　鴻鶴化工水泥廠項目建成后，日產(chǎn)水泥熟料1 000t，年處理粉煤灰10萬t，石灰6萬t，生產(chǎn)蒸汽7.2萬t，回收CO21.4億Nm3，利潤3 200萬元。
2.3　鴻鶴化工資源綜合利用
　　對鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程而言，這種資源的合理化應(yīng)用相對于天原公司得到進(jìn)一步加強(qiáng)。采用工業(yè)廢渣作原料生產(chǎn)高品質(zhì)水泥，既徹底根治了廢渣對環(huán)境的污染，又可變廢為寶，與常規(guī)配料方案相比還可節(jié)約熟料燒成熱耗約20％；水泥熟料燒成系統(tǒng)排出的廢氣經(jīng)除塵凈化和SP鍋爐熱交換后又分別提供了化工系統(tǒng)生產(chǎn)所需的CO2氣體以及烘干熱源，廢氣和余熱得到了充分利用。因此，本項目具有環(huán)保和節(jié)能雙重效應(yīng)。
　　原生產(chǎn)純堿所使用的CO2主要由石灰窯產(chǎn)出，而石灰窯的產(chǎn)物石灰由于市場的問題不能及時銷售而在廠內(nèi)成為固體廢棄物，因而對石灰石資源而言其利用率極低。粉煤灰也同樣是對煤資源不完全使用的產(chǎn)物。新建水泥廠則正好提高了鴻鶴化工對煤及石灰石資源的利用率，進(jìn)而減輕了環(huán)境壓力。
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程水泥項目的實施不僅從治理固體廢棄物污染上具有積極的意義，在資源的綜合利用上表現(xiàn)得更加出色。水泥項目不僅作為處理固體廢棄物的場所，同時利用CO2提純技術(shù)直接吸收水泥熟料燒成窯尾廢氣中的CO2作為純堿生產(chǎn)原料，使得水泥生產(chǎn)成為純堿生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，將二者有機(jī)地整合起來。由于水泥項目的實施，在水泥系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)后，石灰窯將會停止運(yùn)行，因而大大地節(jié)約了資源。而提純后的CO2不僅足以維持純堿的生產(chǎn)，還將有較大的剩余量（約總量的65%），這部分可以進(jìn)一步處理為食品級CO2或生產(chǎn)二氧化碳基全降解塑料，這樣將大大拓寬水泥生產(chǎn)廢氣的使用途徑。
　　在能量利用上，鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程的能量利用不僅停留在水泥生產(chǎn)中，而將其同化工系統(tǒng)結(jié)合起來綜合考察。如窯尾采用四級預(yù)熱器系統(tǒng)，使得出一級筒的廢氣溫度增高，同時用余熱鍋爐回收廢氣余熱生產(chǎn)蒸汽，用作化工系統(tǒng)的烘干熱源。從單個的水泥生產(chǎn)系統(tǒng)上看，這種高溫尾氣將會使熟料燒成熱耗上升，是一種不經(jīng)濟(jì)的工藝，然而從整個化工生產(chǎn)系統(tǒng)而言，由于出余熱鍋爐的廢氣溫度卻低于200℃，較先進(jìn)的現(xiàn)代干法生產(chǎn)線的280℃更低，因而廢氣帶走的熱更少，因而也是更科學(xué)的生產(chǎn)工藝。由于生料粉磨使用窯頭廢氣，也減小了窯頭廢氣帶走的熱量，提高了系統(tǒng)的能量利用率。
鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程資源在生產(chǎn)系統(tǒng)中的流動見圖4。圖中的虛框表示為石灰窯煅燒石灰的過程，在水泥熟料生產(chǎn)線運(yùn)行時石灰窯停止運(yùn)行。在資源的流動上，考慮到未來將使石灰窯停產(chǎn)，生產(chǎn)純堿的CO2將全部來自熟料燒成系統(tǒng)，其資源的流動將更加的合理。
　　鴻鶴化工綜合利用環(huán)保工程在資源的利用上較單純的水泥廠更加合理，由于有了較為成熟的CO2提純技術(shù)，因而對石灰石的利用上更加徹底，同時能大大降低水泥生產(chǎn)系統(tǒng)的溫室氣體的排放量。在能量的利用上，能從整個生產(chǎn)系統(tǒng)的全局上加以把握，因而能量的利用率大大提高。從原料的使用上，由于主要使用廢渣作為原料，因而有利于改善環(huán)境。從這幾點上來說，鴻鶴化工1 000t/d熟料生產(chǎn)線工程是真正意義上的綠色工業(yè)。
3　水泥工業(yè)提高資源利用率的途徑
　　從水泥工業(yè)形成以來，技術(shù)進(jìn)步日新月異，發(fā)展到當(dāng)代，從單一的水泥生產(chǎn)過程中實現(xiàn)資源和能量的進(jìn)一步節(jié)約的潛力越來越小，在這種情況下，如能同其它的工業(yè)生產(chǎn)過程相結(jié)合（如化工生產(chǎn)過程），利用彼此的能量和資源利用的互補(bǔ)性來提高資源的利用率將會是一種有效的途徑。
　　水泥燒成系統(tǒng)對原料的適應(yīng)性較強(qiáng)，燒成溫度高且物料在窯系統(tǒng)停留時間較長，因而該系統(tǒng)能夠消化吸收很多種廢棄物；而水泥粉磨系統(tǒng)則需要大量的混合材料，許多現(xiàn)在使用的混合材料在以前也都是廢棄物，因而開發(fā)混合材料新種類也是吸收廢棄物的重要途徑。從社會資源的節(jié)約的角度出發(fā)，在水泥工業(yè)吸收廢棄物是一種節(jié)約資源的有效途徑。而工業(yè)廢棄物則是來源穩(wěn)定、成分固定的二次資源，適合應(yīng)用于水泥工業(yè)，并通過廢棄物將水泥工業(yè)同其它工業(yè)聯(lián)系起來，從而構(gòu)成了各個工業(yè)過程相互關(guān)聯(lián)的資源利用分配網(wǎng)，實現(xiàn)資源的高效使用。在本文中所討論的兩個廠就是吸收工業(yè)廢棄物的典型范例。
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摘處《中國水泥》2005年 04月號